CN113856392B - 一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统及方法 - Google Patents

一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化工安全技术领域，一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统及方法。该VOCs捕收系统能够根据现场VOCs浓度进行“一键切换”操作，使该装置在膜分离‑压缩冷凝‑吸附和压缩冷凝‑膜分离‑吸附两种工艺间实现无隙切换，在实现全浓度VOCs混合气体捕集和收储的同时，保证装置在高效、低能耗模式下运行。利用多个分离单元协同耦合增效的优势和切换适宜的处理工艺，保证了各分离单元在各自优势区间工作，可处理废气浓度范围宽，分离效果高，能耗低，具有很好的经济效益和社会效益。

Description

一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统及 方法
技术领域
本发明属于化工安全技术领域，涉及一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统。该VOCs捕收系统结构紧凑、占地面积小、采用模块化集成设计，易于安装且便于迁移。能够根据现场VOCs浓度进行“一键切换”操作，使该装置在膜分离-压缩冷凝-吸附和压缩冷凝-膜分离-吸附两种工艺间实现无隙切换，在实现全浓度VOCs混合气体捕集和收储的同时，保证装置在高效、低能耗模式下运行。
背景技术
在化工、制药、印刷、石油化工装置生产、开停车及故障(管线泄露或者机泵故障)、罐区油气装卸作业过程中经常排放含有挥发性有机物(VOCs)的废气。如果不能对这些含有VOCs的废气进行及时处理，不仅将会给企业生产带来巨大的安全隐患、造成严重的异味及环境污染，严重危害企业职工及附近居民的身体健康；而且造成重要资源(如轻烃、油气、溶剂等)的浪费，降低企业经济效益。此外，含VOCs废气往往组分复杂、浓度范围宽，爆炸区间范围较大。因此，如何实现对废气中VOCs的高效处理，是维护生产安全、保障人民群众生命健康、促进生态文明建设、实现企业提质增效的迫切要求。
吸附技术是一种常见的VOCs回收处理技术，它有如下优点：脱除效果好，易实现达标排放；常温操作，能耗低；可连续循环操作。但其也存在一些不足，例如：吸附剂吸附容量有限，对VOCs浓度较高的废气，操作时间将会大大缩短；较重的VOCs将降低吸附剂使用寿命；当VOCs浓度较高时，易发生“飞温”，损坏吸附剂结构的同时，存在重大安全隐患；另外，其排放出解吸气，还需要进一步处理。
压缩冷凝技术也是处理VOCs废气的重要方法。其是采用升压冷凝技术，使VOCs在高压低温下冷凝为液体，得到液体回收物的方法。适用于处理高浓度VOCs废气。其优点是工艺简单，可靠性高；回收物直接为液态VOCs。缺点是前期投资较大；制冷能耗高；不适宜处理低浓度VOCs废气。
气体膜分离技术以其投资费用低、操作简单、分离效率高、占地面积小、易与其它化工单元装置耦合等明显优势，且对原料浓度波动情况适应性强。但是单独的VOCs膜分离技术难以实现排放气的排放要求。
综上，以上三种VOCs废气处理技术具有各自的优点和不足，在不同的浓度区间具有独自的分离优势。因此，提出对以上三种处理工艺进行耦合，开发一种高效的多种分离技术集成的VOCs捕收工艺。
同时，实际过程中排放的含VOCs尾气普遍存在浓度范围广、负荷波动范围大、组分复杂等特点，使得同一耦合工艺难以保证让各分离单元在高效区进行工作。因此，提出将压缩冷凝、膜分离和吸附分离单元模块化，构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺，对全流程VOCs处理系统进行一体化集成设计，针对不同原料浓度，利用“一键切换”控制单元实现两种工艺的无隙切换，使各分离单元始终保持在各自相应的高效区运行，从而开发一种适用全浓度范围(1mol％～100mol％)的VOCs捕收系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种压缩冷凝、膜分离、吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统，构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺，根据原料气VOCs浓度的不同，通过“一键切换”控制单元在两种工艺间进行无隙切换，实现各个单元与各自相应的高效分离区的精准匹配；使用压缩冷凝、膜分离及吸附装置，实现VOCs废气高效治理，同时收储液态VOCs，以提升企业的经济性和社会效益。
为达到上述目的，本发明的技术方案：
一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统，所述的全浓度VOCs捕收系统包括原料气浓度分析单元A、一键切换控制单元C、风机1、第1#缓冲罐2、第1#压缩机3、第2#压缩机4、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、膜前过滤器9、膜分离器10、吸附装置11、真空泵12、液态VOCs贮罐13；
所述的一键切换控制单元C与原料气浓度分析单元A相连；原料气、风机1、第1#缓冲罐2依次相连；第1#缓冲罐2的入口还分别通过管道与真空泵12的解析气出口、膜分离器10的渗透气出口相连；第1#缓冲罐2与膜分离器10连接的管路上设置调节阀V1-3和三通S-3；三通S-3的另一管路通向第2#压缩机4，其间设置调节阀V2-2；第1#缓冲罐2的混合气出口依次通过管路与第1#压缩机3、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、液态VOCs贮罐13相连；第2#缓冲罐5、换热器6之间的管路上设置三通S-1和调节阀V1-1；三通S-1的另一管路通向膜前过滤器9，其间设置调节阀V2-1；第2#压缩机4还与换热器6相连；换热器6还与分液罐8相连；
所述的换热器6还依次通过管路与膜前过滤器9、膜分离器10、真空泵12相连；换热器6与膜前过滤器9之间的管路上设置三通S-2和调节阀V1-2；三通S-2的另一管路通向第2#缓冲罐5，其间设置调节阀V2-3；膜分离器10与真空泵12之间的管路上设置四通阀，四通阀的另外两个管路分别连通两个吸附装置11的出口和入口。
一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收方法，来自周围环境的含VOCs混合气、化工装置开停车排放气、油气罐区排放气、化工泄露事故废气，其主要成分为N2、O2和VOCs；该装置可以在高浓度工况和低浓度工况下高效运行，并根据原料气VOCs浓度，通过“一键切换”控制单元切换不同的处置工艺，最大程度发挥装置的性能。所述全浓度VOCs捕收系统处理的气体中VOCs浓度范围为1mol％～100mol％，具体步骤如下：
当待处理的原料气中的VOCs浓度高于设定浓度时，启用1模式，运行工艺1：压缩冷凝-膜分离-吸附；在该模式下，原料气首先经过压缩冷凝除去部分VOCs，液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储；不凝气经换热升温后进入膜分离器，VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集，循环至原料气缓冲罐与原料气和吸附解吸气混合重复上述处理过程；利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
当待处理的原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时，启用2模式，运行工艺2：膜分离-压缩冷凝-吸附；在该模式下，原料气经压缩机加压后进入膜分离器，VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集，渗透气经过压缩冷凝除去部分VOCs，液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储；不凝气经换热升温后与加压原料气混合重复处理过程，利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
工艺1：压缩冷凝-膜分离-吸附工艺，适用于高浓度VOCs废气处理。采用“先冷凝后膜”的操作模式(模式1)，充分发挥压缩冷凝单元在高浓度VOCs条件下的分离优势，降低膜分离和吸附单元的处理负荷；膜分离单元对压缩冷凝气相中的剩余的VOCs进行富集，确保VOCs的高收率，且可降低冷凝的温度和减小进入吸附单元的气体量，进而减小吸附单元的装置负荷；利用多塔切换操作的吸附装置实现吸附装置的连续化操作并确保VOCs的达标排放。
工艺2：膜分离-压缩冷凝-吸附工艺，适用于低浓度VOCs废气处理。其采用“先膜后冷凝”的操作模式(模式2)，充分发挥VOCs膜分离单元在低浓度VOCs下的提浓富集优势，确保VOCs的高收率并降低后续压缩冷凝单元的冷凝温度和负荷，减小进入吸附单元的气体量，从而减小吸附单元的装置负荷；利用多塔切换操作的吸附装置实现吸附装置的连续化操作并确保VOCs的达标排放。
VOCs捕收系统原料气浓度分析单元A对原料气的组成进行分析，分析结果被传递给一键切换控制单元C，一键切换控制单元C根据VOCs浓度信息进行判断并切换最优的处置工艺。
当原料气中VOCs浓度大于设定浓度时，启用1模式，此时系统的调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动关闭，调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动开启。在该模式下，原料气经吸入管路进入风机1，风机1出口气体进入第1#缓冲罐2，与膜分离器10渗透气和吸附装置11的解吸气混合，混合气进入第1#压缩机3；升压至500～3000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5，气体经三通S-1、调节阀V1-1后进入换热器6和分液罐8顶气换热，降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至10～-80℃(温度根据VOCs组分特性设定)，气液两相混合物进入分液罐8；罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐13收储；未冷凝的罐顶气体经过换热器6升温(温差≥20℃)后经三通S-2、调节阀V1-2和膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10；VOCs膜分离器10富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V1-3去第1#缓冲罐2与风机1出口气体和吸附装置11的解吸气混合；渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置11吸附后的排放气达标排放，吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐2循环处理。
当原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时，2模式被启用。系统的调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动关闭，调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动开启，在该模式下，原料气经吸入管路进入风机1，风机1出口气体进入第1#缓冲罐2，与膜分离器10渗透气和吸附装置11解吸气混合，混合气进入第1#压缩机3；升压至500～3000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5，升压后的气体和来自换热器6的气体在第2#缓冲罐5内混合，混合后的气体经三通S-1和调节阀V2-1后进入膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10；膜分离器10富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机4升压至500～3000kPa(表)后进入换热器6和分液罐8的罐顶气进行换热，降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至10～-80℃(温度根据VOCs组分特性设定)，气液两相混合物进入分液罐8；罐底得到的液态VOCs去VOCs贮罐13储存，罐顶气体经过换热器6升温(温差≥20℃)后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐5与第1#压缩机3升压后的气体混合重复上述过程。渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置吸附后的排放气达标排放，吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐2循环处理。
所述的膜分离器10所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
所述捕收系统中分液罐8的罐顶气经过换热器6的温升应不小于20℃。
本发明的有益效果：本发明使用压缩冷凝、膜分离、吸附耦合的方法构建压缩冷凝-膜分离-吸附工艺和膜分离-压缩冷凝-吸附工艺，通过“一键切换”控制单元实现两种工艺间的无隙切换，实现了VOCs的高效分离，同时得到液态VOCs产品，收率高。利用多个分离单元协同耦合增效的优势和切换适宜的处理工艺，保证了各分离单元在各自优势区间工作，可处理废气浓度范围宽，分离效果高，能耗低，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图中：1风机；2第1#缓冲罐；3第1#压缩机；4第2#压缩机；5第2#缓冲罐；6换热器；7冷凝器；8分液罐；9膜前过滤器；10膜分离器；11吸附装置；12真空泵；13液态VOCs贮罐。A为原料气浓度分析单元；C为一键切换控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明的系统包括所述的全浓度VOCs捕收系统包括原料气浓度分析单元A、一键切换控制单元C、风机1、第1#缓冲罐2、第1#压缩机3、第2#压缩机4、第2#缓冲罐5、换热器6、冷凝器7、分液罐8、膜前过滤器9、膜分离器10、吸附装置11、真空泵12、液态VOCs贮罐13。
所述捕收装置所处理VOCs气体的主要组分是VOCs和空气，VOCs浓度范围为1mol％～100mol％，整个VOCs捕收系统采用模块化集成设计，可以根据原料气VOCs气体浓度，通过一键切换控制单元C选择适宜的处理工艺，最大程度发挥装置中不同分离单元的性能，实现装置的最佳VOCs捕集和收储效果。下面通过不同浓度的丙烯气体的处理为例进行说明。
实例1(高浓度丙烯混合气)：
当原料气中丙烯浓度为79.4mol％时(79.4mol％C3H6，4.6mol％O2，16.0mol％N2)，系统的调节阀V1-1，调节阀V1-2，调节阀V1-3自动开启，调节阀V2-1，调节阀V2-2，调节阀V2-3自动关闭，1模式被启用。原料气经吸入管路进入风机1，升压到20kPa(表)后的气体进入第1#缓冲罐2与膜分离器10渗透气和吸附装置解吸气混合，混合气进入第1#压缩机3；升压至1000kPa(表)后的气体进入第2#缓冲罐5，气体经三通S-1，调节阀V1-1后进入换热器6和分液罐顶气换热，降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至-65℃，气液两相混合物进入分液罐8；罐底得到的液态丙烯去丙烯贮罐13储存，罐顶丙烯浓度为3.9mol％的气体经过换热器6升温后(20.2℃)经三通S-2，调节阀V1-2后至膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10；膜分离器10的丙烯为6.6mol％的渗透气经三通S-3，调节阀V1-3去第1#缓冲罐2与风机1出口气体气体和吸附装置11的解吸气混合；渗余侧丙烯浓度为0.5mol％的渗余气去吸附装置；吸附后排放气达标排放，吸附解吸气去第1#缓冲罐2循环处理。
实例2(低浓度丙烯混合气)：
当原料气中的丙烯浓度较低时，如10.4％(10.4mol％VOCs，19.7mol％O2，69.9mol％N2)，系统的调节阀V2-1，调节阀V2-2，调节阀V2-3自动开启，调节阀V1-1，调节阀V1-2，调节阀V1-3自动关闭，2模式被启用。原料气经吸入管路进入风机1，升压到20kPa(表)后的气体进入第1#缓冲罐2与VOCs膜分离器10渗透气和吸附装置解吸气混合，混合气进入第1#压缩机3；升压至1000kPa(表)的气体进入第2#缓冲罐5，升压后的气体和气体在第2#缓冲罐5内混合，混合后的气体经三通S-1、调节阀V2-1后经膜前过滤器9除去微小颗粒后进入膜分离器10；VOCs浓度为12.21mol％的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机4升压至1000kPa(表)后进入换热器6和分液罐顶气换热，降温后的气体进入冷凝器7进一步降温至-65℃，气液两相混合物进入分液罐8；罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐13；罐顶VOCs浓度为3.4mol％的气体经过换热器6升温到30℃后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐5与第1#压缩机3升压后的气体混合重复上述过程。渗余侧VOCs浓度为0.5mol％的渗余气去吸附装置，吸附后排放气达标排放，吸附解吸气去第1#缓冲罐2循环处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压缩冷凝、膜分离和吸附耦合的全浓度VOCs捕收系统的全浓度VOCs捕收方法，其特征在于，所述的全浓度VOCs捕收系统包括原料气浓度分析单元(A)、一键切换控制单元(C)、风机(1)、第1#缓冲罐(2)、第1#压缩机(3)、第2#压缩机(4)、第2#缓冲罐(5)、换热器(6)、冷凝器(7)、分液罐(8)、膜前过滤器(9)、膜分离器(10)、吸附装置(11)、真空泵(12)、液态VOCs贮罐(13)；
所述的一键切换控制单元(C)与原料气浓度分析单元(A)相连；原料气、风机(1)、第1#缓冲罐(2)依次相连；第1#缓冲罐(2)的入口还分别通过管道与真空泵(12)的解析气出口、膜分离器(10)的渗透气出口相连；第1#缓冲罐(2)与膜分离器(10)连接的管路上设置调节阀V1-3和三通S-3；三通S-3的另一管路通向第2#压缩机(4)，其间设置调节阀V2-2；第1#缓冲罐(2)的混合气出口依次通过管路与第1#压缩机(3)、第2#缓冲罐(5)、换热器(6)、冷凝器(7)、分液罐(8)、液态VOCs贮罐(13)相连；第2#缓冲罐(5)、换热器(6)之间的管路上设置三通S-1和调节阀V1-1；三通S-1的另一管路通向膜前过滤器(9)，其间设置调节阀V2-1；第2#压缩机(4)还与换热器(6)相连；换热器(6)还与分液罐(8)相连；
所述的换热器(6)还依次通过管路与膜前过滤器(9)、膜分离器(10)、真空泵(12)相连；换热器(6)与膜前过滤器(9)之间的管路上设置三通S-2和调节阀V1-2；三通S-2的另一管路通向第2#缓冲罐(5)，其间设置调节阀V2-3；膜分离器(10)与真空泵(12)之间的管路上设置四通阀，四通阀的另外两个管路分别连通两个吸附装置(11)的出口和入口；
所述全浓度VOCs捕收系统处理的气体中VOCs浓度范围为1mol％～100mol％；
当待处理的原料气中的VOCs浓度高于设定浓度时，启用1模式，运行工艺1：压缩冷凝-膜分离-吸附；在该模式下，原料气首先经过压缩冷凝除去部分VOCs，液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储；不凝气经换热升温后进入膜分离器，VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集，循环至原料气缓冲罐与原料气和吸附解吸气混合重复上述处理过程；利用吸附装置确保VOCs的达标排放；
当待处理的原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时，启用2模式，运行工艺2：膜分离-压缩冷凝-吸附；在该模式下，原料气经压缩机加压后进入膜分离器，VOCs组分在膜分离器的渗透侧富集，渗透气经过压缩冷凝除去部分VOCs，液态的VOCs去液态VOCs贮罐收储；不凝气经换热升温后与加压原料气混合重复处理过程，利用吸附装置确保VOCs的达标排放。
2.根据权利要求1所述的全浓度VOCs捕收方法，其特征在于，所述的膜分离器(10)所使用膜材料为中空纤维膜或平板膜。
3.根据权利要求2所述的全浓度VOCs捕收方法，其特征在于，所述的中空纤维膜或平板膜为有机膜、无机膜或复合膜。
4.根据权利要求1、2或3所述的全浓度VOCs捕收方法，其特征在于，所述换热器(6)的换热温差应不小于20℃。
5.根据权利要求1所述的全浓度VOCs捕收方法，其特征在于，具体步骤为：
原料气浓度分析单元(A)对原料气的组成进行分析，分析结果被传递给一键切换控制单元(C)，一键切换控制单元(C)根据VOCs浓度信息进行判断并切换最优的处置工艺；
当原料气中VOCs浓度大于设定浓度时，启用1模式，此时系统的调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动关闭，调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动开启；在该模式下，原料气经吸入管路进入风机(1)，风机(1)出口气体进入第1#缓冲罐(2)，与膜分离器(10)渗透气和吸附装置(11)的解吸气混合，混合气进入第1#压缩机(3)；升压至500～3000kPa后的气体进入第2#缓冲罐(5)，气体经三通S-1、调节阀V1-1后进入换热器(6)和分液罐(8)顶气换热，降温后的气体进入冷凝器(7)进一步降温至10～-80℃，气液两相混合物进入分液罐(8)；罐底得到的液态VOCs去液态VOCs贮罐(13)收储；未冷凝的罐顶气体经过换热器(6)升温后经三通S-2、调节阀V1-2和膜前过滤器(9)除去微小颗粒后进入膜分离器(10)；VOCs膜分离器(10)富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V1-3去第1#缓冲罐(2)与风机(1)出口气体和吸附装置(11)的解吸气混合；渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置(11)吸附后的排放气达标排放，吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐(2)循环处理；
当原料气中的VOCs浓度低于设定浓度时，2模式被启用；系统的调节阀V1-1、调节阀V1-2、调节阀V1-3自动关闭，调节阀V2-1、调节阀V2-2、调节阀V2-3自动开启，在该模式下，原料气经吸入管路进入风机(1)，风机(1)出口气体进入第1#缓冲罐(2)，与膜分离器(10)渗透气和吸附装置(11)解吸气混合，混合气进入第1#压缩机(3)；升压至500～3000kPa后的气体进入第2#缓冲罐(5)，升压后的气体和来自换热器(6)的气体在第2#缓冲罐(5)内混合，混合后的气体经三通S-1和调节阀V2-1后进入膜前过滤器(9)除去微小颗粒后进入膜分离器(10)；膜分离器(10)富含VOCs的渗透气经三通S-3、调节阀V2-2至第2#压缩机(4)升压至500～3000kPa后进入换热器(6)和分液罐(8)的罐顶气进行换热，降温后的气体进入冷凝器(7)进一步降温至10～-80℃，气液两相混合物进入分液罐(8)；罐底得到的液态VOCs去VOCs贮罐储存，罐顶气体经过换热器(6)升温后经三通S-2、调节阀V2-3进入第2#缓冲罐(5)与第1#压缩机(3)升压后的气体混合重复上述过程；渗余侧低VOCs浓度的渗余气经吸附装置吸附后的排放气达标排放，吸附装置解吸气返回第1#缓冲罐(2)循环处理。
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