一種含高濃度苯氣體的處理方法與流程

本發明涉及環保工藝領域，涉及一種處理含高濃度苯氣體的方法。處理過程包括吸收、冷凝和吸附三種技術。

背景技術：

苯是常見的石油化工基本原料，應用非常廣泛。苯是最簡單的芳香烴，難溶于水，易溶于有機溶劑，本身也可以用作有機溶劑。苯揮發性大，25℃時的飽和蒸汽壓達到13kPa，極易形成高濃度的含苯氣體。苯的毒性大，無論是排放還是汽油等油品都有嚴格的濃度標準限值。例如國家標準GB31571-2015中規定排放氣中苯污染物的排放限值為4mg/m³。因此處理含苯氣體需要達到很高的去除效率才能達到排放標準的要求。由于苯的凝固點高達5.5℃，極易凝固。如果采用冷凝方式處理，需要頻繁進行加熱除霜操作，操作不穩定并且運行費用高。因此不宜采用冷凝技術處理或者預處理高濃度苯氣體。由于苯具有凝固點高、揮發性大和排放要求嚴格等特點，處理高濃度含苯氣體難度大，需要多種工藝聯合處理。

吸收法可以用于處理高濃度有機氣體處理，難點在于選擇合適的吸收劑和吸收液的處理。用柴油吸收高濃度苯會產生含苯柴油，使用會造成污染。合適的吸收劑不僅要滿足高效的吸收效果，而且產生的吸收液不需要分離即可以重新使用或者分離較為容易，或者可以進入現有工藝進行分離。

吸附法可以達到很高的凈化效率，排放氣體濃度可以達到很低的水平。由于吸附條件的限制，吸附處理的氣體濃度不宜過高，否則吸附過程放熱大，造成設備龐大，投資和運行費用較高。因此吸附可以作為最后的一段處理工藝處理苯氣體。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種含高濃度苯氣體的處理方法,如何降低含苯氣體中苯的濃度，同時能夠將吸收液、冷凝液分離處理或重新使用。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種含高濃度苯氣體的處理方法，其包括如下步驟：a)在吸收設備中用吸收劑對含高濃度苯氣體進行吸收處理，吸收處理后形成吸收液與吸收后氣體，回收利用吸收液；b)吸收后氣體經冷凝器進行冷凝處理，冷凝溫度為0～-70℃，冷凝處理后形成冷凝液與冷凝后氣體，回收利用冷凝液；c)通過吸附器中的吸附劑對冷凝后氣體進行吸附凈化后形成凈化氣體后排放；吸附劑經抽真空脫附形成脫附氣，該脫附氣返回至冷凝器入口或者吸收設備入口。

本發明的有益效果是：采用吸收、冷凝和吸附的工藝步驟降低含高濃度苯氣體中苯的濃度至4mg/Nm³或者更低，最終達到凈化目的，處理后的氣體可以達標排放，同時能夠將吸收液、冷凝液分離處理后重新用于其它工藝或者作為吸收劑使用或者作為混合物直接用于其它工藝。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，在步驟a)之前，含高濃度苯氣體溫度高于60℃時，對其降溫。

采用上述進一步方案的有益效果是保證吸收效果的前提下減少后續冷凝工藝的負荷和運行費用。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟a)中所述吸收劑采用甲苯、二甲苯、或者乙苯的一種或其組合的混合物。

采用上述進一步方案的有益效果是吸收產生的混合物即吸收液，可以進入其它生產工藝使用，或者進入其它的等分離過程，例如精餾等工藝進行分離提純后作為吸收劑使用或者用于其它工藝使用。吸收過程的吸收劑可以循環使用，定期更換或者根據吸收效果進行更換；也可以一次性使用。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟a)中所述吸收劑中苯含量低于30％。

采用上述進一步方案的有益效果是苯含量減少，一方面提高吸收傳質推動力，提高吸收速度；另一方面氣液平衡時氣相中苯濃度較小，提高吸收處理效果，使吸收后氣體中苯含量仍較低。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟b)中所述冷凝溫度為-20～-50℃。

采用上述進一步方案的有益效果是溫度更低時，分離效果好。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，在步驟b)中所述吸收后氣體中揮發的吸收劑部分冷凝成液態吸收劑，同時少量苯氣體溶解于液態吸收劑中形成冷凝液。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟a)中含高濃度苯氣體和吸收劑的比例為1000:1～20:1。

采用上述進一步方案的有益效果是氣液體積比越小，則吸收效果越好。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟a)中所述吸收設備采用超重力吸收器或者高效填料吸收塔，所述吸收設備的總傳質理論板數之和不低于4；所述含高濃度苯氣體和吸收劑氣液兩相采用逆流或者錯流接觸。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟c)中所述吸附劑采用疏水性硅膠、疏水性沸石、或者活性炭中的一種，或者其組合的混合物。

采用上述進一步方案的有益效果是疏水性硅膠、疏水性沸石均為非極性吸附劑，對非極性的有機物的吸附量大，適用于含有機物氣體的凈化分離。

進一步，所述一種含高濃度苯氣體的處理方法，步驟c)中脫附抽真空時真空度不高于絕對壓力15kpPa。

采用上述進一步方案的有益效果是脫附時真空度越高，脫附效果越好。

附圖說明

圖1為本發明采用高效填料吸收塔的工藝流程圖；

圖2為本發明采用超重力吸收器的工藝流程圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

101、高濃度苯氣體，102、高效填料吸收塔，103、吸收后氣體，104、冷凝器,105、冷凝液,106、吸附器，107、凈化氣體，108、脫附氣，109、真空泵，110、吸收劑，111、泵，112、吸收液，201、高濃度苯氣體，202、超重力吸收器，203、吸收后氣體，204、風機，205、冷凝器，206、冷凝液，207、吸附器，208、凈化氣體，209、脫附氣，210、真空泵，211、吸收劑，212、泵，213、吸收液。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

苯是揮發度很大的芳香烴物質。苯物料在汽車、火車裝卸車過程，以及儲罐裝料以及呼吸閥呼氣過程中會產生高濃度苯氣體。其它使用苯或者生產苯的工藝過程也會產生高濃度苯氣體。本發明提供針對高濃度苯氣體的處理方法。本發明中高濃度苯氣體為苯濃度高于2g/Nm³的氣體。

甲苯、二甲苯、乙苯與苯結構和性質相近，被稱為苯系物。這三種物質的揮發性都比苯小，并且熔點較低。這三種物質都是吸收苯的優秀溶劑。并且這三種物質與苯通常都是由同一種工藝生產，而后分離成純凈產品，因此這三種物質與苯的混合物可以返回生產工藝再次進行分離提純。混合物也可以通過精餾等工藝分離。因為這幾種物質通常含有少量其它幾種成分，一般情況下分離要求不高。用這三種溶劑不僅可以很好地吸收苯，作為高濃度苯氣體的預處理工藝，而且產生的混合物也便于處理。對于乙苯、苯乙烯等生產工藝，乙苯、苯混合物可以返回生產工藝重新使用。對于苯系物生產工藝，苯、甲苯、二甲苯和乙苯的混合物可以返回生產工藝重新分離提純后使用。

對于吸附工藝，需要選擇合適的吸附劑和吸附再生方法。吸附劑不僅要對苯和作為吸收劑的乙苯、甲苯、二甲苯有較高的吸附量，而且脫附再生容易。脫附再生的方法有采用降低壓力的變壓吸附，和升高溫度的變溫吸附等。

本發明一種含高濃度苯氣體的處理方法，其包括如下步驟：

a)在吸收設備中用吸收劑對含高濃度苯氣體進行吸收處理，吸收處理后形成吸收液與吸收后氣體，回收利用吸收液。

吸收液進入其它分離過程進行分離提純后重新使用或者作為混合物進入其它工藝直接使用。

經過步驟a)后含高濃度苯氣體中的苯濃度大幅度降低，同時吸收劑會部分揮發與未吸收的苯氣體形成吸收后氣體。

含高濃度苯氣體溫度高于60℃時，在進行上述步驟a)之前首先用冷卻水或者空氣降溫。將含高濃度苯氣體溫度降低至40～60℃或者更低。如含高濃度苯氣體溫度不高于60℃，可以省略此工藝。如含高濃度苯氣體溫度稍高于60℃，也可以采用在步驟a)中增大吸收劑流量或者對吸收劑進行降溫處理，以保證吸收效果的前提下減少后續冷凝工藝的負荷和運行費用。

b)吸收后氣體經冷凝器進行冷凝處理，冷凝溫度為0～-70℃，冷凝處理后形成冷凝液與冷凝后氣體，回收利用冷凝液。

冷凝液進入其它分離過程進行分離提純后重新使用或者作為混合物進入其它工藝直接使用。

冷凝器的冷凝溫度一般為0～-70℃。但是，考慮到冷凝效果和投資運行費用，優化的冷凝溫度為-20～-50℃。在此溫度下，吸收后氣體中揮發的吸收劑部分冷凝成液態吸收劑，并有少量吸收后氣體中殘留的苯冷凝并溶解于液態吸收劑中形成冷凝液。經過冷凝處理后吸收后氣體剩余的氣體為冷凝后氣體，其中的吸收劑和苯濃度降低至較低水平而后進入吸附器中進行吸附處理。

c)通過吸附器中的吸附劑對冷凝后氣體進行吸附凈化后形成凈化氣體后排放；吸附劑經抽真空脫附形成脫附氣，該脫附氣返回至冷凝器入口或者吸收設備入口。

冷凝后氣體中的吸收劑和殘留的少量苯氣體大部分吸附在吸附劑表面，冷凝后氣體得到凈化所形成的凈化氣體達到排放標準排放。吸附劑吸附一定時間后，用真空泵抽真空進行脫附。吸附器中壓力降低，吸附的吸收劑和苯等有機物脫附，形成脫附氣。此脫附氣濃度高于進入吸附器的氣體。脫附氣返回至冷凝器入口，降溫后其中的有機物部分冷凝形成液體，從而維持整個工藝的物料平衡。脫附氣也可以返回至吸收設備入口處，經過吸收和冷凝進行處理。脫附時真空度越高，脫附效果越好，能耗越高。為保證脫附效果，最終真空度需要不高于絕對壓力15kPa。真空度最好不高于絕對壓力8kPa。

上述步驟b)中吸收劑采用甲苯、二甲苯、或者乙苯的一種，或者這三種中兩種或者三種的混合物。三種吸收劑中乙苯以揮發度最小、毒性最小、排放限值高，為最佳吸收劑。吸收產生的混合物即吸收液，可以返回其它生產工藝使用，或者進入另外設置的精餾等分離過程進行分離提純。吸收過程的吸收劑可以循環使用，定期更換或者根據吸收效果進行更換；也可以一次性使用。含高濃度苯氣體和吸收劑的比例，即氣液體積比不大于1000:1，如氣液體積比越小，則吸收效果越好，但吸收劑消耗量越大，運行費用高。氣液體積比在1000:1～20:1，最優的氣液體積比在500:1～50:1。

吸收劑中苯含量不能超過30％，更優不能超過10％，最優不能超過0.1％。苯含量增大，一方面降低吸收傳質推動力，降低吸收速度；另一方面氣液平衡時氣相中苯濃度較大，降低吸收處理效果，使吸收后氣體中苯含量仍較高。

吸收設備采用高效吸收設備。可以采用超重力吸收器或者高效填料吸收塔等。其中尤其以超重力吸收器為佳。氣液兩相采用逆流或者錯流接觸。吸收設備可以采用一級或者多級。無論是一級還是多級，吸收設備的總傳質理論板數之和不低于4，最優不低于9。從簡化流程角度，以一級高效吸收設備為優。根據來氣濃度條件和溫度，吸收劑可以采用循環使用、定期更換，也可以采用一次性使用的方式。吸收效果的原則為吸收后氣體中苯濃度低于30％。這樣可以保證在冷凝工段，冷凝液中有足夠的乙苯或其它吸收劑溶解凝固的苯，不會引起設備和管道堵塞。吸收劑的溫度應保持在常溫或低于常溫，如果溫度過高，需要增設換熱器降低吸收劑溫度，以避免吸收效果變差。

超重力是指比地球重力加速度(9.8m/s²)大得多的超重力環境。超重力工程技術的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨特流動行為，提高相間的相對速度和增大相間接觸，從而實現強化傳熱、傳質過程和化學反應過程。獲取超重力的方式主要是通過轉動設備整體或部件形成離心力場。

超重機又叫旋轉填料床，是20世紀80年代初發展起來的一種強化相間傳質與反應及微觀混合的新型設備。超重機利用其轉鼓的旋轉造成一種穩定的、可以調節的離心力場，以代替常規重力場，這就使得精餾、吸收、解吸和化學反應等化工單元操作中的氣液兩相的相對速度大大提高，使相界面更加快速地更新，并且大大提高了液泛速率，使得生產強度成倍提高。在超重機內，由旋轉產生的離心加速度可達20～500倍的重力加速度，在此離心力場下傳質效果與單位設備體積的生產強度都提高了1～3個數量級。

超重力設備除了可以填充填料作為氣液兩相接觸的介質外，還可以采用定轉子結構。

經過吸收劑吸收后，氣體中的苯大部分被吸收到吸收劑中。形成的吸收液為吸收劑和苯的混合物。吸收劑可以一次性使用或者循環使用，或者定期更換，或者在吸收效果變差到一定程度，根據吸收出口的苯濃度，更換部分吸收劑或者全部吸收劑。吸收液可以進入其它分離過程進行分離提純后重新使用或者作為混合物進入其它工藝直接使用。

吸收完成后的氣體中，含有苯的濃度大為降低，一般低于20g/m³，優化條件下低于2g/m³。液相中苯的濃度大為增加。而揮發的吸收劑和苯氣體形成吸收后氣體進入冷凝器進行降溫處理。冷凝溫度在0～-70℃。冷凝溫度越低，冷凝液產生越多，分離效果越好，但投資和運行費用也越高。綜合分離效果和投資運行費用。冷凝溫度設定在-20～-50℃較為合適。溫度更低時，分離效果好，但是運行費用和投資增加很多；溫度較高時，則分離效果較差。冷凝溫度在-20～-50℃時，大部分甲苯、二甲苯和乙苯冷凝成液體，氣體中有機物濃度降低到較低水平。同時有少量氣體中未吸收的苯凝固析出，并溶解于甲苯、二甲苯或者乙苯液體中。

冷凝后的氣體溫度較低，可以與進冷凝器的氣體進行換熱，回收冷量同時預冷進氣，節省冷凝器運行費用。

出冷凝器的氣體，其中還含有一定濃度的有機物，進入吸附器進行吸附處理。吸附處理凈化后的氣體達到排放標準后排放。吸附器采用吸附塔，或者吸附罐。吸附劑采用疏水性硅膠、疏水性沸石、或者活性炭中的一種，或者其中三種或者兩者吸附劑的混合物。多種吸附劑混合使用，或者分層使用。吸附未達到飽和，即停止吸附，啟動真空泵抽真空進行脫附。吸附器采用兩臺或多臺設備，不同設備進行吸附、再生，一定時間后切換使用。

疏水性硅膠、疏水性沸石均為非極性吸附劑，對非極性的有機物的吸附量大，適用于含有機物氣體的凈化分離。活性炭是常見的處理含有機物氣體的吸附劑。活性炭吸附容量大，但強度低，易破損。活性炭吸附放熱大，并且可燃，安全性較差。沸石強度高，吸附容量偏小，但處理后的氣體可以達到很低的有機物濃度。疏水性硅膠強度較高，是新型的有機物吸附劑。沸石和硅膠因吸附量較小，吸附放熱較小，并且均為不燃燒物質，安全性高。吸附劑使用時，可以三種吸附劑混合或者分層填充，可以充分發揮三種吸附劑的優點。吸附劑選用這三種中的一種，或者兩種、三種混合或者分層填充。

吸附采用變壓吸附工藝。吸附一段時間后，采用真空泵抽真空的方式進行脫附再生。抽真空時脫附最終時絕對壓力不高于15kPa，最好不高于8kPa。抽真空產生的脫附氣中含有較高濃度的吸收劑和少量苯，此脫附氣返回冷凝器入口進行冷凝處理，其中的吸附劑和苯大部分被冷凝下來形成液體。脫附氣也可以返回至吸收設備入口處，經過吸收和冷凝進行處理。

氣體壓力較低時設置風機，對氣體進行增壓。風機最好設置在冷凝器和吸收設備之間。氣體壓力較高時，不設置風機即可保證氣體順利通過流程的各臺設備。

圖1為采用高效填料吸收塔的工藝流程圖。

高濃度苯氣體101進入高效填料吸收塔102，吸收劑110經泵111加壓后進入吸收塔102，吸收其中的苯氣體。產生的吸收液112進入其它工藝處理或者使用。吸收后氣體103進入冷凝器104，冷凝液105進入其它工藝處理或者使用，冷凝后氣體而后進入吸附器106進行處理。處理完成后的凈化氣體107排放。吸附器用真空泵109抽真空脫附。脫附氣108返回至冷凝器105入口。

圖2為采用超重力吸收器的工藝流程圖。對于來氣壓力較小的場合采用風機進行增壓。

高濃度苯氣體201，進入超重力吸收器202，吸收劑211經泵212加壓后進入吸收器202，吸收其中的苯氣體。產生的吸收液213返回其它工藝進行分離處理或重新使用。吸收后氣體203經過風機204增壓后進入冷凝器205，冷凝液206分離出來進行分離處理或者重新使用，冷凝后氣體而后進入吸附器207進行處理。處理完成后的凈化氣體208排放。吸附器用真空泵210抽真空脫附。脫附氣209返回至冷凝器205入口。

實施例1

苯裝車產生含苯氣體，采用氮氣做保護氣。產生的含苯氣體主要成分為氮氣，苯濃度最高達到4vol％(約為139g/Nm³)。氣量500m³/h。首先用超重力吸收器進行吸收，吸收劑為乙苯，流量為2m³/h，吸收器傳質理論板數為9。而后經風機加壓15kPa，吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-45℃。而后進入活性炭吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填活性炭吸附劑4噸。吸附時間為10分鐘。真空脫附時間為8分鐘。吸附周期為10分鐘，最大真空度為絕對壓力5kPa。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵回生產工藝進行分離處理。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，乙苯濃度≤20mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

實施例2

苯儲罐產生含苯氣體，采用氮氣做保護氣。產生的含苯氣體主要成分為氮氣，苯濃度最高達到4vol％(約為139g/Nm³)。氣量200m³/h。首先用超重力吸收器進行吸收，吸收劑為二甲苯和乙苯混合物，流量為1m³/h，吸收器傳質理論板數為10。吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-25℃。而后進入吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填活性炭吸附劑3噸，疏水性沸石吸附劑1噸。吸附時間為8分鐘。真空脫附時間為6分鐘。吸附周期為8分鐘，最大真空度為絕對壓力3kPa。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵回生產工藝進行分離處理。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，乙苯濃度≤20mg/m³,二甲苯濃度≤0.5mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

實施例3

苯卸車時產生含苯氣體，采用氮氣做保護氣。產生的含苯氣體主要成分為氮氣，苯濃度最高達到4.5vol％(約為157g/Nm³)。氣量600m³/h。首先用填料吸收塔進行吸收，吸收劑為甲苯、二甲苯和乙苯混合物，其中甲苯10％，二甲苯15％，乙苯75％，流量為4m³/h，吸收器傳質理論板數為10。吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-20℃。而后進入疏水性硅膠吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填硅膠吸附劑7噸。吸附時間為5分鐘。真空脫附時間為4分鐘，最大真空度為絕對壓力8kPa。吸附周期為5分鐘。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵回生產工藝進行分離處理。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，乙苯濃度≤20mg/m³,甲苯濃度≤0.5mg/m³,二甲苯濃度≤0.5mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

實施例4

生產工藝產生含苯氣體。產生的含苯氣體主要成分為氮氣，苯濃度最高達到1vol％(約為35g/Nm³)。氣量800m³/h。首先用填料吸收塔進行吸收，吸收劑為二甲苯，流量為4m³/h，吸收器傳質理論板數為8。吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-50℃。而后進入疏水性分子篩吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填疏水性分子篩吸附劑6噸。吸附時間為10分鐘。真空脫附時間為8分鐘，最大真空度為絕對壓力10kPa。吸附周期為10分鐘。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵至分離裝置進行分離提純。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，二甲苯濃度≤0.5mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

實施例5

使用苯的生產工藝產生含苯氣體。產生的含苯氣體主要成分為空氣，苯濃度最高達到1000ppm(約為3.5g/Nm³)。氣量700m³/h。首先用填料吸收塔進行吸收，吸收劑為乙苯，流量為3m³/h，吸收器傳質理論板數為4。吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-70℃。而后進入吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填疏水性硅膠吸附劑1噸，活性炭3噸。吸附時間為20分鐘。真空脫附時間為15分鐘，最大真空度為絕對壓力6kPa。吸附周期為20分鐘。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵至分離裝置進行分離提純。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，乙苯濃度≤20mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

實施例6

使用苯的生產工藝產生含苯氣體。產生的含苯氣體主要成分為空氣，苯濃度最高達到1000ppm(約為3.5g/Nm³)。氣量1000m3/h。首先用超重力吸收器進行吸收，吸收劑為乙苯，流量為5m³/h，吸收器傳質理論板數為10。吸收后的氣體進入冷凝器，冷凝溫度最低為-40℃。而后進入吸附塔，兩塔切換使用。每個塔內裝填疏水性分子篩吸附劑2噸，活性炭3噸。吸附時間為15分鐘。真空脫附時間為10分鐘，最大真空度為絕對壓力5kPa。吸附周期為15分鐘。脫附氣返回至冷凝器入口處。吸收器和冷凝器產生的液體，經泵送入儲液罐。儲液罐內的液體，定期泵至分離裝置進行分離提純。經吸收、冷凝、吸附處理后的排放氣中，乙苯濃度≤20mg/m³,苯濃度≤1mg/m³。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。