一种恒液位变截面吸附装置及其应用的制作方法

1.本发明属于污染物处理领域，更具体地说，涉及一种恒液位变截面吸附装置及其应用。


背景技术：

2.目前废水吸附装置通常采用传统的固定床吸附器，一般通常采用上下等直径吸附器，吸附及脱附不能很好适应污染物不同浓度的处理状态，造成吸附及脱附的不均衡，无法充分发挥树脂吸附及脱附的作用。现有技术中的吸附器的高径比通常为2-3左右，综合考虑运输条件、装置超高、污水处理规模等因素，现有技术多采用多塔联合处理系统，将具有吸附功能的单元切割为多个吸附塔联合使用，确保污水处理效果，但极大程度上增加了系统的复杂程度，提高污水处理系统的造价成本。
3.不仅如此，现有技术中的树脂吸附塔在吸附饱和后需要对树脂进行脱附。采用溶剂脱附的情况下，在溶剂二次脱附套用时，往往溶剂夹带脱附下来的污染物循环套用，影响脱附效果，且一般吸附均为连续进、连续出状态，停留时间相对缩短，没有过渡缓冲静置吸附时间，未充分发挥吸附效果。


技术实现要素：

4.1.要解决的问题
5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种恒液位变截面吸附装置，吸附器下部的横截面积由底部向上部逐渐递增，使得装填于吸附器中的吸附层的横截面积由下至上逐渐增大，并在吸附层的顶面位置，使吸附层的横截面积达到最大值；废水的通过吸附层的流速相对较慢，单位体积装填树脂量大，停留时间长，适用于废水刚开始处理时污染物浓度高的处理状态。随着吸附层对污染物的吸附，废水中的污染物浓度越来越低，同时结合本发明的变径结构，废水通过吸附层的流速加快，停留时间变短，进一步优化吸附器的吸附效率。本发明适用于污水中的污染物浓度随时间变化逐渐下降的场合，且具有与废水浓度梯度相适应的吸附结构，解决了现有技术脱附效果不佳的问题；同时，本发明突破了原来的高径比的范畴，可在不增加树脂塔高度的前提下，确保处理效果，解决了树脂塔运输不便、造价高昂的问题。
6.基于前述吸附装置，本发明进一步提供一种恒液位变截面吸附方法，进水流速控制为1-5bv/h，与传统溶剂溶液状态脱附相比，脱附剂采用蒸汽脱附后可以得到最大限度的套用并减少套用中污染物对脱附效果的影响；同时，跟传统的蒸汽相比，可降低蒸汽冷凝液产生量，减少废水产生量。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明提供一种恒液位变截面吸附装置，包括吸附器和脱附箱，吸附器的顶部设置有冷凝器，吸附器的底部设置有吸附器出水口；吸附器中填充有吸附层；冷凝器的出口与
吸附器相连通，冷凝器的进口通过管路与脱附箱相连通；脱附箱设置有加热装置，用于为冷凝器提供蒸汽态脱附剂；其中，吸附器下部的横截面积由底部向上部逐渐递增，使得装填于吸附器中的吸附层的横截面积由下至上逐渐增大，并在吸附层的顶面位置，使吸附层的横截面积达到最大值。
10.优选地，吸附器的内径由底部至顶部逐渐递增，且内径于吸附器顶部达到最大值；吸附器的底部内径为l
min
，吸附器的顶部内径为l
max
，l
max
：l
max
＝1.5-2。
11.优选地，吸附器通过冷凝液下降管与冷凝器相连通；冷凝液下降管的进口与冷凝器的出口相连接，冷凝液下降管的出口位于吸附器的底部。
12.优选地，还包括出水单元，出水单元包括吸附器出水口、吸附出水箱和虹吸管，吸附器出水口位于吸附器的最低处；吸附出水箱通过虹吸管与吸附器出水口相连通，虹吸管设置有吸附出阀和破真空阀；破真空阀设置于虹吸管最高处，且虹吸管最高处的水平高度大于吸附层的顶面位置所在的水平高度。
13.优选地，还包括吸附进通道，吸附进通道的出水口位于吸附层的上方。
14.优选地，冷凝液下降管的出口设置有下布水器，且下布水器沿吸附器的塔底进行四周贴底布置布水管。
15.优选地，吸附器中具有虹吸设定液位，当吸附器中的液位达到虹吸设定液位时，液体通过虹吸管排出吸附器；虹吸设定液位所在的水平面的水平高度高于虹吸管最高处的水平高度，高度差δh＝100-200mm。
16.优选地，吸附器出水口设置有吸附剂滤网隔板。
17.优选地，吸附进通道的出水口位于吸附器的中心线位置，且吸附进通道的出水口设置有上布水器。
18.本发明进一步提供一种利用上述的恒液位变截面吸附装置吸附处理废水的方法，其中，进水流速为1-5bv/h。
19.3.有益效果
20.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
21.(1)本发明的一种恒液位变截面吸附装置，吸附器下部的横截面积由底部向上部逐渐递增，使得装填于吸附器中的吸附层的横截面积由下至上逐渐增大，并在吸附层的顶面位置，使吸附层的横截面积达到最大值；本发明的吸附器中部直径大，废水的通过吸附层的流速相对较慢，单位体积装填树脂量大，停留时间长，适用于废水刚开始处理时污染物浓度高的处理状态。随着吸附层对污染物的吸附，废水中的污染物浓度越来越低，同时结合本发明的变径结构，废水通过吸附层的流速加快，停留时间变短，进一步优化吸附器的吸附效率。本发明适用于污水中的污染物浓度随时间变化逐渐下降的场合，且具有与废水浓度梯度相适应的吸附结构。
22.(2)本发明的一种恒液位变截面吸附装置，脱附采用低沸点溶剂如甲醇、甲苯等，溶剂用量根据经验公式进行计算，避免造成不够或者过量损耗的情况，减少脱附剂的使用量，进而降低处理成本。
23.(3)本发明的一种恒液位变截面吸附装置，吸附器顶部设置有冷凝器，溶剂通过蒸汽加热之后变为蒸汽进入冷凝器冷却至40-50℃进入吸附层底部布水器对吸附层从下往上进行逆流脱附，形成上部树脂不饱和下部饱和的形式；下部脱附层脱附时，脱附剂从上进入
到下出，形成逆流脱附；上部污染物少，脱附剂停留时间长，从上倒下脱附形成浓度梯度和时间梯度；上部脱附停留时间长，脱附剂浓度充足，脱附越彻底，到下部脱附剂浓度消耗后，脱附剂浓度降低，且含污染物，越往下与树脂接触时间缩短，流速越快(污染物二次污染减少)，形成了与脱附剂浓度及污染物浓度相匹配的脱附结构，增强了脱附效果及污染物对树脂的二次污染。
24.(4)本发明的一种恒液位变截面吸附装置，布水器沿塔底进行四周贴底布置布水管，吸附进水时从吸附层上层进、下层出，达到一定液位后(在此之前均为液体静置吸附，保证充分吸附时间)，通过虹吸吸附将吸附器内液体流出，直至流干，吸附、脱附均增加了静置与树脂接触的时间，强化了吸附、脱附效果。
25.(5)本发明的一种恒液位变截面吸附方法，基于前述吸附装置进行使用，与传统溶剂溶液状态脱附相比，脱附剂采用蒸汽脱附后可以得到最大限度的套用并减少套用中污染物对脱附效果的影响；同时，跟传统的蒸汽相比，可降低蒸汽冷凝液产生量，减少废水产生量。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图中：
28.101、吸附进通道；102、吸附器；103、吸附层；104、吸附剂滤网隔板；105、破真空阀；106、虹吸管；107、吸附出阀；108、吸附出水箱；109、脱附液出阀；110、脱附液箱；111、冷凝器；112、脱附剂进通道；113、脱附箱；114、蒸汽加热通道；115、脱附蒸汽进通道；116、脱附剂回流通道；117、冷凝液下降管；118、下布水器；119、上布水器。
具体实施方式
29.下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例，其中本发明的特征由附图标记标识。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本技术和本发明的应用领域。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.值得说明的是，本发明中的流速是指单位截面积单位时间流过的水量，即m/h，或者m3/m2·
h。本发明的内径是指装置的内部直径。
32.实施例1
33.本发明提供一种恒液位变截面吸附装置，包括吸附器102和脱附箱113，吸附器102的顶部设置有冷凝器111，吸附器102的底部设置有吸附器出水口，且所述吸附器102中填充有吸附层103。冷凝器111的出口与吸附器102相连通，冷凝器111的进口通过管路与脱附箱113相连通。脱附箱113设置有加热装置(通常使用蒸汽加热)，用于为冷凝器111提供蒸汽态脱附剂，溶剂通过加热装置加热之后，变为气体进入冷凝器111，冷却后进入吸附器102中。其中，吸附器102下部的横截面积由底部向上部逐渐递增，使得装填于吸附器102中的吸附层103的横截面积由下至上逐渐增大，并在吸附层103的顶面位置，使吸附层103的横截面积达到最大值。
34.对于现有技术中的等径塔而言，等径塔流速固定，停留时间固定，未能充分考虑到在吸附过程中，污染物浓度由高浓度向低浓度变化的梯度变化过程。而本发明的吸附器102的横截面积由底部向上部逐渐递增，使得吸附层103的横截面积由下至上逐渐增大，直至吸附层103的顶面位置达到最大值。具体地，本发明的吸附器102中部直径大，废水的通过吸附层103的流速相对较慢，单位体积装填树脂量大，停留时间长，适用于废水刚开始处理时污染物浓度高的处理状态。随着吸附层103对污染物的吸附，废水中的污染物浓度越来越低，同时结合本发明的变径结构，废水通过吸附层103的流速加快，停留时间变短，进一步优化吸附器102的吸附效率。本发明适用于污水中的污染物浓度随时间变化逐渐下降的场合，且具有与废水浓度梯度相适应的吸附结构，同时，本发明突破现有技术的高径比的局限性，可在不增加树脂塔高度的前提下，确保大规模污水的吸附、脱附效果。
35.本发明进一步设置吸附进通道101，吸附进通道101的出水口位于吸附层103的上方。吸附进通道101的出水口位于吸附器102的中心线位置，且吸附进通道101的出水口设置有上布水器119，保证进水可以均匀喷洒到吸附层103表面并与吸附层103充分接触。
36.本发明还包括出水单元，出水单元包括吸附器出水口、吸附出水箱108和虹吸管106，吸附器出水口位于吸附器102的最低处；吸附出水箱108通过虹吸管106与吸附器出水口相连通，虹吸管106设置有吸附出阀107和破真空阀105；破真空阀105设置于虹吸管106最高处，且虹吸管106最高处的水平高度大于吸附层103的顶面位置所在的水平高度，以实现对吸附层103的充分利用，避免过早发生虹吸现象。进一步说明，吸附器102中具有虹吸设定液位，当吸附器102中的液位达到虹吸设定液位时，液体通过所述虹吸管106排出吸附器102。由于阻力存在，虹吸设定液位所在的水平面的水平高度高于虹吸管106最高处的水平高度，高度差δh＝100-200mm为宜。吸附器出水口设置有吸附剂滤网隔板104，避免杂物进入吸附出水箱108。
37.进一步地，本发明的虹吸管106可以通过脱附剂回流通道116与脱附箱113相连通，同时还能通过设置有脱附液出阀109的管路与脱附液箱110相连通，形成脱附剂回流单元，便于回用脱附剂。
38.在本发明的吸附装置的使用过程中，废水的进水时由吸附层103上部进，吸附层103底部出。当吸附器102中的废水液面达到一定液位后(在此之前均为液体静置吸附，保证充分吸附时间)，通过虹吸吸附将吸附器102内液体流出，直至流干。
39.作为优选的实施方式，吸附器102的内径由底部至顶部逐渐递增，且内径于吸附器102顶部达到最大值；吸附器102的底部内径为l
min
，吸附器102的顶部内径为l
max
，则l
max
:l
min
＝1.5-2。进一步优选地，吸附器102的顶部内径至多为3m，进一步优选为0.5-2m，其制作成
本低，且污染物处理效果佳；吸附器102的高度至多为3m，进一步优选为2m。具有上述结构的吸附器102结构变化最平稳，能够得到更好的水力调节及布水效果。冷凝器111设置于吸附器102的顶部，吸附器102中的吸附层103装填有吸附树脂。
40.本发明的吸附器102通过冷凝液下降管117与冷凝器111相连通；冷凝液下降管117的进口与冷凝器111的出口相连接，冷凝液下降管117的出口位于吸附器102的底部。冷凝液下降管117的出口设置有下布水器118，且下布水器118沿吸附器102的塔底进行四周贴底布置布水管，溶剂通过加热装置之后，变为蒸汽进入冷凝器111，冷却至40-50℃后经由吸附层103底部的下布水器118进行布水，进而对吸附层103进行逆流脱附。进一步说明，贴底布水管不仅可以起到均匀分配脱附剂的作用，还能使脱附剂与树脂接触更加均匀。
41.本发明进一步提供利用一种处理废水的方法，结合上述装置，吸附时的具体实施工艺为：废水从吸附进通道101进入到吸附器102位置进水，吸附流速控制在1-5bv/h，通过上布水器119进行均匀配水。刚进入吸附层103的废水通过吸附层103的上层吸附材料接触后，在吸附层103的下层吸附剂中进行停留，继续进行吸附；直至液位达到虹吸设定液位后(此时破真空阀105关闭)，虹吸形成，开始吸附出水；打开虹吸管106的吸附出阀107，使出水经过吸附剂滤网隔板104，进入吸附出水箱108，完成吸附过程。
42.同时，结合上述装置，脱附时的具体实施工艺为：经脱附剂进通道112将脱附剂补充至脱附箱113，打开蒸汽加热通道114阀门对脱附剂进行加热；脱附蒸汽经过脱附蒸汽通道进入冷凝器111，冷凝液冷却至40-50℃后经过冷凝液下降管117，再经下布水器118扩散进入吸附层103下方，形成逆流脱附；达到一定液位后，通过虹吸吸附使吸附器102内脱附液流出，此时可通过脱附剂回流通道116进入脱附箱113，实现脱附剂的套用；套用的脱附剂经过蒸汽加热之后，低沸点(约50-90℃)的脱附剂变为蒸汽继续进行脱附，而高沸点的脱附液中含有被吸附的污染物，则需要定期外排(具体根据脱附箱113的容量进行预估，达到一定液位时则外排)；套用一段时间之后(可对脱附箱113的残留物进行定期分析，根据分析结果判断是否外排)，可打开脱附液出阀109进入脱附液箱110，完成脱附过程，期间损耗的脱附剂通过脱附剂进通道112补足。
43.在本发明中，脱附采用低沸点溶剂如甲醇、甲苯等，溶剂用量根据下列经验公式进行计算，避免造成不够或者过量损耗的情况：
[0044][0045]
其中：
[0046]
v为溶剂用量，m3；
[0047]
a为经验参数，2.5-5；
[0048]
q为树脂吸附污染物的量，kg；
[0049]
ρ为溶剂密度，kg/m3。
[0050]
结合具体实施方式说明本发明的处理效果：在本实施例中，吸附器102为变径吸附塔，直径为1.4m，吸附层103填充高度为0.7m，树脂装填量约0.718m3，吸附器102顶部设有冷凝器111，冷凝器111的换热面积为10m2。冷凝器111的进口通过脱附蒸汽进通道115与脱附箱113相连通，出口通过冷凝液下降管117与吸附器102相连通。脱附箱113设置有加热装置和脱附剂进通道112，其中，加热装置设置有蒸汽加热通道114，用于提供供热蒸汽，并将吸
附剂加热至气态；脱附剂进通道112则用于为脱附箱113补充脱附剂。
[0051]
本实施例中，吸附器102中填充有吸附层103，吸附层103主要由吸附树脂构成。吸附进水通过吸附进通道101进入吸附器102中，吸附进通道101的出口和冷凝液下降管117的出口均位于装置中心线位置，其中，吸附进通道101的出口位于吸附层103上方，冷凝液下降管117的出口位于吸附层103下方。本实施例的虹吸管106的最高处所在的水平面位于虹吸设定液位所在水平面以及吸附层103最高处所在的水平面之间，便于实现虹吸作用。吸附器102的底部设置有吸附器出水口，吸附器出水口通过虹吸管106与吸附出水箱108相连通。本实施例还包括脱附液箱110，用于接收并存储脱附剂箱套用多次的脱附液。
[0052]
在本实施例中，基于上述装置，处理的焦化尾水水质调节为ph值6-8，cod＝150mg/l，色度小于100倍，浊度小于0.5ntu。脱附剂采用甲醇脱附，沸点64.8℃。
[0053]
废水从吸附进通道101进入到吸附器102中心线位置进水，吸附流速控制在2.78bv/h(即2m3/h左右)，通过上布水器119进行均匀配水，刚开始进入吸附层103的废水通过上层吸附材料接触后，在吸附剂下层进行停留继续进行吸附，直至液位越来越高；达到虹吸设定液位后(此时破真空阀105关闭)，虹吸形成，开始吸附出水；打开虹吸管106的吸附出阀107，使出水经过吸附剂滤网隔板104，进入吸附出水箱108，完成吸附过程。
[0054]
当废水的吸附量达到约500bv后(实验确定)，即吸附量为500
×
0.718＝359m3后，开始脱附。脱附时，先根据公式计算脱附剂量，脱附剂采用低沸点的甲醇，甲醇用量计算根据如下公式计算：a取2.5，q＝359
×
500/1000＝179kg，甲醇密度ρ＝790kg/m3，则甲醇用量v＝0.566m3。
[0055]
经脱附剂进通道112将脱附剂补充至脱附箱113，打开蒸汽加热通道114阀门对脱附剂进行加热；脱附蒸汽经过脱附蒸汽通道进入冷凝器111，冷凝液冷却至40℃后经过冷凝液下降管117，再经下布水器118扩散进入吸附层103下方，形成逆流脱附；达到一定液位后，通过虹吸吸附将吸附器102内脱附液流出，此时可打开脱附剂回流通道116进入脱附箱113，实现脱附剂的套用；套用的脱附剂经过蒸汽加热之后，低沸点的脱附剂变为蒸汽继续进行脱附，而高沸点的脱附液中含有被吸附的污染物，则需要定期外排(具体根据脱附箱113的容量进行预估，达到一定液位时则外排)；套用一段时间之后(可对脱附箱113的残留物进行定期分析，根据分析结果判断是否外排)，可打开脱附液出阀109进入脱附液箱110，完成脱附过程，期间损耗的脱附剂通过脱附剂进通道112补足。
[0056]
本发明出水cod小于50mg/l，脱附剂套用16次之后进入脱附液箱110，脱附液经甲醇精馏回收后可重新补充新鲜甲醇作为新的脱附剂。脱附剂可节约45％。
[0057]
实施例2
[0058]
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：本实施例的处理对象为复产盐酸，盐酸浓度30％，氯化苯 苯约1000mg/l，浊度小于0.2ntu。脱附剂采用苯脱附，沸点80.1℃。吸附器102为变径吸附塔，直径为1.2m，吸附层103填充高度为0.6m，树脂装填量约0.45m3，吸附器102顶部设有冷凝器111，换热面积8m2。
[0059]
在本实施例中，废水从吸附进通道101进入到吸附器102中心线位置进水，吸附流速控制在3.33bv/h(即1.5m3/h左右)。当废水的吸附量达到约100bv后(实验确定)，即吸附量为45m3后，开始脱附。脱附剂采用低沸点的苯，苯用量计算根据如下公式计算：a取3，q＝45
×
1000/1000＝45kg，苯密度ρ＝880kg/m3，则苯用量v＝0.153m3。在脱附过程中，冷凝液冷
却至45℃后经过冷凝液下降管117进入吸附器102，其他参数或步骤同实施例1。
[0060]
本发明出水氯化苯 苯小于5mg/l，脱附剂套用36次之后进入脱附液箱110，脱附液经甲醇精馏回收后可重新补充新鲜苯作为新的脱附剂。脱附剂可节约60％。
[0061]
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。
[0062]
除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。质量、浓度、温度、时间、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，1-50的范围应理解为包括选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50的任何数字、数字的组合、或子范围、以及所有介于上述整数之间的小数值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9。关于子范围，具体考虑从范围内的任意端点开始延伸的“嵌套的子范围”。例如，示例性范围1-50的嵌套子范围可以包括一个方向上的1-10、1-20、1-30和1-40，或在另一方向上的50-40、50-30、50-20和50-10。