CN100528293C - 多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置 - Google Patents

多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，它的干燥柱的出口处分成三路，一路直接与变压吸附柱上端的进气口相连，一路与气体混合柱的进气口相连，另一路经有机气体发生器和微型填料柱与气体混合柱的进气口相连，气体混合柱的出口与变压吸附柱下端的进气口相连，每个变压吸附柱上均设有三个或三个以上的气体采样单元以及与气体采样单元对应的温度采样单元，中段处设有压力采样单元，其下端设有两个或两个以上的第二温度采样单元，气体采样单元与气相色谱仪相连，压力采样单元和温度采样单元与温度、压力数字采集系统相连。本发明具有性能安全可靠、使用简捷方便、处理效率高、能耗低、结构紧凑、美观大方等优点。

Description

多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置
技术领域
本发明主要涉及到环境保护领域中大气污染控制设备，特指一种多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置。
背景技术
在涂装，印刷，制鞋和化工生产的许多行业中，一些工业产品的生产工艺过程都伴有大量的挥发性化合物(VOCS)废气的排出。挥发性有机化合物废气能够对人的健康和动植物的生长造成危害。随着人们对生活质量的要求不断提高，国家也将大气污染采取了更加严格的控制措施。以前很少关注的挥发性有机气体的处理将成为大气污染控制的一个重点。对排放的VOCS废气的治理，一般情况下有多种工艺技术可以应用，但对于目前国内许多生产工艺过程产生的大风量，低浓度的VOCS废气的控制与治理，是空气净化的难题。目前来看吸附能比较好的解决这个问题，在国外发达国家吸附的机理尚没有完全搞明白，工业化的应用也只是根据小型装置实验的经验进行适当的放大；国内对有机气体的吸附研究尚处于起步阶段，尚没有成套的为了给吸附研究和教学提供便利的实验装置，开发连续性变压吸附实验装置已成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种性能安全可靠、使用简捷方便、处理效率高、能耗低、结构紧凑、美观大方的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：它包括干燥柱、气体混合柱、有机气体发生器、微型填料柱以及一个或一个以上的变压吸附柱，所述干燥柱的出口处分成三路，一路直接与变压吸附柱上端的进气口相连，一路与气体混合柱的进气口相连，另一路经有机气体发生器和微型填料柱与气体混合柱的进气口相连，气体混合柱的出口与变压吸附柱下端的入口相连，每个变压吸附柱上均设有三个或三个以上的气体采样单元以及与气体采样单元对应的温度采样单元，变压吸附柱的中段处设有压力采样单元，每个变压吸附柱的下端设有两个或两个以上的第二温度采样单元，气体采样单元与气相色谱仪相连，压力采样单元和温度采样单元与温度、压力数字采集系统相连。
所述干燥柱与变压吸附柱上端入口之间的管路分成大流量的吹扫脱附管路和小流量的真空脱附管路。
所述变压吸附柱的所有进、出口管路上均设有手动阀和三通。
所述微型填料柱的上方设有蛇形管换热器，蛇形管换热器与一恒温水箱相连。
所述干燥柱的出口与气体混合柱入口连通的管路上设有第一转子流量计，微型填料柱的出口与气体混合柱入口连通的管路上设有第二转子流量计，干燥柱的出口与变压吸附柱连通的两管路上也设有第三转子流量计以及手动阀。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置可以用来研究不同压力下，不同种类吸附剂对不同种类气体的吸附，特别对多成分的有机气体的吸附净化分离以及其吸附/脱附过程中的传热与传质进行微尺度的深化研究。此装置既可用于日常的教学，也可推广于处理工业废气的应用。对于一般的低浓度有机废气其吸附效率在95％以上，对实验室环境不会造成污染，其具有性能安全可靠，使用简捷方便，结构紧凑，美观大方等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，它包括干燥柱1、气体混合柱3、有机气体发生器18、微型填料柱5以及一个或一个以上的变压吸附柱10，所述干燥柱1的出口处分成三路，一路直接与变压吸附柱10上端的入口相连，一路与气体混合柱3的进气口相连，另一路经有机气体发生器18和微型填料柱5与气体混合柱3的进气口相连，气体混合柱3的出口与变压吸附柱10下端的进气口相连，每个变压吸附柱10上均设有三个或三个以上的气体采样单元21以及与气体采样单元21对应的温度采样单元15，变压吸附柱10的中段处设有压力采样单元14，每个变压吸附柱10上的下端设有两个或两个以上的第二温度采样单元22，气体采样单元21与气相色谱仪7相连，压力采样单元14和温度采样单元15与温度、压力数字采集系统13相连。干燥柱1与变压吸附柱10上端入口之间的管路分成大流量的吹扫脱附管路20和小流量的真空脱附管路23。变压吸附柱10的所有进、出口管路上均设有手动阀和三通。微型填料柱5的上方设有蛇形管换热器4，蛇形管换热器4与一恒温水箱6相连。干燥柱1的出口与气体混合柱3入口连通的管路上设有第一转子流量计2，微型填料柱5的出口与气体混合柱3入口连通的管路上设有第二转子流量计24，干燥柱1的出口与变压吸附柱10连通的两管路上也设有第三转子流量计25以及手动阀。
参见图1和图2，本发明的具体实施例中，干燥柱1为一筒状结构，其内装有干燥剂，干燥剂可为硅胶或其他物质，可吸收空气中的水分，处理在实验过程中可能引起腐蚀的湿分。干燥柱1的出口通过三通分别于气体混合柱3、有机气体发生器18和变压吸附柱10连通，如图所示，有机气体发生器18为设有三个连通口之瓶状器皿，瓶内装有有机溶剂，可挥发出有机气体，提供实验所用的均匀浓度的有机气体，其中以连通口连通干燥柱1干燥后的气体，另一个连通口连接微量泵17，第三个连通口与微型填料柱5连通。微型填料柱5为上部开设有连通嘴之塔式结构，柱内装填乱堆的瓷拉西环，可作为气(汽)、液两相传质用的设备，其上端开口与蛇形管换热器4下端配合，下端开口与有机气体发生器18中间连通口配套，连通嘴与微量泵17连通，利用微量泵17抽出的有机气体发生器18内液体进入微型填料柱5，液体从上而下经过填料，可产生大量的过饱和有机气体，该气体通过蛇形管换热器4控制温度，进而过饱和气体冷凝成液体并回流。蛇形管换热器置4位于微型填料柱5的上方，其上设有与恒温水箱6相通的进出管，低温恒温水从上部进入从下部排出，可冷凝过饱和的有机气体从而产生一定浓度的挥发性有机气体。气体混合柱3也为筒状结构，可由普通玻璃制成，上端接有三通，其中一接口与干燥后的气体连接，另一接口接蛇形管换热器4，通过三通分别将空气和有机气体导入气体混合柱3内，可使干燥好的待测气体更充分地与有机气体混合，使实验更准确，并起到缓冲作用。气体混合柱3通过三通与电磁阀进入变压吸附柱。变压吸附柱10为不锈钢制成的，其内放有吸附剂，吸附剂可以为活性炭、氧化铝、硅胶、沸石等。每个变压吸附柱10都分别设有四个浓度测试单元，六个温度采样单元15和一个压力采样单元14，四个浓度测试单元接口分别都接有手动阀16，当要与气相色谱仪7连通进行采样时就打开手动阀16测试吸附/脱附的浓度。温度采样单元15接口均接有温度传感器，压力采样单元14接口接有压力表与压力传感器，温度传感器与压力传感器都接到温度、压力数字采集系统13进行信号转化并采集数据。每个变压吸附柱10的进出口管路上均设有三通与手动阀，用于可与气相色谱仪7连通测试进出口浓度，如：气体混合柱3与变压吸附柱10连通的管路，干燥柱1分大小两流量与变压吸附柱10连接的管路，从变压吸附柱10上端出口与真空泵11连接的管路，从变压吸附柱10下端出口与冷凝器连接的管路。吸附净化后的气体由真空泵11从变压吸附柱10上端抽出排出，脱附后含高浓度的有机气体的空气由真空泵11从变压吸附柱10的下端抽出到冷凝器12冷凝后排出，冷凝后的有机溶液可进行回收利用。在连续变压吸附过程中，两变压吸附柱10是一柱进行吸附，另一柱进行脱附，每柱各经过吸附-均压-吹扫脱附-真空脱附-均压五个步骤，如此周期循环完成吸附/脱附的连续过程。其过程是通过电磁阀的开关来控制的。电磁阀的控制可以采用自动控制，也可以采用手动控制。此装置当要进行单柱吸附实验时，就采用手动控制。
本发明工作过程：首先将通入的空气通过用硅胶作为干燥剂的干燥柱1，然后使干燥后的空气一部分经过转子流量计2后在气体混合柱3和有机气体发生器18产生的有机气体混合，一部分干燥空气穿过微型填料柱5。有机气体发生器18产生的有机气体要先通过一个微型的微型填料柱5(用一个微型泵循环将有机气体发生器里的有机溶剂流过填料塔，从微型填料柱上端流入)，从微型填料柱5出来的有机气体再通过蛇形管换热器4(蛇形管内的循环恒温水由恒温水箱6提供)，使其温度恒定在20℃左右，与干燥空气混合的是温度恒定的饱和有机气体，经阀门调节一定浓度的干燥有机气体由真空泵11吸取配备好泵入真空变压吸附柱10。同时，由三通接头19和手动阀16连接，可测定变压吸附柱10进气的浓度。干燥气体还有一部分分两路分别经过手动阀16和第二转子流量计24后与变压吸附柱10相连，一路是用于大流量吹扫脱附，另一路是用于小流量真空脱附。同时每路均接有三通接头19和手动阀16，可与气相色谱仪7相连测定脱附气体的进气浓度。气体混合柱3出来的气体从一变压吸附柱10的下端进入进行吸附，吸附后的净化气体从变压吸附柱10的上端由真空泵11抽出排入大气；同时，干燥柱1出来的一部分气体从另一变压吸附柱10的上端进入先后进行吹扫脱附，真空脱附，脱附后的含高浓度的有机气体的空气从该变压吸附柱10的下端由真空泵11抽到冷凝器12进行冷凝后排出，冷凝后的有机溶液可进行回收利用。吸附后再进行脱附，脱附后再进行吸附，使之周期循环，其过程由电磁阀9的关闭来控制。电磁阀9的控制可以采用自动控制，也可以采用手动控制。此装置当要进行单柱吸附实验时，就采用手动控制。每个变压吸附柱10上均有四个浓度测试单元，每个接口都接有手动阀16，当要测试吸附/脱附时的浓度时就打开手动阀16，同时都有六个温度采样单元15、一个压力采样单元14，用来实时测试吸附/脱附的温度与压力。在上述净化气体与脱附气体的出口管路上均设有三通接头19与手动阀16，用来测试净化与脱附后的出口气体浓度。用以上测试的浓度、温度、压力数据就可以与理论计算比较进行科学研究。参见下表1的操作流程和下表2的电磁阀控制流程。
表1：操作流程
表2：电磁阀控制(开“√”，关“×”)
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
  I   √   ×   ×   √   √   ×   √   ×   ×   √
  II   √   ×   ×   √   √   ×   √   ×   √   ×
  III   ×   ×   ×   ×   ×   √   √   ×   ×   ×
  IV   ×   √   √   ×   ×   √   ×   √   ×   √
  V   ×   √   √   ×   ×   √   ×   √   √   ×
  VI   ×   ×   ×   ×   ×   √   √   ×   ×   ×
依上表所知，变压吸附过程：
第I阶段：从气体混合柱3出来的有机气体通过第一电磁阀101进入变压吸附柱10(A)进行吸附，净化后通过第五电磁阀105由真空泵抽出；同时，干燥后的一部分空气经过大流量吹扫脱附流量计与第十电磁阀110和第七电磁阀107进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后通过第四电磁阀104由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他电磁阀均关闭。
第II阶段：从气体混合柱3出来的有机气体仍然通过第一电磁阀101进入变压吸附柱10(A)进行吸附，净化后通过第五电磁阀105由真空泵11抽出；同时，干燥后的一部分空气经过小流量真空脱附流量计与第九电磁阀109和第七电磁阀107进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后同样通过第四电磁阀104由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他阀门关闭。
第III阶段：变压吸附柱10(A)与变压吸附柱(B)之间进行均压，由于吸附压力比脱附压力高，所以变压吸附柱10(A)中少量吸附净化气体通过第六电磁阀106和第七电磁阀107对变压吸附柱10(B)进行均压脱附。其他阀门关闭。
第IV阶段：从气体混合柱3出来的有机气体通过第三电磁阀103进入变压吸附柱10(B)进行吸附，净化后通过第八电磁阀108由真空泵11抽出；同时，干燥后的一部分空气经过大流量吹扫脱附流量计与第十电磁阀110和第六电磁阀6进入变压吸附柱10(A)脱附有机气体，脱附后通过第二电磁阀102由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他电磁阀均关闭。
第V阶段：从气体混合柱3出来的有机气体仍然通过第三电磁阀103进入变压吸附柱10(B)进行吸附，净化后通过第八电磁阀108由真空泵11抽出；同时，干燥后的一部分空气经过小流量真空脱附流量计与第九电磁阀109和第六电磁阀106进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后同样通过第二电磁阀102由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他阀门关闭。
第VI阶段：变压吸附柱10(A)与变压吸附柱10(B)之间进行均压，由于吸附压力比脱附压力高，所以变压吸附柱10(B)中少量吸附净化气体通过第七电磁阀107和电磁阀106对变压吸附柱10(A)进行均压脱附。其他阀门关闭。按操作流程进行周期循环。
单柱吸附/脱附过程：(手动控制)
若只对变压吸附柱10(A)进行吸附/脱附实验时，
吸附：从气体混合柱3出来的有机气体通过第一电磁阀101进入变压吸附柱(10)A进行吸附，净化后通过第五电磁阀105由真空泵11抽出；其他阀门均关闭；
吹扫脱附：干燥后的一部分空气经过大流量吹扫脱附流量计与第十电磁阀110和第六电磁阀106进入变压吸附柱10(A)脱附有机气体，脱附后通过第二电磁阀102由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他电磁阀均关闭；
真空脱附：干燥后的一部分空气经过小流量真空脱附流量计与第九电磁阀109和第六电磁阀106进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后同样通过第二电磁阀102由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他阀门关闭。
若只对变压吸附柱10(B)进行吸附/脱附实验时，
吸附：从混合柱出来的有机气体通过第三电磁阀103进入变压吸附柱10(B)进行吸附，净化后通过第八电磁阀108由真空泵11抽出；
吹扫脱附：干燥后的一部分空气经过大流量吹扫脱附流量计与第十电磁阀10和第七电磁阀7进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后通过第四电磁阀104由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他电磁阀均关闭。
真空脱附：干燥后的一部分空气经过小流量真空脱附流量计与第九电磁阀109和第七电磁阀107进入变压吸附柱10(B)脱附有机气体，脱附后同样通过第四电磁阀104由真空泵11泵入冷凝器12进行冷凝。其他阀门关闭。

Claims (5)

1、一种多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：它包括干燥柱(1)、气体混合柱(3)、有机气体发生器(18)、微型填料柱(5)以及一个以上的变压吸附柱(10)，所述干燥柱(1)的出口处分成三路，一路直接与变压吸附柱(10)上端的进气口相连，一路与气体混合柱(3)的进气口相连，另一路经有机气体发生器(18)和微型填料柱(5)与气体混合柱(3)的入口相连，气体混合柱(3)的出口与变压吸附柱(10)下端的进气口相连，每个变压吸附柱(10)上均设有三个以上的气体采样单元(21)以及与气体采样单元(21)对应的温度采样单元(15)，变压吸附柱(10)的中段处设有压力采样单元(14)，每个变压吸附柱(10)上的下端设有两个以上的第二温度采样单元(22)，气体采样单元(21)与气相色谱仪(7)相连，压力采样单元(14)和温度采样单元(15)与温度、压力数字采集系统(13)相连；所述干燥柱(1)与变压吸附柱(10)上端入口之间的管路分成大流量的吹扫脱附管路(20)和小流量的真空脱附管路(23)。
2、根据权利要求1所述的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：所述变压吸附柱(10)的所有进、出口管路上均设有手动阀(16)和三通接头(19)。
3、根据权利要求1或2所述的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：所述微型填料柱(5)的上方设有蛇形管换热器(4)，蛇形管换热器(4)与一恒温水箱(6)相连。
4、根据权利要求1或2所述的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：所述干燥柱(1)的出口与气体混合柱(3)入口连通的管路上设有第一转子流量计(2)，微型填料柱(5)的出口与气体混合柱(3)入口连通的管路上设有第二转子流量计(24)，干燥柱(1)的出口与变压吸附柱(10)连通的两管路上也设有第三转子流量计(25)以及手动阀(16)。
5、根据权利要求3所述的多成分有机气体变压吸附与实时测试控制实验装置，其特征在于：所述干燥柱(1)的出口与气体混合柱(3)入口连通的管路上设有第一转子流量计(2)，微型填料柱(5)的出口与气体混合柱(3)入口连通的管路上设有第二转子流量计(24)，干燥柱(1)的出口与变压吸附柱(10)连通的两管路上也设有第三转子流量计(25)以及手动阀(16)。
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