201103624 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係揭示利用水蒸汽加強淨化有機廢氣之裝置與 方法’更具體而言，係關於一種濕式洗滌法來淨化有機廢 氣並同時回收有機溶劑之裝置及方法。 【先前技術】 於日常生活及工廠生産產品中係廣泛地使用有機溶 劑’而有機溶劑於一般室溫下易揮發成氣體，故又名為揮 發性有機氣體(Volatile Organic Compounds，VOCs)，而多 數的VOCs對人體具有一定毒性，必須加以回收處理，以 減少對人體之傷害；而不同產業領域所使用的有機溶劑亦 不相同’諸如PU ( polyurethane，聚氨基曱酸S旨）生產業、 科技製造業及鋰電池製造業等產業，主要使用的各種有機 溶劑’其相關性質係表列於下述之性質表（表一）；其中， PU生產過程所排放的v〇Cs，主要來自於用於降低黏度以 利於加工所添加的有機溶劑，包括甲苯(Toluene)、甲基乙 基酮(MEK)、二甲基曱醯胺(DMF)、二曱胺（DMA)和三甲 胺（TMA)...等；此外，在半導體晶圓廠及TFT-LCD面板 等科技製造業之製程中，將單乙醇胺(MEA)、二曱基亞砜 (DMS0)、丙二醇甲醚乙酯（PGMEA)、環己酮（ANONE)…等 有機溶劑’應用於諸如光阻剝離液（striPPer)之使用；而鋰 電池製造之塗佈機’則必須將氮-曱基四氫吼11各酮(NMP)之 廢氣回收；另外’膠帶製造所採用之增塑劑’則必須將鄰 201103624 苯二曱酸二酯(DOP)之廢氣加以淨化處理。 再者有機♦劑之物化特性係為：低沸點、高飽 Η壓之«溶劑易於揮發，但不易於冷凝；反之，高彿點二 低飽和療汽壓之有機溶劑則不易於揮發，但易於冷凝；缺 而，由該有機溶劑性質表（表-）中可看出，所列之有機 /合劑夕屬中咼沸點、低飽和蒸汽壓之物化特性。 表一、有機溶劑特性性質表
再按’目前相關業者對於VOCs之回收處理，多採就 地裝設冷凝器加以回收處理；此類冷凝回收系統對中高沸 點且全溶於水之有機物質，在正確的設計與操作下才可達 到高的回收效率，而除了所冷凝吸收下來之VOCs可回收 純化再利用外，因為中高沸點難處理VOCs濃度已大幅下 降，可降低下游端廢氣處理設備之負荷及延長吸脫附濃縮 設備之壽命，得以有效提升其整體之處理效率。 201103624 然而，以一般傳統冷凝法回收V〇Cs之原理，係利用 冷凍設備先將含VOCs廢氣之溫度冷卻至該有機物質之露 點溫度（飽和溫度）以下，即可達到飽和冷凝之效果丨其 中，一般常見之VOCs冷凝系統，主要包含除濕器及v〇Cs 冷凝器兩項基本設備，裝設除濕器之目的在於將空氣中多 餘之水氣去除，避免在VOCs冷凝區之溫度降至〇°c (273IQ 以下時’發生不利於冷凝之結冰效應；再者，決定冷凝器 去除VOCs效能的兩項重要關鍵因素為：〇)冷凝系統需達 肇 足夠低溫（-40¾)、（2)廢氣中含較高之v〇Cs濃度（> 10,000PPmV);又，冷凝器之處理效能與廢氣線速度的增加 呈反比之趨勢，故延長廢氣之停留時間將可提升去除效率。 因此，由於傳統之冷凝回收法，需以冷凍設備將操作 溫度控制在相當低溫以及夠長的停留時間，方能以冷凝機 制去除VOCs，並確保處理後廢氣所含V0Cs濃度值達到最 低；不過，如此之傳統冷凝回收方式，若應用於排放量相 • 當大而V0Cs濃度僅數十到數百PPMv(«i，00〇ppmv)之產 業’為達到高冷凝效率而須降到極低溫（至少須低於愛下 2〇°C )，所需付出之能源耗損及設備維護成本將會相當高； 於是’許多業者基於傳統冷凝系統設計之限制，以及節省 操作成本的考量，往往面臨冷凝設備回收效率不佳的問題。 另一方面’針對次微米級的細微霧或粒（例如高沸點 DOP次微米級的細微霧），目前均無較佳且經濟的方法與擎 置’例如一般常用的文式洗滌塔而言，若欲針對〇 3叫^次 微米級的細微霧或粒（去除約50%效率）’則其所需的壓^ 201103624 尺，其去It 氣比約2·0公升/立方公 因：除效率有限外且其操作成本也相當的高。 u此，如何有效節省操作忐 並可進〜步回收Μ之有H 切化有機廢氣 重要課題。〃錢’係為處财機廢氣之一 【發明内容】 有咸2於上述習知技術處理有機廢㈣之缺懺，發明人 有感，、未臻於完善，遂竭其心智 ，產業多年之累積經驗，進而研發:=用 =機廢氣之裝置與方法’其係可有效加強淨化;機 尾虱’並可進一步同時回收該有機廢氣中之有機溶劑， 能有效淨化有機廢氣外，可將易產生二次污染之溶劑進: v回收，使該有機廢氣淨化較為完全，同時回收有機溶啷， 並元成郎能減碳_之目的。 微粒核凝成長只要在（飽和比）略大於1即可發生， 可溶性核種甚至在未飽和的狀況之下即能發生核凝現象。一 般而言’過飽和的水蒸氣很容易在微粒上面凝結，這種凝辞 稱為有核凝結（nucleated condensation)，亦稱異質、疑会士 (heterogeneous condensation)，它只需要幾個百分點的過飽和 度就能進行。若微粒是不能溶解的，則其表面結構、帶電量 與化學成分會影響凝結所需的過飽和度。在一過飽和蒸氣 中’若微粒表面吸附一層水蒸氣分子後的粒徑大於開爾文效 應的平衡粒徑，則水蒸氣分子會往微粒上面凝結。若微粒是 201103624 可溶解的，則水蒸氣分子凝結後使它成為溶液，降低平衡水 蒸氣的氣壓。 而凝結引起的微粒成長，假若周圍的相對濕度高於與 微粒達成平衡的水蒸氣的氣壓，則水蒸氣分子會在微粒表 面凝結而使它成長。微粒成長的速率可從微粒與其四周空 氣之間的質量與熱能輸送求得。水蒸氣分子的凝結會放出 熱能，但凝結速率比熱傳速率低，一般都假設凝結時放出 的潛熱迅速散逸，微粒溫度因此保持不變。蒸氣分子到達 參 微粒表面的速率與微粒粒徑有關。若粒徑遠大於氣體分子 的平均自由行徑，則蒸氣分子在微粒周圍的運動可視為在 介質（continuum)中的擴散。 本發明之6又3十疋結合猎由水蒸汽過飽和冷凝與凝结核 成長包覆次微米VOCs微霧並進一步產生液膜吸收攔截作 用之多重效能，有別以往傳統冷凝器僅考量利用低溫冷凝 VOCS之单純飽和滅結VOCs概念’可有效提升v〇cs之淨 鲁化與回收效率，而應用在具中高沸點(；l00〇C以上）之V〇CS 氣體特性（如上述表一）之處理相當合適。 為達成上述之目的，本發明係提供利用水蒸汽加強淨 化有機廢氣之裝置，其係包含： / 一水蒸汽供應器，其係提供水蒸汽，以促使有機廢氣 中水氣達至飽和或過飽和狀態； 一洗滌吸收液噴灑器，其係提供洗滌吸收液，以冷卻 該有機廢氣並可進一步使該有機廢氣中水氣達到飽和或過 飽和狀態； 201103624 一凝結核成長吸收層，其係用以使水蒸汽、洗滌吸收 液與有機廢氣充分質傳，並使該水蒸汽、洗滌吸收液或/及 有機廢氣於此達至飽和或過飽和，而冷凝核成長並可進一 步吸收該有機廢氣中之有機物質或其冷凝核成長微霧，以 吸收該有機溶劑； 一除霧層，其係用以除霧並回收霧狀之有機溶劑； 一回收槽，其係用以回收該有機溶劑； 其特徵在於：利用水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸汽冷 凝，並產生凝結核成長與吸收效應而使粒徑加大以加強淨 化該有機廢氣中之有機物。 如上所述之裝置中，其係進一步包含一蒸發濃縮層， 其係用以冷卻有機廢氣同時加熱洗滌吸收液而蒸發，並濃 縮流經該蒸發濃縮層中洗滌吸收液之有機溶劑濃度。 如上所述之裝置，其係進一步包含一蒸餾塔，係可用 於濃縮回收之有機溶劑，同時作為該水蒸汽供應器之蒸汽 源。 如上所述之裝置，其係可進一步結合蜂巢式轉輪濃縮 器、轉環式濃縮器、流體化床式濃縮器、焚化爐或冷卻器 等，以完全淨化有機廢氣。 如上所述之裝置，其中該裝置係可為直立式塔狀或橫 卧式。 如上所述之裝置，其中該蒸餾塔之加熱媒介係可為加 壓水蒸氣、熱媒油或電熱。 如上所述之回收裝置，其中該有機廢氣中之有機溶劑 201103624 係為：說-曱基四氫口比洛酮(NMP)、二曱基甲酿胺(DMF)、 二曱胺(DMA)和三曱胺(TMA)、單乙醇胺(MEA)、二曱基亞 砜(DMSO)、丙二醇曱醚乙酯（Pgmea)、鄰苯二甲酸:酯 (P〇p)之任一種或其他類似中兩沸點揮發性有機物（v〇cs) 或其任意組合。 本發明之再一目的係提供一種利用水蒸汽加強淨化有 機廢氣之方法，其係包含下列步驟： (1) 提供如上所述之裝置，用以淨化有機廢氣並回收有 ® 機溶劑； (2) 利用一水蒸'/气供應器及一洗滌吸收液喷灑器，提供 水蒸汽及洗滌吸收液以使有機廢氣達至飽和或過 飽和狀態，以發生蒸汽冷凝，並產生凝結核成長以 強化吸收有機廢氣並回收其内之有機溶劑； (3) 再利用一凝結核成長吸收層，使水蒸汽、洗滌吸收 液與有機廢氣充分質傳，並使該水蒸汽、洗滌吸收 φ 液或/及有機廢軋於此達至飽和或過飽和，而冷凝 核成長並玎進—步吸收有機廢氣中之有機物質或 其冷凝成長微霧，以回收該有機溶劑。 如上所述之回收方法，其係可進一步包含一除霧步 驟，以淨化並回收霧化之有機溶劑。 藉此，本發明之一種利用水蒸汽加強淨化有機廢氣之 裝置及方法，利用/水蒸汽供應器及一洗滌吸收液喷灑器 提供水蒸汽及洗滌吸收液，使該水蒸汽、洗滌吸收液或/及 有機廢氣於該凝結核成長吸收層達至飽和或過飽和，利用 201103624 水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸汽冷凝，並產生凝結核成長以 強化吸收有機廢氣中之有機物質，以回收該有機溶劑；再 者，進一步利用一蒸發濃縮層及凝結核成長吸收層間熱能 交換關係，使水蒸汽、洗滌吸收液於蒸發濃縮層及凝結核 成長吸收層間循環進行蒸發+飽和或過飽和凝結及凝結核 成長+吸收+再蒸發…之循環過程，可節省洗滌吸收液補 充用量並可降低回收溶劑之含水率，進而提供簡單且充分 有效的淨化有機廢氣並回收其中之有機溶劑，達至節能省 石炭之淨化功效。 【實施方式】 為使充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下 述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細 說明，說明如後： 實施例1 本發明第一具體實施例之一種利用水蒸汽加強淨化有 機廢氣裝置1係如第一圖所示，其中該裝置係包含：一水 蒸汽供應器10、一吸收層20、一洗滌吸收液喷灑器30、一 除霧層40及一回收槽50。 而該利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置1之加強淨化 有機廢氣之運作如下：首先有機廢氣自一廢氣入口 A流經 該水蒸汽供應器10 (其係由一蒸氣源12提供水蒸汽）將所 欲處理之有機廢氣連同水蒸汽一併送入，而該水蒸氣及有 機廢氣順著氣流朝上，而洗滌吸收液（可為水或水+溶劑； 201103624 此實施例係採用水）自一洗膝吸收液入口 B進入該洗條吸 收液噴灑器30噴灑而下，當洗滌吸收液自噴灑器30向下 落下’經該凝結核成長吸收層20時與該有機廢氣及水蒸汽 相遇’於此該水蒸汽、洗滌吸收液及含有機溶劑之有機廢 氣處於飽和及過飽和之狀態下，致使該有機溶劑於該凝結 核成長吸收層20中與水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸發冷凝而 產生凝結核成長以強化吸收有機廢氣中之有機溶劑，而被 吸收之有機溶劑經凝結落下而回收至該回收槽50 ;再者， 鲁 剩餘未被吸收且霧化之有機溶劑微霧，再流經該除霧層40 (為蜂窩型除霧器）時’即被進一步除霧攔截，經淨化後 之有機廢氣再流經淨化氣體出口 C而排出，而回收之有機 溶劑自該回收槽50流經一幫浦52自回收溶劑出口 d排 出；經此有效將有機廢氣中之有機溶劑利用本發明之一種 利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置1進行淨化回收。 以PU業之有機廢氣進行測試，其中該有機廢氣 φ l〇ONCMM、35t：、75%RH (空氣露點溫度為 3〇ΐ )含 DMF 200 ppmv，於流經該有機廢氣濕式洗滌淨化回收裝置i之 後，其淨化後之有機廢氣100NCMM、30〜31°C中含DMF 2 ppmv ’該DMF之淨化效率達99% ;而回收液含水率3〇〜 50%wt ;若無水蒸汽供應器1〇進行提供水蒸汽以使有機廢 氣達至飽和或過飽和狀態’並發生蒸汽冷凝，產生凝結核 成長以強化吸收有機廢氣時，其淨化效率僅達95%含水率 則為70〜90%wt。 實施例2 201103624 本發明第二具體實施例之一種利用水蒸汽加強淨化有 機廢氣裝置2係如第二圖所示，其中該裝置係包含：一水 蒸汽供應器10、一吸收層20、一洗滌吸收液喷灑器30、一 除霧層40、一回收槽50及一蒸發濃縮層60。 而該利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置2之加強淨化 有機廢氣之運作如下：首先有機廢氣自一廢氣入口 A流經 該水蒸汽供應器10 (其係由一蒸氣源12提供水蒸汽）將所 欲處理之有機廢氣連同水蒸汽一併送入，而該水蒸氣及有 機廢氣順著氣流朝上，而洗滌吸收液（係可為水或水+溶劑） 自一洗將:吸收液入口 B進入該洗務：吸收液喷麗器3 0喷灑而 下，當洗滌吸收液自喷灑器30向下落下，流經該凝結核成 長吸收層20時與該有機廢氣及水蒸汽相遇，於此凝結核成 長吸收層20之中該水蒸汽、洗滌吸收液及含有機溶劑之有 機廢氣處於飽和及過飽和之狀態下，致使該有機溶劑於該 凝結核成長吸收層20中與水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸發冷 凝而產生凝結核成長以強化吸收有機廢氣中之有機溶劑， 而被吸收之有機溶劑可進一步經該蒸發濃縮層60濃縮而回 收至該回收槽50 ;再者，剩餘未被吸收且霧化之有機溶劑 微霧，再流經該除霧層40 (為蜂窩型除霧器）時，即被進 一步除霧攔截，經淨化後之有機廢氣再流經淨化氣體出口 C而排出，而回收之有機溶劑自該回收槽50流經一幫浦52 自回收溶劑出口 D排出；經此有效將有機廢氣中之有機溶 劑利用本發明之一種利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置2 進行淨化回收。 12 201103624 以膠帶業之有機廢氣進行測試，其中該有機廢氣 400NCMM、65°C、12.5%RH (空氣露點溫度為 DOP微霧500 mg/NM3，於流經該有機廢氣濕式洗滌淨化 回收裝置2之後，其淨化後之有機廢氣中含D〇p微霧5 mg/NM3以下，該DOP之淨化效率達99% ;若無水蒸汽供 應器10進行提供水蒸汽加強促使該D〇p次微米微霧凝妗 核成長時（由0.3μιη成長為5μιη以上；本實施例採用之： 霧層40為蜂窩型除霧器，當微粒為5μιη以上，其去除^ 率達99%以上’並風速為2 5 m/s)，其該D〇p之 為90%。 平 實施例3 本發明第三具體實施例之一種利用水蒸汽加強淨化有 機廢氣裝置3係如第三圖所示，其中該裝置係包含：一水 瘵 >飞供應器10、一吸收層2〇、一洗滌吸收液噴灑器扣、一 除霧層40、一回收槽50及一蒸餾塔65。 • 而該利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置3之加強淨化 有機廢氣之運作如下：首先有機廢氣自一廢氣入口 A流經 該水蒸汽供應器10(其係由一蒸氣源12提供水蒸汽）將所 ”人處理之有機廢氣連同水蒸汽一併送入，而該水蒸氣及有 機廢氣順著氣流朝上，而洗滌吸收液（可為水或水+溶劑，· 此實施例係採用水）自一洗滌吸收液入口 B進入該洗滌吸 ，液噴灑器30噴灑而下，當洗滌吸收液自喷灑器3〇向下 落下，經該凝結核成長吸收層20時與該有機廢氣及水蒸汽 相遇，於此該水蒸汽、洗滌吸收液及含有機溶劑之有機廢 13 201103624 氣處於飽和及過飽和之狀態下，致使該有機溶劑於該凝結 核成長吸收層20中與水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸發冷凝而 產生凝結核成長以強化吸收有機廢氣中之有機溶劑，而被 吸收之有機溶劑經凝結落下而回收至該回收槽50 ;再者， 剩餘未被吸收且霧化之有機溶劑微霧，再流經該除霧層40 (為蜂窩型除霧器）時，即被進一步除霧攔截，經淨化後 之有機廢氣再流經淨化氣體出口 C而排出，而回收之有機 溶劑自該回收槽50流經一幫浦52自回收溶劑出口排入該 蒸餾塔60之中，該回收之有機溶劑於該蒸餾塔60之中進 一步蒸發其内所含之水份，以進一步濃縮回收該有機溶 劑，同時於蒸餾所得之水蒸汽亦可進一步導入一蒸氣源12 之中，以作為該水蒸汽供應器之水蒸汽來源；經此有效將 有機廢氣中之有機溶劑利用本發明之一種利用水蒸汽加強 淨化有機廢氣裝置3進行淨化回收。 以半導體業之有機廢氣進行測試，其中該有機廢氣50 NCMM、25°C、50%RH (露點溫度為 18°Cdp)含 MEA 廢 氣500 ppmv，於流經該有機廢氣濕式洗猶；淨化回收裝置3 之後，其淨化後之有機廢氣50 NCMM、18〜20°C中有機溶 劑之濃度為10 ppmv，該MEA之淨化效率達98%，可有效 淨化該MEA廢氣；而回收液含水率係為5〜15%左右；若無 蒸餾塔6 0進一步蒸發回收液内所含之水份並進行提供水蒸 汽源時，該MEA之淨化效率為90%，回收液含水率係為 25〜40%左右。 實施例4 14 201103624 本發明第四具體實施例之一種利用水蒸汽加強淨化有 機廢氣裝置3，結合一濃縮轉輪進行有機廢氣之淨化，其係 如第四圖所示，其係為有機廢氣先經一濃縮轉輪70之濃縮 處理，且該濃縮轉輪70係可為一蜂巢狀轉輪濃縮器 (Concentrator ;亦可為轉環式或流體化床式之濃縮器）， 該有機廢氣自一廢氣入口 E經由該濃縮轉輪淨化後，淨化 後之氣體自一淨化出口流出；而被吸附於該濃縮轉輪7〇之 有機物質再借由一脫附加熱單元75所排出之氣體脫附，成 為濃縮之有機廢氣，再進入本發明之利用水蒸汽加強淨化 有機廢氣裝置3，進行該濃縮有機廢氣之淨化。 由上述之具體實施例可知，本發明之一種利用水蒸汽 加強淨化有機廢氣之裝置及方法，係利用一水蒸汽供應器 及一洗滌吸收液喷灑器提供水蒸汽及洗滌吸收液，使該水 蒸汽、洗滌吸收液或/及有機溶劑於一凝結核成長吸收層達 至飽和或過飽和，利用水蒸汽及洗滌吸收液發生蒸汽冷 凝，並產生凝結核成長以強化吸收有機廢氣中之有機物 質，而回收有機溶劑；再者，進一步利用一蒸發濃縮層及 吸收層間熱能交換關係，使水蒸汽、洗滌吸收液於該蒸發 濃縮層及凝結核成長吸收層間循環進行蒸發+飽和或過飽 和凝結及凝結核成長+吸收+再蒸發...之循環過程，可節 省洗滌吸收液補充用量並可降低回收溶劑之含水率，進而 加強淨化有機廢氣並回收其中之有機溶劑，達至節能省碳 之淨化功效。
15 201103624 【圖式簡単·說明】 第一圖係為本發明第一具體實施例之一種利用水蒸汽加 強淨化有機廢氣裝置之示意圖。 第二圖係為本發明第二具體實施例之一種利用水蒸汽加 強淨化有機廢氣裝置之示意圖。 第三圖係為本發明第三具體實施例之一種利用水蒸汽加 強淨化有機廢氣裝置之示意圖。 第四圖係為本發明第四具體實施例之結合一濃縮轉輪之 一種利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置之示意 圖。 【主要元件符號說明】 1 利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置 2 利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置 3 利用水蒸汽加強淨化有機廢氣裝置 10 水蒸汽供應器 12 蒸氣源 20 吸收層 30 洗滌吸收液喷灑器 40 除霧層 50 回收槽 52 幫浦 60 蒸發濃縮層 65 蒸餾塔 16 201103624 70 濃縮轉輪 75 脫附加熱單元 A 廢氣入口 B 洗滌吸收液入口 C 淨化氣體出口 D 回收液出口 E 廢氣入口 F 淨化出口 I 吸附區 II 脫附區 III 隔離區