CN110302634A - 环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置及工艺，通过将高浓度的环氧乙烷废气经过几级吸收喷淋塔水吸收，剩余的废气达标排放；收喷淋塔塔釜收集的环氧乙烷水溶液，进入水合反应器中进行环氧乙烷水合反应，生成高纯度乙二醇，反应后乙二醇水溶液一部分回流到所述的塔釜中，同时补加清水，继续作为环氧乙烷废气吸收液使用，一部分反应产物回到乙二醇水溶液储罐进行再利用。本工艺吸收和反应分成独立单元的两个部分，整个过程吸收效率高、操作过程简单，能耗低，吸收液得到资源化利用，占地面积小，操作简单，综合运行成本低，安全性高，并且无废液排放，适用于各类大小型灭菌企业的环氧乙烷废气治理。

Description

环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置及工艺
(一)技术领域
本发明涉及大气污染控制及其资源化利用领域，特别是指消毒灭菌行业有毒有害环氧乙烷废气治理及其资源化利用的装置及工艺。
(二)背景技术
环氧乙烷作为继甲醛的二代消毒剂，因其具穿透性强、对金属无腐蚀性、无残留气味等优点常被用于绷带、缝线、输液管、针灸、珍贵文物等作不耐高温、不耐湿物品的杀毒灭菌。环氧乙烷沸点很低(仅10.8℃)，极易挥发到空气中，并聚集于低洼处，且易爆易燃。对人体具有很强的毒性，长时间接触会致癌。国家规定环氧乙烷的排放标准为2.5ppm。现有的灭菌行业环氧乙烷尾气治理技术主要为水吸收技术，环氧乙烷经过多级水吸收，可以对废气进行很好净化。尤其在吸收水中加入一定量的硫酸，可以快速促进环氧乙烷吸收。但同时吸收后会产生大量低浓度EO废液，这些废液中主要含乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、无机酸碱等混合物，分离相对困难，后续精馏提纯成本高，导致EO废液成为危险固废，无法进行有效回用利用，造成二次污染。
但同时环氧乙烷是重要的化工原料之一，大部分用于生产乙二醇(75％的环氧乙烷消耗)，其他的下游产品包括醇醚、多元醇、聚乙二醇等。在这些醇类，乙二醇的合成占环氧乙烷主要的用途，乙二醇可用于防冻剂、聚酯纤维、液体冷却剂和溶剂等。
针对灭菌行业严重的环氧乙烷废气污染，迫切需要一种新的清洁治理工艺技术，可以在高效吸收EO废气的同时，能够副产高纯乙二醇(乙二醇是重要的聚酯工业原料)，这是EO吸收液资源化利用的有效途径，不仅能减少灭菌行业中环氧乙烷污染，而且能产出客观经济效益。
(三)发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置及工艺。
本发明目的可以通过以下技术方案来实现：
高浓度的环氧乙烷废气经过几级吸收喷淋塔水吸收，净化后达标排放。吸收喷淋塔塔釜收集的环氧乙烷水溶液，进入水合反应器中进行环氧乙烷水合反应，生成高纯度乙二醇，反应后乙二醇水溶液一部分回流到所述的塔釜中，同时补加清水，继续作为环氧乙烷废气吸收液使用，一部分反应产物回到乙二醇水溶液储罐进行再利用。
一种环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置，包括n个吸收喷淋塔，依次为第一级吸收喷淋塔、第二级吸收喷淋塔、···第n级吸收喷淋塔，n为2-6；所述n个吸收喷淋塔的塔体下部均设有气体入口，气体入口上方设有填料层，所述填料层可用以填装填料，所述的填料层上方设有若干个水喷淋头，所述的水喷淋头上方设置丝网除雾层，所述丝网除雾层可用以填装丝网，塔顶设有气体出口；
相邻的吸收喷淋塔塔底通过联通管连通；每个吸收喷淋塔的一侧均设有循环泵，所述循环泵的进口连接有进液管，所述进液管远离循环泵进口的一端与所述吸收喷淋塔的塔釜靠近底部部位连接，所述循环泵的出口通过管路与其相应吸收喷淋塔的水喷淋头连接；
所述第n级吸收喷淋塔塔釜上设有补液口，所述的补液口设有与供水储罐连通的补液管路，所述的补液口与所述的供水储罐之间设有输送泵；
所述的第一吸收喷淋塔的塔釜上设有出液口，所述的出液口通过管道依次与换热器、高压泵、水合反应器、分液泵及乙二醇水溶液储罐连接；所述的水合反应器内填装有固体催化剂；所述的分液泵与乙二醇水溶液储罐之间设有分流管，所述的分流管与所述的换热器壳程入口连接，所述换热器壳程出口通过管道与所述的补液口连通，所述的换热器壳程出口与所述的补液口之间设有冷却器；
所述第一级吸收喷淋塔的气体入口连接环氧乙烷废气管路，第一级吸收喷淋塔的气体出口与第二级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，第二级吸收喷淋塔的气体出口与第三级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，…，以此类推，第n-1级吸收喷淋塔的气体出口与第n级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，第n级吸收喷淋塔的气体出口通过真空泵排入大气。
本发明还提供了一种应用所述的环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置处理环氧己烷废气的工艺，所述的工艺具体按照如下步骤进行：
(1)将供水储罐里的水利用补液管路通过输送泵向所述的第n级吸收喷淋塔的塔釜中注入水，直到每个吸收喷淋塔的塔釜液位一致，开启各个循环泵和每个吸收喷淋塔对应的水喷淋头；
(2)从灭菌柜通过真空泵抽出的高浓度(1-20v％)环氧乙烷废气，进入第一级吸收喷淋塔，环氧乙烷废气不断上升穿过填料层，在水喷淋的作用下与水充分接触，环氧乙烷废气中的环氧己烷不断溶解于水中，直到环氧己烷气体和环氧己烷水溶液之间达到气液平衡；
(3)所述的环氧己烷废气经过水喷淋后进入丝网除雾层，最后从塔顶的气体出口流出，进入与之相连的第二级吸收喷淋塔，在所述的第二级吸收喷淋塔进行前一级吸收喷淋塔内相同操作，如此通过n个吸收喷淋塔后，得到的产物通过真空泵排放到空气中；
(4)打开高压泵和分流泵，所述的第一级吸收喷淋塔中的吸收液被抽出进入换热器，换热到60-100℃，然后经高压泵进入水合反应器，在温度80-150℃，压力0.1-3MPa条件下，在固体催化剂的作用下，在水合反应器内停留0.5-20分钟，生成的高纯度乙二醇水溶液一部分进入乙二醇水溶液储罐储存，另一部分乙二醇水溶液经过换热器的壳程，与环氧乙烷水溶液进行换热，然后经过冷却器冷却，重新回到第n级吸收喷淋塔塔釜。
本发明所述的工艺中第n级吸收喷淋塔塔釜需要不断补充水，以保持所有塔釜液位的平衡，从而保证塔釜内较低的环氧乙烷浓度。
进一步，所述的吸收喷淋塔的填料层填装有塑料空心球填料。进一步，所述的水喷淋头设置2～8个，保证液体覆盖度。
进一步，所述的换热器为列管式换热器。
进一步，所述的固体催化剂为季铵型酸式碳酸盐阴离子交换树脂、SiO2和Al2O3负载的杂多酸(磷钼酸、磷钨酸及硅钨酸)或负载型氧化铌(Nb2O5/α-Al2O3)。
进一步，所述水合反应器进口和出口都设置过滤网，防止固体催化剂流失。
本发明所述的环氧乙烷转化率大于96％，乙二醇选择性大于95％。
采用本发明的治理工艺技术方案，将达到如下的技术效果：
1、本技术工艺环氧乙烷经多级水吸收EO含量基本可达标排放(<5mg/m3)。
2、本工艺吸收和反应分成独立单元的两个部分，占地面积小，操作简单，综合运行成本低，安全性高，非常适用于各类大小型灭菌企业的环氧乙烷废气治理。并且无废液排放，符合国家倡导的循环经济和可持续发展。
3、本发明环氧乙烷废气通过水吸收和水合反应，被高选择性地转化为乙二醇，变废为宝，彻底实现了零排放和资源化利用。
4、整个过程吸收效率高、操作过程简单，能耗低，吸收液得到资源化利用，可广泛应用于灭菌行业EO尾气的吸收治理。
附图说明：
图1是本发明技术的工艺流程图。
图中，T0101-第一级吸收喷淋塔，T0102-第二级吸收喷淋塔，T0103-第三级吸收喷淋塔，T0104-第四级吸收喷淋塔；P0101-P0104：循环泵；P0105-真空泵；P0106高压泵；P0107-分液泵；P0108-输送泵；E0101换热器；E0102-冷却器；R0101-水合反应器；V0101-乙二醇水溶液储罐；V0102-供水储罐。
具体实施方式：
见图1，具体采用四级吸收工艺，所用的装置包括了4个吸收喷淋塔，4个循环泵1个真空泵，1个高压泵，1个分液泵，1个乙二醇水溶液储罐，1个供水储罐，1个换热器，1个冷却器。4个吸收喷淋塔结构一致，塔径为600mm，塔高为3000mm，塔体下部均设有气体入口，气体入口上方设有2m高的塑料PP空心球填料填料层上方设有6个水喷淋头，水喷淋头上方设置200mm的丝网除雾层，塔顶设有气体出口；4个吸收塔的塔底均通过连通管相连；
每个吸收喷淋塔的一侧均设有循环泵，所述循环泵的进口连接有进液管，所述进液管远离循环泵进口的一端与所述吸收喷淋塔的塔釜靠近底部部位连接，所述循环泵的出口通过管路与其相应吸收喷淋塔的水喷淋头连接；
所述第四级吸收喷淋塔T0104塔釜上设有补液口，所述的补液口设有与供水储罐连通的补液管路，所述的补液口与所述的供水储罐之间设有输送泵P0108；
所述的第一吸收喷淋塔T0101的塔釜上设有出液口，所述的出液口通过管道依次与换热器E0101、高压泵P0106、水合反应器R0101、分液泵P0107及乙二醇水溶液储罐V0101连接；所述的水合反应器R0101内填装有固体催化剂；所述的分液泵P0107与乙二醇水溶液储罐V0101之间设有分流管，所述的分流管与所述的换热器E0101壳程入口连接，所述换热器E0101壳程出口通过管道与所述的补液口连通，所述的换热器E0101壳程出口与所述的补液口之间设有冷却器E0102；
所述第一级吸收喷淋塔T0101的气体入口连接环氧乙烷废气管路，第一级吸收喷淋塔T0101的气体出口与第二级吸收喷淋塔T0102的气体入口通过管路连接，第二级吸收喷淋塔T0102的气体出口与第三级吸收喷淋塔T0103的气体入口通过管路连接，第三级吸收喷淋塔T0103的气体出口与第四级吸收喷淋塔T0104的气体入口通过管路连接，第四级吸收喷淋塔T0104的气体出口通过真空泵P0105排入大气。
具体治理流程如下：
(1)环氧乙烷尾气吸收流程：利用供水储罐V0102通过输送泵P0108塔釜内注入水，直到四个吸收喷淋塔的塔釜液位一致，开启各个循环泵和水喷淋头。
b、从灭菌柜通过真空泵抽出的高浓度(1-20v％)环氧乙烷废气，进入第一级吸收喷淋塔T0101，环氧乙烷废气穿过填料层，与水充分接触，EO不断溶解于水中，直到气相EO和液相EO之间达到气液平衡；废气再次进入第二级T0102、第三级T0103和第四级吸收喷淋塔T0104，每级吸收效率大于90％，经过串联多级吸收，环氧乙烷吸收效率>99.9999％。在环境排放限制严的地区，可以通过增加吸收塔形式，进一步提高吸收效率，最终使废气中环氧乙烷浓度达标排放。
(2)吸收液水合催化反应：第一级吸收塔塔釜内的吸收液被抽出进入换热器，换热到60度，然后经高压泵进入水合反应器，水合反应器内温度控制100度，压力1MPa，催化剂为Nb2O5/α-Al2O3，在水合反应器内停留2s。反应方程式如下：
化学水合反应器生成的高纯度乙二醇水溶液一部分进入储罐储存。一部分乙二醇经过换热器，与环氧乙烷水溶液换热，然后经过第二级换热器换热冷却，重新回到最后一个塔(第四级吸收喷淋塔)塔釜。
第四级吸收喷淋塔塔釜不断补充新鲜水，以保持所有吸收喷淋塔釜液位的平衡，从而保证吸收喷淋塔釜内较低的环氧乙烷浓度。
运行效果：利用本发明装置按照上述工艺对15m3灭菌柜环氧乙烷废气进行处理(废气流量为600m3/h、最大环氧乙烷排放强度40kg/h)，经过四级处理，尾气环氧乙烷浓度经检测，排放浓度为4.5mg/m3，同时副产浓度为40％的纯度大于95％的乙二醇水溶液。

Claims (10)

1.一种环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置，其特征在于：所述的净化装置包括n个吸收喷淋塔，依次为第一级吸收喷淋塔、第二级吸收喷淋塔、···第n级吸收喷淋塔，n为2-6；所述n个吸收喷淋塔的塔体下部均设有气体入口，气体入口上方设有填料层，所述填料层可用以填装填料，所述的填料层上方设有若干个水喷淋头，所述的水喷淋头上方设置丝网除雾层，所述丝网除雾层可用以填装丝网，塔顶设有气体出口；
相邻的吸收喷淋塔塔底通过联通管连通；每个吸收喷淋塔的一侧均设有循环泵，所述循环泵的进口连接有进液管，所述进液管远离循环泵进口的一端与所述吸收喷淋塔的塔釜靠近底部部位连接，所述循环泵的出口通过管路与其相应吸收喷淋塔的水喷淋头连接；
所述第n级吸收喷淋塔塔釜上设有补液口，所述的补液口设有与供水储罐连通的补液管路，所述的补液口与所述的供水储罐之间设有输送泵；
所述的第一吸收喷淋塔的塔釜上设有出液口，所述的出液口通过管道依次与换热器、高压泵、水合反应器、分液泵及乙二醇水溶液储罐连接；所述的水合反应器内填装有固体催化剂；所述的分液泵与乙二醇水溶液储罐之间设有分流管，所述的分流管与所述的换热器壳程入口连接，所述换热器壳程出口通过管道与所述的补液口连通，所述的换热器壳程出口与所述的补液口之间设有冷却器；
所述第一级吸收喷淋塔的气体入口连接环氧乙烷废气管路，第一级吸收喷淋塔的气体出口与第二级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，第二级吸收喷淋塔的气体出口与第三级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，…，以此类推，第n-1级吸收喷淋塔的气体出口与第n级吸收喷淋塔的气体入口通过管路连接，第n级吸收喷淋塔的气体出口通过真空泵排入大气。
2.如权利要求1所述的净化装置，其特征在于：所述水合反应器进口和出口都设有过滤网。
3.如权利要求1所述的净化装置，其特征在于：所述的水喷淋头设有2～8个。
4.如权利要求1所述的净化装置，其特征在于：所述的换热器为列管式换热器。
5.一种应用权利要求1所述的环氧乙烷废气吸收耦合催化反应净化装置处理环氧己烷废气的工艺，其特征在于：所述的工艺具体按照如下步骤进行：
(1)将供水储罐里的水利用补液管路通过输送泵向所述的第n级吸收喷淋塔的塔釜中注入水，直到每个吸收喷淋塔的塔釜液位一致，开启各个循环泵和每个吸收喷淋塔对应的水喷淋头；
(2)从灭菌柜通过真空泵抽出的浓度为1-20v％的环氧乙烷废气，进入第一级吸收喷淋塔，环氧乙烷废气不断上升穿过填料层，在水喷淋的作用下与水充分接触，环氧乙烷废气中的环氧己烷不断溶解于水中，直到环氧己烷气体和环氧己烷水溶液之间达到气液平衡；
(3)所述的环氧己烷废气经过水喷淋后进入丝网除雾层，最后从塔顶的气体出口流出，进入与之相连的第二级吸收喷淋塔，在所述的第二级吸收喷淋塔进行前一级吸收喷淋塔内相同操作，如此通过n个吸收喷淋塔后，得到的产物通过真空泵排放到空气中；
(4)打开高压泵和分流泵，所述的第一级吸收喷淋塔中的吸收液被抽出进入换热器，换热到60-100℃，然后经高压泵进入水合反应器，在温度80-150℃，压力0.1-3MPa条件下，在固体催化剂的作用下，在水合反应器内停留0.5-20分钟，生成的高纯度乙二醇水溶液一部分进入乙二醇水溶液储罐储存，另一部分乙二醇水溶液经过换热器的壳程，与环氧乙烷水溶液进行换热，然后经过冷却器冷却，重新回到第n级吸收喷淋塔塔釜。
6.如权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述的吸收喷淋塔的填料层填装有塑料空心球填料。
7.如权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述的固体催化剂为季铵型酸式碳酸盐阴离子交换树脂、SiO2和Al2O3负载的杂多酸或负载型氧化铌。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征在于：所述的杂多酸为磷钼酸、磷钨酸或硅钨酸。
9.如权利要求7所述的工艺，其特征在于：所述的负载型氧化铌为Nb2O5/α-Al2O3。
10.如权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述第n级吸收喷淋塔塔釜通过供水储罐不断补充水量，以保持所有吸收喷淋塔塔釜液位的平衡。
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