高散热型溶剂回收设备的制作方法

专利名称：高散热型溶剂回收设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及溶剂回收设备，尤其涉及一种通过减少热蓄积的浮动式碳床、强制对流的碳床均匀散热降温以及高耐燃性活性碳改质，避免碳床热蓄积过热甚至着火的高散热型溶剂回收设备。

背景技术：
温室气体(CO2)减量与资源再利用是全球必须共同面对的课题，中国台湾已是全球温室气体排放增长率最高，人排放量也居前茅的地区，由于过去产业的快速发展与注重于削减率的环保政策，造成产业在处理挥发性有机废气时，并未重视资源回收再利用，而是以燃烧处理为主；然而，目前由于国际原材料价格不断上涨，因此采用活性碳吸脱附系统作为溶剂回收的从业者越来越普遍，但在常温度下处理某些特定VOCs(如酮类或松脂类有机物，如Cyclohexone、Ketones或Turpentines)时(US EPA Technical Bulletin，1999)，因本身吸附放热至某一温度时而发生触媒催化作用，会使有机物产生聚合或其他反应，进而引发活性碳着火的问题，由于含酮类溶剂气体容易导致碳床着火，故目前市场上仍倾向直接排放或燃烧，并未进行回收。
其次，中国台湾产业有两大群落，一类是政府极力扶植的IC及面板为主的相关高科技产业，另一类则是以包括PU皮业、石化业、皮革业、印刷业、涂装业及胶带业等传统产业为主；其中，高科技产业为现阶段国家工业发展重心，再加上高科技产业群聚现象，会对于环境造成相当大负荷；再者，高科技产业在制造过程中为确保品质，经常使用大量易挥发性的有机溶剂进行清洗作业，其衍生的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)，可能经由逸散或排放管道进入大气环境中。
再者，由环保部门空气品质监测资料显示，VOCs及NOx等臭气前驱物质与光反应所产生的臭氧，有取代悬浮微粒成为影响空气污染指数(PSl)的主要污染物的现象，故，加强管制VOCs排放乃是改善空气品质的当务之急；因此，环保部门在过去几年陆续制定各行业的VOCs排放标准(包括半导体、光电、汽车涂装、PU皮革、胶带等产业)来管制其污染排放，以及包括未来的其他传统行业(印刷、涂装等)，也都将陆续制定管制标准。其中，除了半导体及光电业之外，其余都是以传统产业为主，对於有机溶剂的用量，传统产业用量远高于高科技业，因此不管排放标准或VOCs空污费征收，对于传统产业的冲击都远高于高科技产业，加上原材料价格高涨，以MEK为例，每公斤价格由一年多前原先20多元/公斤，涨到60多元/公斤，涨幅高达200％；又，现有活性碳回收设备因受限于酮类放热问题，无法用于酮类溶剂的回收，从业者被迫选择直接排放或焚烧方式，这样对于能源、资源(原材料)的减量使用，具有负面影响。
然而，依据目前制备过程的特性、溶剂用途、产品需要及国外SCC排放系数分析，计有七大类型的操作形式会造成VOCs的排放，如下表1所示。
表1七大类型的操作形式造成VOCs排放表

在高科技产业中，以积体电路产业产生的污染问题最为严重，其次为光电产业；综括在半导体制造业及光电业排放的主要污染物，大多为异丙醇及丙酮为主，以及其他如2-丁酮、甲苯、二甲苯、乙酸丁脂、PGMEA(Propyleneglycol monomethylethyl acetate)及三氯乙烷等污染物。上述污染物如异丙醇、丙酮、丁酮、PGMEA、PGME等，多半为水溶性高的物质；而制程使用的去光阻剂的成分，如ACT690中含有DMSO(dimethyl sulfuroxide)、NEA(N-dimethyl acetamide)、MEA(methyl ethyl amide)、NMP(N-methylpyrrolidone)，则属于硫类和胺类的有机物，其沸点高，高温下较不稳定，且这些物质具有恶臭。
在传统产业方面，各产业所使用的溶剂不尽相同，但主要有酮类、芳香族及酯类等三类，例如，聚氨基甲酸酯(PU)合成皮业制程包括干式及湿式，干式PU合成皮制程是将PU树脂以溶剂稀释，而产生挥发性有机物的单元，包括涂布、烘干成膜、上糊、贴合、烘干、印刷处理等，主要使用的有机溶剂为甲苯(Toluene)、二甲基甲酰胺(DMF)、丁酮(MEK)及邻苯二甲酸二辛酯(DOP，粒状)等；湿式制程主要产生挥发性有机物的单元，包括涂布、凝结、水洗、烫干、烘干、研磨压花贴合表面膜等，主要使用的有机溶剂为DMF。
一般PU业工厂多设有填充式洗涤塔及DOP冷凝回收设备来进行溶剂回收，以防止DMF与DOP的排放，然而对于丁酮与甲苯的排放，仅部分从业者在使用单一溶剂时，有针对甲苯以活性碳溶剂回收设备来进行回收；但在连续运转24小时以上后，常因吸附所放出的热量蓄积，而使得回收设备跳机，对于含有丁酮的有机溶剂，受限于传统活性碳回收设备，并无法有效防止热量蓄积；基于安全性考虑，无法进入活性碳回收设备，部分从业者会选择直接排放的方式，这不但对于能资源而言是一种浪费，对于环境的影响及冲击也相当高。
除了PU皮业外，另一个大量使用有机溶剂的产业为印刷业，依据印版形式主要分类包括平版印刷、凸版印刷、凹版印刷、网版印刷，其中又以凹、凸版及网版印刷所使用的有机溶剂较多；一般干燥型油墨中的溶剂蒸发干燥后，油墨中的皮膜形成物形成皮膜而固着，反应型则需经过如加热或氧化加速完成硬化；而溶剂最主要则用以溶解树脂，使印墨具有流动性、具有电性使被印物含携体(carrier)的作用，印刷后油墨膜蒸发逸散；而应用在网版印刷的主要溶剂如下表2所示。
表2应用在网版印刷的主要溶剂 胶带业依生产制程使用的基质，主要分为油性与水性胶带；水性胶带生产过程中所使用的水性丙烯酸树脂和接着剂大多以水性为主，所以挥发性有机溶剂使用量很少；油性胶带生产过程中使用油性丙烯酸树脂，内约含60至70％有机溶剂，并添加用于混合、调整接着剂的挥发性有机溶剂，因产品不同，故有使用单一溶剂或多种溶剂混合使用；溶剂种类主要有乙酸乙酯、甲苯、正庚烷，少量为丁酮、丁醇等；这些有机溶剂多为环保部门优先列管的有害空气污染物(HAPs)，如表3所示。
表3环保部门优先列管的有机溶剂 因此，不论是高科技产业或传统产业，对于VOCs处理需求都相当重要，但是传统产业的溶剂用量远高于高科技产业，故，对有机溶剂回收再利用的需求更加重要，可是受限于酮类溶剂的高反应性因素，致使许多含酮类混合性VOCs，都无法采用活性碳吸附或溶剂回收设备处理，否则会有较高的安全风险；所此，若能设计出一套可以处理高放热酮类VOCs的活性碳设备，对于国内从业者将是一大福音，这样能够以较低的成本，获得最高的防制效果及经济效益。
于是，VOCs的处理方法包括目前己商业化的成熟技术及开发研究中的新技术，种类可以说是不胜枚举；但一般情况而言，其处理方法主要包括洗涤法、冷凝法、吸附法、生物处理法等，且由于产业废气多为混合的气体，为达到期望的效益，常综合两种以上处理方法；可是由于每种处理方法均有其适用范围及优缺点，在设置前需要先了解和评估待处理废气的组成浓度、排放周期、欲达到的处理效益及可设置的地点和空间大小，再进行最适当的处理及回收系统的选择。
再者，虽然VOCs的处理方法可分成破坏性(焚化、生物处理)、非破坏性以及回收再利用等方式，在地球资源日渐稀少及开征VOCs空污费及碳税的影响下，采用溶剂回收再利用较能符合环保概念及经济效益。其中，对产业界一般所排故VOCs废气(中浓度)特性而言，最成熟且应用最广泛的溶剂回收技术以活性碳吸附技术为主，活性碳回收设备分类及特性如下表4所示。
表4活性碳回收设备分类及特性
在这三项回收设备中，以固定床式回收设备投资成本最低，也最适合传统产业使用；流动床式及活性碳纤维回收设备，虽因设备设置价格远高于固定床溶剂回收设备，应用案例较少，但因其都具有降低热量蓄积的功能，因此对于含酮类有机溶剂的回收，也具有其市场性。
然而，固定床的吸脱附回收设备系统以两塔或多塔批式橾作的方式，进行废气的吸附及吸附饱和后的活性碳再生，可在遇到有高反应性的VOCs需要处理时，则常因被吸附的化学品在脱附时发生水解反应，造成碳床腐蚀或氧化反应，当反应放热时，因活性碳堆积效应而散热不佳致使碳床着火的问题。例如在吸附处理酯类化学品时，在再生的过程中易分解为醇类及酸类，而腐蚀碳床，在吸附处理醇或酮类时，常因被吸附溶剂的氧化反应放出大量的热，造成活性碳床因活性碳堆积效应而散热不良，导致发生着火的现象。
如图1所示，固定床式溶剂回收设备式将数个吸附塔10，并联连接在一预冷器20、一过滤器30与有机气体风机31的下游端，而该吸附塔10内充填有活性碳床11，且在其再生下游端连接有一冷凝器40、一油水分离器50与一溶剂回收槽60，并搭配一蒸气源70让溶剂脱附回收；但由于一般吸附塔10的活性碳床11充填厚度大约为30至60公分，过高的充填厚度会造成碳床内部蓄积较大的热量，容易引起碳床着火的风险，尤其当废气中含有酮类化合物的情况下，更是频频发生碳床着火的工安事件，导致部分厂商即使装设有处理设备，但却很少开机使用，不仅造成浪费，也使当初的设想大打折扣。
所以，由于从业者对于固定床式溶剂回收设备的需求及依赖性相当高，因此对于这种较低成本的溶剂回收设备，解决其碳床着火潜在危险应是刻不容缓的工作。
再者，欲使吸附塔内粒状活性碳流体化浮动的情形，其必然需要使其浮动的驱动力(Driving force)加大，此驱动力就是空气的速度动压力及其流动黏滞力，这两个向上的推升力刚好可以维持克服活性碳颗粒的重力，而使其流体化浮动，在此状态下的空气速度称为流体化浮动速度(Fluidizingvelocity)，而刚开始使颗粒流体化的空气速度则称为最小流体化速度或称流体化初速度(Minimum Fluidizing velocity)，其平衡力公式如式1所示。若此两个向上的推升力无法克服活性碳颗粒的重力时，此时无法使颗粒流体化浮动，在这种状态下称为固定静置式填充床；反之，若这两个向上的推升力超过可以克服活性炭颗粒的重力太多，同时可以将球状活性碳颗粒吹离，这时，活性炭颗粒将会被吹离吸附床，在此状态下的空气速度称为流体化终速度(Terminal fluidizing velocity)。
或者， {pressure drop}{cross sectional area of bed} ≡{volume of bed}{fraction consisting of solids}(2) {specific weight of solids} 整理为方程式如下， 再整理方程式(3)可得， 又根据Ergun(1952)提出的固定式填充床(fixed bed)的压损计算公式(Ergun equation)， 将式4及式5合并可得， (6) 式中 At代表填充床横截面积，m2。
Δpb、Δpfr分别代表填充床压力降及摩擦压力损失，pa。
W代表活性炭颗粒重量，kg。
dp代表活性炭颗粒，m。
g、gc分别代表重力加速度(9.8m/s2)及其重力换算系数(kg·m/kg·sec) Lm、Lmf分别代表活性炭填充高度及最小流体化填充高度，m。
uo、umf、ut分别代表填充床空床线速度、最小流体化得线速度及最终吹离的线速度，m/s。
εm、εmf分别代表填充床在固定床状态的空隙率及最小流体化时的空隙率，无因次。
μ代表气体的粘滞系数，kg/m·s。
ρs、ρg分别代表固体及气体的密度，kg/m3。
ф代表真圆度，无因次。
平均颗粒直径为0.6mm、平均填充密度(Bulk density)＝0.56g/cc、孔隙率＝0.4以及在25℃/50％RH空气条件下(ρg＝1.2kg/m3)，其最小的流体化速度umf＝0.115m/s、最终的吹出速度ut＝2.73m/s；另外，活性碳颗粒的大小，若因磨损或者活化再生而变小至0.3mm以下时，其最小的流体化速度umf＝0.021m/s以下、最终的吹出速度ut＝1.09m/s以下。

实用新型内容本实用新型的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种高散热型溶剂回收设备，可以解决现有技术容易引起碳床热蓄积温度过高甚至着火的问题，具有通过均匀散热降温，避免碳床热蓄积温度过高甚至着火的功效。
本实用新型的另一目的在于提供一种高散热型溶剂回收设备，具有提高活性碳的起燃点与抑制活性碳转化酮类的活性的功效。
本实用新型的目的是由以下技术方案实现的。
本实用新型高散热型溶剂回收设备，其特征在于，包括有一吸附塔，内部以多孔板或网分隔出至少一充填浮动层，该充填浮动层内充填有活性碳粒，另在底部设置一有机气体入口，顶部设置一净化气体出口；一脱附回收单元，将一再生气体源与一冷凝器对应连接在该吸附塔，并在该冷凝器的下游端，连接溶剂回收处理装置。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中吸附塔进一步在最下层的充填浮动层下方设置一气流分布板。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中气流分布板是在一隔板上均布有气流分布器，使充填浮动层内维持一稳定均匀的流体化浮动速度。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中活性碳粒的充填量为层间高度的三分之一，一般为0.5至30公分，最佳为1至5公分。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中再生气体为蒸汽、二氧化碳或氮气。
前述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述再生气体源与冷凝器以一高一低的对应方式连接在该吸附塔。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中吸附塔可为单塔式、二塔式或多塔式的组合。
前述的高散热型溶剂回收设备，其中活性碳粒是使用易与金属反应的含硫化物或含氮化物加以改质，使活性碳成分中具有活性的金属杂质去活性化的活性炭。
本实用新型高散热型溶剂回收设备的有益效果，其包括有一吸附塔，内部以多孔板或网分隔出至少一充填浮动层，该充填浮动层内充填有活性碳粒，该活性碳粒的充填量为层间高度的三分之一，并进一步在最下层的充填浮动层下方设置一气流分布板，该气流分布板是在一隔板上均布有气流分布器，使充填浮动层内维持一均匀的活性碳粒浮动速度(最低流体化浮动速度≤浮动速度≤吹出速度)，另在底部设置一有机废气入口，顶部设置一净化气体出口；一脱附回收单元，将一再生气体源与一冷凝器以一高一低的对应方式连接在该吸附塔，该再生气体为蒸汽、二氧化碳或氮气，并在该冷凝器的下游端，连接油水分离器与溶剂回收槽等现有的溶剂回收处理装置。
此外，该活性碳床内的活性碳粒使用易与金属反应的含硫化物或含氮化物加以改质处理，使活性碳成分中具有活性的金属杂质去活性化。

图1为现有固定床式溶剂回收设备结构示意图。
图2为本实用新型高散热型溶剂回收设备结构示意图。
图中主要标号说明10吸附塔、11活性碳床、20预冷器、30过滤器、31有机气体风机、40冷凝器、50油水分离器、60溶剂回收槽、70蒸气源、80吸附塔、81多孔板或网、82充填浮动层、83活性碳粒、84气流分布板、841隔板、842气流分布器、85有机气体入口、86净化气体出口、90脱附回收单元、91再生气体源、92冷凝器。
具体实施方式
参阅图2所示，本实用新型高散热型溶剂回收设备，其包括有一吸附塔80，内部以多孔板或网81分隔出至少一充填浮动层82，该充填浮动层82内充填有直径为0.6mm/比重0.56克/毫升的球状活性碳粒83，该活性碳粒83的充填量为层间高度的三分之一(2公分，一般为0.5至30公分)，并进一步在最下层的充填浮动层82下方设置一气流分布板84，该气流分布板84是一隔板841上均布有气流分布器842，使充填浮动层内维持一稳定均匀的活性碳粒浮动速度0.115至2.73m/s(最低流体化浮动速度≤浮动速度≤吹出速度)，最佳为0.35至1.2m/s，另在底部设置一有机气体入口85，顶部设置一净化气体出口86；一脱附回收单元90，将一再生气体源91与一冷凝器92以一高一低的对应方式连接于该吸附塔80，该再生气体为蒸汽、二氧化碳或氮气，并在该冷凝器92的下游端，连接油水分离器与溶剂回收槽等现有的溶剂回收处理装置。
此外，该活性碳粒83使用易与金属反应的含硫化物或含氮化物加以改质处理，使活性碳成分中具有活性的金属杂质去活性化(Deactivated)；因此，含硫或含氮的改质剂，可在常温或中温情况下与金属产生强烈的键结，使金属表面变得较为惰性，不再易与氧反应，这样，不仅可以有效地提高活性碳的起燃点，更可抑制金属将酮类氧化反应成双酮的活性，也就可以降低碳床着火的机率。
基于这样的构成，本实用新型的主要技术特征有(1)减少热蓄积的浮动式碳床使固气间充分混合接触的均匀散热降温；(2)强制对流型的碳床降温技术；(3)高耐燃性活性碳改质技术。
首先，在减少热蓄积的浮动式碳床降温技术方面，是在吸附塔80的操作过程中，先通过气流分布板84让进入吸附塔80的有机废气气流平均分布，平均分布的有机废气气流在经过多孔板或网81之后，让充填在充填浮动层82内的活性碳粒83产生浮动状态，使得活性碳粒83与有机废气充份混合接触，产生热质传佳的特性，可减少热能的蓄积，防止自燃现象发生，以确保活性碳粒83温度维持在活性碳适合处理的温度之下(小于45℃)，不但能让活性碳吸附效果提升，也可以完全避免碳床着火的风险。其次，该吸附塔80可为单塔式、二塔式或多塔式的组合。
另外，在强制对流型的降温技术方面，因应目前固定床式溶剂回收设备的操作程序，为不同吸附塔进行吸附→脱附的循环程序(两塔以上轮流橾作)，因此即使不是处理高放热性有机溶剂，也容易因活性碳吸附放热，从而导致热量蓄积过多，进而产生跳机的情形；所以，吸附塔80在脱附过程中，所导入的常温再生气体(蒸汽、二氧化碳或氮气)，可将累积在碳床上的热量以强制对流的方式带出，以确保碳床不会因过热而产生跳机或着火的潜在危险。
再者，在高耐燃性活性碳改质技术方面，重点在于提高活性碳的起燃点(着火点)，将活性碳的着火点提高到520℃以上，降低着火的机率；以及抑制活性碳转化酮类的活性，降低双酮产生的比例，以避免其不断的发生氧化反应，在气体高速摩擦下快速放热，或停机无风状态下热能无法带走，导致自燃现象发生。其中，要提高活性碳的起燃点，必须从活性碳为何会自燃的角度进行思考，由于活性碳主体由6环或5环状碳、氧、氮化合物所组成，其聚合体约为数千到数万，一般在单纯碳组成情况下，其起燃温度大约为550℃，但事实上大多数的活性碳起燃温度介于450至500℃之间，甚至低于450℃，这主要由于活性碳除了碳、氮、氧元素外，尚含有其他杂质，也就是灰份的部分，一般灰份的组成为氧化矽、铁，及少量的锰、铝金属盐类等，比例在1至15wt％之间；这些物质会使活性碳的起火点降低，也就是说，这些不完全金属盐类会在高温时与空气中的氧反应，进而提前引发活性碳燃烧。
然而，要将金属杂质从活性碳中完全移除是不可能的，以酸洗的方式虽可移除少量金属杂质，但强酸处理却会对活性碳造成更大的损伤，造成吸附能力低落及回收液中酸化反应物增加，故最好的方法就是对活性碳进行改质；而改质标的物主要是活性碳成分中具有活性的金属杂质，要将具有活性的金属去活性化(Deactivated)，使其不易与溶剂及氧作用，也就是要使其中毒；于是，使用易与金属反应的含硫化物或含氮化物进行活性碳改质，将金属成分毒化，含硫或含氮的改质剂可在常温或中温情况下与金属产生强烈的键结，使金属表面变得较为惰性，不再易与氧反应，这样，不仅可以有效的提高活性碳的起燃点，更可抑制金属将酮类氧化反应成双酮的活性，也就可以降低碳床着火的机率。
故，本实用新型通过(1)减少热蓄积的浮动式碳床降温技术、(2)强制对流型的碳床降温技术及(3)高耐燃性活性碳改质技术等三项技术措施，具有借助降温技术避免碳床着火，且提高活性碳的起燃点与抑制活性碳转化酮类的活性的功效。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1、一种高散热型溶剂回收设备，其特征在于，包括有一吸附塔，内部以多孔板或网分隔出至少一充填浮动层，该充填浮动层内充填有活性碳粒，另在底部设置一有机气体入口，顶部设置一净化气体出口；一脱附回收单元，将一再生气体源与一冷凝器对应连接在该吸附塔，并在该冷凝器的下游端，连接溶剂回收处理装置。
2、根据权利要求1所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述吸附塔进一步在最下层的充填浮动层下方设置一气流分布板。
3、根据权利要求2所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述气流分布板是在一隔板上均布有气流分布器，使充填浮动层内维持一稳定均匀的流体化浮动速度。
4、根据权利要求1所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述活性碳粒的充填量为层间高度的三分之一，一般为0.5至30公分。
5、根据权利要求1所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述再生气体为蒸汽、二氧化碳或氮气。
6、根据权利要求1所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述再生气体源与冷凝器以一高一低的对应方式连接在该吸附塔。
7、根据权利要求1所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述吸附塔可为单塔式、二塔式或多塔式的组合。
8、根据权利要求1至7中任一项所述的高散热型溶剂回收设备，其特征在于，所述活性碳粒是使用易与金属反应的含硫化物或含氮化物加以改质，使活性碳成分中具有活性的金属杂质去活性化的活性炭。
专利摘要本实用新型提供一种高散热型溶剂回收设备，其包括有一吸附塔，内部以多孔板或网分隔出至少一充填浮动层，该充填浮动层内充填有活性炭粒，另在底部设置一有机气体入口，顶部设置一净化气体出口；一脱附回收单元，将一再生气体源与一冷凝器对应连接在该吸附塔，并在该冷凝器的下游端，连接溶剂回收处理装置；具有通过均匀散热降温，避免炭床热蓄积温度过高甚至着火的功效。
文档编号B01D53/08GK201324587SQ200820132018
公开日2009年10月14日 申请日期2008年8月1日 优先权日2008年8月1日
发明者谢绍组, 吕丽红 申请人:承杰有限公司, 吕丽红, 林美铃