提高活性炭床吸附、解析效率方法研究

（焦作金葉醋酸纖維有限公司 河南 454100）

1.VLA氣體溫濕度、流速對活性炭吸附的影響

我們通過對進活性炭床的VLA氣體的相對濕度、溫度、風速等因素，來判斷活性炭的吸附效果。

(1)VLA濕度對活性炭吸附的影響

一般來說，活性炭的表面是疏水性的，即使是水分存在的體系，對于像碳化氫化那樣的非極性物質(zhì)，范德華力成為吸附主力，擁有強大的吸附力。但是對于具有極性的水，吸附量在相對濕度50%附近急速增加，接近100%時也會變得非常大。

實驗：固定VLA氣體溫度40℃、濃度1.5%LEL及風量55000m3/h，我們調(diào)整屋頂冷卻器的冷卻水量，及VLA總管上蒸汽加濕閥開度，用干濕球方法測量進活性炭床VLA氣體濕度，控制其相對濕度在40%、50%、60%，用TG-503型化工氣體成分分析儀檢查出氣時濃度。我們發(fā)現(xiàn)不同濕度下活性炭床尾氣曲線如圖1。

圖1 同條件下，不同相對濕度時活性炭床尾氣變化

在此實驗，我們發(fā)現(xiàn)50分鐘后，相對濕度越高，尾氣上漲速度越快。所以我們在生產(chǎn)中，保證工藝安全的情況下，降低VLA的濕度，特別是保證相對濕度在40%以下，有助于活性炭的吸附效率。

(2)VLA溫度對活性炭吸附的影響

活性炭吸附是一個放熱吸附。因此，溫度低，是很有利于活性炭的吸附，但是吸附溫度符合動力學方程，即吸附速度下降，造成吸附時間變長，生產(chǎn)效率變低。簡而言之，溫度變低，吸附速率降低，吸附容量降低。

我們調(diào)整總管的循環(huán)水的水量，控制進吸附床的溫度，發(fā)現(xiàn)吸附溫度在35℃、40℃、45℃時，吸附量雖有降低，但降低并不明顯，因吸附是一個放熱過程，隨著溫度的升高，平衡吸附量減少，活性炭床的進氣溫度應(yīng)控制在40℃以內(nèi)。

(3)VLA氣體的流速對活性炭的影響

VLA氣體的流速過大或過小對吸附過程都不利，因活性炭吸附絕大部分為物理吸附，流速過大，氣體的滯留時間過短，丙酮未被活性炭微孔吸附就已經(jīng)逃逸出去，造成吸附傳質(zhì)區(qū)長度變長，未吸附區(qū)極易被穿透（在“活性炭床吸附時間的研究”章節(jié)中會繼續(xù)探討），尾氣升高。但降低風速，雖有助于丙酮氣在活性炭床的停留時間，但進活性炭床風速每降低0.1m/s，總管濃度上漲20%～50%，總管濃度達到爆炸下限的75%LEL以上時，對安全極為不利。

活性炭床的進氣面積已定，VLA氣體的流速控制范圍應(yīng)≤0.5m/s。我們實際工業(yè)生產(chǎn)中，控制總管丙酮濃度在50%～70%LEL之間，風速在0.2m/s～0.4m/s之間。

2.活性炭床吸附時間的研究

在活性炭床VLA吸附操作單元，隨著吸附時間的增加，活性炭床尾氣逐漸上升，直至和進活性炭床的濃度一致?，F(xiàn)以濃度39g/m3，溫度40℃，40%的相對濕度的VLA進入活性炭床，通過尾氣曲線，確定吸附床的吸附時間。

圖2

當丙酮氣體進入活性炭床，丙酮被活性炭吸附，經(jīng)過一段時間后形成了圖2中三個區(qū)間：經(jīng)L1線的氣體濃度與進口濃度C0一致為吸附飽和段；L1～L2為吸附傳質(zhì)區(qū)，氣體濃度逐漸降低，經(jīng)L2的氣體濃度接近初始排放濃度，L2線～L3線為活性炭未吸附區(qū)。

實驗：我們在活性炭床進氣和排氣處，加裝在線丙酮氣體監(jiān)測儀（TG-503型化工氣體成分分析儀），在活性炭床吸附70min時，尾氣超過170ppm，且穿透率開始急劇上升，且尾氣濃度以指數(shù)上升，則活性炭床吸附趨于飽和。

考慮到回收丙酮與消耗蒸汽的消耗，我們將成本W(wǎng)，丙酮和蒸汽單價分別為P1和P2，尾氣瞬時濃度為C1，使用平均蒸汽流量為，則我們可以得到以下公式：

此公式中W=1時，成本為最佳，我們可以根據(jù)尾氣排放的瞬時濃度，推算出吸附時間。但我們在工業(yè)生產(chǎn)當中，考慮到環(huán)保，我們通常把吸附時間定在W＜1時。

3.活性炭床解析蒸汽的研究

活性炭床在吸附一定丙酮后，需用蒸汽對此臺吸附床升溫升壓進行解析，讓活性炭床維持在110℃，0.07MPa一定時間，使活性炭中絕大部分丙酮脫附活性炭的微孔，隨著蒸汽進入冷凝器。

活性炭床升溫升壓至110℃，0.07MPa前為升溫升壓區(qū)，在升溫升壓期間，發(fā)現(xiàn)閥門B（出氣閥）沒有氣體流出，閥門C（疏水閥）有大量70～90℃的冷凝水流出，在解析過程中，因碳倉和活性炭及吸附丙酮加熱至110℃是固定值，則進氣總量只和排出的冷凝水的量和溫度有關(guān)。通過大量實驗數(shù)據(jù)研究，閥門A（進蒸汽閥）的大小控證在蒸汽流量7t/h～9t/h時，吸附床升溫升壓最經(jīng)濟合理。

在升至110℃，0.07MPa后，我們稱活性炭床為穩(wěn)壓區(qū)，此時閥門C無冷凝水流出，為維持此溫度及壓力，閥門B的開度，直接決定閥門A的進蒸汽量。

穩(wěn)定0.07MPa，110℃，閥門C是沒有冷凝水的，蒸汽流量只和閥門B的大小有關(guān)，閥門B的開度大小影響著瞬時解析液的濃度。

實驗：我們分別設(shè)置閥門B開度為“30%”“25%”“20%”，用100ml量筒、200ml量筒、0.7～0.8g/ml，0.8～0.9g/ml，0.9～1.0g/ml的玻璃球比重計，每間隔1min在解析液取樣閥取瞬時解析液量，并描點繪制解析液的趨勢圖如圖3。

從閥門B開度“30%”“25%”“20%”，瞬時解析液趨勢圖上可以得到以下結(jié)論：我們從此實驗發(fā)現(xiàn)閥門B在30%和25%的開度下，相同時間下，最終解析液濃度都能達到20%，但使用蒸汽流量上25%的較省，而繼續(xù)關(guān)小閥門B的開度至20%，雖然蒸汽流量變小，但最終解析液濃度在34%，解析不充分，間接影響著活性炭的吸附效果。從此實驗我們可以可將閥門B的開度定在25%。

圖3 閥門2不同開度下瞬時解析液濃度

4.結(jié)論

（1）控制進活性炭床的VLA的溫度、相對濕度、氣體流速等，有助于提高單位活性炭的吸附量，從而提高活性炭的吸附效率。

（2）通過把吸附時間控證在吸附傳質(zhì)區(qū)，且根據(jù)丙酮和蒸汽價格，再根據(jù)環(huán)保要求和經(jīng)濟要求，找出最佳的吸附時間。

（3）確定穩(wěn)定蒸汽流量，控制活性炭的升溫升壓時間，即不能讓升溫升壓過快，也要保證穩(wěn)壓有足夠的解析時間長度，再通過控證蒸汽的出口閥門大小，測量瞬時解析液和最終解析液濃度，控制出口閥門的開度。