CN101987274A - 一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置与方法，其中该装置包含：一水蒸汽供应器、一洗涤吸收液喷洒器、一凝结核成长吸收层、一除雾层及一回收槽，其特征在于，利用该水蒸汽供应器及洗涤吸收液喷洒器所提供的水蒸汽与洗涤吸收液于该凝结核成长吸收层，使本装置内的气体中水汽达至饱和或过饱和状态，发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机物质或其冷凝核成长微雾，以回收该有机溶剂；同时公开了该水蒸汽净化有机气体的方法。
Description
技术领域
本发明公开了利用水蒸汽加强净化有机废气的装置与方法，更具体而言，是关于用一种湿式洗涤法来净化有机废气并同时回收有机溶剂的装置及方法。
背景技术
在日常生活及工厂生产产品中广泛地使用有机溶剂，而有机溶剂在一般室温下易挥发成气体，故又名为挥发性有机气体(Volatile Organic Compounds，VOCs)，而多数的VOCs对人体具有一定毒性，必须加以回收处理，以减少对人体的伤害；而不同产业领域所使用的有机溶剂亦不相同，诸如PU(polyurethane，聚氨基甲酸酯)生产业、科技制造业及锂电池制造业等产业，主要使用的各种有机溶剂，其相关性质列于下述的性质表(表一)中；其中，PU生产过程所排放的VOCs，主要来自于用于降低黏度以利于加工所添加的有机溶剂，包括甲苯(Toluene)、甲基乙基酮(MEK)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲胺(DMA)和三甲胺(TMA)...等；此外，在半导体晶圆厂及TFT-LCD面板等科技制造业的制程中，将单乙醇胺(MEA)、二甲基亚砜(DMSO)、丙二醇甲醚乙酯(PGMEA)、环己酮(ANONE)...等有机溶剂，应用于诸如光阻剥离液(stripper)的使用；而锂电池制造的涂布机，则必须将氮-甲基四氢吡咯酮(NMP)的废气回收；另外，胶带制造所采用的增塑剂，则必须将邻苯二甲酸二酯(DOP)的废气加以净化处理。
再者，有机溶剂的物化特性为：低沸点、高饱和蒸汽压的有机溶剂易于挥发，但不易于冷凝；反之，高沸点、低饱和蒸汽压的有机溶剂则不易于挥发，但易于冷凝；然而，由该有机溶剂性质表(表一)中可看出，所列的有机溶剂多属中高沸点、低饱和蒸汽压的物化特性。
表一、有机溶剂特性性质表
再按，目前相关业者对于VOCs的回收处理，多采就地装设冷凝器加以回收处理；此类冷凝回收系统对中高沸点且全溶于水的有机物质，在正确的设计与操作下才可达到高的回收效率，而除了所冷凝吸收下来的VOCs可回收纯化再利用外，因为中高沸点难处理VOCs浓度已大幅下降，可降低下游端废气处理设备的负荷及延长吸脱附浓缩设备的寿命，得以有效提升其整体的处理效率。
然而，以一般传统冷凝法回收VOCs的原理，是利用冷冻设备先将含VOCs废气的温度冷却至该有机物质的露点温度(饱和温度)以下，即可达到饱和冷凝的效果；其中，一般常见的VOCs冷凝系统，主要包含除湿器及VOCs冷凝器两项基本设备，装设除湿器的目的在于将空气中多余的水汽去除，避免在VOCs冷凝区的温度降至0℃(273K)以下时，发生不利于冷凝的结冰效应；再者，决定冷凝器去除VOCs效能的两项重要关键因素为：(1)冷凝系统需达足够低温(-40℃)、(2)废气中含较高的VOCs浓度(＞10,000ppmv)；又，冷凝器的处理效能与废气线速度的增加呈反比的趋势，故延长废气的停留时间将可提升去除效率。
因此，由于传统的冷凝回收法，需以冷冻设备将操作温度控制在相当低温以及够长的停留时间，方能以冷凝机制去除VOCs，并确保处理后废气所含VOCs浓度值达到最低；不过，如此的传统冷凝回收方式，若应用于排放量相当大而VOCs浓度仅数十到数百PPMv(＜＜1,000ppmv)的产业，为达到高冷凝效率而须降到极低温(至少须低于零下20℃)，所需付出的能源耗损及设备维护成本将会相当高；于是，许多业者基于传统冷凝系统设计的限制，以及节省操作成本的考虑，往往面临冷凝设备回收效率不佳的问题。
另一方面，针对次微米级的细微雾或粒(例如高沸点DOP次微米级的细微雾)，目前均无较佳且经济的方法与装置，例如一般常用的文式洗涤塔而言，若欲针对0.3μm次微米级的细微雾或粒(去除约50％效率)，则其所需的压力降将近需高达35英寸水柱高，液气比约2.0公升/立方公尺，其去除效率有限外且其操作成本也相当的高。
因此，如何有效节省操作成本，以有效净化有机废气并可进一步回收其中的有机溶剂，为处理有机废气的一重要课题。
发明内容
有鉴于上述现有技术处理有机废气时的缺憾，发明人有感其未臻于完善，遂竭其心智悉心研究克服，凭其从事该项产业多年的累积经验，进而研发出一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置与方法，其可有效加强净化有机废气，并可进一步同时回收该有机废气中的有机溶剂，除能有效净化有机废气外，可将易产生二次污染的溶剂进一步回收，使该有机废气净化较为完全，同时回收有机溶剂，并完成节能减碳的目的。
微粒核凝成长只要在(饱和比)略大于1即可发生，而可溶性核种甚至在未饱和的状况之下即能发生核凝现象。一般而言，过饱和的水蒸汽很容易在微粒上面凝结，这种凝结称为有核凝结(nucleated condensation)，亦称异质凝结(heterogeneous condensation)，它只需要几个百分点的过饱和度就能进行。若微粒是不能溶解的，则其表面结构、带电量与化学成分会影响凝结所需的过饱和度。在一过饱和蒸汽中，若微粒表面吸附一层水蒸汽分子后的粒径大于开尔文效应的平衡粒径，则水蒸汽分子会往微粒上面凝结。若微粒是可溶解的，则水蒸汽分子凝结后使它成为溶液，降低平衡水蒸汽的气压。
而凝结引起的微粒成长，假若周围的相对湿度高于与微粒达成平衡的水蒸汽的气压，则水蒸汽分子会在微粒表面凝结而使它成长。微粒成长的速率可从微粒与其四周空气之间的质量与热能输送求得。水蒸汽分子的凝结会放出热能，但凝结速率比热传速率低，一般都假设凝结时放出的潜热迅速散逸，微粒湿度因此保持不变。蒸汽分子到达微粒表面的速率与微粒粒径有关。若粒径远大于气体分子的平均自由行径，则蒸汽分子在微粒周围的运动可视为在介质(continuum)中的扩散。
本发明的设计是结合由水蒸汽过饱和冷凝与凝结核成长包覆次微米VOCs微雾并进一步产生液膜吸收拦截作用的多重效能，有别以往传统冷凝器仅考虑利用低温冷凝VOCs的单纯饱和凝结VOCs概念，可有效提升VOCs的净化与回收效率，而应用于具中高沸点(100℃以上)的VOCs气体特性(如上述表一)的处理相当合适。
为达成上述的目的，本发明提供利用水蒸汽加强净化有机废气的装置，其包含：
一水蒸汽供应器，其提供水蒸汽，以促使有机废气中水汽达至饱和/或过饱和状态；
一洗涤吸收液喷洒器，其提供洗涤吸收液，以冷却该有机废气并可进一步使该有机废气中水汽达到饱和/或过饱和状态；
一凝结核成长吸收层，其用以使水蒸汽、洗涤吸收液与有机废气充分质传，并使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机废气于此达到饱和或过饱和，而冷凝核成长并可进一步吸收该有机废气中的有机物质或其冷凝核成长微雾，以吸收该有机溶剂；
一除雾层，其用以除雾并回收雾状的有机溶剂；
一回收槽，其用以回收该有机溶剂；
其特征在于：利用水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长与吸收效应而使粒径加大以加强净化该有机废气中的有机物。
如上所述的装置中，其进一步包含一蒸发浓缩层，其用以冷却有机废气同时加热洗涤吸收液而蒸发，并浓缩流经该蒸发浓缩层中洗涤吸收液的有机溶剂浓度。
如上所述的装置，其进一步包含一蒸馏塔，可用于浓缩回收的有机溶剂，同时作为该水蒸汽供应器的蒸汽源。
如上所述的装置，其可进一步结合蜂巢式转轮浓缩器、转环式浓缩器、流体化床式浓缩器、焚化炉或冷却器等，以完全净化有机废气。
如上所述的装置，其中该装置可为直立式塔状或横卧式。
如上所述的装置，其中该蒸馏塔的加热媒介可为加压水蒸汽、热媒油或电热。
如上所述的回收装置，其中该有机废气中的有机溶剂为：氮-甲基四氢吡咯酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲胺(DMA)和三甲胺(TMA)、单乙醇胺(MEA)、二甲基亚砜(DMSO)、丙二醇甲醚乙酯(PGMEA)、邻苯二甲酸二酯(DOP)的任一种或其它类似中高沸点挥发性有机物(VOCs)或其任意组合。
本发明的又一目的是提供一种利用水蒸汽加强净化有机废气的方法，其包含下列步骤：
(1)提供如上所述的装置，用以净化有机废气并回收有机溶剂；
(2)利用一水蒸汽供应器及一洗涤吸收液喷洒器，提供水蒸汽及洗涤吸收液以使有机废气达到饱和或过饱和状态，以发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长以强化吸收有机废气并回收其内的有机溶剂；
(3)再利用一凝结核成长吸收层，使水蒸汽、洗涤吸收液与有机废气充分质传，并使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机废气于此达到饱和或过饱和，而冷凝核成长并可进一步吸收有机废气中的有机物质或其冷凝成长微雾，以回收该有机溶剂。
如上所述的回收方法，其可进一步包含一除雾步骤，以净化并回收雾化的有机溶剂。
由此，本发明的一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置及方法，利用一水蒸汽供应器及一洗涤吸收液喷洒器提供水蒸汽及洗涤吸收液，使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机废气于该凝结核成长吸收层达到饱和或过饱和，利用水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机物质，以回收该有机溶剂；再者，进一步利用一蒸发浓缩层及凝结核成长吸收层间热能交换关系，使水蒸汽、洗涤吸收液于蒸发浓缩层及凝结核成长吸收层间循环进行蒸发→饱和或过饱和凝结及凝结核成长→吸收→再蒸发...的循环过程，可节省洗涤吸收液补充用量并可降低回收溶剂的含水率，进而提供简单且充分有效的净化有机废气并回收其中的有机溶剂，达到节能省碳的净化功效。
附图说明
图1为本发明第一具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置的示意图。
图2为本发明第二具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置的示意图。
图3为本发明第三具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置的示意图。
图4为本发明第四具体实施例的结合一浓缩转轮的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置的示意图。
【主要组件符号说明】
1 利用水蒸汽加强净化有机废气装置
2 利用水蒸汽加强净化有机废气装置
3 利用水蒸汽加强净化有机废气装置
10 水蒸汽供应器
12 蒸汽源
20 吸收层
30 洗涤吸收液喷洒器
40 除雾层
50 回收槽
52 帮浦
60 蒸发浓缩层
65 蒸馏塔
70 浓缩转轮
75 脱附加热单元
A 废气入口
B 洗涤吸收液入口
C 净化气体出口
D 回收液出口
E 废气入口
F 净化出口
I 吸附区
II 脱附区
III 隔离区
具体实施方式
为使充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本发明做一详细说明，说明如后：
实施例1
本发明第一具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置1如图1所示，其中该装置包含：一水蒸汽供应器10、一吸收层20、一洗涤吸收液喷洒器30、一除雾层40及一回收槽50。
而该利用水蒸汽加强净化有机废气装置1的加强净化有机废气的运作如下：首先有机废气自一废气入口A流经该水蒸汽供应器10(其由一蒸汽源12提供水蒸汽)将所欲处理的有机废气连同水蒸汽一并送入，而该水蒸汽及有机废气顺着气流朝上，而洗涤吸收液(可为水或水+溶剂；此实施例采用水)自一洗涤吸收液入口B进入该洗涤吸收液喷洒器30喷洒而下，当洗涤吸收液自喷洒器30向下落下，经该凝结核成长吸收层20时与该有机废气及水蒸汽相遇，于此该水蒸汽、洗涤吸收液及含有机溶剂的有机废气处于饱和及过饱和的状态下，致使该有机溶剂于该凝结核成长吸收层20中与水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸发冷凝而产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机溶剂，而被吸收的有机溶剂经凝结落下而回收至该回收槽50；再者，剩余未被吸收且雾化的有机溶剂微雾，再流经该除雾层40(为蜂窝型除雾器)时，即被进一步除雾拦截，经净化后的有机废气再流经净化气体出口C而排出，而回收的有机溶剂自该回收槽50流经一帮浦52自回收溶剂出口D排出；经此有效将有机废气中的有机溶剂利用本发明的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置1进行净化回收。
以PU业的有机废气进行测试，其中该有机废气100NCMM、35℃、75％RH(空气露点温度为30℃)含DMF 200ppmv，在流经该有机废气湿式洗涤净化回收装置1之后，其净化后的有机废气100NCMM、30-31℃中含DMF 2ppmv，该DMF的净化效率达99％；而回收液含水率30～50％wt；若无水蒸汽供应器10提供水蒸汽以使有机废气达至饱和或过饱和状态，并发生蒸汽冷凝，产生凝结核成长以强化吸收有机废气时，其净化效率仅达95％含水率则为70～90％wt。
实施例2
本发明第二具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置2如图2所示，其中该装置包含：一水蒸汽供应器10、一吸收层20、一洗涤吸收液喷洒器30、一除雾层40、一回收槽50及一蒸发浓缩层60。
而该利用水蒸汽加强净化有机废气装置2的加强净化有机废气的运作如下：首先有机废气自一废气入口A流经该水蒸汽供应器10(其由一蒸汽源12提供水蒸汽)将所欲处理的有机废气连同水蒸汽一并送入，而该水蒸汽及有机废气顺着气流朝上，而洗涤吸收液(可为水或水+溶剂)自一洗涤吸收液入口B进入该洗涤吸收液喷洒器30喷洒而下，当洗涤吸收液自喷洒器30向下落下，流经该凝结核成长吸收层20时与该有机废气及水蒸汽相遇，于此凝结核成长吸收层20之中该水蒸汽、洗涤吸收液及含有机溶剂的有机废气处于饱和及过饱和的状态下，致使该有机溶剂于该凝结核成长吸收层20中与水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸发冷凝而产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机溶剂，而被吸收的有机溶剂可进一步经该蒸发浓缩层60浓缩而回收至该回收槽50；再者，剩余未被吸收且雾化的有机溶剂微雾，再流经该除雾层40(为蜂窝型除雾器)时，即被进一步除雾拦截，经净化后的有机废气再流经净化气体出口C而排出，而回收的有机溶剂自该回收槽50流经一帮浦52自回收溶剂出口D排出；经此有效将有机废气中的有机溶剂利用本发明的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置2进行净化回收。
以胶带业的有机废气进行测试，其中该有机废气400NCMM、65℃、12.5％RH(空气露点温度为25℃)含DOP微雾500mg/NM3，在流经该有机废气湿式洗涤净化回收装置2之后，其净化后的有机废气中含DOP微雾5mg/NM3以下，该DOP的净化效率达99％；若无水蒸汽供应器10提供水蒸汽加强促使该DOP次微米微雾凝结核成长时(由0.3μm成长为5μm以上；本实施例采用的除雾层40为蜂窝型除雾器，当微粒为5μm以上，其去除效率达99％以上，并风速为2.5m/s)，其该DOP的净化效率为90％。
实施例3
本发明第三具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置3如图3所示，其中该装置包含：一水蒸汽供应器10、一吸收层20、一洗涤吸收液喷洒器30、一除雾层40、一回收槽50及一蒸馏塔65。
而该利用水蒸汽加强净化有机废气装置3的加强净化有机废气的运作如下：首先有机废气自一废气入口A流经该水蒸汽供应器10(其由一蒸汽源12提供水蒸汽)将所欲处理的有机废气连同水蒸汽一并送入，而该水蒸汽及有机废气顺着气流朝上，而洗涤吸收液(可为水或水+溶剂；此实施例采用水)自一洗涤吸收液入口B进入该洗涤吸收液喷洒器30喷洒而下，当洗涤吸收液自喷洒器30向下落下，经该凝结核成长吸收层20时与该有机废气及水蒸汽相遇，于此该水蒸汽、洗涤吸收液及含有机溶剂的有机废气处于饱和及过饱和的状态下，致使该有机溶剂于该凝结核成长吸收层20中与水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸发冷凝而产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机溶剂，而被吸收的有机溶剂经凝结落下而回收至该回收槽50；再者，剩余未被吸收且雾化的有机溶剂微雾，再流经该除雾层40(为蜂窝型除雾器)时，即被进一步除雾拦截，经净化后的有机废气再流经净化气体出口C而排出，而回收的有机溶剂自该回收槽50流经一帮浦52自回收溶剂出口排入该蒸馏塔65之中，该回收的有机溶剂于该蒸馏塔65之中进一步蒸发其内所含的水份，以进一步浓缩回收该有机溶剂，同时于蒸馏所得的水蒸汽亦可进一步导入一蒸汽源12之中，以作为该水蒸汽供应器的水蒸汽来源；经此有效将有机废气中的有机溶剂利用本发明的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置3进行净化回收。
以半导体业的有机废气进行测试，其中该有机废气50NCMM、25℃、50％RH(露点温度为18℃dp)含MEA废气500ppmv，在流经该有机废气湿式洗涤净化回收装置3之后，其净化后的有机废气50NCMM、18-20℃中有机溶剂的浓度为10ppmv，该MEA的净化效率达98％，可有效净化该MEA废气；而回收液含水率为5-15％左右；若无蒸馏塔65进一步蒸发回收液内所含的水份并提供水蒸汽源时，该MEA的净化效率为90％，回收液含水率系为25-40％左右。
实施例4
本发明第四具体实施例的一种利用水蒸汽加强净化有机废气装置3，结合一浓缩转轮进行有机废气的净化，其如图4所示，其为有机废气先经一浓缩转轮70的浓缩处理，且该浓缩转轮70可为一蜂巢状转轮浓缩器(Concentrator；亦可为转环式或流体化床式的浓缩器)，该有机废气自一废气入口E经由该浓缩转轮净化后，净化后的气体自一净化出口流出；而被吸附于该浓缩转轮70的有机物质再借由一脱附加热单元75所排出的气体脱附，成为浓缩的有机废气，再进入本发明的利用水蒸汽加强净化有机废气装置3，进行该浓缩有机废气的净化。
由上述的具体实施例可知，本发明的一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置及方法，为利用一水蒸汽供应器及一洗涤吸收液喷洒器提供水蒸汽及洗涤吸收液，使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机溶剂于一凝结核成长吸收层达到饱和或过饱和，利用水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长以强化吸收有机废气中的有机物质，而回收有机溶剂；再者，进一步利用一蒸发浓缩层及吸收层间热能交换关系，使水蒸汽、洗涤吸收液于该蒸发浓缩层及凝结核成长吸收层间循环进行蒸发→饱和或过饱和凝结及凝结核成长→吸收→再蒸发...的循环过程，可节省洗涤吸收液补充用量并可降低回收溶剂的含水率，进而加强净化有机废气并回收其中的有机溶剂，达到节能省碳的净化功效。
Claims (9)
1.一种利用水蒸汽加强净化有机废气的装置，其包含：
一水蒸汽供应器，其提供水蒸汽，以促使有机废气中水汽达至饱和或过饱和状态；
一洗涤吸收液喷洒器，其提供洗涤吸收液，以冷却该有机废气并可进一步使该有机废气中水汽达到饱和或过饱和状态；
一凝结核成长吸收层，其用以使水蒸汽、洗涤吸收液与有机废气充分质传，并使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机溶剂于此达到饱和或过饱和，而冷凝核成长并可进一步吸收该有机废气中的有机物质或其冷凝核成长微雾，以吸收该有机溶剂；
一除雾层，其用以除雾并回收雾状的有机溶剂；
一回收槽，其用以回收该有机溶剂；
其特征在于：利用水蒸汽及洗涤吸收液发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长与吸收效应而使粒径加大以加强净化该有机废气中的有机物。
2.如权利要求1所述的装置，其进一步包含一蒸发浓缩层，其用以冷却有机废气同时加热洗涤吸收液而蒸发，并浓缩流经该蒸发浓缩层中洗涤吸收液的有机溶剂浓度。
3.如权利要求1或2所述的装置，其进一步包含一蒸馏塔，可用于浓缩回收的有机溶剂，同时作为该水蒸汽供应器的蒸汽源。
4.如权利要求3所述的装置，其进一步结合蜂巢式转轮浓缩器、转环式浓缩器、流体化床式浓缩器、焚化炉或冷却器等，以完全净化有机废气。
5.如权利要求3所述的装置，其中该装置为直立式塔状或横卧式。
6.如权利要求3所述的装置，其中该蒸馏塔的加热媒介为加压水蒸汽、热媒油或电热。
7.如权利要求3所述的装置，其中该有机废气中的有机溶剂为：氮-甲基四氢吡咯酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲胺(DMA)和三甲胺(TMA)、单乙醇胺(MEA)、二甲基亚砜(DMSO)、丙二醇甲醚乙酯(PGMEA)、邻苯二甲酸二酯(DOP)的任一种或其它类似中高沸点挥发性有机物(VOCs)或其任意组合。
8.一种利用水蒸汽加强净化有机废气的方法，其包含下列步骤：
(1)提供如权利要求1至7所述的装置，用以净化有机废气并回收有机溶剂；
(2)利用一水蒸汽供应器及一洗涤吸收液喷洒器，提供水蒸汽及洗涤吸收液以使有机废气中水汽达到饱和或过饱和状态，以发生蒸汽冷凝，并产生凝结核成长以强化吸收有机废气并回收其内的有机溶剂；
(3)再利用一凝结核成长吸收层，使水蒸汽、洗涤吸收液与有机废气充分质传，并使该水蒸汽、洗涤吸收液或/和有机溶剂于此达到饱和或过饱和，而冷凝核成长并可进一步吸收有机废气中的有机物质或其冷凝核成长微雾，以回收该有机溶剂。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包含一除雾步骤，以净化并回收雾化的有机溶剂。
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