CN1159094C - 用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特点是，包括：使电流通过所述导电吸附剂而加热所述导电吸附剂，其中，并无冲刷气流导经所述吸附剂，然后在电流关掉后，将一股冲刷气流导经所述吸附剂，以同时将所述被吸附的有机物质驱出并将吸附剂冷却。

Description

用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法
技术领域
本发明有关一种用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法。
背景技术
借着将有机气体物质吸附在吸附剂上(特别是在活性炭上)而将所述有机气体物质从废气流分离的方法，多年以来已在工业上获得应用，因此，例如用在将溶剂回收的设备上。此处主要使用固体床颗粒倾料(Festbettgranulatschttung)当作活性炭。布席形式的纤维形活性碳较少使用，这类布席形式的纤维形例如有：不织布、梭织布、或编织物，它们被卷成环形吸附器或夹入框结构中。利用吸附作用的废气净化的整个程序一般分三个主步骤进行：承载步骤、再生步骤、冷却步骤。在承载步骤时，所述吸附剂被所要净化的废气流过，且在此过程时将有机物质结合在其内部孔隙构造中。在承载过程中，承载物流的前锋部分沿流动方向漂泊通过吸附器。如果在吸附器的一端(沿流向看)上的吸附剂承载了许多有机物，使得干净气体浓度达到一定界限值，则此吸附器的承载过程结束，并切换到另一个再生过的新鲜的吸附器。基于经济理由，一般希望使载满有机物的吸附剂再生。然而也有许多情形中，再生是不可能或不经济的。特别当有机物质的浓度很低时尤然，例如：建筑物供空气或建筑物的空调系统的循环空气中供空气。在这些情形中，载满有机物的吸附剂要当作废弃物处理并用新的取代。
由于吸附作用是一种可逆程序，故结合的有机物质在再生步骤中可再从吸附剂中除去，其方法是将平衡条件改变。关于这点举例而言，可用以下方法实现：将吸附剂加热，并利用一股冲刷气流将所吸附的有机物质从吸附剂中驱出。举例而言，这种程序是使用在水蒸气再生式及惰性气体再生式的活性炭吸附设备的场合。在这两种情形中，所述冲刷空气同时也当作吸附剂的加热媒质。因此，吸附剂的加热作用和有机物脱附(脱离吸附)作用(Desorption)是不可分离地连结一起。由于使用冲刷气体将承载有机物的吸附剂间接加热，故需要很大的冲刷气体的体积流。在用水蒸气再生的情形，水蒸气从吸附器出来后，须随同所述从吸附剂脱附的有机物质冷凝。然后，所生的冷凝液冷凝，冷凝须用繁复的程序，例如利用分馏(Rektifikation)处理，使水与有机物质分开。而惰性气体再生的方式(其中一般使用氮气做惰性气体)比水蒸气再生式更繁复，因为此情形中，氮气是循环通过吸附器，且它在冷凝步骤须冷却到极低温度，俾使脱附的有机物质冷凝，且使吸附剂的剩余承载量在再生步骤结束时要很低，使得以后的承载步骤中能维持所要的干净空气浓度。
利用这种方法所能达到的纯化因数(Anreicherungsfaktor)(最大再生气体浓度/原气浓度)只有40，其原因是所述吸附剂受惰性气体加热的作用由于其热容量小而进行得很慢，因而需要大的流速，在0.1~0.5m/s之间。如果所述吸收剂不是间接受冲刷气体加热，而是直接通过电流加热，则可大大地改善。在此情形中，由于把加热与冲刷过程的纠结分开，故冲刷气体的量可大大减少，且可达到高得多的纯化因数。
因此，在德国专利案DE 195 13 376 A1发表了一种有机溶剂的回收装置，它由一环形固体床构成，所述固体床充满活性炭颗粒，且可用电加热，使废气流流过所述固体床，以吸附溶剂，然后用再生气体流过，以进行脱附或再生。在这种装置的情形中，所述环形固体床的外函壳和内函壳由一种构成电极的格栅金属构成。利用这种方法，可使纯化因数达到120，因此所需的冲刷气体的体积流可减少到原气体积流的5~10％。在这种小「比气体量」(spezifische Gasmenge)(它相对于活性炭床的流动面积很小)的场合，只有当在吸附器内部中央，例如利用一条具有许多细孔的分配管冲刷，所述活性炭床才能用冲刷气体起到对良好再生作用所需的均匀冲刷作用。在这种方法，对于「有机物质承载使用寿命时间」(Beladestandzeit)以及干净气体浓度的品质而言，其缺点为：再生气体流本身受到活性炭加热，且因此在再生时，从内向外活性炭温度有落差，最内的活性炭层达到的再生温度远低于较外层者。结果使最内的活性炭层再生程度不足，因此在承载步骤时，不能达到像例如在最干净的空间供空气的场合所需的，那种很低的干净气体浓度，例如几个μg/m3。
在德国专利DE 41 04 513 C2揭示了一种吸附器，它同样地直接利用电流加热，其特点是，使用纤维形的活性炭做吸附性材料，举例而言，所述活性炭呈席布形式。这种吸附器的一实施例以示意图方式示于第1图中。
图中的这些框架有好几个可用空气工程方式及电气方式装接成许多种有用的装置以处理较大量的废空气。由于碳布很快受电加热(这种加热作用可在不到一分钟内完成)，故可达成高达1500的纯化因数，举例而言，如果溶剂须回收，则这一点很有利。
其缺点为：须花费很大的成本，以使再生气体均匀地分布在过滤面范围。因此，在上述的例子中，相对于一个1m×3m的过滤器的过滤面积，再生气体速度只有0.01m/s。在这种流速，举例而言，经过五层活性炭纤维布，只造成10Pa的压力损失，因此，当这种再生气体跑到过滤器上时，气体须已均匀分布。举例而言，这点可利用一种分配管系统实现，所述分配管系统具有许多孔，沿高度及横截面的范围分布，再生空气呈自由流束的方式从这些孔出来，如图2所示。
因此，当所要处理的空气量很大时，换言之，当有数个过滤框架组件时，则要设置许多分配管(3×过滤框架的数目)，过滤框架或者一分配管和过滤器之间的距离必须选设得很大(0.87m)，这样，会使所述装置的构造体积加大到很不经济。
此外还有一个缺点：在这种电方式的再生方法，脱附气体的加热作业也是借着使热从电加热的炭布热传递到空气而实现，由于形成温度梯度，故对于废空气净化程序的效率而言，有上述的负面结果。这一点在使用活性炭纤维布时，如图3所示，由于使用的碳量少，故其影响比起在用颗粒炭(其中要处理同量的废空气需使用多于100倍量的活性碳)的场合还要大得多。这种大温度梯度的结果，使得在再生时，所述第一碳布层(沿再生方向看的第一层，它对废空气的细微净化作用很重要)不能最适当地再生，这一点在随后承载时就可明显看出，因为承载使用寿命时间缩短，且能达到的干净气体浓度变差。当然，再生气体速度越高，则这种负面效果越大。
另一缺点为：如以下的表所示，在较高的脱附气体速度时，所需的电加热功率随着脱附气体速度增加而急遽上升。其结果使得基于经济理由在使用由活性炭纤维布制的电再生的吸附器时，再生气体速度要保持尽量低，这点又使它需要一种繁复的再生气体分配系统的设备。
表一
                       在活性碳纤维布再生时电功率需求与再生速度的关系
解吸气体速度(cm/s)     0     1     2     5     1 0     20
总电加热功率(kW/m2)     3.1     5.2     7.5     14.4     26.2     49.4
最后一点，这种方法还有一缺点：即，活性炭布的温度很难调节(对于这种方法的实际应用，这种温度的调节，基于安全技术的理由也是很重要)。这种问题产生的原因在于：活性炭纤维布的导热性和热容量很小，因此如果使用传统温度测量方法，例如用电绝缘的温度元件，则反应的时间会延迟很多，此外，「测量值」的误差很大，因为它和所述温度元件与炭布之间的(或然率)的机械性接触的好坏有关。由于这种炭布从室温加热到例如200℃，只要大约一分钟的时间，此外，活性炭的电阻呈负温度系数，故在这种方法中，活性炭布有很大的过热之虞。
在这两种现有的电气式再生气体吸附的方法的冷却步骤中，吸附剂借着空气或惰性气体通过而冷却到一温度(此温度是随后承载步骤所需要的)。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种将导电吸附剂，特别是活性炭纤维布进行电方式再生的方法，与传统再生法例如惰性气体再生法及水蒸气再生法相比较具有以下优点：脱附时间和加热时间很短；在再生时纯化因数很大；在必要时再生温度可达300℃；在纤维形的吸附剂的场合，从气相过渡到吸附相的物质过渡区中有极快的运动机构；十分经济，因为在电气式再生方法中，只有活性炭与再生气体要加热，而管路、容器、和其他设备部分无需加热；而且克服了如上述的传统电气式吸附剂再生法的缺点，特别是：也可用远大于2cm/s的脱附气体速度，而不会使得所述用于加热吸附剂的电端子值远大于在脱附气体速度小于1cm/s时的值。这种性质，当在使用空气做再生气体时且此再生空气不需进一步净化时，例如当要把供应到建筑物的空气除去外界空气中所含的气体质除去时，是特别所希望的；不需繁复的装置以将再生气体均匀地分布在过滤器的流动面，因此，一方面，这种分布装置的设备成本可省，另一方面，这种过滤器的空间需求比起传统构造方式来却大大减少；此再生方法本身自然对防止活性炭纤维的过热与燃烧情事有安全性，换言之，不需电功率的温度调节。
为实现上述目的，本实用新型的用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特点是，包括：使电流通过所述导电吸附剂而加热所述导电吸附剂，其中，并无冲刷气流导经所述吸附剂，然后在电流关掉后，将一股冲刷空气气流导经所述吸附剂，以同时将所述被吸附的有机物质驱出并将吸附剂冷却。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明；所述实施例是根据一种实验设备的测量值，且其中使用了本发明的方法的所有特征。
附图说明
图1是德国专利DE 41 04 513 C2所揭示的一种现有吸附器的示意图；
图2是图1的现有吸附器的分布系统的示意图；
图3是所述现有吸附器中活性炭布层的温度与再生气体速度的关系座标图；
图4是本发明一较佳实施例的吸附器的一剖面图；
图5是采用所述实施例所得到的甲苯的穿透曲线图；
图6与图7分别是经过分布管以及不用分布管的脱附作用的示意图；
图8~图11是所述节律(脉波)式脱附作用的时间走势图。
具体实施方式
在一个实验室的实验设备(其度量尺寸设计为具有0~30m3/小时的空气量)中依以下说明进行实验以进行吸附及脱附，在进行脱附时有时间间隔的节律。
如图4如示，在实验室的吸附器1中，承载作用是沿图示方向从原气管路5来经由过滤器2到干净空气管路4。在此将五个层的ACF夹入在过滤器框架中。供应管路3及导离管路6在承载阶段时是关闭着。承载浓度对溶剂甲苯是选设成约40mg/m3，其中，原气的相对湿度在23℃时是保持在50％。
当过滤器自由过滤面积在宽度0.07m，高度0.21m时，其上的速度为0.3m/s。此实验一直进行到穿透浓度为原气浓度的10％为止，如图5所示。所选设的穿透浓度为4mg/m3，此穿透浓度在约40分后达到。
在随后的脱附作业时，空气沿着与吸附时相反方向导进，其中，依气体速度而定，所述「脱附气体」经由所述脱附管3或正常管路4导入，如图6和7所示。此再生空气经「再生空气管路」导离。在整个再生作业(它由二个部分步骤构成加热各脱附/冷却)中，原气管路经常关着。
在脱附作业时，温度的测量作业是以无接触方式在过滤器表面用红外线测量以及用特别制备的温度元件在过滤层间测量。
整个脱附作业如下进行，见第8~图11：
★借着在恒定电力供应下直接加热一段2.5分的时间将过滤材料加热。如此使吸附器上的阀关闭。
★将电力供应停止2.5分后，打开过滤器的吸附器上的阀，为时0.5分。在此时间中，将脱附的溶剂、脱附的水运走，并将过滤器上的温度降低。在0.5分后将吸附器上的阀关闭。
★借着在恒定电力供应下直接加热一段2.5分的时间将过滤材料加热。
利用这种时间节律方式和程序的进行，总共作了七次加热和流过的作业，然后可再开始另一个吸附过程。
在过滤器上加热时，在最先的两个时段中达到的较低的温度是受到在ACF上所吸附的水的先前发生的脱附作用的影响。然后，从第三时段起，则达到对应的电力供应和时间所要的固定温度曲线。
出乎意料地，如今证实：利用这种时段式再生方式所述活性炭纤维布只用七个时段即可大幅脱附，虽然在原本的脱附时间---它和冷却时间一样---没有加热的电力供应，但这段时间很短，例如在再生空气速度20cm/s时只有30秒且在这段时间内，所述活性炭纤维布的温度从最初的220℃降到约40℃。在随后承载阶段时，再达到相同的使用寿命时间(Standzeit)；这显示：存在着一种固定的状态，也即，在这种时段脱附时，可脱附掉与先前在承载阶段中所吸附的一样多的甲苯量。
出乎意料地，我们发现，如果脱附作业时段的数目保持不变，则在本发明的再生方法中，所述再生气体速度在很大的范围中实际上对于脱附品质、电能消耗、或电端子功率、以及在随后承载阶段时的干净气体品质并无影响；而这点对上述的方法而言也是很有利的。这点可在下表中清楚看出：
表二
再生速度cm/s   5   10   20
再生气体分配器   有   无   无
脱附时段数目   7   7   7
电加热功率kW   0.16   0.16   0.16
每个脱附时段的加入能量kJ   24   24   24
最大脱附气体浓度g/m3   10.2   11.5   10.5
原气浓度mg/m3甲苯   40   40   40
相对湿度％   50   50   50
在随后承载阶段开始时的干净气体浓度mg/m3甲苯   0.1   0.18   0.13
一直到穿透浓度为原气浓度的10％为止的使用寿命时间分   44   39   40

Claims (7)

1.一种用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特征在于，包括：使电流通过所述导电吸附剂而加热所述导电吸附剂，其中，并无冲刷气流导经所述吸附剂，然后在电流关掉后，将一股冲刷空气气流导经所述吸附剂，以同时将所述被吸附的有机物质脱附驱出并将吸附剂冷却。
2.如权利要求1所述的用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特征在于：
所述二个部分步骤---加热与脱附/冷却---是在时间上先后相随重复数次。
3.如权利要求1或2所述的用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特征在于：
所述加热步骤作一段预定的固定时间。
4.如权利要求3所述的用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特征在于：
所述一段预定的固定时间是计算成使所述时间是在供给电加热功率时将完全未承载的吸附剂加热到预定最大温度所需的时间。
5.如权利要求1或2所述的用于将载有有机物质的导电吸附剂再生的方法，其特征在于：
所述通过吸附剂的空气气流速度为0.1~0.5m/s。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述吸附剂由纤维状活性炭构成，所述纤维状活性炭呈不织布、梭织布、或编织布的形式。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述加热与脱附/冷却的时间选设成使所述吸附的混合物依其挥发性而被脱附及捕集。
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