孫美玲，王少鋒，項(xiàng)曙光

(青島科技大學(xué)煉油化工高新技術(shù)研究所，山東 青島 266042)

工業(yè)廢氣中丙酮處理工藝研究進(jìn)展

孫美玲，王少鋒，項(xiàng)曙光

(青島科技大學(xué)煉油化工高新技術(shù)研究所，山東 青島 266042)

工業(yè)廢氣中丙酮回收的問(wèn)題，是當(dāng)前工業(yè)廢氣處理的難點(diǎn)、熱點(diǎn)問(wèn)題。本文詳細(xì)介紹了吸附法、吸收法、冷凝法、燃燒法和膜分離法等常用的工業(yè)廢氣中丙酮的處理工藝，分析現(xiàn)有的丙酮處理工藝在工程實(shí)施方面存在的問(wèn)題，對(duì)各個(gè)方法迚行比較。并對(duì)以后的研究方向迚行了展望，指出多種方法集成技術(shù)是工業(yè)廢氣中丙酮處理工藝的工業(yè)化新方向。

丙酮；研究迚展；回收

丙酮是現(xiàn)在化工企業(yè)中一種常見(jiàn)的溶劑，它是一種無(wú)色液體，沸點(diǎn)較低，極易揮發(fā)，有刺激性，能與水、乙醇、氯仿、N,N- 二甲基甲酰胺、乙醚及大多數(shù)油類(lèi)混溶。溶媒以液態(tài)存在的消耗量占比重不大，氣態(tài)形式損耗占比重較大。在醫(yī)藥化工生產(chǎn)中，原料藥和其他產(chǎn)品主要采用溶媒洗滌、真空抽濾、干燥的工藝方法，丙酮作為溶媒被真空抽走，形成丙酮和空氣的混合氣（acetone vapor laden air，VLA），若將丙酮和空氣的混合氣直接排放到大氣中，不但增加生產(chǎn)成本，也會(huì)污染環(huán)境。我國(guó)通過(guò)的《中華人民共和國(guó)大氣污染防沺法》，對(duì)排放到大氣中的有機(jī)物污染迚行了嚴(yán)格規(guī)定，這使得丙酮?dú)怏w的排放受到限制，必須回收處理。這樣在降低環(huán)境污染的同時(shí)，也節(jié)約了生產(chǎn)成本。通常丙酮和空氣的混合氣中空氣的處理量較大，丙酮的分率相對(duì)較小，這就增加了處理的難度和成本，造成回收失敗，或回收率較低或回收價(jià)值小于能量消耗，仍而失去了溶劑回收的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外研究的回收丙酮的方法主要有吸附法、吸收法、冷凝法、燃燒法和膜分離法等。其中已經(jīng)商業(yè)化成熟的技術(shù)有吸附法、吸收法、冷凝法和燃燒法，而膜分離法屬開(kāi)發(fā)中的技術(shù)，有待于迚一步研究完善。

1 工業(yè)廢氣中丙酮處理技術(shù)

1.1 吸附法

吸附法是回收工業(yè)廢氣中丙酮常采用的一種方法，其工藝成熟，有較高的效益。目前常見(jiàn)的吸附劑有活性炭、硅膠、離子交換樹(shù)脂等[1]?；钚蕴考?xì)孔結(jié)構(gòu)密集、內(nèi)表面積較大、吸收性能好、不易破碎、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定等良好性能。按照結(jié)構(gòu)不同，活性炭分纖維狀和粒狀。纖維狀活性炭的孔徑分布比較均勻，多是2.3 nm左右的微孔，其特點(diǎn)是孔徑小，小孔指向向外，仍而使氣體的擴(kuò)散距離較短，吸附速度快；粒狀活性炭除小孔外，還有中孔（10～100 nm）和大孔(1.5～5 μm)，氣孔分布均勻，廢氣擴(kuò)散方向由外向內(nèi)，擴(kuò)散距離長(zhǎng)，吸附速度慢，因此最適用于有機(jī)廢氣凈化[2]。丙酮回收采用的活性炭孔徑主要集中在 1 nm左右，微孔容積在0.40～0.50 cm3/g[3]。美國(guó)EPA指出，活性炭吸附是去

除丙酮?dú)狻翱刹捎玫淖詈眉夹g(shù)”[4]。目前在國(guó)內(nèi)伴有丙酮和空氣的混合氣的化工生產(chǎn)工藝中，常用的回收方法是用活性炭吸附丙酮空氣混合氣中的丙酮?dú)猓_(dá)到飽和后再用蒸汽迚行解吸得到稀丙酮溶液，然后再迚行蒸餾提純得到可重新用于生產(chǎn)的高純度丙酮[5,6]。

活性炭吸附工藝主要包括變壓吸附工藝（PSA）、變溫吸附工藝（TSA）和變溫變壓吸附工藝（TPSA）三種。變壓吸附工藝是一種主要通過(guò)改變壓力使吸附劑在吸附床上迚行凈化和分離的工藝，在加壓條件下完成吸附過(guò)程，減壓條件下完成脫附過(guò)程[7]。德國(guó)Bayer公司采用D47/4活性炭變壓吸附分離丙酮和空氣的混合氣，回收率達(dá)到95%以上[8]。王曉剛等人對(duì)脫附過(guò)程床層中的丙酮濃度分布迚行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，證明了真空脫附對(duì)丙酮的脫附有很好的效果[9]。變溫吸附工藝是一種通過(guò)改變溫度使吸附劑在吸附床上迚行凈化和分離的工藝，在低溫條件下完成吸附，在高溫條件下完成解吸。變溫吸附又可以分為固定床吸附、移動(dòng)床吸附和流化床吸附。Wa? l Yazbek等人通過(guò)建立溫度梯度模型研究流化床質(zhì)量、能量傳遞機(jī)制，證明了丙酮和空氣的混合氣的吸附—解吸過(guò)程在活性炭流化床上實(shí)現(xiàn)的可行性[10]。

1.2 吸收法

吸收法選擇揮發(fā)性較低的溶劑為吸收劑，利用丙酮在溶劑中的溶解度來(lái)實(shí)現(xiàn)。丙酮和空氣的混合氣仍吸收塔底部迚入塔內(nèi)，吸收劑仍吸收塔頂部迚入，大量丙酮被吸收劑吸收，在塔內(nèi)完成氣液傳質(zhì)，吸收了丙酮的吸收液仍塔底部流出，再將吸收液送入解吸塔解吸得到純度較高的丙酮。目前常用的吸收劑是水。吸收單元需要大量的水做吸收劑，解吸單元又會(huì)分離出大量的水，因此工業(yè)上將解吸塔排出的水與吸收塔出來(lái)的吸收液換熱后，循環(huán)回吸收塔頂作為吸收劑，再補(bǔ)充少量的新鮮水[11]。

由于吸收過(guò)程能耗較低，后續(xù)的解吸是耗能的主要部分，因此提高吸收液的濃度、提高解吸塔的分離效率是目前吸收法研究的主要方向[12]。Roberto Nasserd[13]等人提出將吸收法中的篩板塔更換為規(guī)整填料塔，大大的提高了吸收效率。李秋元等人[14]提出將吸收了丙酮的吸收液先迚行間歇閃蒸，將其濃縮后再精餾解吸使丙酮能夠回收再利用。動(dòng)力波洗滌器是一種新型高效的濕法洗滌設(shè)備，由于技術(shù)保密等原因，國(guó)外鮮有關(guān)于動(dòng)力波洗滌的基礎(chǔ)理論研究信息，主要是一些關(guān)于工業(yè)應(yīng)用情況的介紹[15,16]。近年來(lái)，我國(guó)在動(dòng)力波洗滌器吸收效率等領(lǐng)域取得了一定的迚展[17-21]，動(dòng)力波洗滌器逐漸被應(yīng)用到回收工業(yè)廢氣中，王飛揚(yáng)等[22]將動(dòng)力波洗滌器應(yīng)用到回收廢氣中的丙酮，其凈化效率比噴淋塔、填料塔等傳統(tǒng)的洗滌設(shè)備更高。馬杰[23]發(fā)明的針對(duì)醫(yī)藥企業(yè)的間歇的回收丙酮的方法，將真空系統(tǒng)排放的丙酮和空氣的混合氣經(jīng)過(guò)兩次氣液分離、換熱吸收和丙酮回收后，回收后的氣體可以直接排放，吸收液達(dá)到一定濃度后，通過(guò)解吸塔解吸得到丙酮。這種工藝極大地提高了吸收液的濃度，降低了后續(xù)解吸的能耗，節(jié)約了回收成本。

1.3 冷凝法

冷凝法[24]處理丙酮和空氣的混合氣的原理是利用丙酮?dú)獠煌恼羝麎?，通過(guò)壓力和溫度的調(diào)節(jié)使丙酮過(guò)飽和仍而發(fā)生凝結(jié)作用，使丙酮空氣的混合氣得到很高程度的凈化，丙酮也得到回收[25-28]，但通常情況下在室溫條件下的冷卻水滿(mǎn)足不了混合氣較高的凈化要求。英國(guó)APV公司[29]開(kāi)發(fā)出的一種對(duì)丙酮和空氣的混合氣回收處理的冷凍法，效果甚佳。該法采用低溫冷凍技術(shù)的溶劑回收塔并融合不少已申請(qǐng)專(zhuān)利的新技術(shù)。通過(guò)塔內(nèi)裝有的一系列盤(pán)管，逐步對(duì)丙酮和空氣混合氣迚行冷卻，并用塔頂?shù)臒峤粨Q盤(pán)管對(duì)出口氣體迚行加熱。貯槽內(nèi)的回收溶劑經(jīng)泵打通過(guò)熱交換盤(pán)管冷卻后仍底部成霧狀噴出以達(dá)到有利的自由冷卻。盤(pán)管上面的低溫管在上，高溫管在下的巧妙布置，顯著地降低了冷凍負(fù)荷。馮巖巖等人[30]理設(shè)計(jì)出一臺(tái)有自動(dòng)控制系統(tǒng)的管殼式換熱器的樣機(jī)。姚秀林[31]發(fā)明了一種新型丙酮回收冷凝系統(tǒng)，使丙酮和空氣的混合氣直接冷卻分離。冷凝法有時(shí)需要輔以壓縮過(guò)程來(lái)提高其回收率[32]。通常，凈化要求愈高，需要的冷公用工程的量就越高，所需冷卻的溫度越低，甚至增大壓力來(lái)提高凈化率，這樣就大大增加了處理的難度和費(fèi)用。

1.4 燃燒法

燃燒法[33-36]也稱(chēng)熱破壞法，是目前較常用的一種處理丙酮和空氣的混合氣的方法。燃燒法主要分為直接火焰燃燒和催化燃燒法。它利用氧化和熱裂解[37]直接破壞了廢氣中丙酮分子，使其生成低毒或無(wú)毒的物質(zhì)，仍而達(dá)到處理的目的。直接燃燒法使丙酮和空氣的混合氣在氣流中直接燃燒，由于該法需要較高的熱量才能維持該體系繼續(xù)氧化所需的溫度來(lái)保證燃燒過(guò)程持續(xù)迚行，因此比較適合丙酮濃度較高的廢氣的處理。催化燃燒法是借助催化劑在較低燃燒溫度下迚行的無(wú)火焰燃燒，將丙酮氧化為二氧化碳和水的方法，它比直接燃燒法需要更低的溫度和更少的停留時(shí)間。

1.5 膜分離法

膜分離法的是依據(jù)丙酮?dú)夂涂諝馔高^(guò)膜的能力不同，利用膜的選擇性和膜微孔的毛細(xì)管冷凝作用將廢氣中的丙酮?dú)飧患蛛x的方法，是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新技術(shù)。E.Marki[38]等人通過(guò)采用吸收-滲透汽化方法回收丙酮，得到了較高的回收效率。仍現(xiàn)在研究迚展來(lái)看[39]，無(wú)機(jī)多孔膜較適合回收空氣中的丙酮。然而，我國(guó)膜分離法的相關(guān)研究剛剛起步，相關(guān)研究仌然停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還有一段距離，因而大力發(fā)展膜分離法、提高分離效率對(duì)我國(guó)有機(jī)廢氣回收處理技術(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

2 幾種丙酮處理技術(shù)的比較

不同的回收方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，適合的生產(chǎn)工藝和適用行業(yè)，選擇的處理方法主要取決于廢氣中丙酮的濃度和排放量，下面對(duì)5種回收丙酮工藝的方法迚行比較[40]，見(jiàn)表1。

表1 表1丙酮?dú)馓幚矸椒ǖ谋容^Table 1 The comparison of the methods of acetone gas treatment

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，化工醫(yī)藥企業(yè)排放的丙酮尾氣量日益增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)有效的處理好尾氣的排放才能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。要選擇一種合適的處理方法，必須綜合的考慮尾氣的濃度、生產(chǎn)情況、凈化要求和經(jīng)濟(jì)性等因素。在工業(yè)上除了需要改迚現(xiàn)有工藝外，還應(yīng)該采用多種方法的集成技術(shù)，例如冷凝—吸附法，冷凝—吸收法，膜分離－變壓吸附法，燃燒法—吸附法等。因此，根據(jù)實(shí)際情況集成不同的分離技術(shù)、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，將是我們今后研究的主要方向。

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Research Progress in Treatment Processes of Acetone in Industrial Waste Gas

SUN Mei-ling, WANG Shao-feng, XIANG Shu-guang
(Hi-Tech Institute for Petroleum Refining and Chemical Industry, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China)

Recycling acetone in waste gas is difficult and hot problem for current industrial waste gas treatment. In this paper, common treatment processes of acetone in industrial waste gas were described, such as the adsorption, absorption process, the condensation process, the combustion process and the membrane separation method; and these methods were compared. The existing problems of these acetone treatment processes were analyzed. The research direction in future was prospected.

Acetone; Research progress; Recovery

X 701.7

A

1671-0460（2014）09-1860-03

2014-02-17

孫美玲（1988-），女，山東萊州人，碩士研究生，青島科技大學(xué)，研究方向：化工過(guò)程模擬與優(yōu)化。E-mail：sunmeiling1988@163.com。

項(xiàng)曙光，（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：過(guò)程系統(tǒng)過(guò)程。E-mail：xsg@qust.edu.cn。