吸附法回收氯乙烯工艺改进的研究
来源： 阅读：1529 更新时间：2008-08-01 11:45摘 要：在氯乙烯精馏尾气回收中，采用活性炭纤维吸附工艺替代颗粒活性炭吸附工艺。该工艺的改进，不仅大大地简化了工艺流程，由原来的5个单元减少到2个单元，将加压吸附改为常压吸附取消了-35℃冷盐水降温和冷空气降温、热空气干燥、氮气置换等工序，还大幅度地降低了脱附蒸汽用量，脱附蒸汽消费由原工艺6kg/(kg·氯乙烯)降至1.5kg/(kg·氯乙烯)，并且提高了氯乙烯的回收率和质量，使氯乙烯的回收率稳定在90％以上，尾气排气浓度在1%以下。
关键词：聚氯乙烯；氯乙烯；活性炭吸附法；活性炭纤维；工艺
目前，在传统的氯乙烯精馏尾气回收中，不少厂家都采用颗粒活性炭吸附工艺。但这类工艺，由于采用的是颗粒活性炭吸附材料，使得工艺流程复杂、操作稳定性和安全性差、氯乙烯回收率低，运行费用高。针对上述缺点，河北中环环保设备有限公司通过理论和实践的研究，经过一年的努力，在国内首次开发出来用活性炭纤维吸附回收氯乙烯的工业化装置，取得了很好的运行效果。不仅大大地简化了工艺，由原来的5个单元减少到2个单元，将加压吸附改为常压吸附，取消了35℃冷盐水降温、热空气干燥、冷空气降温、氮气置换等工序、而且还简化了操作，加强了运行的安全性和稳定性，提高了氯乙烯的回收率和质量，收到了很好的环境效益和经济效益。
1.由加压吸附改为常压吸附
由加压吸附改为常压吸附主要是由吸附剂的性质和两种吸附结构决定的。固体吸附剂主要是利用其巨大的内表面对气体进行吸附，吸附剂对气体的吸附过程一般要经过以下3个阶段：
(1)外扩散，气体分子由气相主体向固体吸附剂外表面的扩散；
(2)内扩散：气体分子由固体吸附剂外表面向内表面的扩散；
(3)吸附：到达固体吸附剂内表面的气体分子被吸附剂内表面吸附，这个过程的速度是极快的。
因此，内、外扩散对气体的吸附速度有决定性的影响。
由于活性炭颗粒的当量直径有几毫米甚至十几毫米，因此微孔孔道很长，其长度要比活性炭纤维大2～3个数量级。要想使气体分子通过长度比活性炭纤维大2～3个数量级的孔道，不用加压的方式是很难达到的；而活性炭纤维，由于其孔道极短，常压下气体就能很容易地充满整个孔道。从吸附床的结构看，由于传统吸附工艺的床层厚度多在2m以上，且床层孔隙率低，因而床层阻力大；而活性炭纤维吸附床的床层厚度不超过0.5m，且床层孔隙率很高，因而床层阻力小。从这一点上讲，就能理解为什么新工艺将加压吸附改成了常压吸附。
2.取消了低温盐水和冷空气降温
吸附是放热过程，实验研究，每吸附1 mol的有机溶剂，可能要放出60～80kj的热量，这样就会导致床层升温，当床层温度超过40℃，吸附效率将迅速下降。传统工艺采用低温盐水(盘管或列管式)对吸附床层降温的原因是：由于传统工艺床层厚，吸附时间长(一般为8h)，加上床层孔隙率低，传热效果差，使床层升温很快，因此必须采用低温盐水不断地为床层降温，以保持吸附效果。
传统工艺的冷空气降温是在热空气干燥之后，也是为了床层温度降到40℃以下，有利于下一步的吸附。新工艺取消了这两个工序的原因是因为活性炭纤维不仅孔隙率高，传热效果好，而且床层薄，加之吸附周期短（一般不会超过0.5h），因而，在吸附过程中热量积聚很少，不会造成床层的温度显著声高，对吸附效果也不会有影响。对经过水蒸气脱附过的床层，设计了内循环降温系统，利用经过第一次吸附的尾气对床层进行冷却，效果很好。
3.大幅度降低了脱附蒸汽用量
绝大部分有机溶剂吸附工艺都采用水蒸气脱附，因其安全，潜热大。脱附水蒸气主要分为3部分：
(1)加热蒸汽（主要用来加热床层及系统）；
(2)脱附蒸汽（把被吸附的有机物脱附下来）；
(3)动力蒸汽（把脱附下来的有机物吹出床层）。
在传统工艺中，由于吸附在活性炭上的氯乙烯在很深的孔道里面，又加上吸附剂床层很厚，阻力大，这就决定了要把氯乙烯脱附下来并且吹出床层，就必须耗费大量的蒸汽；而新工艺采用活性炭纤维，孔道短，易脱附，又加之床层薄，阻力小，所以仅使用少量的蒸汽就可以完成脱附。工艺实践充分证明，传统工艺脱附1kg氯乙烯要耗费6kg以上的蒸汽，而新工艺脱附1kg氯乙烯耗费的蒸汽在1.5kg以下。
4.取消了热空气干燥
根据Langmuir吸附理论，吸附剂的吸附容量是与其表面积成正比的。由于经过水蒸气脱附，床层中会留下大量的水分子，这些水分子会占据吸附剂的表面，因此会影响新一轮的吸附。传统的理论还认为，由于水分子对吸附表面的亲和力大，如果不除去，这些水分子会占据吸附剂表面，很难再进行新的吸附。
但是，随着对活性炭（包括活性炭纤维）用于有机溶剂吸附理论和吸附实践的研究，国内外学者都发现，水分子在炭吸附剂表面的存在对大部分有机溶剂的吸附都不会造成影响，进一步研究发现，这些有机溶剂分子对活性炭表面的亲和力远大于水分子对活性炭表面的亲和力，因而，在新一轮吸附时，只要温度合适，有机溶剂分子就完全可以把水分子置换下来。
根据以上分析，传统的颗粒活性炭吸附氯乙烯工艺是不可以去掉热空气干燥的。脱附用水蒸气会有一定的量凝结成水留在炭层里。这一定量的凝结水分为两部分：吸附在内表面的吸附水及积存在活性炭孔道里的游离水。由于活性炭纤维绝大多数为0.0015～0.0030μm的小孔，而颗粒活性炭除小孔外，还有0.01～0.1μm的中孔和0.5～5.0μm的大孔，因而，经过脱附后的颗粒活性炭中所含的主要是凝结水，这也就是传统工艺脱附蒸汽用量远远大于新工艺的原因。如果不用大量的热空气把这些凝结水蒸发掉，就很难再进行新一轮的吸附。
新工艺之所以取消了热空气干燥，原因是在吸附剂孔道里的主要是吸附水，再吸附时，有机溶剂分子基本上可以把它们置换出来。这一点在我们对苯类、氯乙烯等的吸附工程实践中已多次得到了证实。
5.取消了氮气置换
传统工艺中之所以加进了氮气置换，主要是要求整个工序中的含氧量不超标。由于在前道工序中设置了热空气干燥、冷空气降温，吸附床层充满了空气，必须用氮气把它们置换掉，以保证整个系统运行的安全及回收的氯乙烯中含氧量不超标。
新开发的工艺取消了氮气置换工序，主要原因是开发出了一套具有独立知识产权的专有技术。这项的开发成功，彻底切断了空气向运行系统的渗入，因而，完全没有必要再用氮气去置换，保证了系统运行的绝对安全，回收到的氯乙烯完全合格，可将它们直接回送到生产系统。
6.结 语
河北中环环保设备有限公司开发出的氯乙烯回收新工艺，从吸附原理的研究着手，在对传统工艺进行认真分析的基础上，进行了大胆的改革，开发出了一套全新的工艺装置，经过实际的工业化应用，使氯乙烯的回收率稳定在90%以上，尾气排放浓度在1%以下，投资回收期在1年之内，而该套装置可稳定运行8年以上，收到了很好的环境效益和经济效益。
