有机废气处理_活性炭吸附详细计算

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1、.活性炭吸附脱附及附属设备选型详细计算书.目录1.绪论11.1概述11.1.1有机废气的来源11.1.2有机物对大气的破坏和对人类的危害11.2有机废气治理技术现状及进展21.2.1各种净化方法的分析比较22设计任务说明42.1设计任务42.2设计进气指标42.3设计出气指标42.4设计目标43工艺流程说明53.1工艺选择53.2工艺流程54设计与计算74.1基本原理74.1.1吸附原理74.1.2吸附机理74.1.3吸附等温线与吸附等温方程式84.1.4吸附量104.1.5吸附速率114.2吸附器选择的设计计算114.2.1吸附器的确定114.2.2吸附剂的选择134.2.3空塔气速和横截面

2、积的确定154.2.4固定床吸附层高度的计算154.2.5吸附剂活性炭用量的计算174.2.6床层压降的计算15174.2.7活性炭再生的计算16184.3集气罩的设计计算194.3.1集气罩气流的流动特性194.3.2集气罩的分类及设计原则204.3.3集气罩的选型204.4吸附前的预处理224.5管道系统设计计算234.5.1管道系统的配置234.5.2管道内流体流速的选择244.5.3管道直径的确定244.5.4管道内流体的压力损失254.5.5风机和电机的选择255工程核算285.1工程造价285.2运行费用核算285.2.1价格标准285.2.2运行费用296结论与建议306.1结论

3、306.2建议30致谢33.1.绪论1.1概述1.1.1有机废气的来源有机废气的来源主要有固定源和移动源两种。移动源主要有汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气；固定源的种类极多,主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合,如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、粘合剂、制药、塑料、涂料和橡胶加工等。1.1.2有机物对大气的破坏和对人类的危害有机废气中的挥发性有机物称为VOCs,在涂装、印刷、制鞋和化工生产的许多行业中,一些工业产品的生产工艺过程都伴有大量的挥发性有机化合物废气的排出。VOCs废气排入大气环境中会产生以下几个方面的影响:VOCs是光化学反应的前体,有

4、阳光照射时,在合适的条件下VOCs与NOx及其它悬浮化学物质发生一系列光化学反应,主要生成臭氧,形成光化学烟雾,从而发生光化学污染；光化学烟雾会刺激人的眼睛和呼吸系统,有些VOCs还具有强烈刺激气味,空气中达到一定浓度时则产生令人不适的感觉,影响空气质量；有些有毒的VOCs气体在环境中存在会损害人们的健康,长时间暴露在污染空气中会引发癌变或引起其它严重疾病,如苯对骨髓的造血机能造成破坏,是一种致癌物；甲苯和二甲苯对中枢神经具有强的麻醉作用；氯乙烯为致癌物。在制鞋业,由于三苯中毒而导致工人致死事件已发生过多起,而涂料工业使用的溶剂中,主要是甲苯、二甲苯和其它毒性有机物。光化学烟雾也会危害人的健康

5、和植物的生长,1965年日本各大城市频繁发生的光化学烟雾,1966年美国洛杉矶的光化学烟雾均对人类健康造成危害。VOCs对环境的极大危害和对人体健康的严重威胁,引起了世界各国政府的高度重视。美国环保署EPAEnvironmentalProtectionAgency定义的污染物中VOCs占了300多种,而美国1990年的清洁空气法CleanAirAct要求减少90%排放量的189种毒性化学物中,70%属于VOCs1。我国在1997年1月1日开始实施的中华中华人民共和国国家标准大气污染物综合排放标准也规定了苯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等VOCs排放较为严格的标准,如表1.1所示。表1.1几种VOCs排

6、放的国家标准VOCs最高允许排放浓度苯12甲苯40二甲苯70氯乙烯36注：这是对新污染源的排放标准。1.2有机废气治理技术现状及进展有机废气的来源多种多样,其产生方式及排放方式也不尽相同。因此,有机废气的治理技术也多种多样,各种治理技术也存在自己不同的优缺点。在实际生产过程中,根据不同的情况,选择合适的方法是有机废气治理的关键。有机废气治理的方法主要有回收法和消除法两类。有机废气主要回收技术有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离技术及变压吸附技术等；有机废气消除技术可分为物理一化学法和生物法两类。物理一化学法包括热破坏法、光分解法、电晕法、臭氧分解法等;生物法包括生物过滤器,生物滴滤器,生物冲刷塔

7、,膜生物反应器,活性污泥法等。活性炭吸附法净化率可达95%以上,若无再生装置,则运行费用太高,若用蒸汽回收,则工艺流程过长,操作费用高,回收的溶剂和水的混合物利用价值也不高；再生时需要有稳定的蒸汽源,且活性炭经反复吸附脱附后吸附能力会逐渐降低,一般使用二三年后就得更换。液体吸收法净化率只有6O%8O%,而且存在着二次污染问题。催化燃烧法净化率可达95%,但适合于处理高浓度、小风量且废气温度较高的有机废气,而且要求气体的温度较高,为了提高废气温度,要消耗大量的能源。目前应用最多的方法是吸附一催化燃烧法,它主要以颗粒炭或蜂窝炭为吸附剂,为了保证生产的连续性,一般设置两个吸附床交替使用,由于切换的周

8、期至少为1d,因此吸附床体积大,吸附剂用量多,设备笨重,投资大,操作麻烦；由于床层体积大,容易出现因吸附热的积蓄引起的燃烧爆炸等现象。针对这些问题,现有新型装置的吸附器采用一种多单元分流组合结构,并以新型材料活性炭纤维作为吸附剂,采用PLC电脑来实现整个系统的连续运行。各种净化方法的分析比较解决有机废气的污染,最根本的方法是工艺改革。采用无害涂料、无害溶剂在现阶段生产中是不能马上实现的,苯类溶剂使用量仍然很大。所以必须解决废气净化问题。目前国内常采用的三种净化方法分析比较见表1.2。表1.2国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较2净化类别优点缺点活性炭吸附法1、可处理大风量、低浓度的有机废气。

9、2、可回收溶剂。3、不需要加热。4、净化效率高,运转费用低。1、废气净化前要进行预处理。2、仅限于低浓度。3、设备庞大,占地面积多。催化燃烧法1、设备简单、投资少、操作方便、占地面积小。2、热量可以循环利用。3、有利于净化高浓度废气。1、催化剂成本高。2、要考虑催化剂中毒和表面异物附着,易失效。液体吸收法1、流程较简单,吸收剂价格便宜。2、废气净化不需预处理。3、建造快、占地少。1、后处理投资大,费用高。2、对溶剂成份选择性大。2设计任务说明2.1设计任务设计内容为20000m3/h活性炭吸附工业有机废气的工程设计,主要内容包括：废气治理工艺、主体设备选型和非标准设备设计,管道输送系统设计及吸

10、附剂再生系统设计等,应完成工作：1纸质设计说明书及其电子版本；2译文及原文影印件。3设计图纸平面布置图、工艺流程图、主要构筑物图、管道布置图等2.2设计进气指标风量为20000m3/h,温度为35,排气压力为101.325kpa,苯浓度为100mg/m3。甲苯浓度为80mg/m3,二甲苯浓度为100mg/m3,2.3设计出气指标依据XX省地方标准大气污染物排放限值DB44/27-2001一级排放标准3,具体数据见表2-1:表2-1.设计出气指标单位mg/m3指标苯甲苯二甲苯出气浓度1240702.4设计目标1严格执行国家有关环境保护的各项规定,确保各项污染指标达到国家及地区有关污染物排放标准。

11、2经本处理工艺处理后的废气,将不会产生二次污染物。3本处理工艺运行可靠,处理效果好,维护管理方便。4采用低能耗、低运行费用、基建投资省、占地少、操作管理简便。5工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的调节余地。3工艺流程说明3.1工艺选择处理工艺的选择,应根据气量大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运转的经济性等条件全面考虑,实际工作中应特别注意与工艺密切配合,尽可能做到综合利用。目前4,国内外对有机废气治理的常用方法有三种:液体吸收法、活性炭吸附法及催化燃烧法。液体吸收法净化效率为60%80%,适合处理低浓度,大风量的有机废气,但存在着二次污染；催化燃烧法净化率为95%,适合处理

12、高浓度,小风量的有机废气,缺点是对处理对象要求苛刻,要求气体的温度较高,为了提高废气温度,要消耗大量的燃料,所以运行费用很高；活性炭吸附法净化效率为99.2%99.3%,对于处理大风量、低浓度的有机废气,国内外一致认为该法是最为成熟和可靠的技术,但该工艺流程过长,操作费用高,另外需要稳定的蒸气源也常常是比较困难的事情。针对这些问题,结合本毕业设计特点和具体要求,采用利用活性炭固定床吸附系统对工业有机废气进行净化,选用蜂窝状活性炭做为吸附剂。3.2工艺流程注：1集气罩;2除雾过滤器;3活性炭固定吸附床;4提供蒸汽的风机;5离心风机;6排气罩.图2.3有机废气工艺流程图该处理工艺系统组合十分紧凑,

13、集吸附-脱附于一体。在生产过程所产生的废气主要为苯、甲苯、二甲苯等,根据苯类性质,本方案采用活性炭作为吸附剂对废气进行吸收处理,吸附床一般配置2台以上,轮换使用,当1台吸附床吸附的有机物达到规定的吸附量时,换到另1台吸附床进行吸附净化操作,同时对前面1台吸附床进行脱附再生。脱附是在外加蒸汽的作用下通过加温进行的,由尾气放出的热气流大部分用于吸附床吸附剂的脱附再生,达到余热的利用。生产中挥发出来的废气,通过离心风机将其送至吸附塔以活性炭作为吸附剂,在塔内的气体从右到左,从下到上通过活性炭过滤层对气体进行处理,净化后的气体通过排气管排入大气。如附图1所示4设计与计算4.1基本原理4.1.1吸附原理

14、在用多孔性固体物质处理流体混合物时,流体中的某一些组分或某些组分可被吸引到固体表面并浓集其上,此现象称为吸附4。吸附处理废气时,吸附的对象是气态污染物,被吸附的气体组分称为吸附质,多孔性物质称为吸附剂。固体表面吸附了吸附质后,一部分被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离,此现象称为脱附。而当吸附进行一段时间后,由于表面吸附质的浓集,使其吸附能力明显下降而不能满足吸附净化的要求,此时需要采用一定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质脱附,已恢复吸附剂的吸附能力,这个过程称为吸附剂的再生。因此,在实际工作中,正是利用吸附剂的吸附再生吸附的循环过程,达到除去废气中污染物质并回收废气中有用组分的目的。由于多孔性固体

15、吸附剂表面存在着剩余吸引力,固表面具有吸附力。根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附,但同一污染物可在较低温度下发生物理吸附,而在较高温度下发生化学吸附,或者两种吸附同时发生,两者之间没有严格的界限。两者的主要区别见表4-15表4-1物理吸附与化学吸附的区别性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附层数单层活多层单层吸附热小近于液化热大近于反应热选择性无或很差较强可逆性可逆不可逆吸附平衡易达到不易达到吸附剂与吸附质间的吸附力不强,当气体中吸附质分压降低或温度升高时,容易发生脱附。工业上的吸附操作正是利用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收利用的。4.1.

16、2吸附机理吸附和脱附互为可逆过程。当用新鲜的吸附剂吸附气体中的吸附质时,由于吸附剂表面没有吸附质,因此也就没有吸附质的脱附。但随着吸附的进行,吸附剂表面上的吸附质量逐渐增多,也就出现了吸附质的脱附,且随时间的推移,脱附速度不断增大。但从宏观上看,同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量,所以过程的总趋势认为吸附。当同一时间内吸附质的吸附量与脱附量相等时,吸附和脱附达到动态平衡,此时称为达到吸附平衡。平衡时,吸附质再在流体中的浓度和在吸附剂表面上的浓度不再变化,从宏观上看,吸附过程停止。平衡时的吸附质在流体中的浓度称为平衡浓度,在吸附剂中的浓度称为平衡吸附量。当吸附质与吸附剂长时间接触后,终将达到吸

17、附平衡。吸附平衡量是吸附剂对吸附质的极限吸附量,亦称静吸附量分数或静活性分数,用Xt表示,无量纲。它是设计和生产中十分重要的参数。吸附平衡时,吸附质在气、固两相中的浓度关系,一般用吸附等温线表示。吸附等温线通常根据实验数据绘制,也常用各种经验方程式来表示。4.1.3吸附等温线与吸附等温方程式平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限,其数值对吸附造作,设计和过程控制有着重要的意义。达到吸附平衡时,平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸附温度间存在着一定的函数关系,此关系即为吸附平衡关系,其一般都是根据实验测得的,也可以用经验方程式表示。4.1.3.1吸附等温线在气体吸附中,其平衡关系可表示为

18、：Afp,T式中A平衡吸附量；p吸附平衡时吸附质在气相中的分压力；T吸附温度根据需要。对一定的吸附体系可测得如下关系：当保持T不变,可测得A与P的变化关系当保持P不变,可测得A与T的变化关系当保持A不变,可测得P与T的变化关系依据上述变化关系,可分别绘出相应的关系曲线,分别为吸附等温线,吸附等压线和吸附等量线。由于吸附过程中,吸附温度一般变化不大,因此吸附等温线最为常用。吸附等温线描述的是在吸附温度不变的情况下,平衡时,吸附剂的吸附量随气相中组分压力的不同而变化的情况。根据对大量的不同气体与蒸气的吸附测定,吸附等温线形式可归纳为六种基本类型。4.1.3.2吸附等温方程式根据大量的吸附等温线整理

19、出描述吸附平衡状态的经验方程式,即为吸附等温方程式,其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得,一定条件范围内具有应用意义,但不具有理论指导意义,如弗罗因德利希Freundlich吸附等温方程式；有些是以一定的理论假设为前提得出的方程式,如朗格谬尔Langmuir吸附等温方程式和BET方程,后者应用较多。1朗格谬尔方程式朗格谬尔吸附理论假定：吸附仅是单分子层的；气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡；吸附剂表面性质是均一的,被吸附的分子之间相互不受影响；气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正比。根据上述假设,可推导出朗格谬尔等温式：式中吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数；a吸附系数,是吸附

20、作用的平衡常数；p气相分压。朗格谬尔等温式的另一表现形式为：式中Vm单分子层覆盖满时=1的吸附量；V在气相分压p下的吸附量。在压力很低时,或者吸附很若时,ap1,上式变成：V=Vmap由朗格谬尔等温式得到的结果与许多实验现象相符合,能够解释很多实验结果,因此,它目前仍是常用的、基本的等温式。在很多体系中,朗格谬尔等温式不能在较大的范围内与实验结果相吻合。2弗罗因德利希方程式式中q固体吸附气体的量,/吸附剂；P平衡时气体分压；k,n经验常数。在一定温度下,对一定体系而言是常数,k和n随温度变化而变化；m吸附质质量,；x被吸附气体的质量。弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式,它所适用的范围比朗格谬

21、尔式要大些,可用于未知组成物质的吸附,如有机物或矿物油的脱色,通过实验来确定k与n。有资料认为它在高压范围内不能很好地吻合实验值。3BET方程由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好地吻合,在此基础上发展了BET理论。它除了接受朗格谬尔理论地几条假定,即固体表面是均匀的,被吸附分子不受其它分子的影响,吸附与脱附在吸附剂表面达到动态平衡以外,还认为在吸附剂表面吸附了一层分子以后,由于范德华力地作用还可以吸附多层分子,而第一层与以后的各层有所不同。吸附达平衡后,吸附总数V为：P平衡时气体分压；V压力为p时的吸附总量；Vm吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量；P0实际温度

22、下气体的饱和蒸气压；C与气体有关的常数。很多实验证明,当比压p/p0在0.050.35范围内时,BET公式是比较准确的,在低压下可以与朗格谬尔等温式一致。4.1.4吸附量吸附量是指在一定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量,通常以吸附质/吸附剂或质量百分数表示,它是吸附剂所具有吸附能力的标志。在工业上将吸附量称为吸附剂的活性。吸附剂的活性有两种表示方法：1吸附剂的静活性在一定条件下,达到平衡时吸附剂的平衡吸附量即为其静活性。对一定的吸附体系,静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。2吸附剂的动活性在一定的操作条件下,将气体混合物通过吸附床层,吸附质被吸附,当吸附一段时间后,从吸附剂层

23、流出的的气体中开始发现吸附质或其浓度达到一规定的允许值时,认为床层失效,此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。动活性除与吸附剂和吸附质的特性有关外,还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值是吸附系统设计的主要依据。4.1.5吸附速率吸附过程常需要较长时间才能达到平衡,而在实际生产过程中,两项接触时间是有限的。因此,吸附量取决与吸附速率,而吸附速率与吸附过程有关,吸附过程可分为以下几步：外扩散,吸附质从气流主体穿过颗粒物周围气膜扩散至吸附剂的外表面2内扩散,吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面3吸附,到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附4脱附的吸附质再经内外扩散至气相主体物理吸附过

24、程一般为内外扩散控制,化学吸附既有表面动力学控制,又有内外扩散控制。由于吸附过程复杂,影响因素多,从理论上推导速率很难,因此一般是凭经验或根据模式实验来确定。4.2吸附器选择的设计计算吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式,吸附剂的种类,吸附剂的需要量,吸附床高度,吸附周期等,这些参数的选择应从吸附平衡,吸附传质速率及压降来考虑。4.2.1吸附器的确定对吸附器的基本要求：1具有足够的过气断面和停留时间；2良好的气流分布；3预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质；4能够有效地控制和调节吸附操作温度5易于更换吸附剂。吸附工艺根据吸附剂在吸附器上的工作状态,可将吸附器分为固定床、移动床和流化床过程,相应

25、的三种吸附器的主要特点比较见表4-26表4-2三种吸附器主要特点比较类型主要特点比较固定床吸附器1结构简单、制造容易、价格低廉2.适用于小型、分散、间歇性的污染源治理3吸附和脱附交替进行、间歇操作4应用广泛移动床吸附器1处理气体量大,吸附剂可循环使用,适用于稳定、连续、量大的气体净化2.吸附和脱附连续完成3动力和热力消耗较大,吸附剂磨损较为严重流化床吸附器1结构复杂,造价昂贵2气体和固体接触相当充分3.生产能力大,适合治理连续性、大气量的污染源4吸附剂和容器的磨损严重结合工艺特点和经济技术可行性分析,本设计吸附器采用卧式圆锥形固定床吸附器,壳体为圆形,封头为椭圆形,其优点是流体阻力小,可以减少

26、气体流经吸附床层的动力消耗,易产生气流分配不均运现象,故吸附质以整砌形式放在抽屉式的净化单元中,抽屉间设有防治气体短路的挡板,在气体入口的吸附剂之间装有气体整流装置,力求气体均匀。抽屉式的装卸吸附剂方式非常方便,利于操作,其具体结构见附图2,基本运行参数如下：处理风量：20000m3/h吸附器外观尺寸：LBH700033003000mm材料：钢板4压降：1000Pa数量：两台并联,脱附吸附交替运行4.2.2吸附剂的选择如何选择、使用和评价吸附剂,是吸附操作中必须解决的首要问题。一切固体物质的表面,对于流体的表面都具有物理吸附的作用,但合乎工业要求的吸附剂则应具备以下一些要求：1具有大的比表面积

27、2具有良好的选择性吸附作用3吸附容量大4具有良好的的机械强度和均匀的颗粒尺寸。5有足够的热稳定性及化学稳定性6有良好的再生性能7吸附剂的来源广泛、造价低廉实际中,很难找到一种吸附剂能同时满足上述要求,因而在选择吸附剂时要权衡多方面的因素。同时,目前对吸附过程的实质还了解得不十分清楚,因而鉴别吸附剂吸附性能,还只能依靠实验测定和从生产中考察,尚不能从理论上推出。常用的吸附剂主要有：活性炭、硅胶、分子筛沸石、活性氧化铝与氧化铝。其中活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是一种具有非极性表面,为疏水性和亲有机物的吸附剂,故活性炭常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质,在环境保护方面用来

28、处理工业废水和治理某些气态污染物。活性炭的研究、生产和应用发展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也在积极开发之中,蜂窝状活性炭便是其中的一种。蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料,通过将优质活性炭和辅助材料制成蜂窝状方孔的过滤柱,达到产品体积密度小、比表面积大的目的,目前已经大量应用在低浓度、大风量的各类有机废气净化系统中。被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性碳接触,吸附效率高,风阻系数小,具有优良的吸附、脱附性能和气体动力学性能,可广泛用于净化处理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯类、酚类、酯类、醇类、醛类等有机气体、恶臭味气体和含有微量重金属

29、的各类气体。采用蜂窝状活性炭的环保设备废气处理净化效率高,吸附床体积小,设备能耗低,能够降低造价和运行成本,净化后的气体完全满足环保排放要求。综合衡量各方面因素,如果企业经济允许的话,建议吸附剂选用蜂窝状活性炭纤维能较好的满足技术经济要求,其物理性能参数见表4-3：表4-3蜂窝状活性炭的物理性能7项目性能指标外形尺寸/5050100孔数/-216孔壁厚/0.5压碎强度/MPA正面：7.07侧面：0.3体积密度/G.-30.40.5几何外表面积/.G-10.32比表面积/.G-1700着火点/550苯吸附率/0.2其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数8。材料参数包括炭的吸附孔隙率、

30、蜂窝结构的壁厚和炭的含量；过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、吸附能。穿透曲线是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化的一个函数9。此比值达到0.95时,所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓度和蜂窝炭组分含量等因素10。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可以通过改变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情况下,壁厚增加,则单位体积蜂窝的炭含量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是因为壁厚增加,蜂窝中流体通道的截面积减少,这样真实的表面或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也会提高,这两者之间存在一个平衡关系。在

31、给定的条件下,这个平衡关系将决定吸附增加还是减少。如果吸附质以较高的扩散速度扩散到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又可连续吸附,因此厚壁蜂窝应该具有更好的吸附效率和吸附容量11。4.2.3空塔气速和横截面积的确定空塔气速为气体通过吸附器整个横截面的速度。空塔气速的选择,不仅直接决定了吸附器的尺寸和压降的大小,而且还会影响吸附效率。气速很小,则吸附器尺寸很大,不经济;气速过大,则压降会增大,使吸附效率受到影响。通过实验确定最佳气速。吸附设计中不能追求过高的吸附效率,把空塔速度取值降小,那样会使吸附床体积、吸附剂用量和设备造价大为增高；反之也不宜取过大的空塔气速那样设备费用虽低,但吸附效率下降很多

32、,且体系压降会随空塔速率的增大上升很快,造成动力消耗过大,因此因选取合适的空塔气速,最适宜空塔气速为0.81.2m/s12,依此经验结论,本设计确定空塔气速:U=1.0m/s.原始条件：处理风量：Q20000m3/h,设计温度为35,压力为1.01325105Pa由于废气中,空气所占的比例远远大于污染物所占比例,因此,废气性质可以近似看作为干空气的热物理性质,查化学原理附录9得以下数据：空气混和物性质：流体密度f=1.147kg/m3,黏度为f=1.9410-5Pa.S,比热容为Cp=1.005kJ/吸附得粒状活性炭颗粒性质：平均直径dp=0.003m,表观密度s=670kg/m3,堆积密度B

33、=470kg/m3固定床空隙率f0.5横截面积:4.2.4固定床吸附层高度的计算采用透过曲线计算法,通过实验将含有一定浓度污染物的气流连续通过固定床吸附器,在不同时间内,确定确定吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布,当吸附床使用一段时间后,出口气体污染物浓度达到某一允许最大浓度时,认为吸附床失效。从气流开始通入至吸附床失效这段时间称为穿透时间,或保护作用时间。表示吸附床处理气体量与出气口污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线的形状和穿透时间取决与固定床的操作方法。操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、气流速度、污染物入口浓度,以及床层厚度等都影响穿透曲线的形状,此过程比较复杂,目

34、前仍是只是近似过程的计算。假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态,即达到它的平衡吸附量a,也称a为静活度,同时根据朗格谬尔等温线假定静活度不在与气象浓度有关。在吸附作用时间内,所吸附污染物的量为13式中：X在时间内的吸附量；a静活度,重量,%；S吸附层的截面积,m2；L吸附层高度,m；b吸附剂的堆积密度,设计为470kg/m3固定床虽然结构简单,但由于污染物在床层内浓度分布是随时间变化,计算比较复杂,因此目前工程上都是采用近似计算,通过算活性炭的作用时间进行后处理的计算。活性炭的作用时间由下式算出14：式中：V活性炭的装填量,m3C进口气污染物的浓度,mg/m3Q气流量,m3/ht活性炭的使

35、用时间,hW活性炭原粒度的中重量穿透炭容,d活性炭的堆密度0.8t/m3算出三苯每小时的排放量：三苯的浓度：0100801002000010-6-5.6kg/h假设吸附器的吸附器的吸附效率为85%,则达标排放时需要吸附总的污染物的量为：5.685%4.76kg/h则在吸附作用时间内的吸附量：X=4.762851356.6根据得：根据活性炭的吸附能力,设静活度为16kg甲苯/100kg活性炭所以,4.2.5吸附剂活性炭用量的计算吸附剂的用量M：M=LSb=3.245.56470=8600kg吸附剂本身占据体积：VLS3.245.5618.1m3吸附剂床层体积：设计吸附床层尺寸为LB6600mm3

36、200mm,则每块塔板的截面积A321.12m3。取板上固定床高度H0.35m,则吸附器中塔板数：考虑安装的实际情况,得到固定床吸附装置的实际尺寸取为：LBH7000mm3300mm3000mm4.2.6床层压降的计算15流体通过固定床吸附器时,由于流体不断地分流和回合,以及流体与吸附剂颗粒和器壁的摩擦阻力,会产生一定的压降。在设计固定床吸附器时多采用流路模型估算床层压力降,若对压力降计算有更高的要求,则可直接用实验测得的数据。本设计的床层压力降用下式计算：根据活性炭的性能：4.2.7活性炭再生的计算16吸附剂的吸附容量有限,一般在140质量分数之间。要增大吸附装置的处理能力,吸附剂一般都循环

37、使用,即当吸附剂达到饱和或接近饱和是,使其转入脱附和再生操作。一般常用的再生方法有：升温脱附、降压脱附、置换脱附、吹打脱附、化学转化再生法、溶剂萃取。此外,还有一些其他的吸附剂脱附再生方法,如电解氧化再生法、微生物再生法和药物再生法等。至于工业上到底采用哪种操作方法,应视具体情况选用既经济又有效的方法。生产实际中,常常是几种方法结合使用。如活性炭吸附有机蒸气后,可用通入高温蒸气再生,也可用加热和抽真空的方法再生；沸石分子筛吸附水分后,可用加热氮气的办法再生。本设计采用升温脱附,即在等压下升高吸附床层温度,进行脱附,然后降温冷却,重新吸附。吸附床的操作温度为T1,原料中吸附质的分压为P1,当吸附

38、床达饱和后,吸附剂吸附容量为x1。假定吸附阶段终了时,允许吸附后气体中的吸附容量低于x2。升温脱附可将吸附剂从T1升温到T2,这是吸附剂容量可以低于x2。1、干燥吸附剂时空气消耗量：式中：L干燥吸附剂时空气的消耗量,kgl空气的单位消耗量,即干空气/H2O,无量纲x1、x2分别为离开、进入吸附剂层时空气的含湿量即H2O/干空气W干燥时驱走的水分,kg由化工原理查表得,35时饱和水蒸气蒸气密度为0.03960kg/m3,则2、加热空气所消耗得空气热含量：式中：I2由加热器进入吸附器的空气热含量,J/kgI1进入加热器的空气热含量,J/kg设利用120的热风进行脱附,查得35时干空气的热含量为1.

39、005KJ/kg.,120时为1.009KJ/kg.,则：4.3集气罩的设计计算在工业生产中,常用于控制各种颗粒物和气态污染物的方法是将有害物质在发生源收集起来,经过净化设备净化后排到大气中,这就是局部排气净化系统,这种系统所需要的风量最小,效果好,能耗也少,是生产车间控制空气污染最有效、最常用的方法。局部排气净化系统主要由集气罩、风管、净化设备、风机、烟囱等组成。局部排气净化系统的设计主要包括污染物的捕集装置、管道系统、净化设备设计等几个部分。该系统用以捕集污染物的装置大多数呈罩子形状,通常称为集气罩。它是气体净化系统的关键部件,它可将粉尘及气态污染物导入净化系统,同时防止污染物向生产车间及

40、大气扩散。集气罩的性能对整个气体净化系统的技术经济效果有很大的影响。设计完善的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下,用较小的排风量获得最佳的控制效果;而设计不良的集气罩即使用很大的排风量也达不到预期的目的。在控制气体中扩散效果相同的前提下,排风量越大,则整个净化系统也越大,投资与运行费用也相应增加。因此,集气罩的设计是气体净化系统设计的重要环节。4.3.1集气罩气流的流动特性研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的。集气罩罩口气流运动方式有两种：一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是吹气口气流的吹出流动。了解吸入气流、吹出气流以及两种气流合成的吹吸气流的运动规律,是合理设

41、计和使用集气罩的基础。吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的。吹出气流在较远处仍能保持其能量密度,吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度急剧下降。这亦表明,吹出气流的控制能力大,而吸入气流则有利于接受。因此,可以利用吹出气流作为动力,把污染物输送到吸气口再捕集,或者利用吹出气流阻挡、控制污染物的扩散。4.3.2集气罩的分类及设计原则集气罩的种类繁多,应用广泛。按其气流流动的方式可分为两大类：吸气式集气罩和吹气式集气罩。按集气罩与污染源的相对位置及密闭情况,还可将吸气式集气罩分为:密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。其集气罩的设计原则为：1集气罩应尽可能包围或靠近污染源,使污染物的扩散限制在

42、最小的范围内,尽可能减少气吸气范围,防止横向气流的干扰,减少排风量。2集气罩的吸气气流尽可能与污染气流运动方向一致,以充分利用污染气流的初始动能。3在保证控制污染的条件下,尽量减少集气罩的开口面积,使排风量最小。4集气罩的吸气气流不允许通过人的呼吸区再进入罩内。设计时要充分考虑操作人员的位置和活动范围。5集气罩的配置应与生产工艺协调一致,力求不影响工艺操作和设备维修。6集气罩应力求结构简单、坚固耐用而造价低,并便于制作安装和拆卸维修。7要尽可能避免或减弱干扰气流辱穿堂风、送风气流等对吸气气流的影响；虽然集气罩的结构不十分复杂,但由于各种因素的相互制约,要同时满足上述要求并非易事,应充分了解生产

43、工艺、操作特点和现场实际。4.3.3集气罩的选型由于受工艺条件限制,一般产生有机废气的车间无法进行密闭,且喷气车间室内横向气流干扰较小,可采用外部集气罩的上部伞形罩,如附图5所示其基本参数如下：排风量：Q=20000m3/h钢板制圆形风管,取风速12m/s风管直径：圆整为800规格为8001.0风管横截面积：则实际风管气速：表4-4集气罩罩口速度12名称条件举例罩口速度,m/s扬尘速度极低,没有干扰气流1烟尘从敞口容器外溢2液面蒸发3浸槽0.250.5扬尘低速飞散,无干扰气流1喷漆2酸洗3焊接0.51.0扬尘较高速飞散,有较小干扰气流1开炼机、密炼机2装袋、装桶3解包车1.02.5扬尘高速飞散

44、,有干扰气流1喷砂2粉磨机3砂轮机2.510罩口速度：对照表4-4,确定=0.8m/s罩口面积:罩口直径：罩口直边长度：L2=0.2m减少周围空气混入排风系统罩口敞开面周长：罩口喇叭口长度：L03d取L0=1.5d=1.50.8=1.2m罩的扩张角角：圆形工作台特征尺寸：d0=1.5工作台至地面高度H0=d0=1.5m又污染源至至罩口高度:取H1m4.4吸附前的预处理对于一般的有机废气的工艺过程所产生的尘雾在高速喷出时,诱导周围的空气流动,加上工作点的不断变换,又与工件周围的空气大量混合,在反弹气流及车间内横向气流作用下,尘雾呈无序发散。这些粉尘含量不高,粒径较小,绝大部分在10um以下,若未

45、经处理,将很快堵塞活性炭微孔,使活性炭失效。目前,国内外对这些尘雾特别是喷漆污染的治理非常重视,净化方式多种多样,有干式过滤法、湿式过滤法、燃烧法、催化燃烧法、吸附法、蒸馏析法等,根据不同产品的特性、产品生产状况以及经济性、场地情况进行选择。本设计除雾处理采用前置式干式除尘过滤器,具体运行参数如下：处理风量：Q=20000m3/h过滤速度：u=1.21.5m/s过滤面积：过滤器的尺寸：长宽高70020002000mm设备阻力：DP2350Pa数量：一台；采用钢板进行烧焊,过滤箱采用抽屉方式放置双层进口干式除尘和除雾过滤材料,容尘量大、净化效率高、阻力低、过滤风速大、阻燃。干式过滤材料使雾状物变

46、成松散粉尘状,材料饱和后可取出拍打、抖落,或用吸尘器吸尘后重复使用多次。4.5管道系统设计计算只有通过各种管道把各种净装置连接在一起才能组合成完整的净化系统,因此,管道系统设计是净化系统设计中不可缺少的组成部分,合理地设计、施工和使用管道系统,不仅能充分发挥净化装置的能效,而且直接关系到设计和运转的经济合理性。管道系统的设计通常是在净化系统中的各种装置选定之后进行的,主要包括管道系统的配置和管道系统的设计计算等两个方面的内容。4.5.1管道系统的配置1配置的一般原则从总体布局考虑,统一规划,力求简单、紧凑、适用、美观,而且安装、操作、维修方便,并尽可能缩短管线长度,减少占地与空间,节省投资。2

47、管网的布置方式为了便于管理和运行调节,管网系统不宜过大。同一系统的吸气尘点不宜过多。同一系统有多个分支管时,应将这些分支管分组控制。在进行管网配置时,主要考虑的一个重要问题就是要实现各支管间的压力平衡,以保证各吸气点达到设计风量,实现控制污染物扩散的目的。为保证多分支管网中各支管间的压力平衡,常用的管网配置方式有以下三种：干管配管方式、个别配管方式和环状配管方式。3管道热补偿为了保证管道系统在热状态下的稳定和安全,吸收管道热胀冷缩所产生的应力,管道系统每隔一段距离应装固定支架和热补偿装置。管道热伸长补偿方法有自然补偿和补偿器补偿两类。由于本设计管道线较短,管内介质温度不是很高,管径小于1000

48、mm,可采用自然补偿法,利用管道自然转弯管段L形或Z形来吸收管道热身长形变,既经济有合乎安全稳定要求。常用的补偿器有柔性材料套管式补偿器和波形补偿器等。4管道系统的保温及防爆措施在管道系统的设计中,为减少输送过程中热量损耗或防止烟气结露而影响系统正常运行,则需要对管道和设备进行保温。所谓保温是对设备、管道表面贴覆绝热材料,以减少热传递,维持管道或设备在一定的温度范围内工作。管道系统保温设计的主要内容包括保温材料选择、保温层厚度计算和保温层结构设计。当管道输送介质中含有可燃气体或易燃易爆粉尘时,管道系统设计必须考虑必要的防爆措施。设计时应采取以下防爆措施：加强可燃物浓度的检测与控制；消除火源；阻

49、火与泄爆措施；设备密闭和厂房通风；对管道系统的布置必须将有可能蓄积静电的风管和设备可靠地接地。4.5.2管道内流体流速的选择管道内流体的选择涉及到技术和经济两方面的问题。当流量确定后,若选择较低的流速,管道断面积较大,管径大,材料耗费多,基建投资高,但系统压力损失小,噪声小,动力消耗低,运转费用低,且对于含尘烟气,则易造成粉尘沉积而堵塞管道。反之,若选择较高流速,则管径小,材料消耗少,基建投资少,但系统压力损失大,噪声大,动力消耗大,运转费用高。因此,要使管道设计计算经济合理,必须选择适当的流速,使投资和运行费用的总和为最小。表4-5,使投资和运行费用总和最小综合衡量。表4-5风管最小风速17

50、粉尘性质垂直风管水平风管粉尘性质垂直风管水平风管粉状粘土和砂1113铁和钢1923水泥粉尘1218钢铁粉尘1315重矿物粉尘1416灰土、砂尘1618焦炭粉尘1418轻矿物粉尘1214煤尘1113炭黑1012染料粉尘1517棉絮810石棉粉尘1218短纤维粉尘8124.5.3管道直径的确定在已知流量和确定流速后,管道直径可按下式计算：钢板制圆形风管,取风速12m/s风管直径：圆整为800查18规格为8001.0风管横截面积：则实际风管气速：4.5.4管道内流体的压力损失1摩擦阻力的计算对于直径为d的圆形风管,摩擦阻力计算公式为：摩擦阻力系数v风管内气体的平均流速,m/s气体的密度,kg/m3l

51、风管长度,m管径：d0.8m,摩擦系数：=1.593,管长：l5m风管内气体的平均流速：v11.1m/s则2局部阻力的计算则管路总压力损失为：流程总压力损失为：=350+77.27+8801307.3Pa4.5.5风机和电机的选择1风量计算在确定管网风量的基础上,考虑到风管、设备的漏风,选用风机的风量应大于管网计算测定的风量,计算公式如下：式中Q0选择风机的计算风量,m3/hKQ风量附加安全系数,一般管道系统取1.01.1,除尘系统取1.11.15,且除尘器漏风另加510,本设计取KQ1.1则=1.120000=22000m3/h2风压计算考虑到风机性能波动、管网阻力计算的不精确,选用风机的压

52、力应大于管网计算所确定的风压,计算公式如下：=1.20130.73=156.88Pa式中p0选择风机的计算风量,PaKP风压附加安全系数,一般管道系统取1.01.15,除尘系统取1.151.20,本设计取KP1.20又风机样本上的性能参数是在标准状况大气压力为1.013105Pa,温度为20,相对湿度为50下得出的,在实际使用情况不是标准态,风机的风压会变化,风量不变,因此选择风机时对参数进行换算：式中DP0风机在实际工况下的风压DP0风机样本上的风压0、T0、P0风机在标准状况下的密度、温度和压力、T、P风机在实际工况下的密度、温度和压力3风机型号在选择风机时应注意以下几个问题：根据输送气体

53、的性质,确定风机的类型；根据所需风量、风压和选定的风机类型,确定风机的型号；在满足风量的风压的条件下,尽可能选用噪声低、工作效率高的风机；通风机和风管系统的不合理连接可能使风机性能急剧变坏,因此在连接时,要使气体在进出风机时尽可能均匀一致,不能有方向和速度的突然变化。4电机型号所需电机功率按下式计算：其中Ne电机功率,KwQ0风机的总风量,m3/hDP0风机的风压,PaKd电动备用系数,引风机取Kd1.31通风机全压效率,可从通风机样本上查到,一般为0.50.7,取0.62机械传动效率,连轴器直接传动,取20.98根据上述要求,查19排风机选用黄岩风机厂生产的472NO.8型离心风机,具体性能

54、参数如下：风量：1792031000m3/h全压:24721844Pa转速：1600n/min电动机型号：Y180M2功率：22Kw5工程核算5.1工程造价表5.1工程材料预算清单5.2运行费用核算5.2.1价格标准1、地价：准建面积：3.55.8万元/亩包办国土使用证；不准建面积：1.65万元/亩2、基础设施费：按工程总造价收35；按建筑面积125元/平方米计算3、平整费用：土方：9元/平方米；沙；15元/平方米。4、构筑物：铁皮：165元/平方米；钢构：300元/平方米；混凝土：420元/平方米5、电价：按工业用电综合电价：0.65元/kw.h5.2.2运行费用1电费：运行功率为22kw/

55、h,以0.65元/度计,电费为0.652214.3元/小时。2活性炭费用：活性炭损耗费：活性炭每半年更换一次,活性炭用量约9吨,按活性炭4000元/吨计,则184000126000元/月,每月运行285小时,则6000285=21.05元/小时。3活性炭再生费用：活性炭每2天再生一次,再生一次用电9小时,电费0.6592.212.87元/次,一年共再生180次,则再生费用为4人工：2人轮班,每班8小时,工资共2400元/月,则人工费为5元/小时综上得,处理每立方米废气的运行费用为=6结论与建议6.1结论1、本设计工程系统工艺先进、设计合理,控制风速、净化风量及噪声强度等技术参数均达到或接近设计

56、标准,同时通风净化效果显著,工人在清洁区作业,可有效地保护身体健康,特别是系统节能效果显著、初投资和运行费用均较低,具有投资少、运行成本低、操作简单、使用方便和废气处理效果好的特点,具有一定范围的推广价值。2、设计从技术经济指标可看是较好的,能达到国家的相关规范、标准的要求,对工业产生的有机废气危害与污染控制是行之有效的。3、由于缺乏资料,未对净化系统的总平面布置作出论述,同时优化工作车间通风设计可进一步削减污染物排放量,本文也未作论述。4、本设计为末端治理方法,本着可持续发展和清洁生产的发展战略,应从源头上和生产过程中控制污染的产生,少用或使用无污染的替代原料,改进相关工艺以进一步防止和控制

57、污染。6.2建议目前有机废气通常地处理方法均具有不彻底,成本高,存在二次污染或普适性差地问题,其中包含许多需要改进的地方和很大的技术发展空间。在这里,主要谈有关活性炭性能的改进：1、提高活性炭脱附效能除了前文所介绍的活性炭升温脱附的方法以外,这一过程还可以通过降压脱附来完成。这种方法是使吸附器在较高的压力下进行吸附操作,然后降低压力使吸附质脱附,用部分产品气作为冲洗气。吸附床的操作温度为T1,原料中吸附质的分压为P1,当吸附床达饱和后,吸附剂吸附容量为x1。降压脱附沿着等温线进行,需使吸附质分压下降到P2以下,才能使吸附容量低于x2。吸附过程是在较高压力下进行,再生冲洗一般是在常压下进行。通常

58、把采用降压脱附的整个吸附操作工艺称为变压吸附,又称等温吸附。变压吸附具有能耗低,脱附时间断,一次能出去多种杂质、操作方便等优点。除此之外,还有置换脱附、吹打脱附、化学转化再生法、溶剂萃取。此外,还有一些其他的吸附剂脱附再生方法,如电解氧化再生法、微生物再生法和药物再生法等。2、提高活性炭的吸附性能活性炭的研究、生产和应用发展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也在积极开发之中,蜂窝状活性炭便是其中的一种。蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料,被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性碳接触,吸附效率高,风阻系数小,具有优良的吸附、脱附性能和气体动

59、力学性能,采用蜂窝状活性炭的环保设备废气处理净化效率高,吸附床体积小,设备能耗低,能够降低造价和运行成本。3、光催化净化技术因为活性炭再生目前没有达到完全无害化的效果,会产生二次污染。而光催化可以在常温或者接近常温的条件下把污染物氧化成无毒无害的物质,同时对光催化剂的脱附也较为简单,这样就避免了活性炭脱附时必须的热量或者压力条件,同时也避免了脱附时产生的二次污染。其次,光催化利用的是电能,是清洁能源。光催化剂反应器的安装和更换也比较容易简单。最后,半导体多相光催化法所用的二氧化钛无毒、耐光腐蚀和化学腐蚀,光活性较强。在适宜的条件下,可将三致有机物彻底矿化为CO2、达到杀菌等作用。参考文献1Ta

60、ylorS.H.,HeneghanC.S.,HutchingsG.J.,CatalysisTodayJ,2000,59:249.2李明华.有机废气的污染、净化概况与分析.XX机械,1996第一期:19203DB44/27-2001,大气污染物排放限值.XX：XX省环境保护局,4周兴求.环保设备设计手册大气污染控制设备.化学工业出版社.2003.12：3383465王正烈等.物理化学下册,第四版.高等教育出版社.2001.12：1656郝吉明等.大气污染控制工程第二版.高等教育出版社.20027彭宏等.蜂窝状活性炭的研究.资源开发与市场,2002.221inActivatedCarbonHoneycombsJ.Carbon2000,983993.9TienC.AdsorptionCalculationsandModeling.Butter-worth-HeinemannM,London,1994,123.adkaree.CarbonHoneycombStructuresforAdsorptionApplica2tionJ.Carbon,1998,981989.11彭宏等.蜂窝状活性炭的研究.资