CN113856392A - 一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工安全技术领域,一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***及方法。该VOCs捕收***能够根据现场VOCs浓度进行“一键切换”操作,使该装置在膜分离‑压缩冷凝‑吸附和压缩冷凝‑膜分离‑吸附两种工艺间实现无隙切换,在实现全浓度VOCs混合气体捕集和收储的同时,保证装置在高效、低能耗模式下运行。利用多个分离单元协同耦合增效的优势和切换适宜的处理工艺,保证了各分离单元在各自优势区间工作,可处理废气浓度范围宽,分离效果高,能耗低,具有很好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于化工安全技术领域,涉及一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***。该VOCs捕收***结构紧凑、占地面积小、采用模块化集成设计,易于安装且便于迁移。能够根据现场VOCs浓度进行“一键切换”操作,使该装置在膜分离-压缩冷凝-吸附和压缩冷凝-膜分离-吸附两种工艺间实现无隙切换,在实现全浓度VOCs混合气体捕集和收储的同时,保证装置在高效、低能耗模式下运行。
背景技术
在化工、制药、印刷、石油化工装置生产、开停车及故障(管线泄露或者机泵故障)、罐区油气装卸作业过程中经常排放含有挥发性有机物(VOCs)的废气。如果不能对这些含有VOCs的废气进行及时处理,不仅将会给企业生产带来巨大的安全隐患、造成严重的异味及环境污染,严重危害企业职工及附近居民的身体健康;而且造成重要资源(如轻烃、油气、溶剂等)的浪费,降低企业经济效益。此外,含VOCs废气往往组分复杂、浓度范围宽,***区间范围较大。因此,如何实现对废气中VOCs的高效处理,是维护生产安全、保障人民群众生命健康、促进生态文明建设、实现企业提质增效的迫切要求。
吸附技术是一种常见的VOCs回收处理技术,它有如下优点:脱除效果好,易实现达标排放;常温操作,能耗低;可连续循环操作。但其也存在一些不足,例如:吸附剂吸附容量有限,对VOCs浓度较高的废气,操作时间将会大大缩短;较重的VOCs将降低吸附剂使用寿命;当VOCs浓度较高时,易发生“飞温”,损坏吸附剂结构的同时,存在重大安全隐患;另外,其排放出解吸气,还需要进一步处理。
压缩冷凝技术也是处理VOCs废气的重要方法。其是采用升压冷凝技术,使VOCs在高压低温下冷凝为液体,得到液体回收物的方法。适用于处理高浓度VOCs废气。其优点是工艺简单,可靠性高;回收物直接为液态VOCs。缺点是前期投资较大;制冷能耗高;不适宜处理低浓度VOCs废气。
气体膜分离技术以其投资费用低、操作简单、分离效率高、占地面积小、易与其它化工单元装置耦合等明显优势,且对原料浓度波动情况适应性强。但是单独的VOCs膜分离技术难以实现排放气的排放要求。
综上,以上三种VOCs废气处理技术具有各自的优点和不足,在不同的浓度区间具有独自的分离优势。因此,提出对以上三种处理工艺进行耦合,开发一种高效的多种分离技术集成的VOCs捕收工艺。
同时,实际过程中排放的含VOCs尾气普遍存在浓度范围广、负荷波动范围大、组分复杂等特点,使得同一耦合工艺难以保证让各分离单元在高效区进行工作。因此,提出将压缩冷凝、膜分离和吸附分离单元模块化,构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺,对全流程VOCs处理***进行一体化集成设计,针对不同原料浓度,利用“一键切换”控制单元实现两种工艺的无隙切换,使各分离单元始终保持在各自相应的高效区运行,从而开发一种适用全浓度范围(1mol%~100mol%)的VOCs捕收***。
发明内容
本发明目的在于提供一种压缩冷凝、膜分离、吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺,根据原料气VOCs浓度的不同,通过“一键切换”控制单元在两种工艺间进行无隙切换,实现各个单元与各自相应的高效分离区的精准匹配;使用压缩冷凝、膜分离及吸附装置,实现VOCs废气高效治理,同时收储液态VOCs,以提升企业的经济性和社会效益。
为达到上述目的,本发明的技术方案:
一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,所述的全浓度VOCs捕收***包括原料气浓度分析单元A、一键切换控制单元C、风机1、第1#缓冲罐2、第1#压缩机3、第2#压缩机4、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、膜前过滤器9、膜分离器10、吸附装置11、真空泵12、液态VOCs贮罐13;
所述的一键切换控制单元C与原料气浓度分析单元A相连;原料气、风机1、第1#缓冲罐2依次相连;第1#缓冲罐2的入口还分别通过管道与真空泵12的解析气出口、膜分离器10的渗透气出口相连;第1#缓冲罐2与膜分离器10连接的管路上设置调节阀V1-3和三通S-3;三通S-3的另一管路通向第2#压缩机4,其间设置调节阀V2-2;第1#缓冲罐2的混合气出口依次通过管路与第1#压缩机3、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、液态VOCs贮罐13相连;第2#缓冲罐5、换热器6之间的管路上设置三通S-1和调节阀V1-1;三通S-1的另一管路通向膜前过滤器9,其间设置调节阀V2-1;第2#压缩机4还与换热器6相连;换热器6还与分液罐8相连;
所述的换热器6还依次通过管路与膜前过滤器9、膜分离器10、真空泵12相连;换热器6与膜前过滤器9之间的管路上设置三通S-2和调节阀V1-2;三通S-2的另一管路通向第2#缓冲罐5,其间设置调节阀V2-3;膜分离器10与真空泵12之间的管路上设置四通阀,四通阀的另外两个管路分别连通两个吸附装置11的出口和入口。
一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收方法,来自周围环境的含VOCs混合气、化工装置开停车排放气、油气罐区排放气、化工泄露事故废气,其主要成分为N2、O2和VOCs;该装置可以在高浓度工况和低浓度工况下高效运行,并根据原料气VOCs浓度,通过“一键切换”控制单元切换不同的处置工艺,最大程度发挥装置的性能。所述全浓度VOCs捕收***处理的气体中VOCs浓度范围为1mol%~100mol%,具体步骤如下:
当待处理的原料气中的VOCs浓度高于设定浓度时,启用1模式,运行工艺1:压缩冷凝-膜分离-吸附;在该模式下,原料气首先经过压缩冷凝除去部分VOCs,液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储;不凝气经换热升温后进入膜分离器,VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集,循环至原料气缓冲罐与原料气和吸附解吸气混合重复上述处理过程;利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
当待处理的原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时,启用2模式,运行工艺2:膜分离-压缩冷凝-吸附;在该模式下,原料气经压缩机加压后进入膜分离器,VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集,渗透气经过压缩冷凝除去部分VOCs,液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储;不凝气经换热升温后与加压原料气混合重复处理过程,利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
工艺1:压缩冷凝-膜分离-吸附工艺,适用于高浓度VOCs废气处理。采用“先冷凝后膜”的操作模式(模式1),充分发挥压缩冷凝单元在高浓度VOCs条件下的分离优势,降低膜分离和吸附单元的处理负荷;膜分离单元对压缩冷凝气相中的剩余的VOCs进行富集,确保VOCs的高收率,且可降低冷凝的温度和减小进入吸附单元的气体量,进而减小吸附单元的装置负荷;利用多塔切换操作的吸附装置实现吸附装置的连续化操作并确保VOCs的达标排放。
工艺2:膜分离-压缩冷凝-吸附工艺,适用于低浓度VOCs废气处理。其采用“先膜后冷凝”的操作模式(模式2),充分发挥VOCs膜分离单元在低浓度VOCs下的提浓富集优势,确保VOCs的高收率并降低后续压缩冷凝单元的冷凝温度和负荷,减小进入吸附单元的气体量,从而减小吸附单元的装置负荷;利用多塔切换操作的吸附装置实现吸附装置的连续化操作并确保VOCs的达标排放。
VOCs捕收***原料气浓度分析单元A对原料气的组成进行分析,分析结果被传递给一键切换控制单元C,一键切换控制单元C根据VOCs浓度信息进行判断并切换最优的处置工艺。
当原料气中VOCs浓度大于设定浓度时,启用1模式,此时***的调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动关闭,调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动开启。在该模式下,原料气经吸入管路进入风机1,风机1出口气体进入第1#缓冲罐2,与膜分离器10渗透气和吸附装置11的解吸气混合,混合气进入第1#压缩机3;升压至500~3000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5,气体经三通S-1、调节阀V1-1后进入换热器6和分液罐8顶气换热,降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至10~-80℃(温度根据VOCs组分特性设定),气液两相混合物进入分液罐8;罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐13收储;未冷凝的罐顶气体经过换热器6升温(温差≥20℃)后经三通S-2、调节阀V1-2和膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10;VOCs膜分离器10富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V1-3去第1#缓冲罐2与风机1出口气体和吸附装置11的解吸气混合;渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置11吸附后的排放气达标排放,吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐2循环处理。
当原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时,2模式被启用。***的调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动关闭,调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动开启,在该模式下,原料气经吸入管路进入风机1,风机1出口气体进入第1#缓冲罐2,与膜分离器10渗透气和吸附装置11解吸气混合,混合气进入第1#压缩机3;升压至500~3000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5,升压后的气体和来自换热器6的气体在第2#缓冲罐5内混合,混合后的气体经三通S-1和调节阀V2-1后进入膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10;膜分离器10富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机4升压至500~3000kPa(表)后进入换热器6和分液罐8的罐顶气进行换热,降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至10~-80℃(温度根据VOCs组分特性设定),气液两相混合物进入分液罐8;罐底得到的液态VOCs去VOCs贮罐13储存,罐顶气体经过换热器6升温(温差≥20℃)后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐5与第1#压缩机3升压后的气体混合重复上述过程。渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置吸附后的排放气达标排放,吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐2循环处理。
所述的膜分离器10所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
所述捕收***中分液罐8的罐顶气经过换热器6的温升应不小于20℃。
本发明的有益效果:本发明使用压缩冷凝、膜分离、吸附耦合的方法构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺,通过“一键切换”控制单元实现两种工艺间的无隙切换,实现了VOCs的高效分离,同时得到液态VOCs产品,收率高。利用多个分离单元协同耦合增效的优势和切换适宜的处理工艺,保证了各分离单元在各自优势区间工作,可处理废气浓度范围宽,分离效果高,能耗低,具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
图中:1风机;2第1#缓冲罐;3第1#压缩机;4第2#压缩机;5第2#缓冲罐;6换热器;7冷凝器;8分液罐;9膜前过滤器;10膜分离器;11吸附装置;12真空泵;13液态VOCs贮罐。A为原料气浓度分析单元;C为一键切换控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
参见图1,本发明的***包括所述的全浓度VOCs捕收***包括原料气浓度分析单元A、一键切换控制单元C、风机1、第1#缓冲罐2、第1#压缩机3、第2#压缩机4、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、膜前过滤器9、膜分离器10、吸附装置11、真空泵12、液态VOCs贮罐13。
所述捕收装置所处理VOCs气体的主要组分是VOCs和空气,VOCs浓度范围为1mol%~100mol%,整个VOCs捕收***采用模块化集成设计,可以根据原料气VOCs气体浓度,通过一键切换控制单元C选择适宜的处理工艺,最大程度发挥装置中不同分离单元的性能,实现装置的最佳VOCs捕集和收储效果。下面通过不同浓度的丙烯气体的处理为例进行说明。
实例1(高浓度丙烯混合气):
当原料气中丙烯浓度为79.4mol%时(79.4mol%C3H6,4.6mol%O2,16.0mol%N2),***的调节阀V1-1,调节阀V1-2,调节阀V1-3自动开启,调节阀V2-1,调节阀V2-2,调节阀V2-3自动关闭,1模式被启用。原料气经吸入管路进入风机1,升压到20kPa(表)后的气体进入第1#缓冲罐2与膜分离器10渗透气和吸附装置解吸气混合,混合气进入第1#压缩机3;升压至1000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5,气体经三通S-1,调节阀V1-1后进入换热器6和分液罐顶气换热,降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至-65℃,气液两相混合物进入分液罐8;罐底得到的液态丙烯去丙烯贮罐13储存,罐顶丙烯浓度为3.9mol%的气体经过换热器6升温后(20.2℃)经三通S-2,调节阀V1-2后至膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10;膜分离器10的丙烯为6.6mol%的渗透气经三通S-3,调节阀V1-3去第1#缓冲罐2与风机1出口气体气体和吸附装置11的解吸气混合;渗余侧丙烯浓度为0.5mol%的渗余气去吸附装置;吸附后排放气达标排放,吸附解吸气去第1#缓冲罐2循环处理。
实例2(低浓度丙烯混合气):
当原料气中的丙烯浓度较低时,如10.4%(10.4mol%VOCs,19.7mol%O2,69.9mol%N2),***的调节阀V2-1,调节阀V2-2,调节阀V2-3自动开启,调节阀V1-1,调节阀V1-2,调节阀V1-3自动关闭,2模式被启用。原料气经吸入管路进入风机1,升压到20kPa(表)后的气体进入第1#缓冲罐2与VOCs膜分离器10渗透气和吸附装置解吸气混合,混合气进入第1#压缩机3;升压至1000kPa(表)的气体进入第2#缓冲罐5,升压后的气体和气体在第2#缓冲罐5内混合,混合后的气体经三通S-1、调节阀V2-1后经膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10;VOCs浓度为12.21mol%的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机4升压至1000kPa(表)后进入换热器6和分液罐顶气换热,降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至-65℃,气液两相混合物进入分液罐8;罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐13;罐顶VOCs浓度为3.4mol%的气体经过换热器6升温到30℃后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐5与第1#压缩机3升压后的气体混合重复上述过程。渗余侧VOCs浓度为0.5mol%的渗余气去吸附装置,吸附后排放气达标排放,吸附解吸气去第1#缓冲罐2循环处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,其特征在于,所述的全浓度VOCs捕收***包括原料气浓度分析单元(A)、一键切换控制单元(C)、风机(1)、第1#缓冲罐(2)、第1#压缩机(3)、第2#压缩机(4)、第2#缓冲罐(5)、换热器(6)、冷凝器(7)、分液罐(8)、膜前过滤器(9)、膜分离器(10)、吸附装置(11)、真空泵(12)、液态VOCs贮罐(13);
所述的一键切换控制单元(C)与原料气浓度分析单元(A)相连;原料气、风机(1)、第1#缓冲罐(2)依次相连;第1#缓冲罐(2)的入口还分别通过管道与真空泵(12)的解析气出口、膜分离器(10)的渗透气出口相连;第1#缓冲罐(2)与膜分离器(10)连接的管路上设置调节阀V1-3和三通S-3;三通S-3的另一管路通向第2#压缩机(4),其间设置调节阀V2-2;第1#缓冲罐(2)的混合气出口依次通过管路与第1#压缩机(3)、第2#缓冲罐(5)、换热器(6)、冷凝器(7)、分液罐(8)、液态VOCs贮罐(13)相连;第2#缓冲罐(5)、换热器(6)之间的管路上设置三通S-1和调节阀V1-1;三通S-1的另一管路通向膜前过滤器(9),其间设置调节阀V2-1;第2#压缩机(4)还与换热器(6)相连;换热器(6)还与分液罐(8)相连;
所述的换热器(6)还依次通过管路与膜前过滤器(9)、膜分离器(10)、真空泵(12)相连;换热器(6)与膜前过滤器(9)之间的管路上设置三通S-2和调节阀V1-2;三通S-2的另一管路通向第2#缓冲罐(5),其间设置调节阀V2-3;膜分离器(10)与真空泵(12)之间的管路上设置四通阀,四通阀的另外两个管路分别连通两个吸附装置(11)的出口和入口。
2.根据权利要求1所述的一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,其特征在于,所述的膜分离器(10)所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
3.根据权利要求2所述的一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,其特征在于,所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***,其特征在于,所述换热器(6)的换热温差应不小于20℃。
5.采用权利要求1-4任一所述的一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收***的全浓度VOCs捕收方法,其特征在于,所述全浓度VOCs捕收***处理的气体中VOCs浓度范围为1mol%~100mol%;
当待处理的原料气中的VOCs浓度高于设定浓度时,启用1模式,运行工艺1:压缩冷凝-膜分离-吸附;在该模式下,原料气首先经过压缩冷凝除去部分VOCs,液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储;不凝气经换热升温后进入膜分离器,VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集,循环至原料气缓冲罐与原料气和吸附解吸气混合重复上述处理过程;利用吸附装置确保VOCs的达标排放;
当待处理的原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时,启用2模式,运行工艺2:膜分离-压缩冷凝-吸附;在该模式下,原料气经压缩机加压后进入膜分离器,VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集,渗透气经过压缩冷凝除去部分VOCs,液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储;不凝气经换热升温后与加压原料气混合重复处理过程,利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
6.根据权利要求5所述的全浓度VOCs捕收方法,其特征在于,具体步骤为:
原料气浓度分析单元(A)对原料气的组成进行分析,分析结果被传递给一键切换控制单元(C),一键切换控制单元(C)根据VOCs浓度信息进行判断并切换最优的处置工艺;
当原料气中VOCs浓度大于设定浓度时,启用1模式,此时***的调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动关闭,调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动开启;在该模式下,原料气经吸入管路进入风机(1),风机(1)出口气体进入第1#缓冲罐(2),与膜分离器(10)渗透气和吸附装置(11)的解吸气混合,混合气进入第1#压缩机(3);升压至500~3000kPa后的气体进入第2#缓冲罐(5),气体经三通S-1、调节阀V1-1后进入换热器(6)和分液罐(8)顶气换热,降温后的气体进入冷凝器(7)进一步降温至10~-80℃,气液两相混合物进入分液罐(8);罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐(13)收储;未冷凝的罐顶气体经过换热器(6)升温后经三通S-2、调节阀V1-2和膜前过滤器(9)除去微小颗粒后进入膜分离器(10);VOCs膜分离器(10)富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V1-3去第1#缓冲罐(2)与风机(1)出口气体和吸附装置(11)的解吸气混合;渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置(11)吸附后的排放气达标排放,吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐(2)循环处理;
当原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时,2模式被启用;***的调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动关闭,调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动开启,在该模式下,原料气经吸入管路进入风机(1),风机(1)出口气体进入第1#缓冲罐(2),与膜分离器(10)渗透气和吸附装置(11)解吸气混合,混合气进入第1#压缩机(3);升压至500~3000kPa后的气体进入第2#缓冲罐(5),升压后的气体和来自换热器(6)的气体在第2#缓冲罐(5)内混合,混合后的气体经三通S-1和调节阀V2-1后进入膜前过滤器(9)除去微小颗粒后进入膜分离器(10);膜分离器(10)富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机(4)升压至500~3000kPa后进入换热器(6)和分液罐(8)的罐顶气进行换热,降温后的气体进入冷凝器(7)进一步降温至10~-80℃,气液两相混合物进入分液罐(8);罐底得到的液态VOCs去VOCs贮罐(13)储存,罐顶气体经过换热器(6)升温后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐(5)与第1#压缩机(3)升压后的气体混合重复上述过程;渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置吸附后的排放气达标排放,吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐(2)循环处理。
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