提高活性炭床吸附、解析效率方法研究

（焦作金叶醋酸纤维有限公司 河南 454100）

1.VLA气体温湿度、流速对活性炭吸附的影响

我们通过对进活性炭床的VLA气体的相对湿度、温度、风速等因素，来判断活性炭的吸附效果。

(1)VLA湿度对活性炭吸附的影响

一般来说，活性炭的表面是疏水性的，即使是水分存在的体系，对于像碳化氢化那样的非极性物质，范德华力成为吸附主力，拥有强大的吸附力。但是对于具有极性的水，吸附量在相对湿度50%附近急速增加，接近100%时也会变得非常大。

实验：固定VLA气体温度40℃、浓度1.5%LEL及风量55000m³/h，我们调整屋顶冷却器的冷却水量，及VLA总管上蒸汽加湿阀开度，用干湿球方法测量进活性炭床VLA气体湿度，控制其相对湿度在40%、50%、60%，用TG-503型化工气体成分分析仪检查出气时浓度。我们发现不同湿度下活性炭床尾气曲线如图1。

图1 同条件下，不同相对湿度时活性炭床尾气变化

在此实验，我们发现50分钟后，相对湿度越高，尾气上涨速度越快。所以我们在生产中，保证工艺安全的情况下，降低VLA的湿度，特别是保证相对湿度在40%以下，有助于活性炭的吸附效率。

(2)VLA温度对活性炭吸附的影响

活性炭吸附是一个放热吸附。因此，温度低，是很有利于活性炭的吸附，但是吸附温度符合动力学方程，即吸附速度下降，造成吸附时间变长，生产效率变低。简而言之，温度变低，吸附速率降低，吸附容量降低。

我们调整总管的循环水的水量，控制进吸附床的温度，发现吸附温度在35℃、40℃、45℃时，吸附量虽有降低，但降低并不明显，因吸附是一个放热过程，随着温度的升高，平衡吸附量减少，活性炭床的进气温度应控制在40℃以内。

(3)VLA气体的流速对活性炭的影响

VLA气体的流速过大或过小对吸附过程都不利，因活性炭吸附绝大部分为物理吸附，流速过大，气体的滞留时间过短，丙酮未被活性炭微孔吸附就已经逃逸出去，造成吸附传质区长度变长，未吸附区极易被穿透（在“活性炭床吸附时间的研究”章节中会继续探讨），尾气升高。但降低风速，虽有助于丙酮气在活性炭床的停留时间，但进活性炭床风速每降低0.1m/s，总管浓度上涨20%～50%，总管浓度达到爆炸下限的75%LEL以上时，对安全极为不利。

活性炭床的进气面积已定，VLA气体的流速控制范围应≤0.5m/s。我们实际工业生产中，控制总管丙酮浓度在50%～70%LEL之间，风速在0.2m/s～0.4m/s之间。

2.活性炭床吸附时间的研究

在活性炭床VLA吸附操作单元，随着吸附时间的增加，活性炭床尾气逐渐上升，直至和进活性炭床的浓度一致。现以浓度39g/m³，温度40℃，40%的相对湿度的VLA进入活性炭床，通过尾气曲线，确定吸附床的吸附时间。

图2

当丙酮气体进入活性炭床，丙酮被活性炭吸附，经过一段时间后形成了图2中三个区间：经L1线的气体浓度与进口浓度C0一致为吸附饱和段；L1～L2为吸附传质区，气体浓度逐渐降低，经L2的气体浓度接近初始排放浓度，L2线～L3线为活性炭未吸附区。

实验：我们在活性炭床进气和排气处，加装在线丙酮气体监测仪（TG-503型化工气体成分分析仪），在活性炭床吸附70min时，尾气超过170ppm，且穿透率开始急剧上升，且尾气浓度以指数上升，则活性炭床吸附趋于饱和。

考虑到回收丙酮与消耗蒸汽的消耗，我们将成本W，丙酮和蒸汽单价分别为P1和P2，尾气瞬时浓度为C1，使用平均蒸汽流量为，则我们可以得到以下公式：

此公式中W=1时，成本为最佳，我们可以根据尾气排放的瞬时浓度，推算出吸附时间。但我们在工业生产当中，考虑到环保，我们通常把吸附时间定在W＜1时。

3.活性炭床解析蒸汽的研究

活性炭床在吸附一定丙酮后，需用蒸汽对此台吸附床升温升压进行解析，让活性炭床维持在110℃，0.07MPa一定时间，使活性炭中绝大部分丙酮脱附活性炭的微孔，随着蒸汽进入冷凝器。

活性炭床升温升压至110℃，0.07MPa前为升温升压区，在升温升压期间，发现阀门B（出气阀）没有气体流出，阀门C（疏水阀）有大量70～90℃的冷凝水流出，在解析过程中，因碳仓和活性炭及吸附丙酮加热至110℃是固定值，则进气总量只和排出的冷凝水的量和温度有关。通过大量实验数据研究，阀门A（进蒸汽阀）的大小控证在蒸汽流量7t/h～9t/h时，吸附床升温升压最经济合理。

在升至110℃，0.07MPa后，我们称活性炭床为稳压区，此时阀门C无冷凝水流出，为维持此温度及压力，阀门B的开度，直接决定阀门A的进蒸汽量。

稳定0.07MPa，110℃，阀门C是没有冷凝水的，蒸汽流量只和阀门B的大小有关，阀门B的开度大小影响着瞬时解析液的浓度。

实验：我们分别设置阀门B开度为“30%”“25%”“20%”，用100ml量筒、200ml量筒、0.7～0.8g/ml，0.8～0.9g/ml，0.9～1.0g/ml的玻璃球比重计，每间隔1min在解析液取样阀取瞬时解析液量，并描点绘制解析液的趋势图如图3。

从阀门B开度“30%”“25%”“20%”，瞬时解析液趋势图上可以得到以下结论：我们从此实验发现阀门B在30%和25%的开度下，相同时间下，最终解析液浓度都能达到20%，但使用蒸汽流量上25%的较省，而继续关小阀门B的开度至20%，虽然蒸汽流量变小，但最终解析液浓度在34%，解析不充分，间接影响着活性炭的吸附效果。从此实验我们可以可将阀门B的开度定在25%。

图3 阀门2不同开度下瞬时解析液浓度

4.结论

（1）控制进活性炭床的VLA的温度、相对湿度、气体流速等，有助于提高单位活性炭的吸附量，从而提高活性炭的吸附效率。

（2）通过把吸附时间控证在吸附传质区，且根据丙酮和蒸汽价格，再根据环保要求和经济要求，找出最佳的吸附时间。

（3）确定稳定蒸汽流量，控制活性炭的升温升压时间，即不能让升温升压过快，也要保证稳压有足够的解析时间长度，再通过控证蒸汽的出口阀门大小，测量瞬时解析液和最终解析液浓度，控制出口阀门的开度。