论文总字数：24763字

摘 要

本文介绍了一种高净化度处理挥发性油气废气的回收装置，针对现有处理技术的不足，对其设计改进。通过对油气先压缩冷凝再进行吸附处理，从而达到最新国家排放标准；采用吸附罐并联交替进行吸附解析并对吸附饱和的吸附剂采用真空解析和氮气吹扫的方式再生，进而降低成本；设置废气回收管路和缓冲罐，对解析和吹扫产生的废气循环回收，以减少拆卸过程导致的二次污染，实现无损失油气回收。实验过程还对吸附剂解析方法进行研究，发现使用蒸汽解析会对卡博特活性炭吸附剂产生不利影响，使用氮气吹扫可以有效对吸附剂进行解析并且不影响再吸附效果。

关键词：高净化度 挥发性油气废气 吸附剂解析再生

Study on the adsorption recovery of VOC containing benzene and the development of adsorbent steam analysis process

Abstract

This paper introduces a high-purity recovery device for the treatment of volatile oil and gas waste gas, aiming at the shortcomings of the existing treatment technology, its design is improved. By compressing and condensing the oil and gas and then carrying out the adsorption treatment, the latest national emission standards are achieved; the adsorption tanks are alternately used for adsorption analysis and the saturated adsorbent is regenerated by vacuum analysis and nitrogen purge, thereby reducing costs; setting exhaust Recycling pipelines and buffer tanks recycle the exhaust gas generated by the analysis and purge to reduce secondary pollution caused by the disassembly process and realize lossless oil and gas recovery. During the experiment, the adsorbent analysis methods were also compared and found that the use of steam analysis will have an adverse effect on the activated carbon adsorbent. The use of nitrogen purge can effectively resolve the adsorbent and does not affect the resorption effect.

Key Words: High purification; Volatile waste gas; Adsorbent analysis regeneration

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 VOC处理技术 2

1.2.1 膜分离法 2

1.2.2 直接燃烧法 2

1.2.3 冷凝回收法 2

1.2.4 吸附回收法 3

1.3 活性炭吸附剂 3

1.3.1 热解和碳化 4

1.3.2 活化 5

1.3.3 表面改性 6

1.4 VOC吸附的影响因素 7

1.4.1 比表面积和孔体积 7

1.4.2 孔结构特性 7

1.4.3 化学官能团 9

1.4.4 再生周期 10

1.5 背景技术 10

1.6 研究内容 12

第二章 实验部分 13

2.1 实验试剂和仪器 13

2.1.1 实验试剂 13

2.1.2 实验仪器 13

2.2 表征仪器 13

2.2.1 比表面积及孔结构分析 13

2.2.2 吸附性能测试 14

2.3 实验装置和流程 15

2.3.1 实验装置 15

2.3.2 实验流程 16

2.4 吸附剂解析再生 16

2.4.1 再生方法 16

2.4.2 吸附剂 17

第三章 结果与讨论 18

3.1 比表面积和孔体积 18

3.2 穿透曲线 19

3.3 氮气吹扫气 20

3.4 蒸汽提浓 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 26

绪论

研究背景

目前我国化工行业存在的最大问题在于环境污染和资源紧张，对挥发性油气进行净化和对其资源化处理是当前化工行业的重要工作^[1]。这不仅对环境保护有利，同时也能最大限度做到安全成产。并且对挥发性油气中有机物的回收是节能环保战略性新型产业的重要组成部分。

挥发性有机化合物(VOCs)是指参与大气光化学反应的任何碳化合物^[2]，不包括一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物或碳酸盐和碳酸铵。挥发性有机物的主要来源是炼油厂、化工、燃料燃烧、制药厂、汽车工业、纺织制造商、溶剂加工、清洁产品、印刷机、绝缘材料等。常见的挥发性有机物有卤代烃、醛类、芳香化合物、多环芳香烃、醇类、烷烃、酮类、烯烃和醚^[3-4]。

由于挥发性油气储存时的挥发性有机物在生产、储存、运输、销售、使用等过程中非常容易挥发，从而产生十分严重的挥发性油气气体固定排放源，不仅造成资源损失，更构成了潜在的火灾危险^[5-7]，同时有毒油气气体严重污染了环境，危害职工身体健康^[8]。同时有毒油气气体严重污染了环境，危害身体健康。因此 对VOC的处理显得尤为重要。根据VOC是否被回收，处理技术分为回收技术和销毁技术。回收技术包括膜分离，吸收，吸附，冷凝；销毁技术包括催化氧化，生物降解，热氧化和等离子体催化^[9-13]等。目前国内挥发性有机物回收技术主要有膜分离法、直接燃烧法和冷凝回收法。膜分离法中，膜在低浓度油气中易产生放电层，增大了工程危险程度，且膜分离技术成本高、操作复杂，不适合大规模使用。直接燃烧法和催化燃烧法对于安全技术和操作方式要求很高，而且易产生其他有毒有害气体。冷凝回收以其过程简单、自动化水平高等优点成为油气回收的常用技术，并且该方法正处于不断进步发展的状态。但是冷凝法受到冷媒、制冷剂和能耗的限制，冷凝温度需要控制在-40 ^oC ~-70 ^oC，不能完全将挥发性油气液化，尾气不能达到标准排放标准(≤120 mg/m³)。由于具有温和的反应条件和挥发性有机化合物的回收，吸附回收技术更加经济和环保。吸附技术使用吸附材料与废气中的VOC进行物理和化学相互作用。这是富集和分离VOC的有效方法，

并且吸附材料可以通过热解吸或真空解吸重新使用。由于具有回收和再利用吸附材料和VOC的潜力，吸附技术被认为是一种有效且经济的控制策略。

VOC处理技术

膜分离法

当不同的气体分子通过选择性膜时，它们的扩散和渗透率是不同的^[14]。当在膜的两侧施加推力时，气体被有机选择性渗透膜分为两股。其中无法通过该膜的气流，除去了VOC并作为清洁空气排出，通过膜的有机气体继续参与循环冷凝过程。膜分离法回收VOC的方法是使用真空泵和纳米级气体分离膜。在气体分离膜两侧形成压力差，以使VOC气体通过分离膜。而空气通过膜的速率要小得多，通常，高分子膜对VOC的速率是空气的10至100倍。膜分离法主要应用于浓度为1000 mg/m³以上的VOC气体回收处理，该法的回收率可达到90%〜99.9%。膜分离法的最大优点在于运化效果好，整个处理过程没有二次污染，并且回收的VOC不需要再做后续处理。但是，膜处理技术的投资和运行成本很高，被污染的膜丢弃后会造成严重的环境污染。同时分离效率可能受到很多因素的影响，例如含尘气体，腐蚀性气体或气体接近露点。

直接燃烧法

直接燃烧法又称为直接火焰燃烧^[14]，其特点在于将废气中的VOC组分作为燃料处理，但具体应用的范围有限。其燃烧温度一般在1100 ^oC，仅适合用于处理热值较高和VOC浓度较高的废气。对于浓度较低的废气，通常需要先经过浓缩处理后再燃烧，从而会增加处理成本。

冷凝回收法

有机物在不同的温度下，其饱和蒸气压也不同，冷凝回收法^[14]就是借助这一原理，通过冷凝器进行降温或者升压操作，使有机物冷凝为液体，从气相中分离。通过冷凝压缩处理后，废气在很大程度上得到净化处理。表面冷凝和接触冷凝是最常见的两种冷凝方法。冷凝法广泛应用于高浓度VOC废气的处理过程，虽然理论上可以很大限度地净化废气，但受限于常温下无法用冷却水完成操作。为得到高度进化的废气，需要使用冷媒给冷却水降温，这无疑大大增加了操作过程中的难度。因此，冷凝法通常作为膜分离、吸附法等工艺的预处理过程，在回收一部分有机物的同时，降低后续工艺操作的负荷。

吸附回收法

吸附法^[14]通过使用比表面积大、具有多孔结构的吸附剂除去废气中的VOC组分，常见的吸附剂有活性炭、金属有机骨架(MOF)、沸石等。其原理为废气通过吸附剂的吸附床时，有机物分子被截留在孔道内，从而使废气得到净化。吸附法适合应用于温度、湿度较低，风量较大且VOC浓度低于5000 ppm的废气回收处理。但其影响因素也很多，除了吸附剂本身的物理性质和化学性质外，外界环境的温度、湿度和压力也都会吸附效果产生一定的影响。相比其他VOC处理方法，吸附法的工艺条件更加温和，操作成本和操作难度也更低，是未来可能广泛应用的一种处理技术。

活性炭吸附剂

活性炭(ACs)是一种目前应用最广泛的吸附材料，因为活性炭具有良好的物理特性和化学特性，大的比表面积，方便添加丰富的官能团，化学稳定性优良，较高的机械强度以及较好的耐酸碱性能使它成为吸附材料的首选^[15]。当然活性炭也有一些缺点。例如在吸附高温VOC的过程中，活性炭会因温度过高而发生自燃或塌陷于多孔结构中^[16]。活性炭的比表面积一般为478至3167 m²/g，平均比表面积为1404 m²/g。细孔容积为0.41〜1.75 cm³/g，平均细孔容积为0.72 cm³/g。通过用碱活化剂NaOH活化产生的桉木活性炭的最大表面积值为3167 m²/g。与其他吸附材料相比较而言，活性炭具有良好的吸附能力。VOC的吸附量范围为170.0〜737.0 mg/g，平均吸附量为460.0 mg/g^[17]。

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