способ удаления летучего органического соединения из загрязненного им газового потока

Формула изобретения

1. Способ удаления летучего органического соединения из загрязненного им газового потока, включающий контактирование последнего с абсорбентом - органическим растворителем, отделение адсорбированного летучего органического соединения и регенерацию абсорбента, отличающийся тем, что контактирование загрязненного газового потока с абсорбентом ведут при 5 35^oС и 1 3 атм.

2 Способ по п.1, отличающийся тем, что используют абсорбент, выбранный из группы, состоящей из моторного масла, растительного масла, кукурузного масла, минерального масла, оливкового масла, касторового масла, кокосового масла, пальмового масла, арахисового масла, масла сафлора, масла соевых бобов, тукового масла, льняного масла, масла хлопковых семян и их смесей.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что летучим органическим соединением является соединение, выбранное из группы, состоящей из гексана, стирола, бензола, хлорбензола, этилбензола, толуола, о-ксилола, м-ксилола, п-ксилола, тетрахлорида углерода, метиленхлорида, трихлорметана, 1,2-дибромэтана, винилхлорида, 1,1-дихлорэтана, цис-1,2-дихлорэтана, транс-1,2-дихлорэтана, 1,1,1-трихлорэтана, трихлорэтана, 1,1,2,2-тетрахлорэтана, тетрахлорэтена, 1,2-дихлорпропена и их смесей.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что контактирование загрязненного газового потока с абсорбентом ведут периодически.

5. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что контактирование ведут непрерывно.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что отделение абсорбированного летучего органического соединения ведут посредством фракционной дистилляции.

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что источником загрязнения газового потока является подземная зона.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что источником загрязнения газового потока является почвенная вода.

9. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что источником загрязнения газового потока является загрязненная почва.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу удаления летучих органических соединений из загрязненного газового потока.

Известен способ удаления летучего органического соединения из загрязненного им газового потока. Способ заключается в контактировании газового потока с органическим растворителем до его насыщения с последующим отделением и сбором примесей и восстановлением (регенерацией) отделенного растворителя.

Загрязнение летучими органическими соединениями как насыщенных, так и ненасыщенных подземных зон является повсеместным. Потенциальное вредное влияние на здоровье и другие нежелательные воздействия на окружающую среду подземных систем, загрязненных летучими органическими соединениями (ЛОС), поставило восстановление этих зон в центр забот об окружающей среде. В настоящее время, наиболее популярной технологией для восстановления этих загрязненных зон является использование процессов переноса и концентрации физических масс, например, первая экстракция загрязненной почвы и отгонка газа из зараженной почвенной воды. Например, патент США N 4544488 (О"Брайен) направлен на отгонку газа из загрязненной почвенной воды. О"Брайен описывает инжектирование загрязненной ЛОС воды и незагрязненной воды в стриппер с принудительным воздушным потоком через разбрызгивающие сопла для отгонки летучих органических загрязнений из воды в воздушный поток. Загрязненный ЛОС воздушный поток направляется в атмосферу, а выпускная вода пропускается через поглотительный угольный слой для удаления нелетучих органических загрязнений.

Отрицательным следствием паровой экстракции и обработки отгонкой газа является перенос летучих органических соединений из одной среды в другую, то есть во многих случаях выходные газы в этих процессах просто выпускаются в атмосферу без дальнейшей обработки.

Кроме того, многие производственные процессы, процессы переработки горючего и его сжигания выбрасывают ЛОС прямо в атмосферу. Во многих случаях выбросы ЛОС в атмосферу просто идут необработанными. Обработка ЛОС-загрязненных газовых потоков, когда таковая имеется, обычно принимает форму дорогостоящего, невосстанавливаемого процесса, такого, как процесс с использованием активированным углем или процесса сжигания. Например, патенты США N 4540579 и N 4343096 направлены оба на способы обработки ЛОС-загрязненных газовых потоков посредством сжигания. Однако, высокая стоимость процессов сжигания ограничивает применение технологии сжигания в качестве обычной обработки ЛОС-загрязненных газовых потоков.

Применение известных технологий обработки выпускных газов к удалению ЛОС из газового потока обычно оказывается экономически и/или практически неосуществимым. Известной обработкой выпускного газа является адсорбция активированным углем, описанная в "Using GAC to remove VOLs from air-stripper off-Gas", J.C.Crittendent et al. J.Am. Water Works Assoc. 80:5:73, 1988. Однако, стоимость адсорбции на линии, так же как и плохая эффективность удаления определенных распространенных ЛОС-загрязнений, например, метилхлорида и 1,1,1- трихлорэтана, ограничивает практическую применимость адсорбционной технологии в качестве обычного процесса обработки ЛОС-загрязнений газовых потоков.

Каждый из обсуждавшихся выше способов обработки подходит к проблеме ЛОС-загрязнений с очень узкой точки зрения, то есть обработки ЛОС-загрязненной среды рассматривается скорее как проблема избавления от отходов, чем как потенциальный источник возобновляемых ресурсов.

Соответственно, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа обработки выпускного газа, который предлагает экономичное и благоприятное для окружающей среды решение проблемы очистки газовых потоков, загрязненных летучими органическими соединениями.

Другой целью изобретения является обеспечение процесса обработки выпускного газа, который высоко эффективен при удалении практически всех ЛОС-загрязнителей.

Еще одной целью является обеспечение обработки выпускного газа, который использует потенциал возобновляемых ресурсов посредством восстановления ЛОС из загрязненных ими газовых потоков.

Эти, а также дальнейшие цели станут яснее ниже.

Вышеприведенные цели достигаются способом для отделения летучего органического соединения из загрязненного газового потока, предусматривающим стадии контактирования загрязненного газового потока с нелетучим органическим жидким абсорбентом, причем указанное летучее органическое соединение растворимо в указанном растворителе, при условиях, эффективных для обеспечения абсорбции летучего органического соединения из газового потока в абсорбент, обеспечивая при этом газовый поток с пониженным загрязнением и загрязненный абсорбент. Абсорбированное летучее органическое соединение затем отделяют от загрязненного абсорбента с обеспечением концентрата восстановленного загрязнителя и рециркулируемого абсорбента.

Также раскрыт способ улучшения состояния подземной зоны. Этот способ включает стадии переноса ЛОС из подземной зоны в газовый поток, например, посредством отгонки загрязненной почвенной воды или паровой экстракции загрязненной почвы, контактирование образованного таким образом загрязненного газового потока с вышеописанным органическим жидким абсорбентом, и отделение абсорбированного ЛОС от абсорбента для восстановления летучего органического соединения.

Также раскрыто устройство для отделения ЛОС от загрязненного газового потока. Это устройство включает средство для контактирования загрязненного газового потока с нелетучим органическим жидким абсорбентом, причем указанное летучее органическое соединение растворимо в этом абсорбенте, для получения газового потока с пониженным загрязнением и загрязненного абсорбента, а также средства для отделения абсорбированного ЛОС от загрязненного абсорбента.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 схема предпочтительного выполнения устройства по изобретению; фиг. 2 альтернативное выполнение устройства по изобретению; фиг. 3 кривая зависимости концентрации летучего органического соединения в газовой фазе против концентрации летучего органического соединения в жидком абсорбенте (кукурузное масло) для нескольких систем при равновесии при 25^oC и давлении 1 атм; фиг. 4 кривая зависимости концентрации бензола в газовой фазе против концентрации бензола в жидком абсорбенте (кукурузное масло) для одной системы при равновесии при 25^oC и давлении 1 атм; фиг. 5 кривая равновесной константы К для метиленхлорида в кукурузном масле против давления; фиг. 6 кривая равновесной константы К для метиленхлорида в кукурузном масле против температуры; фиг. 7 кривая концентрации метиленхлорида в газовой фазе в кукурузном масле против температуры; фиг. 8 кривая концентрации метиленхлорида в газовой фазе против концентрации метиленхлорида в жидкой фазе абсорбента для нескольких жидких абсорбентов при равновесии при 25^oC и давлении 1 атм; фиг. 9 кривая равновесной константы К для нескольких систем метиленхлорид/жидкий абсорбент, против исходной концентрации метиленхлорида в абсорбенте; фиг. 10 кривая концентрации метиленхлорида в кукурузном масле против времени при 50^oC и давлении 0,5 атм;

Ссылаясь на схематичное представление предпочтительного выполнения устройство по настоящему изобретению на фиг. 1, ЛОС-загрязненный газовый поток 2 и поток абсорбента 4 направляют в абсорбционное устройство 6 для обеспечения абсорбции ЛОС из газового потока в абсорбент. Выражение "абсорбция", использованное здесь, обозначает перенос растворимого компонента из газообразоной фазы в жидкий абсорбент, причем летучесть жидкого абсорбента является низкой при условиях процесса.

Источником газового потока 2 может быть, например, выпускной газ, производимый упомянутыми выше восстановительными процессами воздушного стриппинга (отгонки) или паровой экстракции, дымовые (топочные) газы, отходящие газы от операций по обезжириванию растворителя или отходящие газы от других промышленных процессов. Обычно, загрязненный газовый поток 2 содержит примерно от 10 частей на миллион по объему (ppmv) до приблизительно 10.000 ppm ЛОС-примеси.

Выражение "летучее органическое соединение", или эквивалентно, "ЛОС", используется здесь для обозначения любого органического соединения, имеющего точку кипения (т. к.) равную или менее 170^oC и/или паровое давление (п.д.) равное или более 1 мм рт.ст. при 25^oC. Конкретные примеры ЛОС включают: гексан, стирол, бензол, хлорбензол, этиленбензол, толуол, о-ксилол, р-ксилол, м-ксилол, тетрахлорид углерода, метиленхлорид, трихлорметан, 1,2-дибромэтан, винилхлорид, 1,2-дихлорэтен, цис-1,2-дихлорэтен, транс-1,2-дихлорэтен, 1,1,1-трихлорэтан, трихлорэтен, 1,1,2,2- тетрахлорэтан, тетрахлорэтен (известный также как перхлорэтен), 1,2-дихлорпропен и их смеси. Специалистам в данной области известно, что вышеприведенный список примеров не исчерпывающий.

Группа жидких абсорбентов, которая, как было установлено, может использоваться при осуществлении настоящего изобретения, является существенным признаком настоящего изобретения. Выражение "абсорбент" и "органический растворитель" используются взаимозаменяемо в данном описании для обозначения практически нелетучей органической жидкости, в которой растворима ЛОС-примесь, которую нужно удалить из газового потока. Подходящими абсорбентами для практики способа по настоящему изобретению включают, например, производные нефти, растительные масла и синтетические масла. Конкретными примерами подходящих абсорбентов являются моторное масло, растительное масло, кукурузное масло, минеральное масло, оливковое масло, касторовое масло, кокосовое масло, пальмовое масло, арахисовое масло, масло сафлора, масло из соевых бобов, туковое масло, льняное масло, масло из хлопковых семян и их смеси. Моторное масло, минеральное масло, кукурузное масло являются предпочтительными жидкими абсорбентами благодаря их соответствующей высокой способности абсорбировать ЛОС, как продемонстрировано ниже примером 5. Кукурузное масло особенно предпочтительно в качестве жидкого абсорбента по настоящему изобретению.

Как продемонстрировано данными равновесия, полученными по представленными ниже примера 1-6, растворимость отдельных ЛОС в отдельных растворителях по настоящему изобретению является высокой. Предпочтительно, абсорбент, использованный для удаления конкретного ЛОС, выбирается так, чтобы ЛОС, подлежащий удалению из газового потока, имел очень высокую растворимость в абсорбенте для обеспечения соответственно очень высокой движущей силы для массопереноса ЛОС из газового потока в абсорбент.

Оборудование для подходящего осуществления способа на стадии контакта газ-жидкость основано на известных инженерных принципах. Абсорбционное устройство 6 может включать, например, насадочную колонну, тарельчатую колонну, колонну с влажной стенкой или падающей пленкой, барботажную колонну, орошаемую (распылительную) колонну (камеру), а также мембранную систему или емкость со средством перемешивания. Потоки жидкости и газа могут контактировать в периодическом процессе, например, в емкости с мешалкой, или в непрерывном процессе, например, в насадочной колонне. Устройство для непрерывного осуществления способа может работать в противотоке, в со-потоке или в поперечных потоках. Жидкая фаза, газовая фаза или обе эти фазы, как жидкая, так и газовая, могут быть непрерывными (сплошными).

Стадию контактирования загрязненного газового потока с абсорбентом проводят в условиях, позволяющих обеспечить абсорбцию ЛОС-примеси из газового потока в абсорбент. Предпочтительно, стадию контактирования осуществляют при условиях, обеспечивающих насыщение абсорбента ЛОС-примесью, удаляемой из газового потока. Действие температуры и давления на отделение нескольких отдельных ЛОС-примесей из газового потока в жидкий абсорбент продемонстрировано ниже в примерах 2-4, то есть растворимость ЛОС в жидких абсорбентах по настоящему изобретению повышается с увеличением давления и уменьшается с понижением температуры. В общем, абсорбционное устройство 6 должно работать при наивысшем возможном давлении и при самой низкой возможной температуре, согласующимися с соображениями экономичности и другими требованиями процесса, чтобы обеспечить наиболее высокую эффективную растворимость ЛОС-примеси в абсорбенте. Предпочтительно, стадия контактирования по настоящему изобретению включает контактирование газового потока с абсорбентом при давлении между примерно 1 атм и примерно 3 атм, и температуре между примерно 5^oC и примерно 35^oC.

Ссылаясь на фиг. 1, выходящий газовый поток со сниженным содержанием примеси направляется из абсорбционного устройства 6 и, например, выпускается в атмосферу, ЛОС-нагруженный поток абсорбента 10 направляется из абсорбционного устройства 6 в устройство для разделения 12.

Существенное различие в летучести между практически нелетучим абсорбентом по настоящему изобретению и высоколетучим загрязнителем, абсорбированным в абсорбент, предоставляет удобное основание для разделение загрязнителя и абсорбента, а конструкция подходящего оборудования для этого процесса разделения ЛОС-примеси и абсорбента основана на известных инженерных принципах. Отделение ЛО соединений из жидких абсорбентов по настоящему изобретению при мягких условиях процесса продемонстрировано в примерах 7 и 8 ниже. Устройство для отделения 12 может включать, например, дистилляционную колонну, стриппинг-колонну (отпарную), выпариватель, мембранно-стриппинговое устройство, или другие десорбционные средства. Выражение "стриппинг" и "десорбция" используются здесь для обозначения переноса растворенного газа из жидкости в газовый поток. Выражение "выпаривание" используется здесь для обозначения удаления растворенного летучего компонента посредством выпаривания компонента из нелетучего растворителя. Предпочтительно, ЛОС-примесь отделяется от нагруженной этой примесью абсорбирующей жидкости посредством вакуумной дистилляции или выпаривания. Более предпочтительно, абсорбированная ЛОС-примесь отделяется от абсорбента посредством нагревания загрязненного абсорбента при температуре от примерно 25^oC до примерно 200^oC под давлением от примерно 0,15 атм вплоть до примерно 1 атм, для выпаривания ЛОС-загрязнения.

Обращаясь снова к фиг. 1, потоки рециркулируемого абсорбента 14 и концентрированного ЛОС направляются от устройства для отделения 12. Поток рециркулируемого абсорбента 14 охлаждается в конденсаторе 18 с образованием охлажденного потока рециркулируемого абсорбента 20, который, соединенный с необязательным свежим потоком абсорбента 22, образует направляемый на вход поток абсорбента 4.

Концентрированный ЛОС поток 16 охлаждается в конденсаторе 24 с образованием концентрированного ЛОС потока 26. Конденсированный ЛОС продукт в виде части потока 26 выпускается. По желанию, неконденсированная часть ЛОС-продуктового потока может быть направлена от конденсатора 24 и соединена с потоком отходящего газа 32 для образования направляемого на вход потока газа 2.

Поток 28 конденсированного ЛОС продукта, получаемый устройством по настоящему изобретению, является восстанавливаемым ресурсом, то есть ЛОС-продукт может быть скорее использован повторно, чем выброшен на свалку, выпущен в атмосферу или уничтожен другим способом. Поток 18 ЛОС продукта может потребовать дополнительной обработки перед его повторным использованием, например, если жидкий поток ЛОС продукта 26 включает смесь ЛО соединений, то ее различные компоненты могут быть разделены посредством фракционной дистилляции.

Второе выполнение устройства по настоящему изобретению, включающее две стадии абсорбции, показано на фиг. 2.

ЛОС-загрязненный газовый поток 40 и поток абсорбента 42 контактируют на первой стадии абсорбции 44. Первый загруженный ЛОС поток абсорбента 46 и первый поток 48 со сниженным содержанием загрязняющего газа покидают первую стадию абсорбции 44 и далее контактируют на второй стадии абсорбции 50. Второй загруженный ЛОС поток абсорбента 54 и второй поток 52 со сниженным содержанием загрязняющего газа покидают вторую стадию абсорбции. Поток 52 с пониженным содержанием загрязняющего газа может быть, например, выпущен в атмосферу. Второй загруженный ЛОС поток абсорбента может быть разделен посредством клапана 56 на рециркулируемый по желанию поток 58 абсорбента, загруженный ЛОС, и на загруженный ЛОС поток абсорбента 60. Абсорбированный ЛОС-загрязнитель отделяют от потока абсорбента 60 в устройстве для отделения (сепараторе) 64. Рециркулируемый чистый поток абсорбента 68 покидает сепаратор 64, охлаждается в конденсаторе и может быть соединен с рециркулируемым потоком 58 абсорбента, загруженным ЛОС для образования направляемого на впуск потока абсорбента 42. Если необходимо, с рециркулируемым потоком абсорбента 68 может соединяться свежий поток абсорбента 72. Если нужно, поток загрязненных отходящих газов 74 может быть направлен в сепаратор 64 и соединен впускным газовым потоком 40. Концентрированный ЛОС продуктовый поток 66 покидает сепаратор 64.

Пример 1.

Осуществляют разделение трихлорэтана, трихлорэтена, перхлорэтена и бензола между загрязненной газовой фазой и абсорбентом (кукурузное масло) по настоящему изобретению при давление 1-3 атм и 25^oC.

Некоторый объем образца каждого ЛОС инжектируют в соответствующий объем абсорбента в колбе, закрытый деформируемой диафрагмой и оставляют для получения равновесия. Образцы газовой фазы и жидкой фазы удаляют из уравновешенной системы и анализируют посредством газовой хроматографии для определения состава каждой фазы. Результаты хроматографического анализа проверяли с использованием результатов расчета массового баланса для этой системы.

Результаты представлены на диаграммах фиг. 3 и 4 в виде кривых концентрации [ЛОС] в газовой фазе против [ЛОС] в жидкой фазе при равновесии. Здесь квадратные скобки означают "концентрация" того вещества, которое взято в скобки, то есть [ЛОС] означает "концентрация летучего органического соединения".

Пример 2.

Определяют взаимозависимость между давлением и равновесной константой К метиленхлорида (MeCl) в кукурузном масле при 25^oC.

Концентрацию, используемую при расчете равновесных К констант, определяют при каждом давлении согласно методу, показанному в примере 1.

Результаты представлены на диаграмме фиг. 5 в виде кривой равновесной константы K (где K=[MeCl] в жидкой фазе / [MeCl] в газовой фазе) против давления.

Пример 3.

Зависимость температуры и равновесной константы метиленхлорида в кукурузном масле определяют по методу, представленному в примере 1. Результаты представлены на диаграмме фиг. 6 в виде кривой равновесной константы K (где K=[MeCl] в жидкой фазе / [MeCl] в газовой фазе) против температуры.

Пример 4.

Газофазовую концентрацию метиленхлорида в равновесии с 20 мл образцом кукурузного масла, который исходно включал 90 мл метиленхлорида, определяют под давлением 1 атм посредством метода, представленного в примере 1 в виде функции от температуры. Результаты представлены на диаграмме фиг. 6 в виде кривой [MeCl] в газовой фазе против температуры.

Пример 5.

Разделение метиленхлорида между загрязненной газовой фазой и несколькими жидкими абсорбентами, то есть кукурузным маслом, минеральным маслом и моторным маслом, определяют по методу, представленному в примере 1.

Результаты показаны на диаграмме фиг. 8 в виде кривой [MeCl] в газовой фазе против [MeCl] в жидкой фазе.

Пример 6.

Определяют зависимость равновесной константы (при 1 атм и 25^oC) метиленхлорида в нескольких жидких абсорбентах от исходной [MeCl] в жидкой фазе. Равновесные константы определяют по методу, представленному в примере 2.

Результаты представлены фиг. 9 в виде кривой константы равновесия K (где K=[MeCl] в газовой фазе / [MeCl] в жидкой фазе) против исходной [MeCl] в жидкой фазе.

Пример 7.

Абсорбированное летучее соединение, то есть метиленхлорид, отделяют от абсорбента, то есть кукурузного масла, посредством выпаривания при 50^oC и 0,5 атм. Концентрацию метиленхлорида устанавливают в виде функции от времени.

Результаты показаны на фиг. 10 в виде кривой [MeCl] в жидкой фазе против времени.

Пример 8.

Абсорбированное летучее соединение, то есть перхлорэтен (PCE), отделяют от абсорбента, то есть кукурузного масла, посредством дистилляции. Образец (960 мл) PCE-загрязненного (25 об. PCE) кукурузного масла дистиллируют в течение 1,3 часа при 100^oC и 0,75 атм. Дистиллят конденсируют при -5^oC и собирают в колбу, охлаждаемую в ледяной ванне. Образец конденсата инжектируют в образец чистого кукурузного масла и затем анализируют посредством газовой хроматографии для определения состава конденсата. В конденсате было восстановлено около 93% PCE.

Способ и устройство по настоящему изобретению обеспечивают экономичную, эффективную и благоприятную для окружающей среды технологию удаления ЛОС из ЛОС-загрязненного газового потока и восстановления удаленных ЛО соединений. Способ по настоящему изобретению может быть использован самостоятельно, например, для очистки отходящих газов, получаемых при промышленном обезжиривании или при ряде других процессов обработки, например, для очистки отходящих газов, получаемых в процессе отгонки почвенной воды. Способ по настоящему изобретению представляет собой скорее средство восстановления летучих органических соединений из окружающей среды, чем простой перенос ЛО соединений из загрязненной среды, например, воздуха.

Благоприятная экономичность, обеспечиваемая высокой способностью абсорбента по настоящему изобретению растворять ЛОС примеси, потенциал для быстрого массопереноса между газовым потоком и абсорбентом, а также возможность восстановления отдельных ЛОС из абсорбента, делает настоящее изобретение очень привлекательной технологией как для предотвращения выбросов летучих органических соединений, так и для улучшения состояния загрязненной ЛОС местности.

В то время как здесь были показаны и описаны предпочтительные варианты выполнения, различные модификации и замены возможны без отхода от идеи и объема изобретения. Соответственно, следует понимать, что настоящее описание было дано только с целью иллюстрации, а не ограничения.