CN212309248U

CN212309248U - 一种VOCs脱附冷凝系统

Info

Publication number: CN212309248U
Application number: CN202021866317.0U
Authority: CN
Inventors: 高军; 张承全; 侯玉梅; 曹昌盛; 曾令杰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2030-08-31

Abstract

本实用新型提供一种VOCs脱附冷凝系统，包括：吸附单元、冷凝器、脱附风机、加热器和充气阀N1，所述吸附单元、冷凝器、脱附风机和加热器依次通过管道首尾连接形成闭环，所述冷凝器与所述脱附风机之间的管路上设有惰性气体补充节点，所述惰性气体补充节点通过所述充气阀N1连接于惰性气体发生源，所述吸附单元与所述加热器连接的干管上设置惰性气体排泄节点，所述脱附风机与所述冷凝器之间的管路上设置压力监测点，并安装压力传感控制器；对在脱附过程中启用压力监测控制，可避免由于加热和冷凝气体膨胀和收缩，从而引起的压力突变，使系统保持在常压下运行，从而系统可选择常压容器和常压管道，大幅度降低初投资费用，并提高运行安全性。

Description

一种VOCs脱附冷凝系统

技术领域

本实用新型涉及工业排放VOCs处理技术领域，特别是涉及一种常压型VOCs脱附冷凝系统。

背景技术

现有VOCs常见的处理手段包括：吸附脱附+冷凝/燃烧，处理方便简单，且经济效益高。

专利CN201910779667提出了一种VOCs气体径向吸附与脱附回收装置与系统，包括吸附脱附回收装置、热交换装置与承压的壳体，该装置考虑到了废气经加热膨胀后体积增大，从而压力增大，因此使用了承压的壳体，以保证装置的气密性及安全性。

专利CN201810564537提出了一种带有热吹扫脱附的冷凝+吸附集成VOCs排放控制系统及其处理方法，针对不能使用真空脱附的组分，提出采用经加热的惰性气体(如氮气)进行吹扫脱附和加热脱附，吹扫气分别经冷凝和吸附后，吹扫气达标排放，该技术选择利用惰性气体进行加热脱附。专利CN201821190102提出一种以热氮气为脱附介质的有机废气回收系统，通过一吸附浓缩机构、一脱附机构、一冷却机构和一冷凝回收机构等组合，形成一个闭式的脱附循环回路。同样，专利CN2019112971875提出了一种利用活性炭静活性VOCs常温冷凝处理系统及其方法，包括VOCs预处理系统、脱附冷凝系统和辅助吸附床，在采用氮气吹扫脱附及VOCs冷凝回收过程中，会引起系统内压力较大范围的变化，必须考虑采用承压设备和装置。

因此，现阶段针对VOCs，采用惰性气体进行脱附处理的方法普遍面临着如下问题：加热或冷凝会带来巨大的气体膨胀和收缩，引起压力突变，导致设备和管道系统正压超压和负压差压，引起设备和管道连接处超压损坏，极高浓度VOCs正压泄漏造成局部环境爆炸风险，差压时氧气吸入造成闭式系统内部爆炸风险。

针对上述问题，普遍措施是采用承压设备及管道阀门，或者使用开式系统，前者措施大幅度增加系统投资，且系统在运行过程中，仍有泄露的风险，维护管理成本提高；后者则增加惰性气体(如氮气)的使用量，大幅增加系统运行成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种VOCs脱附冷凝系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过在VOCs脱附冷凝中维持系统的压力，保证系统在常压下运行，可将系统设备更换为普通型，大幅降低了处理能耗和设备成本。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种VOCs脱附冷凝系统，包括：吸附单元、冷凝器、脱附风机、加热器和充气阀N1，所述吸附单元、冷凝器、脱附风机和加热器依次通过管道首尾连接形成闭环，所述冷凝器与所述脱附风机之间的管路上设有惰性气体补充节点，所述惰性气体补充节点通过所述充气阀N1连接于惰性气体发生源，所述吸附单元与所述加热器连接的干管上设置惰性气体排泄节点，所述脱附风机与所述冷凝器之间的管路上设置压力监测点，并安装压力传感控制器；

其中，所述吸附单元包括至少两个并联设置的子吸附单元、泄压阀N2和氧气含量监测器，每一所述子吸附单元包括吸附床、第一阀门和第二阀门，所述吸附床的入口通过所述第一阀门与所述加热器连接，所述吸附床的出口通过所述第二阀门与所述冷凝器连接，所述氧气含量监测器的第一端与所述惰性气体排泄节点通过管道连接，所述氧气含量监测器的第二端与所述泄压阀N2的第一端连接，所述泄压阀N2的第二端连接于所述吸附床与所述第二阀门之间的管道上。

在其中一个实施例中，所述冷凝器的进出口分别设置VOCs浓度检测仪。

在其中一个实施例中，所述子吸附单元还包括烟囱和第三阀门，所述吸附床的入口与所述第一阀门连接的管道设有大气节点，所述大气节点与所述第三阀门的第一端连接，所述第三阀门的第二端与所述烟囱连接。

在其中一个实施例中，所述子吸附单元还包括测温仪表，所述测温仪表设置于所述吸附床的出口与所述第二阀门连接的管道上。

在其中一个实施例中，所述压力传感控制器的监控压力值为P1～P2，所述脱附风机机外余压为P_风机，所述VOCs脱附冷凝系统的压力范围为(P1～P2)+P_风机。

在其中一个实施例中，所述充气阀N1和所述泄压阀N2分别采用自动启闭阀门，其气密性等级应适应于所用惰性气体发生源的压力。

在其中一个实施例中，所述吸附单元还包括第四阀门，所述第四阀门的第一端连接于所述吸附床与所述第二阀门之间的管道上，所述第四阀门的第二端与所述泄压阀N2连接。

在其中一个实施例中，所述压力传感控制器预设四个控制值，分别为P1、P2、P3、P4，并满足P1＜P4＜P3＜P2，其检测到压力后经过分析控制所述充气阀N1和所述泄压阀N2的启闭。

在其中一个实施例中，脱附过程中所述压力传感控制器持续监测压力监测点的压力，若压力高于预设值P2，则开启所述泄压阀N2卸出惰性气体，至压力降低到预设值P3，则关闭所述泄压阀N2；若压力低于预设值P1，则开启所述充气阀N1充入惰性气体，至压力升高到预设值P4，则关闭所述充气阀N1。

在其中一个实施例中，所述泄压阀N2的尺寸应满足下述要求：

系统温升速率计算公式：

泄压流量计算公式：

阀门内外最大压差计算公式：

ΔP＝P1+P_风机

阀门流速计算公式：

阀门直径计算公式：

所选用阀门的直径d应满足：d＞d′，

式中：T1系统在运行时间Δt之后，在被脱附的吸附床出口检测到的温度，K；Δt系统压力达到P2时所用的时间，s；P2系统压力监测点控制的最高压力，Pa；ΔT系统温升速率，K/s；ΔV系统膨胀速率，m³/s；V系统总容量，m³；T系统启动时温度，K；ΔP系统泄压时最大压差，Pa；ρ温度T对应的惰性气体密度；ε所选用阀门类型的阻力系数；v阀门计算流速，m/s；d′阀门计算直径，m；d所选择阀门的直径，m。

本实用新型还提供一种VOCs脱附冷凝系统的使用方法，包括以下步骤：

S1步骤：充惰性气体，打开泄压阀N2和充气阀N1，充气过程中，氧气含量监测器持续检测废气中氧气浓度，当浓度减少到设定值5％时，关闭泄压阀N2和充气阀N1，停止充惰性气体；

S2步骤：启动脱附风机、加热器、冷凝器，开始脱附；

S3步骤：脱附过程中持续监测压力监测点的压力，若压力高于预设值P2，则开启泄压阀N2卸出惰性气体，至压力降低到预设值P3，则关闭泄压阀N2；若压力低于预设值P1，则开启充气阀N1充入惰性气体，至压力升高到预设值P4，则关闭充气阀N1；

S4步骤：当脱附系统运行时间到达设定时间t时，即关闭加热器，检测被脱附的吸附床出口温度，当出口温度降低到设定温度T时，则关闭脱附风机，脱附过程结束。

在其中一个实施例中，P1、P2、P3和P4值满足P1＜P4＜P3＜P2。

在其中一个实施例中，所述脱附系统运行时间t的设定方法如下：系统试运行阶段，通过检测冷凝器出口VOCs的浓度，记录浓度检测仪C1、C2所检测出的浓度值c1、c2，并实时计算c1/c2，当c1/c2＝1.1时，记录此时系统运行的时间t，此时间即为每一个吸附床的脱附时间。

在其中一个实施例中，脱附系统停止的所述设定温度T，由室外环境温度确定，当室外环境温度为T’，则判定温度T＝T’+10℃。

上述VOCs脱附冷凝系统，在脱附过程中启用压力监测控制，可避免由于加热和冷凝气体膨胀和收缩，从而引起的压力突变，使系统保持在常压下运行，从而系统可选择常压容器和常压管道，大幅度降低初投资费用，并提高运行安全性；对泄压阀N2门的尺寸进行精确的计算，保证系统升压后能够快速泄压，从而满足系统在常压下运行，不会出现泄压速度小于系统膨胀速度，而发生阀门N2常开，系统持续增压的危险状态。

在系统运行过程中，使用时间控制脱附系统启停替代浓度监测控制，可避免由于现有浓度监测仪器长期运行后数值不准确带来的误差，且控制流程简单可靠；保留至少一个吸附床处于非脱附状态，保证了在充氮过程和泄压过程中，带有少量VOCs污染的废气直接通过烟囱排入大气，而是先经吸附床吸附后再排入大气，以确保处理系统排放浓度，进一步提高处理效率。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为VOCs脱附冷凝系统的原理图；

附图标号说明：吸附床1、加热器2、脱附风机3、冷凝器4、惰性气体发生源5、烟囱6、压力传感控制器7、氧气含量检测器11、测温仪表12。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

请参阅图1，本实用新型一种VOCs脱附冷凝系统，包括吸附床1、加热器2、脱附风机3、冷凝器4、惰性气体发生源5、烟囱6、压力传感控制器7、管道及系列阀门、氧气含量检测器11。其中，吸附床至少有两个A、B，并联连接，吸附床出口与冷凝器通过管道连接，冷凝器出口与脱附风机连接，脱附风机出口与加热器连接，加热器出口与吸附床连接，形成闭环，在吸附床A及吸附床B分别与加热器连接的管道并联支路上设置第一阀门Ad1和第一阀门Bd1，在吸附床A及吸附床B分别与冷凝器连接的管道并联支路上设置第二阀门Ad2和第二阀门Bd2，并设置测温仪表TA、TB。惰性气体发生源通过管道连接到氮气补充点9上，氮气补充点设置在冷凝器与脱附风机之间的管路上，惰性气体发生源与氮气补充点连接的管路上设置充气阀门N1。在脱附风机与冷凝器之间的管路上设置压力监测点8，并安装压力传感控制器7。在加热器与吸附床连接的干管上设置氮气排泄点10，氮气排泄点连接到吸附床与冷凝器之间的并联管路支路上，氮气排泄点与吸附床连接的干管上设置泄压阀N2，氮气排泄点与各个吸附床连接的支管上设置第四阀门Aa1和第四阀门Ba1。在吸附床A与第一阀门Ad1之间的管路上、吸附床B与第一阀门Bd1之间的管路上设置分支管连接到烟囱，且各分支管上设置第三阀门Aa2和第三阀门Ba2。在吸附床A及吸附床B与氮气排泄点连接的管路上设置氧气含量监测器；在冷凝器的进出口分别设置VOCs浓度检测仪C1、C2。

该实施例VOCs脱附冷凝系统采用常压管道和常压容器，常压管道压力值为P1～P2，则系统常压范围为(P1～P2)+ΔP，ΔP为脱附风机机外余压。该实施例中，P1＝500Pa，P2＝1500Pa，ΔP＝5000Pa。

该实施例充气阀门N1、泄压阀N2应采用电动阀门，该实施例泄压阀N2最小尺寸计算如下：

系统温升速率计算：

ΔT＝(T1×T)/t＝(326-300)/300＝0.0867

泄压流量计算公式：

ΔV＝(ΔT×V)/T＝(0.0867×50)/300＝0.01445m^3/s

阀门内外最大压差计算公式：

ΔP＝P1+P_风机＝1500+5000＝6500Pa

阀门流速计算公式：

v＝√(2ΔP/(ρ×ε))＝√((2×6500)/(1.1×0.1)＝344)

阀门直径计算公式：

d^'＝√(4ΔV/(π×v))＝√((4×0.01445)/(π×344))＝7×〖10〗^(-3)m

本实施例所选用阀门N2的直径d为5cm，应满足：d＝5cm＞d'＝7mm，此时系统泄压时间为升压时间的0.7/5＝0.14倍，即可以保证快速泄压。

该实施例惰性气体发生源采用氮气源。

该实施例阀门N1、N2采用电动阀门，其气密性等级应适应于所用惰性气体发生源的压力。

该实施例中，每次仅脱附1台吸附床。

经测试，该实施例脱附冷凝系统运行时间t选定为12小时。

在室外温度为T’＝30℃时，该实施例脱附冷凝系统停止的判定温度T T＝T’+10℃＝40℃。

该实施例常压型VOCs脱附冷凝系统，当对A床进行脱附冷凝时，运行过程包括以下步骤：

S1：充惰性气体，如充氮，打开泄压阀N2和充气阀N1，充气过程中，氧气含量监测器持续检测废气中氧气浓度，当浓度减少到设定值5％时，关闭泄压阀N2和充气阀N1，停止充氮。

S2：打开第一阀门Ad1，关闭第一阀门Bd1，打开第二阀门Ad2，关闭第二阀门Bd2，打开第四阀门Ba1和第三阀门Ba2，关闭第四阀门Aa1和第三阀门Aa2；即打开该所述子吸附单元中的所有阀门。

S2：启动脱附风机、加热器、冷凝器，开始脱附；

S3：脱附过程中利用压力监测控制器7持续监测压力监测点8的压力，若压力高于1500Pa，则开启泄压阀N2排出氮气，至压力降低到1000Pa，则关闭泄压阀N2；若压力低于500Pa，则开启充气阀N1充入氮气，至压力升高到800Pa，则关闭充气阀N1；

S4：当脱附系统运行12小时后，即关闭加热器，持续检测A床出口温度，当出口温度降低到40℃时，则关闭脱附风机，A床脱附结束。

该实施例常压型VOCs脱附冷凝系统，当对B床进行脱附冷凝时，运行过程包括以下步骤：

S1：充氮，打开充气阀N1和泄压阀N2，充氮过程中，氧气含量检测仪11持续检测废气中氧气浓度，当浓度减少到5％时，关闭充气阀门N1和泄压N2，停止充氮。

S2：打开第一阀门Bd1，关闭第一阀门Ad1，打开第二阀门Bd2，关闭第二阀门Ad2，打开第四阀门Aa1和第三阀门Aa2，关闭第四阀门Ba1和第三阀门Ba2；

S2：启动脱附风机、加热器、冷凝器，开始脱附；

S4：当脱附系统运行12小时后，即关闭加热器，持续检测B床出口温度，当出口温度降低到40℃时，则关闭脱附风机，B床脱附结束。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，包括：吸附单元、冷凝器、脱附风机、加热器和充气阀，所述吸附单元、冷凝器、脱附风机和加热器依次通过管道首尾连接形成闭环，所述冷凝器与所述脱附风机之间的管路上设有惰性气体补充节点，所述惰性气体补充节点通过所述充气阀连接于惰性气体发生源，所述吸附单元与所述加热器连接的干管上设置惰性气体排泄节点，所述脱附风机与所述冷凝器之间的管路上设置压力监测点，并安装压力传感控制器；

其中，所述吸附单元包括至少两个并联设置的子吸附单元、泄压阀和氧气含量监测器，每一所述子吸附单元包括吸附床、第一阀门和第二阀门，所述吸附床的入口通过所述第一阀门与所述加热器连接，所述吸附床的出口通过所述第二阀门与所述冷凝器连接，所述氧气含量监测器的第一端与所述惰性气体排泄节点通过管道连接，所述氧气含量监测器的第二端与所述泄压阀的第一端连接，所述泄压阀的第二端连接于所述吸附床与所述第二阀门之间的管道上。

2.根据权利要求1所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述冷凝器的进出口分别设置VOCs浓度检测仪。

3.根据权利要求1所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述子吸附单元还包括烟囱和第三阀门，所述吸附床的入口与所述第一阀门连接的管道设有大气节点，所述大气节点与所述第三阀门的第一端连接，所述第三阀门的第二端与所述烟囱连接。

4.根据权利要求1所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述子吸附单元还包括测温仪表，所述测温仪表设置于所述吸附床的出口与所述第二阀门连接的管道上。

5.根据权利要求1所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述压力传感控制器的监控压力值为P1～P2，所述脱附风机机外余压为P_风机，所述VOCs脱附冷凝系统的压力范围为(P1～P2)+P_风机。

6.根据权利要求1所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述充气阀和所述泄压阀分别采用自动启闭阀门，其气密性等级应适应于所用惰性气体发生源的压力。

7.根据权利要求5所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述压力传感控制器预设四个控制值，分别为P1、P2、P3、P4，并满足P1＜P4＜P3＜P2，其检测到压力后经过分析控制所述充气阀和所述泄压阀的启闭。

8.根据权利要求7所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，脱附过程中所述压力传感控制器持续监测压力监测点的压力，若压力高于预设值P2，则开启所述泄压阀卸出惰性气体，至压力降低到预设值P3，则关闭所述泄压阀；若压力低于预设值P1，则开启所述充气阀充入惰性气体，至压力升高到预设值P4，则关闭所述充气阀。

9.根据权利要求5所述的VOCs脱附冷凝系统，其特征在于，所述泄压阀的尺寸应满足下述要求：

系统温升速率计算公式：

泄压流量计算公式：

阀门内外最大压差计算公式：

ΔP＝P1+P_风机

阀门流速计算公式：

阀门直径计算公式：

所选用阀门的直径d应满足：d＞d′，

式中：T1-系统在运行时间Δt之后，在被脱附的吸附床出口检测到的温度；Δt-系统压力达到P2时所用的时间；P2-系统压力监测点控制的最高压力；ΔT-系统温升速率；ΔV-系统膨胀速率；V-系统总容量；T-系统启动时温度；ΔP-系统泄压时最大压差；ρ-温度T对应的惰性气体密度；ε-所选用阀门类型的阻力系数；v-阀门计算流速；d′-阀门计算直径；d-所选择阀门的直径。