乙酸丁酯废气治理工艺研究
2019-05-07王洁袁东超邓妍武莉娅卢娇玲杨宗政
王洁，袁东超，邓妍，武莉娅，卢娇玲，杨宗政
(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457；2.天津市津津药业有限公司，天津 300380； 3.天津科技大学 海洋与环境学院，天津 300457)
乙酸丁酯广泛应用于化工、制药、涂料和皮革等工业生产中[1]。乙酸丁酯易燃，与空气能形成爆炸性混合物，对生产企业产生安全隐患。近年来，国家针对挥发性有机物的排放标准颁布了多项法律条文[2]。
目前处理乙酸丁酯废气的研究以吸收法[3-6]和生物法[7-8]居多。生物滴滤法对微生物接种条件、水量、pH值的控制及营养物质要求较高[9]，而吸收法具有效率高、处理量大、操作简单，且污染物便于回收利用等优点被广泛应用[10-11]。重要的是，现有的工艺治理效果不能满足新的VOCs排放标准(80 mg/m3)。
本文以油酸甲酯和油酸乙酯混合溶液(1∶1体积比)为吸收剂处理乙酸丁酯废气，研究了吸收塔填料层高度、吸收剂温度和吸收剂使用次数对处理效果的影响，研究出达到排放标准的最适工艺条件。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
乙酸丁酯、油酸甲酯、油酸乙酯均为分析纯。
ACO-818型空气泵；BT100-2J型蠕动泵；吸收塔(填料层高度1 000 mm，塔径50 mm，采用陶瓷散装填料)；PID VOC气体检测仪。
1.2 实验方法
实验流程见图1。
图1 实验装置流程图Fig.1 Flow chart of experimental device1.空气泵；2.缓冲罐；3.汽化罐；4.吸收剂保温箱；5.吸收塔；6.吸收、解吸塔；7.蒸汽发生器；8.蠕动泵；A.检测点；F1、F2.流量计；T1、T2.温度计；H.活接口
汽化罐装有乙酸丁酯液体，空气泵将新鲜空气经缓冲瓶缓冲后送入汽化罐，通过空气吹脱液态乙酸丁酯，形成乙酸丁酯与空气的混合气体，以模拟工厂乙酸丁酯废气。吸收剂经蠕动泵从塔顶进入吸收塔逆流吸收模拟废气。经一级吸收后的气体从塔顶流出，经管道进入二级吸收塔底部进行二次吸收。一级吸收塔与二级吸收塔间用软管以活接口相连，打开活接口即为单塔吸收。在解吸操作中，通过蒸汽发生器将水加热成热蒸汽进入解吸塔，与来自塔顶的吸收液进行逆流解吸。
实验通过空气流量计和乙酸丁酯流量计调节进塔废气流量和乙酸丁酯质量浓度，进塔吸收剂流量可以通过蠕动泵转速大小进行调节；进塔吸收剂温度可经塔顶温度计测量；进塔和出塔乙酸丁酯浓度可通过VOCs检测仪检测。实验均在常压条件下进行。
乙酸丁酯的吸收率由下式计算：
η=(Cm1-Cm2)/Cm1
其中η——吸收率；
Cm1——进塔乙酸丁酯质量浓度，mg/m3；
Cm2——出塔乙酸丁酯质量浓度，mg/m3。
2 结果与讨论
2.1 填料层高度对吸收效果的影响
吸收剂温度10 ℃，废气流量2 m3/h，吸收剂流量3.7 L/h，进塔乙酸丁酯质量浓度5 550 mg/m3，研究了填料层高度对乙酸丁酯的吸收效果，结果见图2。
由图2可知，乙酸丁酯吸收率随着填料层高度的增加而增加，出塔浓度随之减小，当填料层达到一定高度时，吸收率的增加也趋于平稳。这是因为填料层高度的增加，提供了更大的气液接触面积，同时也延长了接触时间，增强了传质效果。当填料层达到一定高度时，气液接触已经足够充分，所以吸收率最终趋于平稳状态。当填料层高度为1 000 mm时，乙酸丁酯吸收率达到了94.4%。
图2 填料层高度对吸收率的影响Fig.2 Effect of height of packing layer on absorption rate
2.2 吸收剂温度对吸收效果的影响
进塔气体浓度5 550 mg/m3，废气流量2 m3/h，吸收剂流量3.7 L/h，填料层高度1 000 mm，研究吸收剂温度对乙酸丁酯吸收效果的影响，结果见图3。
图3 吸收剂温度对吸收效果的影响Fig.3 Effect of absorbent temperature on absorption
由图3可知，吸收剂温度对吸收率的影响较大，当吸收剂温度在10 ℃以内时，吸收率在94%以上，当温度高于20 ℃时，吸收率会降到90%以下。由于吸收剂温度的增加会加大气液两相的平衡分压，降低传质推动力。同时，根据亨利定律，当温度升高时，亨利系数会增加。所以当吸收剂温度升高时，乙酸丁酯吸收率会随之减小，这与现有文献的结论相符[12-13]。考虑到吸收剂温度降低的成本问题，本研究选用吸收剂温度为10 ℃。
2.3 吸收剂重复使用次数对吸收效果的影响
吸收剂温度10 ℃，吸收剂流量3.7 L/h，气体体积流量2.0 m3/h，进塔废气浓度为8 010 mg/m3，吸收剂连续进行吸收。解吸实验条件：采用填料解吸塔，填料层高度1 000 mm，吸收液流量15 L/h，水蒸气流量1 m3/h。每次吸收塔吸收之后利用解吸塔进行解吸操作，考察吸收剂重复使用次数对吸收效果的影响，结果见图4。
图4 吸收剂重复使用次数对吸收效果的影响Fig.4 Effect of the number of repeated use ofabsorbents on absorption
由图4可知，当用纯吸收剂时，乙酸丁酯吸收率较高，随着吸收剂使用次数的增加，吸收率逐渐减小。这是因为乙酸丁酯易挥发，吸收剂的多次使用会使原吸收的乙酸丁酯部分解吸出来，所以此吸收剂对乙酸丁酯吸收后，在没有解吸条件下吸收率下降较快。在一定条件下，当吸收剂进行解吸操作后，吸收率略有降低，但随着解吸次数的增加其吸收效果较为稳定，且吸收率基本稳定在91.3%左右。
2.4 双塔吸收中气体流量对吸收效果的影响
进塔乙酸丁酯浓度在8 010 mg/m3，双塔吸收剂流量均为3.7 L/h，吸收剂温度为10 ℃，通过改变空气和乙酸丁酯流量计来调节进塔气体流量，研究气体流量对双塔吸收效果的影响，结果见图5。
图5 双塔吸收中气体流量对吸收效果的影响Fig.5 Effect of gas flow on absorption indouble tower absorption
由图5可知，第1塔出塔乙酸丁酯浓度随气体流量的增大而增大，吸收率逐渐减小，第2塔出塔浓度基本稳定在67 mg/m3左右，而吸收率逐渐增大，与第1塔吸收率呈现相反趋势。由于气体流量的增加使气体在吸收塔中停留时间减少，气液两相接触不够充分，导致吸收率降低。虽然第2塔的气体流量也在增加，但由于其进塔浓度(第2塔进塔浓度与第1塔出塔浓度相等)增加，进而增大了第2塔吸收率。在进塔气体流量为2.0 m3/h时，仍能保持较高的吸收率。因此，本研究选用气体流量为2.0 m3/h。
2.5 双塔吸收中进塔吸收剂流量对吸收效果的影响
进塔乙酸丁酯浓度8 010 mg/m3，废气流量2.0 m3/h，吸收剂温度10 ℃，进塔吸收剂流量对双塔吸收效果的影响见图6。
图6 双塔吸收中吸收剂流量对吸收效果的影响Fig.6 Effect of absorber flow on absorption in doubletower absorption
由图6可知，当吸收剂流量大于3.7 L/h时，最终出塔尾气中乙酸丁酯浓度在80 mg/m3以下。第1塔吸收率随吸收剂流量增大而增大，第2塔吸收率则不是太稳定。这是因为吸收剂流量较小时，填料表面没有得到充分的润湿，而吸收剂流量的增加相当于加大了填料的润湿率，提高了传质推动力，所以第1塔吸收率随吸收剂流量增加而增加。虽然第2塔吸收剂流量不断加大，但第1塔出塔浓度一直在减小，且减小幅度较大，从而导致了吸收率不稳定的现象出现。在吸收剂流量大于3.7 L/h时，吸收率增加不是太明显，考虑到吸收剂成本问题，本研究选用的吸收剂流量为3.7 L/h，此时液气比为0.124 (mol/mol)。
2.6 双塔吸收中进塔浓度对吸收效果的影响
进塔吸收剂流量3.7 L/h，废气流量2.0 m3/h，吸收剂温度10 ℃，进塔气体浓度对双塔吸收效果的影响见图7。
图7 双塔吸收中进塔浓度对吸收效果的影响Fig.7 The effect of the concentration of the inlettower on the absorption of the two towers
由图7可知，第2塔乙酸丁酯出塔浓度的变化较为稳定，都在80 mg/m3以下。在吸收剂流量和气体体积流量一定的条件下，第1塔吸收率随乙酸丁酯浓度的增加而增加。这是因为当吸收压力和温度不变的情况下，气体在液相中的平衡质量浓度与气相分压成正比，所以质量浓度越高其吸收率越大；另一方面，进口浓度的增加会加大气膜内乙酸丁酯的分压，从而加大了传质推动力，第1塔吸收率增加。由于第1塔出塔浓度总体呈现下降趋势，且浓度较小，因而第2塔吸收率会出现下降的现象。
3 结论
(1)在废气流量2 m3/h，吸收剂流量3.7 L/h，进塔乙酸丁酯质量浓度5 550 mg/m3，吸收剂温度10 ℃，填料层高度1 000 mm时，吸收率可达94.4%；吸收剂在没有解吸条件下重复使用时，吸收率会快速降低；采用填料解吸塔，当填料层高度为1 000 mm，吸收剂流量15 L/h，水蒸气流量1 m3/h时，对吸收剂进行解吸，解吸后的吸收剂对乙酸丁酯吸收率可达91.3%，且随着解吸次数的增加吸收率始终稳定。
(2)在双塔吸收中，当进塔气体流量2 m3/h，吸收剂温度10 ℃，吸收剂流量3.7 L/h，液气比0.124(mol/mol)时，乙酸丁酯最终出塔浓度随进塔浓度和气体体积流量的变化较为稳定，均小于80 mg/m3，能够达到天津市《工业企业挥发性有机物排放控制标准》(DB 12/524—2014)中的其他行业VOCs的排放标准；第2塔进塔浓度较低使其吸收率小于第1塔吸收率，双塔的吸收率具有相反的变化趋势。
