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膜分離工藝 VOCs 回收與達標治理工程實例

發(fā)布時間：2023-04-11  人瀏覽

1.VOCs 分離膜簡介

1.1分離原理

不同于孔徑篩分機理，VOCs 分離膜作用是機理是溶解擴散，是一種以氣體混合物中組分蒸汽壓差為推動力，利用各組分在膜中的溶解和擴散速率的差異實現(xiàn)氣氣混合物分離的膜分離過程，從而達到優(yōu)先透過有機氣體，截留其它惰性氣體的效果。

1.2膜結(jié)構(gòu)

VOCs 分離膜為有機/有機材料復(fù)合膜，由以下三層結(jié)構(gòu)組成： 

分離層：致密聚合物材料 PDMS，無孔，溶解擴散機理；

中間層：多孔高分子構(gòu)成，提供氣體流道并對極薄的分離層進行支撐；  

支撐層：無紡布或織布制成，提供機械支撐以適應(yīng)工作壓力。

1.3膜產(chǎn)品實物圖片

2.工業(yè)應(yīng)用

采用壓縮淺冷+膜分離+吸附/吸收/CO/RTO 可以實現(xiàn)有機尾氣的回收套用及達標排放。膜法 VOCs 回收技術(shù)已成功入選生態(tài)環(huán)境部頒布的 2021 年《國家先進污染防治技術(shù)目錄（大氣污染防治、噪聲與振動控制領(lǐng)域）》（公示稿）推廣技術(shù)，在醫(yī)藥、化工、石化行業(yè)高濃度 VOCs 處理已取得廣泛應(yīng)用，在二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、環(huán)己酮、正己烷、環(huán)己烷、三苯、汽柴油等體系均有成熟應(yīng)用案例。下面以壓縮淺冷+膜分離+吸附工藝在制藥企業(yè)二氯甲烷尾氣回收與達標治理領(lǐng)域的實際應(yīng)用進行介紹。

2.1工藝流程

當含二氯甲烷、空氣、氮氣的混合尾氣排放時，尾氣通過收集管線率先進入系統(tǒng)配置的緩沖罐中；當檢測到緩沖罐中壓力時，系統(tǒng)配置的壓縮機將根據(jù)緩沖罐壓力傳感器信號自動運行，同時根據(jù)來氣量自動調(diào)節(jié)電機工作頻率，壓縮機出口壓力大概為 0.7MPa，溫度控制在 50℃以下。經(jīng)壓縮機增壓后的氣體進入系統(tǒng)配置的冷凝器，冷凝器設(shè)計為兩級，冷凝器Ⅰ利用冷凝器Ⅱ后不凝氣作為冷源，尾氣被預(yù)冷至 15℃左右，同時也升高了不凝氣進膜的溫度。冷凝器Ⅱ采用廠區(qū)-5℃左右的冷凍水作為冷媒（若無-5℃冷媒，可以通過更低溫度的冷媒調(diào)溫或 裝置內(nèi)自配一臺制冷機組制取冷媒），尾氣將被冷卻至 0~2℃。在冷凝器內(nèi)有機組分的分壓將超過其相應(yīng)的飽和蒸汽壓而液化，一部分二氯甲烷蒸汽被冷凝回收。不凝氣中二氯甲烷成分濃度降低至 3.0v%后進入膜系統(tǒng)。由于二氯甲烷等有機氣體在膜層的傳輸速率遠大于空氣、氮氣，有機尾氣在壓力和濃度的分壓差作用下迅速透過膜層，透過氣得到濃縮富集，富集氣濃度約在 12.9v%，富集氣經(jīng)真空泵輸送至壓縮機入口再次處理。未透過膜層氣體（貧氣）中有機組分濃度能降低至 0.2v%以下，這部分尾氣進入吸附系統(tǒng)深度處理達標后排放。整個工藝的原則流程如下圖：

2.2工藝說明

壓縮淺冷單元：增壓后的二氯甲烷尾氣先后進入冷凝器Ⅰ、Ⅱ先后被冷卻到 15℃、0℃， 在冷凝器中有機氣體的蒸汽分壓將大大超過其相應(yīng)的飽和蒸汽分壓，此時 60~70%二氯甲烷冷凝成溶劑流入回收罐內(nèi)儲存，液位與排液氣動開關(guān)閥連鎖實現(xiàn)自動排液；不凝氣體進入膜   系統(tǒng)再次處理，達到充分回收。尾氣增壓的優(yōu)勢：

1）采用壓縮機對尾氣增壓提高了各組分的沸點，使得有機物料更易從氣體中析出；

2）由于來氣中含有水分，冷凝溫度控制在 0~2℃可以在本質(zhì)上確保系統(tǒng)不結(jié)冰；

3）克服了尾氣透膜過程中的阻力；

4）提高了分離膜的處理通量，減少了膜的用量，   降低了投資成本；

5）壓縮淺冷相比直接深冷可節(jié)約電耗 1/4~1/3。

膜單元：不凝氣進入到膜單元，大部分有機氣體被膜系統(tǒng)富集，富集氣經(jīng)真空泵抽提后進入壓縮機入口進一步處理。膜單元為純物理分離過程，不添加外來組分，無二次污染， 不涉及化學反應(yīng)，安全性高。尾氣組分始終不與其它可燃、易燃物質(zhì)接觸，在尾氣流程中，沒有遇明火爆炸的可能性；所有電氣、儀表、元器件及控制系統(tǒng)均按國家石化行業(yè)相關(guān)標準進行防爆設(shè)計、選型，確保在易燃易爆氣體危險環(huán)境下安全運行。優(yōu)先透有機物氣相膜技術(shù)是上世紀末發(fā)展起來的一門新興氣體分離手段。它利用不同的有機氣體如烷烴、芳香烴等與氮氣、氧氣等常規(guī)氣體在高分子分離膜中滲透速率的差異實現(xiàn)選擇性分離，從而達到富集回收有機組分的目的。常見的有機組分包括烷烴、芳香烴、酯類、醚類、酮類、氯代烴類等在膜中的滲透速率是常規(guī)惰性氣體的十倍至數(shù)十倍，因此混合氣體通過膜組件時，滲透側(cè)形成有機氣體高濃度流，在滲余側(cè)形成常規(guī)氣體富集的貧有機組分流，從而實現(xiàn)氣體分離。

VOCs 分離膜有以下幾個主要技術(shù)特點：

（1） 高滲透性，分離膜層較薄，基膜的阻力很小，滲透通量高；

（2） 高選擇性，膜的功能性分離層具有顯著的選擇透過性，分離因子高；

（3） 低風阻，管式膜膜組件流通面積大，處理大氣量時，系統(tǒng)阻力非常??；

（4） 長壽命，膜在正常使用情況下，一般可使用 5~8 年；

（5） 物理分離過程，能耗低，比直接壓縮冷凝或深冷要節(jié)能 1/2~1/3； 

（6） 膜分離過程具有凈化過程，且不引入其它組分；

（7） 友好環(huán)境操作方便安全，運行可靠。

吸附單元：膜后貧氣進入吸附單元，采用變壓吸附工藝（PSA）進行處理。變壓吸附法是在壓力作用下利用分子間作用力，使 VOCs 氣體中的有機物選擇性的吸附在多孔吸附劑的表面，而實現(xiàn)有機物分離的方法。在壓力作用下，吸附劑優(yōu)先吸附 VOCs 組分，很少吸附空氣或氮氣等其它組分，空氣或氮氣等其它組分在吸附塔的塔頂排放；待吸附劑吸附飽和后，通過解吸程序，被吸附的 VOCs 解吸下來，吸附劑得以再生。吸附法僅適用于處理濃度非常低的場合和體系，防止過高的吸附熱而帶來高溫等危險因素，通常作為尾氣末端用于達標的把關(guān)手段。為了進一步降低尾氣排放的濃度，達到排放標準（二氯甲烷濃度≤50mg/m3），本工藝設(shè)置了兩并兩串的活性炭罐交替吸附脫附工作，通過設(shè)置時間來切換，氣體中的少量 VOCs 被活性炭吸附，未被吸附的尾氣直接達標排放。吸附單元設(shè)置在工藝流程的尾端，經(jīng)過前面膜處理后進入吸附單元的氣體中有機物含量極低，使得吸附單元的尺寸大大降低，同時也提高了活性炭的使用壽命。吸附設(shè)有兩組活性炭吸附塔（每組兩臺），采用一組吸附，一組脫附的控制方式，固定時間切換，實際情況按現(xiàn)場調(diào)節(jié)。為了盡可能延長活性炭使用壽命，并確保較低的解吸能耗，通過螺桿真空泵對吸附塔抽真空（真空解吸，避免產(chǎn)生廢水二次污染），產(chǎn)生的高濃度解吸氣返回到壓縮機前端耦合處理。

來源：作者朱澤求，江蘇久膜高科技股份有限公司。VOCs減排工作站再編輯。

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