环氧丙烷废气处理工艺
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国家聚氨酯工程技术研究中心 万华化学集团股份有限公司，山东 烟台 264006
摘要：为使聚醚生产工艺产生的环氧丙烷（PO）废气排放达到环保标准，采用硫酸酸洗与活性炭纤维吸附工 艺处理高浓度环氧丙烷废气。 考察了酸洗工艺操作条件与活性炭纤维动态吸附对废气中 PO 去除效果的影响， 并对两个工艺组合效果进行了评价。结果表明，在温度为 25 ℃，PO 废气进气量 100 L/h，硫酸浓度（质量 分数）为 30%，酸量 1.5 L，活性炭纤维装填量 10 g 时，酸洗与活性炭纤维吸附组合工艺对废气中的 PO 有 很高的去除效果，初始浓度为 800 g/Nm3 的废气经处理后浓度降为 4 mg/Nm3，达到了环保要求，说明组合工 艺用于环氧丙烷废气处理的可行性。 关键词：环氧丙烷 中图分类号：X701 硫酸 活性炭纤维吸附 水解 文献标识码：A
1 实验部分
1.1 实验材料 生产过程实际取样测定废气组成主要是 PO、氮气和水蒸气，PO 浓度最高达到 800 g/Nm3。准确 称取一定量工业级 PO 配置成不同浓度的 PO 水溶液，采用一定流量的工业氮气鼓泡气提，即得不同
收稿日期: 2014: 张宏科（1970—） ，男，研究员级高级工程师；徐 辉（1985—） ，男，研发工程师，通讯联系人。E-mail:xuhui@。
图 1 PO 废气处理工艺流程 Fig.1 The flow chart of experiment apparatus
1,4-water bath; 2-epoxy propane solution; 3-gas flow meter; 5-sulfuric acid solution; 6-packing column; 7-peristaltic pump; 8-activated carbon fiber adsorption column; A,B,C-sampling points
环氧丙烷（PO）作为重要的化工产品，广泛应用于化工合成和医用灭菌等领域。PO 具有沸点低 （常压下沸点为 34 ℃） 、易挥发、易燃易爆、高反应热和有毒害等危险性，其爆炸极限宽（空气中 爆炸体积为 2.1%~37%） ，对环境和人体会造成极大的危害，因此，必须妥善处理含 PO 污染物质的排 放。目前国内外对于这种环氧化合物的处理方法主要有催化分解法、冷凝法、缓冲燃烧法和水吸收法 等[1-3]。 但是这些方法具有一定局限性， 并不能从根本上将高浓度 PO 废气处理到低浓度 （5 mg/Nm3） 。 有文献报道[4-8]环氧类化合物可在酸性条件下发生开环水解反应，生成相应的醇及其缩聚副产物， 其反应机理为：第一步是环氧丙烷在硫酸催化作用下发生质子化，第二步是质子化作用下的碳氧键断 裂开环， 第三步是水作为亲核试剂对质子化开环的环氧丙烷攻击发生亲核取代反应生成主要产物丙二 醇。活性炭纤维可吸附气相中的烷烃和苯环类有机物[9,10]。基于此，本工作以硫酸为酸催化剂，活性 炭纤维作吸附剂，对酸洗工艺结合活性炭吸附工艺处理高浓度环氧丙烷废气进行研究。通过酸洗催化 将气相高浓度 PO 水解转化为高沸点的丙二醇，处理后的低浓度 PO 通过活性炭纤维吸附处理，同时 通过工艺流程设计，将活性炭纤维解析液返回硫酸酸洗，对硫酸酸洗液中的丙二醇定期回收，从而不 产生新的废气废液排放，根本上解决尾气的环保问题。
检测器，HP-5 色谱柱（30 m×530 μm×1.5 μm） ，气体直接进样检测。
2 结果与讨论
2.1 酸浓度对 PO 废气处理效果影响 首先考察单一酸洗工艺效果，以确定酸洗最优条件。在反应温度为 25 ℃，酸洗塔空塔气速为 0.04 m/s，不同酸浓度条件下进行环氧丙烷废气处理实验，取样点 B 的取样分析结果如图 2 所示。由 图可知，进气 PO 浓度稳定在 800 g/Nm3 时，当其中的酸浓度从 5%增加到 30%，出口气体的 PO 浓度 从 8 g/Nm3 降到了 0.8 g/Nm3，PO 废气处理效果提高。因为随着酸浓度增加，提供的氢质子增加，同 一时间内攻击环氧丙烷的几率增加，提高了反应速率，在反应停留时间不变的情况下，废气中被处理 的 PO 量增加，从而使出口气体中 PO 含量低。但由图 2 可看出，酸浓度从 30%提高到 40%时，出口 气体中 PO 的浓度变化较小，这主要是因为酸浓度在 30%以下是反应控制过程，达到 30%以后，酸对 PO 的水解催化作用与酸的浓度无太大关系。
第 31 卷第 3 期
张宏科等. 环氧丙烷废气处理工艺
267
PO 浓度的模拟废气。 酸洗塔尺寸为30 mm×300 mm，采用天大 θ 环丝网填料，填料尺寸为 3 mm×3 mm，填料量为 0.37 g/cm3；活性炭纤维采用辽源三海集团有限公司定制生产，实验采用将活性炭纤维剪成小块乱堆 装填，保证装填量在 0.16 g/cm3。 1.2 实验流程 实验装置如图 1 所示。保持 PO 气体生成器中 液体 100 g 左右，通过气体流量计控制废气流量在 100 L/h；采用水浴锅对 PO 水溶液恒温控制，保证 取样点 A 废气 PO 浓度稳定在一定值；将浓硫酸配 制成不同浓度的硫酸溶液， 控制硫酸溶液总量 1.5 L。 产生的 PO 废气进入硫酸溶液鼓泡，经酸洗填料柱 进一步吸收处理， 控制蠕动泵流量在 30 mL/min， 保 证酸洗填料柱充分润湿；取 10 g 完全干燥的活性炭 纤维填入吸附柱中，经酸洗处理后的废气进吸附柱 处理，在三个取样点取样分析 PO 废气处理效果。 气相 PO 浓度采用气相色谱检测 （Agilent 7890） ， FID
第 31 卷第 3 期 2015 年 6 月
化学反应工程与工艺 Chemical Reaction Engineering and Technology
Vol 31, No 3 June 2015
文章编号：1001—7631 ( 2015 ) 03—0266—05
环氧丙烷废气处理工艺
张宏科，姚 雨，徐 辉，陈 斌，王海峰，刘 林
摘要：为使聚醚生产工艺产生的环氧丙烷（PO）废气排放达到环保标准，采用硫酸酸洗与活性炭纤维吸附工 艺处理高浓度环氧丙烷废气。 考察了酸洗工艺操作条件与活性炭纤维动态吸附对废气中 PO 去除效果的影响， 并对两个工艺组合效果进行了评价。结果表明，在温度为 25 ℃，PO 废气进气量 100 L/h，硫酸浓度（质量 分数）为 30%，酸量 1.5 L，活性炭纤维装填量 10 g 时，酸洗与活性炭纤维吸附组合工艺对废气中的 PO 有 很高的去除效果，初始浓度为 800 g/Nm3 的废气经处理后浓度降为 4 mg/Nm3，达到了环保要求，说明组合工 艺用于环氧丙烷废气处理的可行性。 关键词：环氧丙烷 中图分类号：X701 硫酸 活性炭纤维吸附 水解 文献标识码：A
1 实验部分
1.1 实验材料 生产过程实际取样测定废气组成主要是 PO、氮气和水蒸气，PO 浓度最高达到 800 g/Nm3。准确 称取一定量工业级 PO 配置成不同浓度的 PO 水溶液，采用一定流量的工业氮气鼓泡气提，即得不同
收稿日期: 2014: 张宏科（1970—） ，男，研究员级高级工程师；徐 辉（1985—） ，男，研发工程师，通讯联系人。E-mail:xuhui@。
图 1 PO 废气处理工艺流程 Fig.1 The flow chart of experiment apparatus
1,4-water bath; 2-epoxy propane solution; 3-gas flow meter; 5-sulfuric acid solution; 6-packing column; 7-peristaltic pump; 8-activated carbon fiber adsorption column; A,B,C-sampling points
环氧丙烷（PO）作为重要的化工产品，广泛应用于化工合成和医用灭菌等领域。PO 具有沸点低 （常压下沸点为 34 ℃） 、易挥发、易燃易爆、高反应热和有毒害等危险性，其爆炸极限宽（空气中 爆炸体积为 2.1%~37%） ，对环境和人体会造成极大的危害，因此，必须妥善处理含 PO 污染物质的排 放。目前国内外对于这种环氧化合物的处理方法主要有催化分解法、冷凝法、缓冲燃烧法和水吸收法 等[1-3]。 但是这些方法具有一定局限性， 并不能从根本上将高浓度 PO 废气处理到低浓度 （5 mg/Nm3） 。 有文献报道[4-8]环氧类化合物可在酸性条件下发生开环水解反应，生成相应的醇及其缩聚副产物， 其反应机理为：第一步是环氧丙烷在硫酸催化作用下发生质子化，第二步是质子化作用下的碳氧键断 裂开环， 第三步是水作为亲核试剂对质子化开环的环氧丙烷攻击发生亲核取代反应生成主要产物丙二 醇。活性炭纤维可吸附气相中的烷烃和苯环类有机物[9,10]。基于此，本工作以硫酸为酸催化剂，活性 炭纤维作吸附剂，对酸洗工艺结合活性炭吸附工艺处理高浓度环氧丙烷废气进行研究。通过酸洗催化 将气相高浓度 PO 水解转化为高沸点的丙二醇，处理后的低浓度 PO 通过活性炭纤维吸附处理，同时 通过工艺流程设计，将活性炭纤维解析液返回硫酸酸洗，对硫酸酸洗液中的丙二醇定期回收，从而不 产生新的废气废液排放，根本上解决尾气的环保问题。
检测器，HP-5 色谱柱（30 m×530 μm×1.5 μm） ，气体直接进样检测。
2 结果与讨论
2.1 酸浓度对 PO 废气处理效果影响 首先考察单一酸洗工艺效果，以确定酸洗最优条件。在反应温度为 25 ℃，酸洗塔空塔气速为 0.04 m/s，不同酸浓度条件下进行环氧丙烷废气处理实验，取样点 B 的取样分析结果如图 2 所示。由 图可知，进气 PO 浓度稳定在 800 g/Nm3 时，当其中的酸浓度从 5%增加到 30%，出口气体的 PO 浓度 从 8 g/Nm3 降到了 0.8 g/Nm3，PO 废气处理效果提高。因为随着酸浓度增加，提供的氢质子增加，同 一时间内攻击环氧丙烷的几率增加，提高了反应速率，在反应停留时间不变的情况下，废气中被处理 的 PO 量增加，从而使出口气体中 PO 含量低。但由图 2 可看出，酸浓度从 30%提高到 40%时，出口 气体中 PO 的浓度变化较小，这主要是因为酸浓度在 30%以下是反应控制过程，达到 30%以后，酸对 PO 的水解催化作用与酸的浓度无太大关系。
第 31 卷第 3 期
张宏科等. 环氧丙烷废气处理工艺
267
PO 浓度的模拟废气。 酸洗塔尺寸为30 mm×300 mm，采用天大 θ 环丝网填料，填料尺寸为 3 mm×3 mm，填料量为 0.37 g/cm3；活性炭纤维采用辽源三海集团有限公司定制生产，实验采用将活性炭纤维剪成小块乱堆 装填，保证装填量在 0.16 g/cm3。 1.2 实验流程 实验装置如图 1 所示。保持 PO 气体生成器中 液体 100 g 左右，通过气体流量计控制废气流量在 100 L/h；采用水浴锅对 PO 水溶液恒温控制，保证 取样点 A 废气 PO 浓度稳定在一定值；将浓硫酸配 制成不同浓度的硫酸溶液， 控制硫酸溶液总量 1.5 L。 产生的 PO 废气进入硫酸溶液鼓泡，经酸洗填料柱 进一步吸收处理， 控制蠕动泵流量在 30 mL/min， 保 证酸洗填料柱充分润湿；取 10 g 完全干燥的活性炭 纤维填入吸附柱中，经酸洗处理后的废气进吸附柱 处理，在三个取样点取样分析 PO 废气处理效果。 气相 PO 浓度采用气相色谱检测 （Agilent 7890） ， FID
第 31 卷第 3 期 2015 年 6 月
化学反应工程与工艺 Chemical Reaction Engineering and Technology
Vol 31, No 3 June 2015
文章编号：1001—7631 ( 2015 ) 03—0266—05
环氧丙烷废气处理工艺
张宏科，姚 雨，徐 辉，陈 斌，王海峰，刘 林