TWI278341B - Regeneration process for electric current-conducting adsorbents loaded with organic substances - Google Patents

Description

1278341 B7 五、發明說明（） [發明的詳細說明] 本發明關於一種用於將載有有機物質的導電吸附劑再 生的方法，該導電吸附劑受電流通過而加熱。 藉著將有機氣體物質吸附在吸附劑上(特別是在活性炭 上)而將該有機氣體物質從廢氣流分離的方法’係在多年以 來已在工業應用，因此，舉例而言，有用在將溶劑回收的 設備者。此處主要使用固體床顆粒傾料 (Festbettgranulatschtittung)當作活性炭。布蓆形式的纖維形 活性碳較少使用，這類布蓆形式的纖維形的例子如:不織布 、梭織布、或編織物，它們被捲成環形吸附器或夾入框結 構中。利用吸附作用的廢氣淨化的整個程序一般分三個主 步驟進行:承載步驟、再生步驟、冷卻步驟。在承載步驟時 ，該吸附劑被所要淨化的廢氣流過，且在此過程時將有機 物質結合在其內部孔隙構造中。在承載過程中，承載物流 的前鋒部分沿流動方向漂泊通過吸附器。如果在吸附器的 一端（沿流向看）上的吸附劑承載了許多有機物，使得乾淨 氣體濃度達到一定界限値，則此吸附器的承載過程結束， 並切換到另一個再生過的新鮮的吸附器。基於經濟理由， ，一般希望把載滿有機物的吸附劑再生。然而也有許多情 形中，再生係不可能或不經濟者。特別當有機物質的濃度 很低時尤然，例如:建築物供空氣或建築物的空調系統的 循環空氣中供空氣。在這些情形中，載滿有機物的吸附劑 要當作廢棄物處理並用新的取代。 由於吸附作用是一種可逆程序，故結合的有機物質在 ____ 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 4格（21Q χ 297公爱 1------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I» t n n )：OJe n n n n ϋ I I · A7 1278341 五、發明說明（） 再生步驟中可再從吸附劑除去，其方法係將平衡條件改變 。這點舉例而言，可用以下方法達成:將吸附劑加熱，並將 所吸附的有機物質利用一股沖刷氣流從吸附劑驅出。舉例 而言，這種程序係使用在水蒸氣再生式及惰性氣體再生式 的活性炭吸附設備的場合。在這兩種情形中，該沖刷空氣 同時也當作吸附劑的加熱媒。因此，吸附劑的加熱作用和 有機物脫附（脫離吸附)作用（Desorption)乃不可分離地連結 一起。由於使用沖刷氣體將承載有機物的吸附劑間接加熱 ，故需要很大的沖刷氣體的體積流。在用水蒸氣再生的情 形，水蒸氣從吸附器出來後，須隨同該從吸附劑脫附的有 機物質冷凝。然後，所生的冷凝液冷凝冷凝須用繁複的程 序…例如利用分餾(Rektifikaticm )…處理，使水與有機物 質分開。而惰性氣體再生的方式(其中一般使用氮氣做惰性 氣體)比水蒸氣再生式更繁複，因爲此情形中，氮氣係循環 通過吸附器，且它在冷凝步驟須冷卻到極低溫度，俾使脫 附的有機物質冷凝，且使吸附劑的剩餘承載量在再生步驟 結束時要很低，使得以後的承步驟中能維持所要的乾淨空 氣濃度。 利用這種方法所能達到的純化因數 (Anreicherungsfaktor)(最大再生氣體濃度/原氣濃度)只有40 ，其原因係該吸附劑受惰性氣體加熱的作用由於其熱容量 小而進行得很慢，因而需要大的流速，在0.1〜0.5m/s之 間。如果該吸收劑不是間接受沖刷氣體加熱，而係直接藉 通過電流加熱，則可大大地改善。在此情形中，由於把加 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------· I I I--- -訂---------- C請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 1278341 A7 ____B7 ___ 五、發明說明（） 熱與沖刷過程的糾結分開，故沖刷氣體的量可大大減少， 且可達到高得多的純化因數。 因此，在德國專利案DE 195 13 376 A1發表了一種有 機溶劑的回收裝置，它由一環形固體床構成，該固體床充 滿活性炭顆粒，且可用電加熱，該固體床先被廢氣流所流 過，以吸附溶劑，然後用再生氣體流過，以作脫附或再生 。在這種裝置的情形中，該環形固體床的外函殼和內函殻 由一種構成電極的格柵金屬構成。利用這種方法，可使純 化因數達到120,因此所需的沖刷氣體的體積流可減少到 原氣體積流的5〜10 %。在這種小「比氣體量」 (spezifische Gasmenge)(它相對於活性炭床的流動面積算是 很小）的場合’只有當在吸附器內部中央(例如)利用一^條具 有許多細孔的分配管沖刷，該活性炭床才能用沖刷氣體作 到對良好再生作用所需的均勻沖刷作用。在這種方法，對 於「有機物質承載使用壽命時間」（Beladestandzeit)以及乾 淨氣體濃度的品質而言，其缺點爲:再生氣體流本身受到活 性炭加熱，且因此在再生時，從內向外活性炭溫度有落差 ，最內的活性炭層達到的再生溫度遠低於較外層者。結果 使最內的活性炭層再生程度不足，因此在承載步驟時，不 能達到像(例如)在最乾淨的空間供空氣的場合所需的，那 種很低的乾淨氣體濃度，例如幾個// g/m3。 在德國專利案DE 41 04 513 C2發表了一種吸附器， 它同樣地直接利用電流加熱，其特徵在於，使用纖維形的 活性炭做吸附性材料，舉例而言，該活性炭呈蓆布形式。 5 本紙張尺度翻中關家標準（CNS)A4規格(210 X 297公爱) 一 -- ------------— — — — — — — ^0--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1278341 A7 _____B7__ 五、發明說明（） 這種吸附器的一實施例以示意圖方式示於第1圖中。 這些框架有好幾個可用空氣工程方式及電氣方式裝接 成許多種有用的裝置以處理較大量的廢空氣。由於碳布很 快受電加熱(這種加熱作用可在不到一分鐘內完成）’故可 達成高達1500的純化因數，舉例而言，如果溶劑須回收’ 則這一點很有利。 其缺點爲:須花費很大的成本，以使再生氣體均勻地分 佈在過濾面範圍。因此，在上述的例子中，相對於一個 X3m的過濾器的過濾面積，再生氣體速度只有O.Olm/s。 在這種流速，舉例而言，經過五層活性炭纖維布，只造成 10Pa的壓力損失，因此，當這種再生氣體跑到過濾器上時 ，氣體須已均勻分佈。舉例而言，這點可利用一種分配管 系統達成，該分配管系統分配管系統具有許多孔’沿高度 及橫截面的範圍分佈，再生空氣呈自由流束的方式從這些 孔出來(第2圖）。 因此，當所要處理的空氣量很大時，換言之，當有多 數過濾框架模組時，則要設置許多分配管(3X過濾框架的 數目），過濾框架或者一分配管和過濾器之間的距離必須選 設得很大(0.87 m)，如此會使該裝置的構造體積加大到很不 經濟。 此外還有一個缺點:在這種電方式的再生方法’脫附氣 體的加熱作業也是藉著使熱從電加熱的炭布熱傳遞到空氣 而達成，由於形成溫度梯度，故對於廢空氣淨化程序的效 率而言，有上述的負面結果。這一點在使用活性炭纖維布 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐1 " (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ---I----訂----I---- 1278341 Δ7 Β7 五、發明說明（） 時，如第3圖所示，由於使用的碳量少，故其影響比起在 用顆粒炭(其中要處理同量的廢空氣係使用多於100倍量 的活性碳)的場合還要大得多。這種大溫度梯度的結果，使 得在再生時，該第一碳布層(沿再生方向看的第一層，它對 廢空氣的細微淨化作用很重要)不能最適當地再生，這一點 在隨後承載時就可明顯看出，因爲承載使用壽命時間縮短 ，且能達到的乾淨氣體濃度變差。當然，再生氣體速度越 高，則這種負面效果越大。 另一缺點爲:如以下的表所示，在較高的脫附氣體速度 時，.所需的電加熱功率隨著脫附氣體速度增加而急遽上升 。其結果使得基於經濟理由在使用由活性炭纖維布製的電 再生的吸附器時，再生氣體速度要保持儘量低，這點又使 它需要一種繁的再生氣體分配系統的設備。 表一 在活性碳丨 孅維布再S 找寺電功率需求與再生涑度的β m 解吸氣體速度 (cm/s) 0 1 2 5 10 20 總電加熱功率 (kW/m2) 3.1 5.2 7.5 14.4 26.2 49.4 最後一點，在這種方法還有一缺點:即，活性炭布的溫 度很難調節(對於這種方法的實際應用，這種溫度的調節， 基於女全技術的理由也是很重要）。這種問題的原因在於: 活性炭纖維布的導熱性和熱容量很小，因此如果使用傳統 溫度測量方法，例如用電絕緣的溫度元件，則反應的時間 7 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐] 一 --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 零裝--------訂--------- A7 1278341 五、發明說明（） 會延遲很多，此外，「測量値」的誤差很大，因爲它和該 溫度元件與炭布之間的（或然率）的機械性接觸的好壞有關 。由於這種炭布從室溫加熱到(例如)20(TC，只要大約一分 鐘的時間，此外，活性炭的電阻呈負溫度係數，故在這種 方法中，活性炭布有很大的過熱之虞。 在這兩種習知的電氣式再生氣體吸附的方法，冷卻步 驟中，吸附劑藉著空氣或惰性氣體通過而冷卻到一溫度(此 溫度係隨後承載步驟所需者）。 因此，本發明的目的在於找出一種將導電吸附劑(特別 是活性炭纖維布)做電方式再生的方法，它一方面具有電氣 式再生法優於傳統再生法(例如惰性氣體再生法及水蒸氣再 生法)的優點，如： ★脫附時間很短 ★加熱時間很短 ★在再生時純化因數很大 ★在必要時再生溫度可達30(TC ★在纖維形的吸附劑的場合，從氣相過渡到吸附相 的物質過渡區中有極快的運動機構 ★十分經濟，因爲在電氣式再生方法中，只有活性 炭與再生氣體要加熱，而管路、容器、和其他設備部分則 否 而且不會有如上述的傳統電氣式吸附劑再生法的缺點 ，特別是： ★也可用遠大於2cm/s的脫附氣體速度，而不會使得 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂-----.！ ！备· 1278341 A7 _______B7__ 五、發明說明（） 該用於加熱吸附劑的電端子値遠大於在脫附氣體速度小於 lcm/s時的値。這種性質，當在使用空氣做再生氣體時且此 再生空氣不需進一步淨化時(例如當要把供應到建築物的空 氣除去外界空氣中所含的氣體質除去時），則是特別所欲者 ) ★不需繁複的裝置以將再生氣體均勻地分佈在過濾 器的流動面，因此，一方面，這種分佈裝置的設備成本可 省，卻，另一方面，這種過濾器的空間需求比起傳統構造 方式來大大減少了， ★此再生方法本身自然對防止活性炭纖維的過熱與 燃燒情事有安全性，換言之，不需電功率的溫度調節。 依本發明，這種目的達成之道係利用申請專利範圍第 1〜7項的一種再生方法。 這種方法利用以下實施例說明，該實施例係根據一種 實驗設備的測量値，且其中使用了本發明的方法的所有特 在一個實驗室的實驗設備[其度量尺寸係爲0〜30 m3/ 小時的空氣量而設計者]依以下說明作實驗以作吸附及脫附 ，在作脫附時有時間間隔的節律。 圖式中： 第1圖係德國專利案DE 41 04 513 C2的一種習知吸 附器的示意圖， 第2圖係第1圖的習知吸附器的分佈系統的示意圖， 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---I--- 1 訂·------ I I ·. 1278341 A7 _____B7_____ 五、發明說明（） 第3圖係該習知吸附器中活性炭布層的溫度與再生氣 體速度的關係座標圖， 第4圖係本發明的吸附器的一剖面圖’ 第5圖係如此所得到的甲苯的穿透曲線圖， 第6圖與第7圖分別係爲經過分佈管以及不用分佈 管的脫附作用的示意圖， 第8〜第11圖係該節律(脈波)式脫附作用的時間走勢 圖。 如第4圖如示，在實驗室的吸附器(1)中，承載作用係 沿圖示方向從原氣管路(5)來經由過濾器(2)到乾淨空氣管路 (4)。在此將五個層的ACF夾入在過濾器框架中。供應管路 (3)及導離管路(6)在承載階段時係關閉者。承載濃度對溶劑 甲苯係選設成約40 mg/m3 ，其中，原氣的相對濕度在23 °C時係保持在50%。 當過濾器自由過濾面積在寬度0.07m，高度0.21m時 ，其上的速度爲0.3m/s。此實驗一直進行到穿透濃度爲原 氣濃度的10 %爲止(第5圖）。所選設的穿透濃度爲4mg/m3 ，此穿透濃度在約40分後達到。 在隨後的脫附作業時，空氣沿著與吸附時相反方向導 進，其中，依氣體速度而定，該「脫附氣體」經由該脫附 管(3)或正常管路(4)導入(見第6及第7圖）。此再生空氣經 「再生空氣管路」導離。在整個再生作業[它由二個部分步 驟構成…加熱各脫附/冷卻]中，原氣管路經常關著。 在脫附作業時，溫度的測量作業係以無接觸方式在過 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝--------訂---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 1278341 _B7_ 五、發明說明（） 濾器表面用紅外線測量以及用特別製備的溫度元件在過濾 層間測量。 整個脫附作業如下進行(見第8〜第11圖)： ★藉著在恒定電力供應下直接加熱一段2.5分的時間 將過濾材料加熱。如此使吸附器上的閥關閉。 ★將電力供應停止2.5分後，打開過濾器的吸附器上 的閥，爲時0.5分。在此時間中，將脫附的溶劑、脫附的 水運走，並將過濾器上的溫度降低。在0.5分後將吸附器 上的閥關閉。 藉著在恒定電力供應下直接加熱一段2.5分的時間將 過濾材料加熱。 利用這種時間節律方式和程序的進行，總共作了七次 加熱和流過的作業，然後可再開始另一個吸附過程。 在過濾器上加熱時，在最先的兩個時段中達到的較低 的溫度係受到在ACF上所吸附的水的先前發生的脫附作用 的影響。然後，從第三時段起，則達到對應的電力供應和 時間所要的固定溫度曲線。 出乎意料地，如今證實:利用這種時段式再生方式該活 性炭纖維布只用七個時段即可大幅脫附，雖然在原本的脫 附時間…它和冷卻時間一樣…沒有加熱的電力供應，但這 段時間很短-…例如在再生空氣速度20cm/s時只有30秒… -且在這段時間內，該活性炭纖維布的溫度從最初的220 °C降到約40°C。在隨後承載階段時，再達到相同的使用壽 命時間（Standzeit);這顯示:存在著一種固定的狀態，亦即， 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) " -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝 I ·ϋ ϋ n 一δ,ν β ϋ n n ϋ ·ϋ 參 1278341 A7 __B7______五、發明說明（） 在這種時段脫附時，可脫附掉與先前在承載階段中所吸附 的一樣多的甲苯量。 出乎意料地，我們發現，如困•虽J兌附作業時段的數目 保持不變，則在本發明的再生方法中，該再生氣體速度在 很大的範圍中實際上對於脫附品質、電能消耗、或電端子 功率、以及在隨後承載階段時的乾淨氣體品質並無影響;而 這點對上述的方法而言也是很有利的。這點可在下表中淸 楚看出： 表二 ---1 再生速度(cm/s) 5 10 2〇___ 再生氣體分配器 有 Μ >fnT- m 脫附時段數目 7 7 7 電加熱功率(kW) 0.16 0.16 0.16 __ 每個脫附時段的加入能量(k J) 24 24 24 最大脫附氣體濃度(g/m3) 10.2 11.5 10.5___ 原氣濃度(mg/m3甲苯） 40 40 40 一 相對濕度(％) 50 50 50 _一 在隨後承載階段開始時的乾淨 0.1 0.18 0.13 氣體濃度(mg/m3甲苯） ----- ----- 一直到穿透濃度爲原氣濃度的 10%爲止的使用壽命時間(分） 44 39 40 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂----------.

Claims (1)

1278341 -；K. Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種用於將載有有機物質的導電吸附劑再生的方法 ，該導電吸附劑受電流通過而加熱，其特徵在··該吸附劑受 到電流通過而加熱，其中，並無沖刷氣流導經該吸附劑’ 然後在電流關掉後，將一股沖刷氣流導經該吸附劑，如此 同時將該被吸附的有機物資驅出並將吸附劑冷郤。 2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中： 該二個部分步驟…加熱與脫附/冷卻…係在時間上先後 相隨重複數次。 3. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中： 該加熱步驟作一段預定的固定時間。 4·如申請專利範圍第3項的方法，其中： 該一段固定的預定加熱時間係計算成使該時間係爲在 所予的電加熱功率時將完全未承載的吸附劑加熱到預定最 大溫度所需的時間。 5·如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中： 該通過吸附劑的空管速度爲0.1〜0.5 m/s。 6·如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中： 該吸附劑由纖維狀活性炭構成，該纖維狀活性炭呈 不織布、梭織布、或編織布的形式。 7·如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中： 該預定時間選設成使該吸附的混合物依其揮發性而定 先後被脫附及捕集。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） -----------------------、iT (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁)