活性炭回收丙酮技术研究进展总结

发布时间:2010-8-11 18:34:51 浏览次数:717
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摘要:本文综述了近年来中外学者就丙酮吸附回收用活性炭微孔结构和活性炭吸附丙酮的理论研究成果,介绍了活性炭吸附回收丙酮新工艺、新设备、*集成技术及其研究方向。
  关键词:丙酮,活性炭,回收利用    www.590.com销售部:贺平13643866137
  Research Progress of AC Adsorption for Acetone Aecovery
  Abstract:This paper briefly reviewed the up to date status of the theoretical studying results of micropore structure of activated carbon(AC) used for adsorption for acetone and the mechanism research of acetone recovery by AC, introduced the latest techniques, new equipments, integrated security technology, and forecasted the development tendency of the technology for acetone recovery by AC.
  Keywords: Acetone, Activated carbon, Recovery
  
  丙酮主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中,丙酮回收再利用是节约生产成本和减少COD、VOCs排放的环保需要。目前有三种工艺技术方法可供选择用于丙酮空混气体(VLA)的回收再利用,分别为深冷法、水吸收法和活性炭吸附解吸法。
  深冷法主要用于VLA流量少且丙酮浓度较高的工况,回收丙酮纯度高,可直接再利用,但冷量制取的成本较大。
  水吸收法回收效率高,水吸收后形成较低浓度的稀丙酮,需要配套精馏提纯工艺,能耗也较高,主要为吸收水冷却耗用的冷量制取能耗和低浓度稀丙酮精馏用蒸汽能耗。
  正如美国EPA所指出的,活性炭吸附是去除VOCs“可采用的*技术” [1],活性炭固定床变温吸附回收丙酮法较为成熟,可获得较高浓度(大于50%w)的稀丙酮,精馏后获得再利用丙酮。
  本文综述了活性炭回收丙酮技术中活性炭微孔结构研究、吸附理论研究、工艺技术、装置和*技术开发等进展。
  
  一、 丙酮回收用活性炭微孔结构研究
  不同种类的活性炭内孔微结构的区别,是不同活性炭对不同溶剂具有相对选择性的原因,活性炭孔结构决定于原料、生产工艺等因素,如孔径再造、表面化学改性等。活性炭产品主要指标有孔径及其分布、容积率、强度和灰分等,是选用活性炭依据,吸附小分子量VOCs(如丙酮、苯)时,选择平均孔径小的高比表面积活性炭;吸附较大分子量、直链型VOCs(如汽油)时,选择平均孔径大且孔径分布大的活性炭。活性炭灰分低且强度高,则耐热胀冷缩性要好,不容易粉化,经久耐用。
  刘军丽等[2]研究了适用于丙酮回收用活性炭微结构,指出微孔容积的大小决定了丙酮吸附量的多少,而与总孔容积关系不大。丙酮回收用活性炭微结构*指标:孔径主要集中在1纳米左右,微孔容积在0.4-0.5毫升/克。
  Kwon等[3]研究了炭表面的自然氧化,形成含氧官能团,这些含氧基团在高温时很容易分解去除,这类基团为丙酮分子优先吸附位,不影响活性炭对丙酮的吸附能力,且有利于降低单层丙酮吸附能和提高丙酮在活性炭微结构内部的吸收扩散系数。
  Joao Pires等[4]研究了丙酮、丁酮、三氯乙烷、三氯乙烯在不同颗粒炭的吸附等温线,结论为比表面积大且空隙率大,适用于大分子很 性物质的能力越强。
  罗宏慧等的研究结果表明混合气体的物质种类越多,穿透容量降低越严重,两种有机蒸汽共吸附时丙酮的穿透容量下降21.9% ,四种时则减少到41.7%[5]。
  
  二、 活性炭吸附丙酮的理论研究
  丙酮为典型的小分子弱很 性常用有机溶剂,毒性低,应用活性炭吸附丙酮实验数据,建立理论模型,或验证理论成果,相关报道丰富。
  Min-gyu Lee等[6],研究了丙酮、甲苯及其混合物在椰壳颗粒活性炭中饱和吸附量和穿透曲线,丙酮较甲苯有较低的吸附热,饱和吸附量为甲苯的五分之一。混合物吸附时丙酮穿透时间縮短,出口浓度由零上升至进口浓度的1.6倍,再趋于进口浓度,为典型的置换选择吸附现象。
  李立清等[7、8、9]研究了颗粒活性炭吸附丙酮等温线,属于Langmuir理论能很好描述的BDDT分类的Ⅰ型吸附等温线。利用数据工具,由不同温度下实验获得的等温线,获得颗粒活性炭吸附丙酮Langmuir数学模型公式:
  q= qsat Cin/(1+B Cin )
  qsat = 0.2427936exp(1424.299/T)
  B = 0.0002097869exp(1952.189/T)
  该模型说明,活性炭吸附装置一定时,其动态饱和吸附量与进口浓度和温度两因素有关,进口浓度越高,温度越低,则动态吸附量越大。
    就颗粒活性炭吸附丙酮脱附时压力与脱附速率等之间的规律进行了研究,结论为吸附柱压力越低,初始解吸速度越快,初始出口浓度越高,越具有经济性。
  在颗粒炭吸附丙酮实验基础上,建立了丙酮在活性炭固定床上的吸附穿透曲线数学模型:
  lgln[1/(1-C/c0)]= βlg(t-tB)-βlgta.
  式中c0为初始浓度;tB为起始穿透时间点;ta为平均传质区时间;β为反映活性炭特性的综合参数。在起始浓度和平均传质区时间确定情况下,该模型很好预测吸附柱出口浓度和时间的关系,初始浓度低,则达到一定出口浓度时,吸附时间长,即吸附周期长。在初始浓度、传质区某点浓度和吸附时间确定后,可计算出传质区时长,初始浓度越小则传质区时长越大,和实验结果相一致。
  Eva Besedova等[10]研究了活性炭吸附丙酮和异丙基苯的吸附等温线,与Toth模型吻合。丙酮和异丙基笨相比较,吸附热要低得多,活性炭表面异构化降低了丙酮吸附热,导致温度对丙酮的吸附量的影响要大于异丙基苯。
  徐磊、徐敏等[11]研究了活性炭水中吸附丙酮的现象,用Freundlich方程拟合了吸附等温线,相关度很 高;同时研究了等量微分吸附热与吸附量之间变化规律,随吸附量增大,等量微分吸附热降低;通过改变初始浓度、液相温度、粒径、搅拌等因素,研究了液相吸附丙酮动力学,用间隙搅拌表面扩散模型对吸附动力学数据进行了拟合。
  
  三、 活性炭回收丙酮工艺技术开发进展
  活性炭回收丙酮的固定床变温吸附工艺目前非常成熟,目前活性炭吸附丙酮的工艺技术开发,主要在流化床工艺、变压吸附工艺、变温变压吸附工艺和工艺节能等方向上。
  德国Bayer公司采用D47/4活性炭变压吸附法(PSA)分离丙酮空混气体,回收率略高于95%[12]。避免蒸汽解吸法(TSA)稀丙酮形成,无需后道提纯工艺。
  wael等[13]采用活性炭流化床方法对丙酮进行回收,根据浓度和温度梯度建立模型,以研究流化床质量、能量传递机制。活性炭吸附丙酮和再生通过活性炭在吸附罐与解吸罐之间的连续流动来实现,该法对活性炭强度要求较固定床装置更高。
  Gales等[14]采用活性炭变温变压吸附系统回收丙酮、乙酸和乙醇蒸汽,建立了变温、不绝热、非平衡状态下活性炭吸附的数学模型。通过实验方法,从节能角度,研究了活性炭回收丙酮、乙酸和乙醇的变温变压法(TPSA),即常温常压吸附,升温减压解吸。该法模型相对复杂,但节能效果优于单纯的变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)。
  一些学者对热气体解吸提出了改进,Reiter提出再生蒸汽与待吸附污染气流顺流的方法以提高脱附效率、延长活性炭的使用寿命,并采用周边空气而非传统的净化后气体作为干燥用气。
  
  四、 活性炭吸附丙酮相关装置与*运行研究
  活性炭回收丙酮溶剂的新装置开发,围绕节能、环保、*技术和自动控制要求展开。
  Mark w. townsend [15]介绍了一种拖车式丙酮回收装置,用于回收车间清洗设备用脏丙酮,闪蒸提纯后再利用。
  范秀娟等[16]介绍了一种用于处理苯酚丙酮水洗尾气的活性炭固定床吸附解吸装置。两步骤工艺,即吸附、蒸汽解吸;时序法自动控制;*设计为150°报警和脱盐水自动进入活性炭吸附器。该装置保证了排空尾气浓度不超过10ppm。
  丙酮气相浓度检测技术方面,吉林大学QIQI等[17]制得哑铃型氧化锌微晶,用于丙酮测试仪探头,哑铃型氧化锌微晶对丙酮分子具有高度选择性和灵敏性,能区分丙酮和乙醇。
  活性炭吸附回收有机溶剂的*保障系统,是多维多措施有机集合体,包括正确的工艺和设备设计,以及工艺设备运行中管理与维护。丙酮闪点低,活性炭吸附回收丙酮*要求非常高,主要包括活性炭表面气流均布、风速控制、工艺管线和装置防静电、装备防爆设备、含丙酮空气的防尘(特别是防含贵金属粉尘)预处理、温度和风阻等监控与自动消防等。运行中较高的相对湿度对*有利,严防热量点积聚、明火、静电放电现象发生,保证工艺设备的运行*。
  
  五、 总结
  1、适用于回收丙酮活性炭特点为微孔比率高且比表面积大。微孔内表面氧化很 性点为丙酮分子的优先吸附位。丙酮和其它有机溶剂混合时,活性炭穿透容量下降,VLA中其余有机物的预处理,对提高丙酮动态吸附率有利。
  2、活性炭吸附丙酮没有一种吸附理论能适用于所有工况。通过模拟吸附回收工况,测定等温曲线的测定,判断选用合适的吸附理论预测穿透点、吸附率等。
  3、活性炭吸附丙酮的固定床工艺技术日趋成熟,流化床吸附回收丙酮工艺、固定床变压吸附工艺、和具有节能特点的变温变压(升温减压)吸附工艺模型成为新的研究开发方向。
  4、活性炭吸附回收丙酮工艺装置开发方面,近年来主要成果有用于丙酮浓度检测仪感应探头的哑铃型氧化锌微晶、易地解吸的拖车式丙酮回收装置、一种苯酚丙酮尾气固定床装置及其*保护设计等。
  
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