浓缩排气中比水沸点高的物质的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及利用排气中含有的比水沸点高的物质与水地沸点差进行浓缩、回收的同时，使排气净化的方法。
背景技术
以前，在含有比水沸点高的水溶性溶剂的排气净化处理中，从吸收塔下部吹入含有水溶性溶剂的排气，从吸收塔上部流入大量的水来洗涤上述排气。如此洗涤方法，除洗涤需要大量的水之外，还由于排水中含有的溶剂浓度极低，溶剂回收要花费成本，实质上溶剂回收是不可能的，还存在需要处理废水的问题。
作为另一现有技术，是边旋转填充了海泡石等吸附剂的、横置的滚筒，边通过冷却至室温左右的上述排气，通过气体的一部分原样放入大气中，其它部分加热(为赶出被吸附剂吸附的成分)后再次通过填充了海泡石等吸附剂的、横置的滚筒，解脱被吸附剂吸附着的溶剂高浓度含有解脱的溶剂的处理气体经再次冷却回收溶剂。由于该方法也是需要一度冷却排气，吸附处理后加热，为回收溶剂再次冷却的操作，所以能效极差。
例如，为了去除从锂电极的干燥工序排出的排气中含有的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，虽使用现有吸附法，但由于水分存在时使N-甲基-2-吡咯烷酮的吸附效率显著低下，所以需要从上述干燥工序排出的高温排气的冷却工序，使吸附剂吸附N-甲基-2-吡咯烷酮后，为了从吸附剂清除N-甲基-2-吡咯烷酮，这次又需要相反的加热操作。如此的现有工序表示在图2中。
根据现有方法，需要所谓的冷却工序、吸附工序、解脱工序的三个工序，而且把相当温度的排气冷却后，又再次加热，存在伴随巨大的能量损失的问题。
【发明内容】
本发明的第一目的是提供排气中含有的比水沸点高的挥发性化学物质，例如通过水溶性溶剂与水蒸气置换，高效回收的同时，使排气净化的方法和装置。
本发明的第二目的是通常利用由锂离子电池电极制造工序等排出的100℃～120℃高温排气的热量，通过使外部导入的补给水蒸发，使排气中含有的比水沸点高的、水溶性挥发性化学物质浓缩，即排气中的成分与水置换，高效回收的同时，通过再加上由低温补给水的吸附效果，使排气净化的方法和装置。
本发明的第三目的是从含有吸附了二氧芑类等化学物质的活性炭等粉末的排气中，回收吸附了二氧芑类等化学物质的活性炭等粉末，使排气净化的方法和装置。
本发明第一是涉及浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其特征在于，由不穿过存在于塔板上的水、气体就从上部跑不掉的构造的塔板经多段设计构成的段塔或者填充了亲水性填充物的填充塔的下部，导入含有比水沸点高的物质的排气，另一方面，由塔上部供给水(通常是常温的水，无需加热或冷却的能量)，在塔下部通过排气和水的气液平衡关系浓缩上述比水沸点高的物质的同时，在塔上部使残存排气中的上述物质进一步转移到水中。
本发明第二是涉及本发明第一记载的浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其中上述比水沸点高的物质为(a)挥发性化学物质或者(b)粉末状物质。
本发明第三是涉及本发明第一记载的浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其中上述比水沸点高的物质为粉末状的物质，从塔上部供给水的量是根据塔下部的浓度信息来控制、从塔下部控制回收的上述物质的浓度在1～30重量％。
本发明第四是涉及本发明第三记载的浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其中上述粉末状物质是吸附了二氧芑类的粉状物。
本发明第五是涉及本发明第一记载的浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其中上述比水沸点高的物质为亲水性、挥发性化学物质，从塔上部供给水的量是根据塔下部的浓度信息来控制、从塔下部控制回收的亲水性、挥发性化学物质的浓度在20～100重量％。
本发明第六是涉及本发明第五记载的浓缩排气中比水沸点高的物质的方法，其中上述亲水性、挥发性化学物质是从NMP(N-甲基吡咯烷酮)、DMF(N，N-二甲基甲酰胺)、DMAC(N，N-二甲基乙酰胺)、DMSO(二甲基亚砜)、EG(乙二醇)、DEG(二甘醇)、TEG(三甘醇)、PGME(丙二醇一乙基醚)、PG(丙二醇)、1，4-BD(丁二醇)、MEA(单乙醇胺)以及DGME(二甘醇单甲基醚)的群中选出的溶剂类。
本发明第七是涉及浓缩排气中比水沸点高的物质的装置，其特征在于，是由
(1)由不穿过存在于塔板上的水、气体就从上部跑不掉的构造的塔板经多段设计构成的段塔或者填充了亲水性填充物的填充塔，
(2)在上述多段塔板的上方、上述段塔内设置供水手段或者在填充层的上方、上述填充塔内设置供水手段，
(3)段塔的上部或者填充层的上部设置处理气体排出口，
(4)段塔的下部或者填充层的下部设置处理液状物排出口，
(5)从液状物排出口由管连接的含比水沸点高的物质的液状物储灌，
(6)在段塔内或者填充塔内设置的为检测比水沸点高的物质的系统中浓度的测定手段，
(7)根据上述测定手段的信息控制上述供水手段的供水量的手段，构成的。
附图的简单说明
图1是表示用于实施例1的本发明的回收方法流程图。
图2是表示实施例1的热量收支分析图以及物质收支的流程图。
图3是表示用于现有吸附剂的回收方法的流程图。
发明的具体实施方案
本发明是有效利用通常多具有相当高温度(例如80～120℃)的排气的热量，使排气通过段塔的一个工序，同时实现排气中含有的比水沸点高的物质的回收和排气处理的极有效的方法和装置。
本发明特别适合作为锂离子电池电极制造工厂的排气净化的同时，使N-甲基吡咯烷酮回收的方法和装置，是通过由不穿过存在于塔板上的水、气体就从上部跑不掉的构造的塔板经多段设计构成的段塔或者填充了亲水性填充物的填充塔的下部，导入由锂离子电池电极制造工序排出的含N-甲基吡咯烷酮的100℃～120℃高温的排气，另一方面，由塔上部供给水，在塔下部利用排气的热量使供给的水蒸发，相反使排气中含有的比水沸点高的、水溶性的N-甲基吡咯烷酮冷却，落到塔下部，在塔上部使残存排气中的上述N-甲基吡咯烷酮进一步转移到水中。
上述供给水的量是以排气处理后由段塔上部排出的处理过的气体中含有的从系统排出的水量(B)，和与比水沸点高的挥发性化学物质的冷凝物一起从塔下部排出的水量(C)为供给量(A)。换而言之，可以是
AB+C与现有技术的通过水洗的排气处理法相比，水的使用量特别地少，不仅是这一点，在实现节省资源的同时，还有实质上不产生需要废水处理的排水，也是较大的有益之处。
塔顶部的温度设定比外气温度高。由于饱和含水量随温度高增大，所以通过简单使段塔内气体中的水分经常处于饱和点之下，即使加入供给水，也可以制造出使满足Xac≤Xs的条件。供给水的温度从吸收效率上以低的为好，但过低时不仅时塔内流下的水量不足，还需要冷却的能量。另外，外气通常不饱和，由于以达不到湿度表示饱和的含水率存在，供给水的量比饱和状态时多。
作为本发明的比水沸点高的物质，为(a)挥发性化学物质或者(b)粉末状物质。
作为比水沸点高的挥发性化学物质(a)，特别比水沸点高的水溶性溶剂是代表的物质。
作为这样的溶剂类，是优选NMP(N-甲基吡咯烷酮，BP：197℃)、DMF(N，N-二甲基甲酰胺，BP：153℃)、DMAC(N，N-二甲基乙酰胺，BP：165℃)、DMSO(二甲基亚砜，BP：189℃)、EG(乙二醇，BP：197℃)、DEG(二甘醇，BP：245℃)、TEG(三甘醇，BP：278℃)、PGME(丙二醇一乙基醚)、PG(丙二醇，BP：188℃)、1，4-BD(丁二醇，BP：235℃)、MEA(单乙醇胺，BP：170.5℃)以及DGME(二甘醇单甲基醚)等有不与水共沸性质的物质。
作为上述(b)的粉末状物质，可举吸附了燃烧炉排气中的二氧芑类的活性炭粉状体等。
作为不穿过上述塔板内存在的水、气体就从上部跑不掉的构造的塔板，除很早就一直使用的阀盖塔板(泡钟板)之外，还可举后开发的筛塔板(多孔板)等。从安定性方面以阀盖塔板为好，但从费用方面以筛塔板为好。
在填充了上述亲水性填充物的填充塔中的亲水性填充物，可以是规则填充物的形状，也可以是不规则填充物的形状，从考虑压力损失时优选规则填充物。这些填充物是亲水性的、表面积大的，例如由亲水性的材料制作的多孔物，具体的可举多孔陶瓷、多孔碳等。
本发明特别适合在锂离子电池电极制造工厂中，为去除N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂的从干燥工序排出的排气的处理。如图1所示，为去除N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂，从工厂外吸取通常的空气，空气过滤后，由送风机向干燥工序传送加热的风。
通常从工厂外吸取的空气为：
外气温度t
流 量V Nm3/min
含水量 Xa kg/m3
水分量 VXa kg/min在锂离子电池制造工厂中，为去除N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂的从干燥工序排出的排气为以下条件从段塔(水置换塔)的下部吹入：
排气浓度 t1＝100～120℃
NMP含量 Cn＝0.0005～0.01kg/m3
(113～2260ppm，vol./vol.)
NMP流量 VCn kg/min
排气流量 V Nm3/min
水分量 VXa kg/min从在水置换塔中多段设置的阀盖塔板或筛塔板等的最上段，以M kg/min的流量供给通常常温例如t3℃的供给水。从水置换塔上部放出的处理过的气体(气体温度t2)，以R作为NMP等挥发性化学物质的回收率(重量比率)：
放出量V Nm3/min
计算含水量VXa+[M-VCnR(1/Xn-1)]kg/min
计算含水率Xac＝Xa+[m-VCnR(1/Xn-1)]/Vkg/m3
气温为t2时，气体饱和含水率：Xs
作为控制条件Xac≤Xs时本装置可以正常运转。
另一方面，从水置换塔下部回收含有水的N-甲基-2-吡咯烷酮(液温t4)。
实施例
以下举实施例说明本发明，但本发明不受其任何限制。如没有特别指明，实施例中的％是指重量％。
实施例1
图1所示的为去除锂离子电池的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂，在干燥工序中吸取的空气为：
外气温度t＝15℃
流 量V＝4Nm3/min
含水量 Xa＝0.0128kg/m3(假设为饱和状态)
水分量 VXa＝0.0512kg/min在锂离子电池制造工厂中，为去除N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂的从干燥工序排出的排气为以下条件从段塔(水置换塔)的下部吹入：
排气浓度 t1＝120℃
NMP含量 Cn＝0.0031kg/m3
(700ppm，vol./vol.)
NMP流量 VCn＝0.0124kg/min
排气流量V＝4Nm3/min
水分量 VXa＝0.0512kg/min从在水置换塔中多段设置的阀盖塔板的最上段，以M＝0.1786kg/min的流量供给通常常温例如t3＝20℃的供给水。从水置换塔上部放出的处理过的气体(气体温度t2＝42℃)，
放出量V＝4Nm3/min
计算含水量VXa+[M-VCnR(1/Xn-1)]＝0.2180kg/min
计算含水率Xac＝Xa+[m-VCnR(1/Xn-1)]/V＝0.0545kg/m3
气温为t2＝42℃时，气体饱和含水率：Xs＝0.0565kg/m3因此，Xac＝0.0545kg/m3≤Xs＝0.0565kg/m3
NMP含量Cn(1-R)＝0.00015kg/m3时，本装置可以正常运转。
另一方面，从水置换塔下部回收以以下条件回收含有水的N-甲基-2-吡咯烷酮(液温t4＝80℃)：
t4＝80℃
收集液中的水VCnR(1/Xn-1)＝0.0118kg/min
收集液中的NMP VCnR＝0.0118kg/min
NMP的回收率R＝0.95(重量比率)
NMP浓度Xn＝0.50(重量比率)
另外，水置换塔的物资收支如图2所示。
发明的效果
(1)由本发明实现了显著的工序简化和节能化。
(2)在现有方法中，采用应回收的溶剂成分等由上部供给水、使溶剂溶解在水中向下流的手段。这种情况下，因为系统温度高时使溶解在水中的溶剂再次挥发，所以需要预先将供给洗涤塔的水冷却至室温左右。因此，冷却需要能量。另一方面，由于本发明是有效利用排气的热，供给浓缩装置的排气无需加热或冷却，可以直接供给，所以热效率极高。
(3)根据本发明，回收使用的水仅微量的供给水就可以，但现有技术中由于使用洗涤水，所以在本发明中和现有方法相比，水的使用量可以少到约千分之一左右。