具高效率降温核凝作用的冷凝装置与方法 【技术领域】
本发明涉及一种具高效率降温核凝作用的冷凝装置与方法。
背景技术
生活和生产中广泛应用的有机溶剂，在室温下易挥发成气体，故又名挥发性有机气体(Volatile Organic Compounds，VOCs)，而多数的VOCs对人体有一定毒性，必须加以回收处理；而不同的产业领域所使用的有机溶剂亦不同，诸如(PUpolyurethane，聚氨基甲酸酯)生产业、科技制造业及锂电池制造业等产业，所主要使用的各种有机溶剂，相关的性质是列于表一；其中，PU生产过程所排放的VOCs，主要来自于降低黏度利于加工所添加的有机溶剂，包括甲苯(Toluene)、甲基乙基酮(MEK)、二甲基甲酰胺(DMF)等；此外，在半导体晶圆厂及TFT-LCD面板等科技制造业的制程中，将单乙醇胺(MEA)、二甲基亚堸(DMSO)、丙二醇甲醚乙酯(PGMEA)、环己酮(ANONE)等有机溶剂，应用于诸如光阻剥离液(stripper)的使用；而锂电池制造的涂布机，则必须将氮-甲基四氢吡咯酮(NMP)的废气回收。
其次，有机溶剂的物化特性，是低沸点、高饱和蒸汽压的有机溶剂易于挥发，但不易于冷凝；反之，高沸点、低饱和蒸汽压的有机溶剂则不易于挥发，但易于冷凝；然而，由该有机溶剂性质表一中可看出，所列的有机溶剂多属中高沸点、低饱和蒸汽压的物化特性。
表一：
再者，目前相关业者对于VOCs的回收处理，多采用就地装设冷凝器加以回收处理；此类冷凝回收系统对中高沸点且全溶于水的有机物质，在正确的设计与操作下才可达到高的回收效率，而除了所冷凝吸收下来的VOCs可回收纯化再利用外，因为中高沸点难处理VOCs浓度已大幅下降，可降低下游端废气处理设备的负荷及延长吸脱附浓缩设备的寿命，得以有效提升其整体的处理效率。
然而，以一般传统冷凝法回收VOCs的原理，是利用冷冻设备先将含VOCs废气的温度冷却至该有机物质的露点温度(饱和温度)以下，即可达到饱和冷凝的效果；其中，一般常见的VOCs冷凝系统，主要包含除湿器及VOCs冷凝器两项基本设备，装设除湿器的目的在于将空气中多余的水气去除，避免在VOCs冷凝区的温度降至0℃(273K)以下时，发生不利于冷凝的结冰效应；再者，决定冷凝器去除VOCs效能的两项重要关键因素为：(1)冷凝系统需达足够低温(-40℃)、(2)废气中含较高的VOCs浓度(＞10,000ppmv)；又，冷凝器的处理效能与废气线速度的增加呈反比的趋势，故延长废气的停留时间将可提升去除效率。
因此，由于传统的冷凝回收法，需以冷冻设备将操作温度控制在相当低温以及够长的停留时间，方能以冷凝机制去除VOCs，并确保处理后废气所含VOCs浓度值达到最低；不过，如此的传统冷凝回收方式，若应用于排放量相当大而VOCs浓度仅数十到数百PPMv(＜＜1,000ppmv)的产业，为达到高冷凝效率而须降到极低温(至少须低于零下20℃)，所需付出的能源耗损及设备维护成本将会相当高；于是，许多业者基于传统冷凝系统设计的限制，以及节省操作成本的考虑，往往面临冷凝设备回收效率不佳的问题。
另一方面，针对次微米级的细微雾或粒，目前均无较佳且经济的方法与装置，例如一般常用的文式洗涤塔而言，若欲针对0.3μm次微米级的细微雾或粒(去除约50％效率)，则其所需的压力降将近需高达35英时水柱高，液气比约2.0公升/立方公尺，其去除效率有限外且其操作成本也相当的高；因此，如何将废气中欲处理的次微米级细微雾或粒，先行将其粒径成长增大到较易处理的微米级微雾或粒，以便在合理的操作成本下，以期去除次微米级细微雾或粒的效率达到更高，将是一重要课题。
【发明内容】
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种具高效率降温核凝作用的冷凝装置与方法，具有提升冷凝效率，兼具提高次微米级涤尘、除雾地功效，且能够降低能源耗损及设备维护成本。
本发明具高效率降温核凝作用的冷凝装置是：
一种具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其特征在于，包括：由至少一核凝冷凝器与至少一除雾器所组成的冷凝单元，以及一非偶合定风量控制单元；其中，
该核凝冷凝器，设置于废气排出口的下游端，将废气所含的水气或/及VOCs本身，降温到低于露点温度的过饱和状态；
该除雾器，设置于该核凝冷凝器的下游端，将成长为细微雾或粒的废气水气或/及VOCs本身收集回收；
该非偶合定风量控制单元，令废气通过该核凝冷凝器的气流风速控制于层流条件下，并将通过该除雾器的气流风速控制于紊流条件下。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中非偶合定风量控制单元于该冷凝单元的上或下游端设置一风机与一流量计，该风机连接一变频器，且于流量计与变频器间设置一流量控制器，一非偶合平衡管跨设于该冷凝单元与风机的两端。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中非偶合定风量控制单元于该冷凝单元的下游端设置一风机，该风机连接一变频器，一设有控制风门的非偶合平衡管的一端连接于风机的下游端，而非偶合平衡管的另端连接至核凝冷凝器与除雾器之间。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中冷凝器与除雾器以数组串联及/或并联的方式设置。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中核凝冷凝器为盘管鳍片式、板式或洗涤骤冷式；又，该洗涤骤冷式的核凝冷凝器至少包括一核凝洗涤喷雾管路组，亦可进一步与一核凝洗涤填充材所组成。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中除雾器的操作机制为拦截式、惯量式或扩散式，其形式为V型格片式、编织网目式、V型编织网蜂巢式、多通道蜂巢式、石墨发泡式、碳硅发泡式、PU发泡式或拉西环式。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝装置，其中核凝冷凝器形成1～30℃(最佳为5～20℃)的低温环境；该非偶合定风量控制单元，令废气通过该核凝冷凝器的气流风速控制为1.5m/s以下，并将通过该除雾器的气流风速控制为2.0m/s以上。
本发明具高效率降温核凝作用的冷凝方法是：
一种具高效率降温核凝作用的冷凝方法，其特征在于，包括下列步骤：
a.令废气在风速控制于层流(Laminar Flow)的条件下冷凝，较佳风速约为1.5m/s以下；
b.在露点温度以下(温度约1～30℃，最佳为5～20℃)的过饱和环境，让废气中所含的水气或/及VOCs本身产生降温核凝作用，将次微米级细微雾或粒成长成较大微米级微雾或粒，并经由碰撞与合并过程凝结成微雾滴或液膜，而利用所凝结的微雾滴或/及液膜，再自废气大量吸收易溶于水的VOCs、或各种无机盐烟尘与其它物质化合而成的可溶性微粒；
C.令废气在风速控制于紊流(Turbulent Flow)的条件下除雾，较佳风速约为2.0m/s以上；
d.将VOCs的微雾滴与废气的液滴收集回收。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝方法，其中废气风速控制于约为1.5m/s以下的层流条件下冷凝，将所述废气风速控制于约为2.0m/s以上的紊流条件下除雾。
前述的具高效率降温核凝作用的冷凝方法，其中过饱和环境的温度约1～30℃(最佳为5～20℃)。
本冷凝方法特别适合应用于水溶性高的VOCs、或各种无机盐与其它物质化合而成的可溶性微粒，尤其针对具有中高沸点的VOCs；因为一般对于吸湿性或吸水性凝结核，在相对湿度小于100％RH的情况下，就能使水汽凝结的微粒，所需的过饱和度，比非吸湿性核或吸水性核小得多，而且凝结核的尺度越大，凝结所需的过饱和度越小；其中，凝结核的来源可为水溶性高的中高沸点VOCs次微米级微粒、废气中的各种无机盐烟尘与其它物质化合而成的可溶性微粒，结核的尺度范围，从5纳米到1微米左右。
本发明溶剂回收、涤尘与除雾净化系统是：
一种溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，其特征在于，于一冷凝装置的下游端，加设一固定床式回收单元；而该冷凝装置包括有：由至少一核凝冷凝器与至少一除雾器所组成的冷凝单元，以及一非偶合定风量控制单元；其中，
该核凝冷凝器，设置于废气排出口的下游端，将废气所含的水气或/及VOCs本身，降温到低于露点温度的过饱和状态；
该除雾器，设置于该核凝冷凝器的下游端，将成长为细微雾或粒的废气水气或/及VOCs本身收集回收；
该非偶合定风量控制单元，令废气通过该核凝冷凝器的气流风速控制于层流条件下，并将通过该除雾器的气流风速控制于紊流条件下。
前述的溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，其中固定床式溶剂回收单元，将数个固定吸附床并联连接于冷凝单元的气流出口，该固定吸附床内部平铺有吸附材，外部连接有蒸气源、排气管及冷凝分离器，该冷凝分离器设置有排水管与连接至回收槽的溶剂回收管。
前述的溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，其中非偶合定风量控制单元于所述冷凝单元的上或下游端设置一风机与一流量计，该风机连接一变频器，流量计与变频器间设置一流量控制器，一非偶合平衡管跨设于该冷凝单元与风机的两端。
前述的溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，其中非偶合定风量控制单元于所述冷凝单元的下游端设置一风机，并令该风机连接一变频器，且将一设有控制风门的非偶合平衡管的一端连接于该风机的下游端，而非偶合平衡管的另端连接至核凝冷凝器与除雾器之间。
前述的溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，其中冷凝器与除雾器以数组串联及/或并联的方式设置。
本发明的有益效果是，具有提升冷凝效率，兼具提高次微米级涤尘、除雾的功效，且能够降低能源耗损及设备维护成本。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的冷凝装置的结构示意图(说明非偶合定风量控制单元的第一实施例)。
图2是本发明的冷凝装置的结构示意图(说明非偶合定风量控制单元的第二实施例)。
图3是本发明的净化装置的结构示意图。
图中标号说明：
10冷凝单元
11核凝冷凝器
111核凝洗涤喷雾管路组
112核凝洗涤填充材
12除雾器
20、20a非偶合定风量控制单元
21流量计
22流量控制器
23变频器
24非偶合平衡管
25风机
26控制风门
30固定床式回收单元
31固定吸附床
32吸附材
33蒸气源
34排气管
35冷凝分离器
36溶剂回收管
37排水管
38回收槽
【具体实施方式】
首先，请参阅图1、图2所示，本发明具高效率降温核凝作用的冷凝装置，包括有：由至少一核凝冷凝器11与至少一除雾器12所组成的冷凝单元10，以及一非偶合定风量控制单元20；其中，
该核凝冷凝器11，设置于废气排出口的下游端，而形成1～30℃(最佳为5～20℃)的低温环境，以借由于此低温环境的条件下，将废气所含的水气或/及VOCs本身，降温到低于露点温度的过饱和状态，而产生核凝作用并冷凝凝结成液膜，且利用所凝结的液膜，再大量吸收中高沸点且易溶于水的VOCS、或各种无机盐烟尘与其它物质化合而成的可溶性微粒，而结合低温冷凝、凝结核成长、包覆与液滴或液膜吸收的多重效能；
该除雾器12，设置于该核凝冷凝器11的下游端，在一定风速下，将次微米级细微雾或粒的废气水气或/及VOCs本身，在经过该核凝冷凝器11的降温核凝作用后，成长为较易处理的微米级或更大的微雾或粒而收集回收，其操作机制可为拦截式、惯量式或扩散式；
该非偶合定风量控制单元20，令废气通过该核凝冷凝器11的气流风速控制于层流条件下，较佳约为1.5m/s以下；并将通过该除雾器12的气流风速控制于紊流条件下，较佳约为2.0m/s以上。
然而，该核凝冷凝器11为盘管鳍片式(如图3所示)、板式或洗涤骤冷式(如图2所示)；其中，该洗涤骤冷式的核凝冷凝器11至少包括一核凝洗涤喷雾管路组111，亦可进一步与一核凝洗涤填充材112所组成；成组的核凝冷凝器11与除雾器12，可依据所欲处理的有机溶剂或各种无机盐与其它物质化合而成的可溶性微粒的种类、气流温度、气流湿度、废气流量等因素，予以数组串联及/或并联的方式设置。
此外，该非偶合定风量控制单元20的第一实施例(如图1所示)，是于该冷凝单元10的上或下游端设置一风机25与一流量计21，并令该风机25连接一变频器23，且于流量计21与变频器23间设置一流量控制器22，并将一非偶合平衡管24跨设于该冷凝单元10与风机25的两端，而得以机动调整风量用以稳定开停机的稳定度；该非偶合定风量控制单元20a的第二实施例(如图2所示)，则于该冷凝单元10的下游端设置一风机25，并令该风机25连接一变频器23，且将一设有控制风门26的非偶合平衡管24的一端连接于风机25的下游端，而非偶合平衡管24的另端连接至核凝冷凝器11与除雾器12之间；借以，除了稳定开停机的稳定度之外，另可辅助调整通过该核凝冷凝器11的气流风速控制于层流条件下，并将通过该除雾器12的气流风速控制于紊流条件下。
然而，请参阅图3所示，本发明的溶剂回收、涤尘与除雾净化系统，是于该冷凝装置的下游端，加设一固定床式回收单元30；而该固定床式回收单元30，将数个固定吸附床31并联连接于冷凝单元10的气流出口，该固定吸附床31内部平铺有吸附材32，外部连接有蒸气源33、排气管34及冷凝分离器35，该冷凝分离器35设置有排水管37与连接至回收槽38的溶剂回收管36；于是，当溶水性低的有机溶剂(如表一所示的甲苯)，无法借该冷凝单元10予以吸收，则可由该固定床式回收单元30予以回收。
基于上述的构成，本发明冷凝单元10的设计，在层流流场条件下结合了低温冷凝、凝结核成长与液滴/液膜吸收的多重效能，有别传统冷凝器仅考虑利用低温冷凝VOCs的单纯饱和凝结概念，可有效提升VOCs的冷凝吸收效率，且不必为了达到高冷凝效率而须降到极低温，而应用在成分多样化、大风量且具高沸点的VOCs废气特性的处理相当合适；另一方面，一般现有冷凝器的设计，为考虑较佳的热传与质传系数，均将其设计于紊流(Turbulent Flow)流场条件，然而未考虑到凝结核成长的效果，是层流条件大幅优于紊流条件；其中，成组的核凝冷凝器11与除雾器12，若以两组串联设置为例，前置的核凝冷凝器11以预降温为主，凝结核成长与液滴/液膜吸收为辅，后置的核凝冷凝器11则以前述的多重凝结核成长与液滴/液膜吸收效能处理废气中的VOCs为主；其中，该除雾器12的操作机制为拦截式、惯量式或扩散式，其形式可为V型格片式、编织网目式、V型编织网蜂巢式、多通道蜂巢式、石墨发泡式、碳硅发泡式、PU发泡式、拉西环式等其中一种。
综上所述，本发明具有提升冷凝回收效率且降低能源耗损及设备维护成本的功效。再者，对于该非偶合定风量控制单元20稳定开停机风量的效果，如以下各实施例的比较表(表二、表三、表四)所示，均呈现不错的稳定效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
综上所述，本发明在结构设计、使用实用性及成本效益上，完全符合产业发展所需，且所揭示的结构亦是具有前所未有的创新构造，具有新颖性、创造性、实用性，符合有关发明专利要件的规定，故依法提起申请。