I 活性炭吸附活性炭吸附 VOCVOC 的工程設計的工程設計 摘摘 要要 近年來 人們逐漸認識到有機廢氣對環境和人類健康的巨大危害性 因此在環境 工程領域對有機廢氣的治理越來越受到人們的重視 本設計將介紹一種有效且最廣泛使用的工業有機廢氣的凈化技術 活性炭吸附法 本設計利用活性炭固定床吸附系統對工業有機廢氣進行凈化 經過該系統之前 廢氣 會先用干式除塵器進行預處理 去除廢氣中的霧狀物及粉塵 從而避免了這些物質堵 塞活性炭微孔 影響活性炭的吸附效性能 而在活性炭吸附器的設計上 本文采用了 臥式多層設計 選用活性炭為吸附劑 具有吸附性能好 流體阻力小的特點 首先本文將概述當前有機工業廢氣的處理現狀 主要處理方法和優缺點 并且闡 述本設計所采用該技術的原因 其次 本文將系統介紹所采用技術的基本原理 設計原則和設計過程計算 最后 對本畢業設計的造價和費用進行工程預算 包括工程施工費用 設備費用 工程管理費用 設備維護費用和水電費等等 確定其經濟可行性 還給出了綜合性的 評價和可行性的建議 關鍵詞關鍵詞 工業有機廢氣 干式除塵器 固定床吸附器 活性炭 II Abstract Due to ubiquity in the environment and risk to human health volatile organic compounds VOCs have received great attention in the field of environmental control This design introduced an effective and the most extensive usage technology of activated carbon adsorption for cleaning volatile organic compounds VOCs That is to say the project using the fixed bed adsorption system of activated carbon to purify volatile organic compounds VOCs Before decontanmination the gases would be pretreaded by the dry separator which could wipe off the reek and dust in order to avoid the sub holes being jammed which would affect the efficiency of adsorption of activated carbon Moreover the project choose activated carbon as sorbent which has large adsorption ability and low resistance At first the text will introduce the condition of spray paint waste gas characteristics and the present situation of cleaning of s volatile organic compounds VOCs and principles of them explaining the reason to choose the technology The second the text will describe the principle design method and the process calculation of the design Finally the text will do the budget of the projet listed the spending plan of each certain items after confirming the project including the spending on engineering construction equipment construction supercising equipment maintenance and the cost of water and water and electricity to make sure the availability of the design At last an all aroud estimate and some feasible advice were suggested on the text Keywords volatile organic compounds VOCs dry separator the fixed bed adsorption system activated carbon III 目錄 1 緒 論 1 1 1 概述 1 1 1 1 有機廢氣的來源 1 1 1 2 有機物對大氣的破壞和對人類的危害 1 1 2 有機廢氣治理技術現狀及進展 2 1 2 1 各種凈化方法的分析比較 3 2 設計任務說明 4 2 1 設計任務 4 2 2 設計進氣指標 4 2 3 設計出氣指標 4 2 4 設計目標 4 3 工藝流程說明 6 3 1 工藝選擇 6 3 2 工藝流程 6 4 設計與計算 8 4 1 基本原理 8 4 1 1 吸附原理 8 4 1 2 吸附機理 9 4 1 3 吸附等溫線與吸附等溫方程式 9 4 1 4 吸附量 12 4 1 5 吸附速率 12 4 2 吸附器選擇的設計計算 13 IV 4 2 1 吸附器的確定 13 4 2 2 吸附劑的選擇 14 4 2 3 空塔氣速和橫截面積的確定 16 4 2 4 固定床吸附層高度的計算 17 4 2 5 吸附劑 活性炭 用量的計算 18 4 2 6 床層壓降的計算 15 19 4 2 7 活性炭再生的計算 19 4 3 集氣罩的設計計算 20 4 3 1 集氣罩氣流的流動特性 21 4 3 2 集氣罩的分類及設計原則 21 4 3 3 集氣罩的選型 22 4 4 吸附前的預處理 24 4 5 管道系統設計計算 24 4 5 1 管道系統的配置 25 4 5 2 管道內流體流速的選擇 26 4 5 3 管道直徑的確定 26 4 5 4 管道內流體的壓力損失 27 4 5 5 風機和電機的選擇 27 5 工程核算 30 5 1 工程造價 30 5 2 運行費用核算 31 5 2 1 價格標準 31 5 2 2 運行費用 31 6 結論與建議 32 6 1 結論 32 6 2 建議 32 參考文獻 34 致謝 35 1 1 1 緒緒 論論 1 11 1 概述概述 1 1 1 有機廢氣的來源 有機廢氣的來源主要有固定源和移動源兩種 移動源主要有汽車 輪船和飛機等 以石油產品為燃料的交通工具的排放氣 固定源的種類極多 主要為石油化工工藝過 程和儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合 如噴漆 印刷 金屬除油和脫 脂 粘合劑 制藥 塑料 涂料和橡膠加工等 1 1 2 有機物對大氣的破壞和對人類的危害 有機廢氣中的揮發性有機物稱為VOCs Volatile organic compounds 在涂裝 印 刷 制鞋和化工生產的許多行業中 一些工業產品的生產工藝過程都伴有大量的揮發性 有機化合物 VOCs 廢氣的排出 VOCs 廢氣排入大氣環境中會產生以下幾個方面的 影響 VOCs 是光化學反應的前體 有陽光照射時 在合適的條件下VOCs 與NOx及 其它懸浮化學物質發生一系列光化學反應 主要生成臭氧 形成光化學煙霧 從而發生光 化學污染 光化學煙霧會刺激人的眼睛和呼吸系統 有些VOCs 還具有強烈刺激氣 味 空氣中達到一定濃度時則產生令人不適的感覺 影響空氣質量 有些有毒的 VOCs 如芳香烴等 氣體在環境中存在會損害人們的健康 長時間暴露在污染空氣中 會引發癌變或引起其它嚴重疾病 如苯對骨髓的造血機能造成破壞 是一種致癌物 甲苯和二甲苯對中樞神經具有強的麻醉作用 氯乙烯為致癌物 在制鞋業 由于 三 苯 中毒而導致工人致死事件已發生過多起 而涂料工業使用的溶劑中 主要是甲苯 二甲苯和其它毒性有機物 光化學煙霧也會危害人的健康和植物的生長 1965 年日本 各大城市頻繁發生的光化學煙霧 1966 年美國洛杉磯的光化學煙霧均對人類健康造成 危害 VOCs 對環境的極大危害和對人體健康的嚴重威脅 引起了世界各國政府的高度重視 美國環保署 EPA Environmental Protection Agency 定義的污染物中 VOCs 占了 300 多種 而美國 1990 年的 清潔空氣法 Clean Air Act 要求減少 90 排放量的 189 種毒性化學物中 70 屬于 VOCs 1 2 我國在 1997 年 1 月 1 日開始實施的 中華人民共和國國家標準大氣污染物綜合 排放標準 GB 16297 1996 也規定了苯 甲苯 二甲苯 氯乙烯等 VOCs 排放較為 嚴格的標準 如表 1 1 所示 表表 1 1 1 1 幾種幾種 VOCsVOCs 排放的國家標準排放的國家標準 VOCs 最高允許排放濃度 mg m3 苯 12 甲苯 40 二甲苯 70 氯乙烯 36 注 這是對新污染源的排放標準 1 21 2 有機廢氣治理技術現狀及進展有機廢氣治理技術現狀及進展 有機廢氣的來源多種多樣 其產生方式及排放方式也不盡相同 因此 有機廢氣 的治理技術也多種多樣 各種治理技術也存在自己不同的優缺點 在實際生產過程中 根據不同的情況 選擇合適的方法是有機廢氣治理的關鍵 有機廢氣治理的方法主要 有回收法和消除法兩類 有機廢氣主要回收技術有 吸附法 吸收法 冷凝法 膜分 離技術及變壓吸附技術等 有機廢氣消除技術可分為物理一化學法和生物法兩類 物 理一化學法包括熱破壞法 光分解法 電暈法 臭氧分解法等 生物法包括生物過濾器 生物滴濾器 生物沖刷塔 膜生物反應器 活性污泥法等 活性炭吸附法凈化率可達 95 以上 若無再生裝置 則運行費用太高 若用蒸汽回收 則工藝流程過長 操作費 用高 回收的溶劑和水的混合物利用價值也不高 再生時需要有穩定的蒸汽源 且活 性炭經反復吸附脫附后吸附能力會逐漸降低 一般使用二三年后就得更換 液體吸收 法凈化率只有6O 8O 而且存在著二次污染問題 催化燃燒法凈化率可達95 但 適合于處理高濃度 小風量且廢氣溫度較高的有機廢氣 而且要求氣體的溫度較高 為了提高廢氣溫度 要消耗大量的能源 目前應用最多的方法是吸附一催化燃燒法 它主要以顆粒炭或蜂窩炭為吸附劑 為了保證生產的連續性 一般設置兩個吸附床交 替使用 由于切換的周期至少為1d 因此吸附床體積大 吸附劑用量多 設備笨重 投資大 操作麻煩 由于床層體積大 容易出現因吸附熱的積蓄引起的燃燒爆炸等現 3 象 針對這些問題 現有新型裝置的吸附器采用一種多單元分流組合結構 并以新型 材料 活性炭纖維作為吸附劑 采用PLC電腦來實現整個系統的連續運行 1 2 1 各種凈化方法的分析比較 解決有機廢氣的污染 最根本的方法是工藝改革 采用無害涂料 無害溶劑在現階 段生產中是不能馬上實現的 苯類溶劑使用量仍然很大 所以必須解決廢氣凈化問題 目前國內常采用的三種凈化方法分析比較見表 1 2 表表 1 21 2國內外有機廢氣常用處理方法的優缺點比較國內外有機廢氣常用處理方法的優缺點比較 2 凈化類別優 點缺 點 活性炭 吸附法 1 可處理大風量 低濃度的有機廢氣 2 可回收溶劑 3 不需要加熱 4 凈化效率高 運轉費用低 1 廢氣凈化前要進行預處理 2 僅限于低濃度 3 設備龐大 占地面積多 催化 燃燒法 1 設備簡單 投資少 操作方便 占地面積小 2 熱量可以循環利用 3 有利于凈化高濃度廢氣 1 催化劑成本高 2 要考慮催化劑中毒和表面異 物附著 易失效 液體 吸收法 1 流程較簡單 吸收劑價格便宜 2 廢氣凈化不需預處理 3 建造快 占地少 1 后處理投資大 費用高 2 對溶劑成份選擇性大 4 2 設計任務說明設計任務說明 2 1 設計任務 設計內容為 20000 m3 h 活性炭吸附工業有機廢氣的工程設計 主要內容包括 廢 氣治理工藝 主體設備選型和非標準設備設計 管道輸送系統設計及吸附劑再生系統 設計等 應完成工作 1 紙質設計說明書及其電子版本 2 譯文及原文影印件 3 設計圖紙 平面布置圖 工藝流程圖 主要構筑物圖 管道布置圖等 2 2 設計進氣指標 風量為 20000 溫度為 35 hm 3 排氣壓力為 101 325 kpa 苯濃度為 100 3 mmg 甲苯濃度為 80 3 mmg 二甲苯濃度為 100 3 mmg 2 3 設計出氣指標 依據廣東省地方標準 大氣污染物排放限值 DB44 27 2001 一級排放標準 3 具體數據見表 2 1 表表 2 1 2 1 設計出氣指標設計出氣指標 單位 mg m3 指 標苯甲苯二甲苯 出氣濃度 12 40 70 2 4 設計目標 1 嚴格執行國家有關環境保護的各項規定 確保各項污染指標達到國家及地區 5 有關污染物排放標準 2 經本處理工藝處理后的廢氣 將不會產生二次污染物 3 本處理工藝運行可靠 處理效果好 維護管理方便 4 采用低能耗 低運行費用 基建投資省 占地少 操作管理簡便 5 工藝設計與設備選型能夠在生產運行過程中具有較大的調節余地 6 3 3 工藝流程說明工藝流程說明 3 1 工藝選擇 處理工藝的選擇 應根據氣量大小 凈化要求 回收的可能性 設備建造和運轉的 經濟性等條件全面考慮 實際工作中應特別注意與工藝密切配合 盡可能做到綜合利用 目前 國內外對有機廢氣治理的常用方法有三種 液體吸收法 活性炭吸附法及催 4 化燃燒法 液體吸收法凈化效率為 60 80 適合處理低濃度 大風量的有機廢氣 但 存在著二次污染 催化燃燒法凈化率為 95 適合處理高濃度 小風量的有機廢氣 缺 點是對處理對象要求苛刻 要求氣體的溫度較高 為了提高廢氣溫度 要消耗大量的燃料 所以運行費用很高 活性炭吸附法凈化效率為 99 2 99 3 對于處理大風量 低濃 度的有機廢氣 國內外一致認為該法是最為成熟和可靠的技術 但該工藝流程過長 操作費 用高 另外需要穩定的蒸氣源也常常是比較困難的事情 針對這些問題 結合本畢業設計 特點和具體要求 采用利用活性炭固定床吸附系統對工業有機廢氣進行凈化 選用蜂 窩狀活性炭做為吸附劑 3 2 工藝流程工藝流程 注 1 集氣罩 2 除霧過濾器 3 活性炭固定吸附床 4 提供蒸汽的風機 5 離心風機 6 排氣罩 圖 2 3 有機廢氣工藝流程圖 7 該處理工藝系統組合十分緊湊 集吸附 脫附于一體 在生產過程所產生的廢氣主要 為苯 甲苯 二甲苯等 根據苯類性質 本方案采用活性炭作為吸附劑對廢氣進行吸 收處理 吸附床一般配置 2 臺以上 輪換使用 當 1 臺吸附床吸附的有機物達到規定的吸 附量時 換到另 1 臺吸附床進行吸附凈化操作 同時對前面 1 臺吸附床進行脫附再生 脫 附是在外加蒸汽的作用下通過加溫進行的 由尾氣放出的熱氣流大部分用于吸附床吸附 劑的脫附再生 達到余熱的利用 生產中揮發出來的廢氣 通過離心風機將其送至吸附 塔以活性炭作為吸附劑 在塔內的氣體從右到左 從下到上通過活性炭過濾層對氣體 進行處理 凈化后的氣體通過排氣管排入大氣 如 附圖 1 所示 8 4 4 設計與計算設計與計算 4 14 1 基本原理基本原理 4 1 1 吸附原理 在用多孔性固體物質處理流體混合物時 流體中的某一些組分或某些組分可被吸 引到固體表面并濃集其上 此現象稱為吸附 吸附處理廢氣時 吸附的對象是氣態 4 污染物 被吸附的氣體組分稱為吸附質 多孔性物質稱為吸附劑 固體表面吸附了吸附質后 一部分被吸附的吸附質可從吸附劑表面脫離 此現象 稱為脫附 而當吸附進行一段時間后 由于表面吸附質的濃集 使其吸附能力明顯下 降而不能滿足吸附凈化的要求 此時需要采用一定的措施使吸附劑上已吸附的吸附質 脫附 已恢復吸附劑的吸附能力 這個過程稱為吸附劑的再生 因此 在實際工作中 正是利用吸附劑的吸附 再生 吸附的循環過程 達到除去廢氣中污染物質并回收廢 氣中有用組分的目的 由于多孔性固體吸附劑表面存在著剩余吸引力 固表面具有吸附力 根據吸附劑表 面與被吸附物質之間作用力的不同 吸附可分為物理吸附和化學吸附 但同一污染物 可在較低溫度下發生物理吸附 而在較高溫度下發生化學吸附 或者兩種吸附同時發 生 兩者之間沒有嚴格的界限 兩者的主要區別見表 4 1 5 表表 4 14 1 物理吸附與化學吸附的區別物理吸附與化學吸附的區別 性質物理吸附化學吸附 吸附力范德華力化學鍵力 吸附層數單層活多層單層 吸附熱小 近于液化熱 大 近于反應熱 選擇性無或很差較強 可逆性可逆不可逆 吸附平衡易達到不易達到 吸附劑與吸附質間的吸附力不強 當氣體中吸附質分壓降低或溫度升高時 容易 發生脫附 工業上的吸附操作正是利用這種可逆進行吸附劑的再生及吸附質的回收利 用的 9 4 1 2 吸附機理 吸附和脫附互為可逆過程 當用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質時 由于吸附 劑表面沒有吸附質 因此也就沒有吸附質的脫附 但隨著吸附的進行 吸附劑表面上 的吸附質量逐漸增多 也就出現了吸附質的脫附 且隨時間的推移 脫附速度不斷增 大 但從宏觀上看 同一時間內吸附質的吸附量仍大于脫附量 所以過程的總趨勢認 為吸附 當同一時間內吸附質的吸附量與脫附量相等時 吸附和脫附達到動態平衡 此時稱為達到吸附平衡 平衡時 吸附質再在流體中的濃度和在吸附劑表面上的濃度 不再變化 從宏觀上看 吸附過程停止 平衡時的吸附質在流體中的濃度稱為平衡濃 度 在吸附劑中的濃度稱為平衡吸附量 當吸附質與吸附劑長時間接觸后 終將達到吸附平衡 吸附平衡量是吸附劑對吸附 質的極限吸附量 亦稱靜吸附量分數或靜活性分數 用Xt表示 無量綱 它是設計和 生產中十分重要的參數 吸附平衡時 吸附質在氣 固兩相中的濃度關系 一般用吸 附等溫線表示 吸附等溫線通常根據實驗數據繪制 也常用各種經驗方程式來表示 4 1 3 吸附等溫線與吸附等溫方程式 平衡吸附量表示的是吸附劑對吸附質吸附數量的極限 其數值對吸附造作 設計 和過程控制有著重要的意義 達到吸附平衡時 平衡吸附量與吸附質在流體中的濃度 與吸附溫度間存在著一定的函數關系 此關系即為吸附平衡關系 其一般都是根據實 驗測得的 也可以用經驗方程式表示 4 1 3 1 吸附等溫線 在氣體吸附中 其平衡關系可表示為 A pf 式中 A 平衡吸附量 p 吸附平衡時吸附質在氣相中的分壓力 T 吸附溫度 根據需要 對一定的吸附體系可測得如下關系 當保持 T 不變 可測得 A 與 P 的變化關系 當保持 P 不變 可測得 A 與 T 的變化關系 10 當保持 A 不變 可測得 P 與 T 的變化關系 依據上述變化關系 可分別繪出相應的關系曲線 分別為吸附等溫線 吸附等壓 線和吸附等量線 由于吸附過程中 吸附溫度一般變化不大 因此吸附等溫線最為常 用 吸附等溫線描述的是在吸附溫度不變的情況下 平衡時 吸附劑的吸附量隨氣相 中組分壓力的不同而變化的情況 根據對大量的不同氣體與蒸氣的吸附測定 吸附等 溫線形式可歸納為六種基本類型 4 1 3 2 吸附等溫方程式 根據大量的吸附等溫線整理出描述吸附平衡狀態的經驗方程式 即為吸附等溫方 程式 其中有的完全依據實驗數據所表現的規律整理而得 一定條件范圍內具有應用 意義 但不具有理論指導意義 如弗羅因德利希 Freundlich 吸附等溫方程式 有些 是以一定的理論假設為前提得出的方程式 如朗格謬爾 Langmuir 吸附等溫方程式 和 B E T 方程 后者應用較多 1 朗格謬爾方程式 朗格謬爾吸附理論假定 吸附僅是單分子層的 氣體分子在吸附劑表面上吸 附與脫附呈動態平衡 吸附劑表面性質是均一的 被吸附的分子之間相互不受影響 氣體的吸附速率與該氣體在氣相的分壓成正比 根據上述假設 可推導出朗格謬爾 等溫式 ap ap 1 式中 吸附劑表面被吸附分子覆蓋的百分數 a 吸附系數 是吸附作用的平衡常數 p 氣相分壓 朗格謬爾等溫式的另一表現形式為 V ap ap Vm 1 式中 單分子層覆蓋滿時 的吸附量 Vm 1 在氣相分壓 p 下的吸附量 V 在壓力很低時 或者吸附很若時 ap 1 上式變成 V Vmap 11 由朗格謬爾等溫式得到的結果與許多實驗現象相符合 能夠解釋很多實驗結果 因此 它目前仍是常用的 基本的等溫式 在很多體系中 朗格謬爾等溫式不能在較 大的 范圍內與實驗結果相吻合 2 弗羅因德利希方程式 n kP m x q 1 式中 q 固體吸附氣體的量 吸附劑 P 平衡時氣體分壓 k n 經驗常數 在一定溫度下 對一定體系而言是常數 k 和 n 隨溫度變 化而變化 m 吸附質質量 被吸附氣體的質量 x 弗羅因德利希等溫方程式只是一個經驗式 它所適用的 范圍比朗格謬爾式要大 些 可用于未知組成物質的吸附 如有機物或礦物油的脫色 通過實驗來確定 k 與 n 有資料認為它在高壓范圍內不能很好地吻合實驗值 3 B E T 方程 由于朗格謬爾的單分子層吸附理論及其等溫方程對中壓合高壓物理吸附不能很好 地吻合 在此基礎上發展了 B E T 理論 它除了接受朗格謬爾理論地幾條假定 即固 體表面是均勻的 被吸附分子不受其它分子的影響 吸附與脫附在吸附劑表面達到動 態平衡以外 還認為在吸附劑表面吸附了一層分子以后 由于范德華力地作用還可以 吸附多層分子 而第一層與以后的各層有所不同 吸附達平衡后 吸附總數 V 為 0 0 11 p p Cpp Cp Vm V P 平衡時氣體分壓 V 壓力為 p 時的吸附總量 吸附劑表面為單分子層鋪滿時的吸附量 m V 實際溫度下氣體的飽和蒸氣壓 0 p C 與氣體有關的常數 12 很多實驗證明 當比壓 p 在 0 05 0 35 范圍內時 B E T 公式是比較準確的 在低 0 p 壓下可以與朗格謬爾等溫式一致 4 1 4 吸附量 吸附量是指在一定條件下單位質量地吸附劑上所吸附的吸附質的量 通常以 吸 附質 吸附劑或質量百分數表示 它是吸附劑所具有吸附能力的標志 在工業上將吸 附量稱為吸附劑的活性 吸附劑的活性有兩種表示方法 1 吸附劑的靜活性 在一定條件下 達到平衡時吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性 對一定的吸附體 系 靜活性只取決于吸附溫度和吸附質的濃度或分壓 2 吸附劑的動活性 在一定的操作條件下 將氣體混合物通過吸附床層 吸附質被吸附 當吸附一段 時間后 從吸附劑層流出的的氣體中開始發現吸附質 或其濃度達到一規定的允許值 時 認為床層失效 此時吸附劑吸附的吸附質的量稱為吸附劑的動活性 動活性除與 吸附劑和吸附質的特性有關外 還與溫度 濃度及操作條件有關 吸附劑的動活性值 是吸附系統設計的主要依據 4 1 5 吸附速率 吸附過程常需要較長時間才能達到平衡 而在實際生產過程中 兩項接觸時間是 有限的 因此 吸附量取決與吸附速率 而吸附速率與吸附過程有關 吸附過程可分 為以下幾步 1 外擴散 吸附質從氣流主體穿過顆粒物周圍氣膜擴散至吸附劑的外表面 2 內擴散 吸附質由外表面經微孔擴散至吸附劑微孔表面 3 吸附 到達吸附劑微孔表面的吸附質被吸附 4 脫附的吸附質再經內外擴散至氣相主體 物理吸附過程一般為內外擴散控制 化學吸附既有表面動力學控制 又有內外擴 散控制 由于吸附過程復雜 影響因素多 從理論上推導速率很難 因此一般是憑經 13 驗或根據模式實驗來確定 4 2 吸附器選擇的設計計算吸附器選擇的設計計算 吸附器的設計計算應包括確定吸附器的形式 吸附劑的種類 吸附劑的需要量 吸附床高度 吸附周期等 這些參數的選擇應從吸附平衡 吸附傳質速率及壓降來考 慮 4 2 1 吸附器的確定 對吸附器的基本要求 1 具有足夠的過氣斷面和停留時間 2 良好的氣流分布 3 預先除去入口氣體中污染吸附劑的雜質 4 能夠有效地控制和調節吸附操作溫度 5 易于更換吸附劑 吸附工藝根據吸附劑在吸附器上的工作狀態 可將吸附器分為固定床 移動床和 流化床過程 相應的三種吸附器的主要特點比較見表 4 2 6 表表 4 24 2 三種吸附器主要特點比較三種吸附器主要特點比較 類型主要特點比較 固 定床 吸 附器 1 結構簡單 制造容易 價格低廉 2 適用于小型 分散 間歇性的污染源治理 3 吸附和脫附交替進行 間歇操作 4 應用廣泛 移 動床 吸 附器 1 處理氣體量大 吸附劑可循環使用 適用于穩定 連續 量大的氣體凈化 2 吸附和脫附連續完成 3 動力和熱力消耗較大 吸附劑磨損較為嚴重 14 流 化床 吸 附器 1 結構復雜 造價昂貴 2 氣體和固體接觸相當充分 3 生產能力大 適合治理連續性 大氣量的污染源 4 吸附劑和容器的磨損嚴重 結合工藝特點和經濟技術可行性分析 本設計吸附器采用臥式圓錐形固定床吸附 器 殼體為圓形 封頭為橢圓形 其優點是流體阻力小 可以減少氣體流經吸附床層 的動力消耗 易產生氣流分配不均運現象 故吸附質以整砌形式放在抽屜式的凈化單 元中 抽屜間設有防治氣體短路的擋板 在氣體入口的吸附劑之間裝有氣體整流裝置 力求氣體均勻 抽屜式的裝卸吸附劑方式非常方便 利于操作 其具體結構見 附圖 2 基本運行參數如下 處理風量 20000 hm 3 吸附器外觀尺寸 L B H 7000 3300 3000mm 材料 鋼板 4 壓降 1000 Pa 數量 兩臺并聯 脫附吸附交替運行 4 2 2 吸附劑的選擇 如何選擇 使用和評價吸附劑 是吸附操作中必須解決的首要問題 一切固體物 質的表面 對于流體的表面都具有物理吸附的作用 但合乎工業要求的吸附劑則應具 備以下一些要求 1 具有大的比表面積 2 具有良好的選擇性吸附作用 3 吸附容量大 4 具有良好的的機械強度和均勻的顆粒尺寸 15 5 有足夠的熱穩定性及化學穩定性 6 有良好的再生性能 7 吸附劑的來源廣泛 造價低廉 實際中 很難找到一種吸附劑能同時滿足上述要求 因而在選擇吸附劑時要權衡 多方面的因素 同時 目前對吸附過程的實質還了解得不十分清楚 因而鑒別吸附劑 吸附性能 還只能依靠實驗測定和從生產中考察 尚不能從理論上推出 常用的吸附劑主要有 活性炭 硅膠 分子篩沸石 活性氧化鋁與氧化鋁 其中 活性炭是應用最早 用途較廣的一種優良吸附劑 它是一種具有非極性表面 為疏水 性和親有機物的吸附劑 故活性炭常常被用來吸附回收空氣中的有機溶劑和惡臭物質 在環境保護方面用來處理工業廢水和治理某些氣態污染物 活性炭的研究 生產和應用發展很快 目前應用較多的主要是粉末狀 顆粒狀的活 性炭和活性炭纖維 除此之外 新型的活性炭也在積極開發之中 蜂窩狀活性炭便是其中 的一種 蜂窩狀活性炭為一種新型環保吸附材料 通過將優質活性炭和輔助材料制成蜂窩 狀方孔的過濾柱 達到產品體積密度小 比表面積大的目的 目前已經大量應用在低 濃度 大風量的各類有機廢氣凈化系統中 被處理廢氣在通過蜂窩活性炭方孔時能充 分與活性碳接觸 吸附效率高 風阻系數小 具有優良的吸附 脫附性能和氣體動力 學性能 可廣泛用于凈化處理含有甲苯 二甲苯 苯 等苯類 酚類 酯類 醇類 醛類等有機氣體 惡臭味氣體和含有微量重金屬的各類氣體 采用蜂窩狀活性炭的環 保設備廢氣處理凈化效率高 吸附床體積小 設備能耗低 能夠降低造價和運行成本 凈化后的氣體完全滿足環保排放要求 綜合衡量各方面因素 如果企業經濟允許的話 建議吸附劑選用蜂窩狀活性炭纖 維能較好的滿足技術經濟要求 其物理性能參數見表 4 3 表表 4 34 3 蜂窩狀活性炭的物理性能蜂窩狀活性炭的物理性能 7 項目性能指標 外形尺寸 50 50 100 孔數 216 孔壁厚 0 5 壓碎強度 Mpa 正面 7 07 側面 0 3 16 體積密度 g 30 4 0 5 幾何外表面積 g 10 32 比表面積 g 1700 著火點 550 苯吸附率 0 2 其吸附性能主要取決于它的幾個主要材料參數和過程參數 材料參數包括炭的 8 吸附孔隙率 蜂窩結構的壁厚和炭的含量 過程參數包括流體流速 吸附質的濃度 吸附能 吸附能取決于碳結構和吸附質的特征如分子量 穿透曲線是表征材料吸附性 能的主要性能之一 是吸附前后吸附質濃度比值隨時間變化的一個函數 此比值達到 9 0 95時 所吸附的吸附質的總量就稱為穿透容量 穿透容量取決于流體流速 吸附質濃 度和蜂窩炭組分含量等因素 對蜂窩狀活性炭來說 壁厚是一個非常重要的參數 可 10 以通過改變壁厚來提高它的吸附效率 在孔隙率相同的情況下 壁厚增加 則單位體積蜂 窩的炭含量也隨之增加 從而可以提高吸附容量 這是因為壁厚增加 蜂窩中流體通道的 截面積減少 這樣真實的表面或體積流速也會增大 同時 吸附質與炭之間的接觸效率也 會提高 這兩者之間存在一個平衡關系 在給定的條件下 這個平衡關系將決定吸附增加 還是減少 如果吸附質以較高的擴散速度擴散到蜂窩壁的內部 由此空出來的吸附位又 可連續吸附 因此厚壁蜂窩應該具有更好的吸附效率和吸附容量 11 4 2 3 空塔氣速和橫截面積的確定 空塔氣速為氣體通過吸附器整個橫截面的速度 空塔氣速的選擇 不僅直接決定了 吸附器的尺寸和壓降的大小 而且還會影響吸附效率 氣速很小 則吸附器尺寸很大 不經濟 氣速過大 則壓降會增大 使吸附效率受到影響 通過實驗確定最佳氣速 吸 附設計中不能追求過高的吸附效率 把空塔速度取值降小 那樣會使吸附床體積 吸 附劑用量和設備造價大為增高 反之也不宜取過大的空塔氣速那樣設備費用雖低 但 吸附效率下降很多 且體系壓降會隨空塔速率的增大上升很快 造成動力消耗過大 因此因選取合適的空塔氣速 最適宜空塔氣速為 0 8 1 2m s 依此經驗結論 本設 12 計確定 空塔氣速 U 1 0 m s 原始條件 原始條件 17 處理風量 Q 20000 h 設計溫度為35 C 壓力為1 01325 10 Pa 3 m 05 由于廢氣中 空氣所占的比例遠遠大于污染物所占比例 因此 廢氣性質可以近 似看作為干空氣的熱物理性質 查 化學原理 附錄9得以下數據 空氣混和物性質 流體密度 f 1 147kg 黏度為 f 1 94 10 Pa S 比熱容為Cp 3 m 5 1 005kJ kg C 0 吸附得粒狀活性炭顆粒性質 平均直徑dp 0 003m 表觀密度 s 670kg 堆積密度 B 470 kg 3 m 3 m 固定床空隙率 f 0 5 橫截面積 S 5 56 U Q 0 13600 200000 D m66 2 36000 114 3 2000044 U V 4 2 4 固定床吸附層高度的計算 采用透過曲線計算法 通過實驗將含有一定濃度污染物的氣流連續通過固定床吸 附器 在不同時間內 確定確定吸附床不同截面處氣流中污染物的濃度分布 當吸附 床使用一段時間后 出口氣體污染物濃度達到某一允許最大濃度時 認為吸附床失效 從氣流開始通入至吸附床失效這段時間稱為穿透時間 或保護作用時間 表示吸附床 處理氣體量與出氣口污染物濃度之間的關系的曲線稱為穿透曲線 穿透曲線的形狀和 穿透時間取決與固定床的操作方法 操作過程的實際速率和機理 吸附平衡性質 氣 流速度 污染物入口濃度 以及床層厚度等都影響穿透曲線的形狀 此過程比較復雜 目前仍是只是近似過程的計算 假定吸附床到達穿透時間時全部處于飽和狀態 即達到它的平衡吸附量 a 也稱 a 為靜活度 同時根據朗格謬爾等溫線假定靜活度不在與氣象濃度有關 在吸附作用時 間 內 所吸附污染物的量為 13 X aSL b 式中 X 在時間 內的吸附量 18 a 靜活度 重量 S 吸附層的截面積 m2 L 吸附層高度 m b 吸附劑的堆積密度 設計為 470 kg m3 固定床雖然結構簡單 但由于污染物在床層內濃度分布是隨時間變化 計算比較復雜 因此目前工程上都是采用近似計算 通過算活性炭的作用時間進行后處理的計算 活 性炭的作用時間由下式算出 14 V 10 Wd CQt 9 式中 V 活性炭的裝填量 3 m C 進口氣污染物的濃度 mg 3 m Q 氣流量 h 3 m t 活性炭的使用時間 h W 活性炭原粒度的中重量穿透炭容 d 活性炭的堆密度 0 8t 3 m V 20 sp v Q 1000 20000 3 m 算出三苯每小時的排放量 三苯 的濃度 0 100 80 100 20000 10 5 6kg h 6 假設吸附器的吸附器的吸附效率為 85 則達標排放時需要吸附總的污染物的量 為 5 6 85 4 76 kg h t 10 285h CQ VWd 9 9 10 20000280 8 0 1020 則在吸附作用時間內的吸附量 X 4 76 285 1356 6 根據 X aSL得 b 19 L b aS X 根據活性炭的吸附能力 設靜活度為 16kg 甲苯 100kg 活性炭 所以 L 3 24m 47056 5 16 0 6 1356 4 2 5 吸附劑 活性炭 用量的計算 吸附劑的用量 M M LS b 3 24 5 56 470 8600kg 吸附劑本身占據體積 V LS 3 24 5 56 18 1 3 m 吸附劑床層體積 V 25 8 b s V 470 670 1 18 3 m 設計吸附床層尺寸為 L B 6600mm 3200mm 則每塊塔板的截面積 A 21 12 3 3 m 取板上固定床高度 H 0 35m 則吸附器中塔板數 n 3 5 4 塊 HA V 3 35 0 12 21 8 25 考慮安裝的實際情況 得到固定床吸附裝置的實際尺寸取為 L B H 7000mm 3300mm 3000mm 4 2 6 床層壓降的計算 15 流體通過固定床吸附器時 由于流體不斷地分流和回合 以及流體與吸附劑顆粒 和器壁的摩擦阻力 會產生一定的壓降 在設計固定床吸附器時多采用流路模型估算 床層壓力降 若對壓力降計算有更高的要求 則可直接用實驗測得的數據 本設計的 床層壓力降用下式計算 2 p f 32 p f 2 3 d 1 75 1 d 1 150 UU L P 20 根據活性炭的性能 220 76 0 003 1 0147 1 5 0 5 01 75 1 003 0 1 01094 1 5 0 5 01 150 35 0 2 32 5 2 3 P P 220 76 0 35 77 27Pa 1 4 2 7 活性炭再生的計算 16 吸附劑的吸附容量有限 一般在1 40 質量分數 之間 要增大吸附裝置的 處理能力 吸附劑一般都循環使用 即當吸附劑達到飽和或接近飽和是 使其轉入脫 附和再生操作 一般常用的再生方法有 升溫脫附 降壓脫附 置換脫附 吹打脫附 化學轉化再生法 溶劑萃取 此外 還有一些其他的吸附劑脫附再生方法 如電解氧 化再生法 微生物再生法和藥物再生法等 至于工業上到底采用哪種操作方法 應視 具體情況選用既經濟又有效的方法 生產實際中 常常是幾種方法結合使用 如活性 炭吸附有機蒸氣后 可用通入高溫蒸氣再生 也可用加熱和抽真空的方法再生 沸石 分子篩吸附水分后 可用加熱氮氣的辦法再生 本設計采用升溫脫附 即在等壓下升高吸附床層溫度 進行脫附 然后降溫冷卻 重新吸附 吸附床的操作溫度為 T 原料中吸附質的分壓為 P 當吸附床達飽和后 11 吸附劑吸附容量為 x 假定吸附階段終了時 允許吸附后氣體中的吸附容量低于 x 12 升溫脫附可將吸附劑從 T 升溫到 T 這是吸附劑容量可以低于 x 122 1 干燥吸附劑時空氣消耗量 L W l W xx 12 1 式中 L 干燥吸附劑時空氣的消耗量 kg 空氣的單位消耗量 即干空氣 H O 無量綱l 2 x x 分別為離開 進入吸附劑層時空氣的含濕量即 H O 干空氣 122 W 干燥時驅走的水分 kg 由 化工原理 查表得 35 C 時飽和水蒸氣蒸氣密度為 0 03960kg m 則 03 L 0 03960 20000 931 76kg 85 1 2 加熱空氣所消耗得空氣熱含量 21 Q I I Wl 21 式中 I 由加熱器進入吸附器的空氣熱含量 J kg 2 I 進入加熱器的空氣熱含量 J kg 1 設利用120 C的熱風進行脫附 查得35 C時干空氣的熱含量為1 005KJ kg C 000 120 C時為1 009 KJ kg C 則 00 Q 1 009 1 005 120 35 0 03960 20000 316 8 KJ 85 1 4 3 集氣罩集氣罩的設計計算的設計計算 在工業生產中 常用于控制各種顆粒物和氣態污染物的方法是將有害物質在發生 源收集起來 經過凈化設備凈化后排到大氣中 這就是局部排氣凈化系統 這種系統 所需要的風量最小 效果好 能耗也少 是生產車間控制空氣污染最有效 最常用的 方法 局部排氣凈化系統主要由集氣罩 風管 凈化設備 風機 煙囪等組成 局部排 氣凈化系統的設計主要包括污染物的捕集裝置 管道系統 凈化設備設計等幾個部分 該系統用以捕集污染物的裝置大多數呈罩子形狀 通常稱為集氣罩 它是氣體凈 化系統的關鍵部件 它可將粉塵及氣態污染物導入凈化系統 同時防止污染物向生產 車間及大氣擴散 集氣罩的性能對整個氣體凈化系統的技術經濟效果有很大的影響 設計完善的集氣罩能在不影響生產工藝和生產操作的前提下 用較小的排風量獲得最 佳的控制效果 而設計不良的集氣罩即使用很大的排風量也達不到預期的目的 在控制 氣體中擴散效果相同的前提下 排風量越大 則整個凈化系統也越大 投資與運行費 用也相應增加 因此 集氣罩的設計是氣體凈化系統設計的重要環節 4 3 1 集氣罩氣流的流動特性 研究集氣罩罩口氣流運動的規律對于有效捕集污染物是十分重要的 集氣罩罩口 氣流運動方式有兩種 一種是吸氣口氣流的吸入流動 另一種是吹氣口氣流的吹出流 動 了解吸入氣流 吹出氣流以及兩種氣流合成的吹吸氣流的運動規律 是合理設計 22 和使用集氣罩的基礎 吸入氣流和吹出氣流的流動特性是不同的 吹出氣流在較遠處 仍能保持其能量密度 吸入氣流則在離吸氣口不遠處其能量密度急劇下降 這亦表明 吹出氣流的控制能力大 而吸入氣流則有利于接受 因此 可以利用吹出氣流作為動 力 把污染物輸送到吸氣口再捕集 或者利用吹出氣流阻擋 控制污染物的擴散 4 3 2 集氣罩的分類及設計原則 集氣罩的種類繁多 應用廣泛 按其氣流流動的方式可分為兩大類 吸氣式集氣 罩和吹氣式集氣罩 按集氣罩與污染源的相對位置及密閉情況 還可將吸氣式集氣罩 分為 密閉罩 排氣柜 外部集氣罩 接受式集氣罩等 其集氣罩的設計原則為 1 集氣罩應盡可能包圍或靠近污染源 使污染物的擴散限制在最小的范圍內 盡可能減少氣吸氣范圍 防止橫向氣流的干擾 減少排風量 2 集氣罩的吸氣氣流盡可能與污染氣流運動方向一致 以充分利用污染氣流的 初始動能 3 在保證控制污染的條件下 盡量減少集氣罩的開口面積 使排風量最小 4 集氣罩的吸氣氣流不允許通過人的呼吸區再進入罩內 設計時要充分考慮操 作人員的位置和活動范圍 5 集氣罩的配置應與生產工藝協調一致 力求不影響工藝操作和設備維修 6 集氣罩應力求結構簡單 堅固耐用而造價低 并便于制作安裝和拆卸維修 7 要盡可能避免或減弱干擾氣流辱穿堂風 送風氣流等對吸氣氣流的影響 雖然集氣罩的結構不十分復雜 但由于各種因素的相互制約 要同時滿足上述要求 并非易事 應充分了解生產工藝 操作特點和現場實際 4 3 3 集氣罩的選型 由于受工藝條件限制 一般產生有機廢氣的車間無法進行密閉 且噴氣車間室內 橫向氣流干擾較小 可采用外部集氣罩的上部傘形罩 如 附圖 5 所示 其基本參數如下 排風量 Q 20000 m3 h 鋼板制圓形風管 取風速 12 m s 23 風管直徑 m 圓整為 800 77 0 36001214 3 2000044 u Q d 規格為 800 1 0 風管橫截面積 0 50 22 8 014 3 4 1 4 1 df 則實際風管氣速 11 1 m s 36008 014 3 2000044 2 d Q u 表表 4 44 4 集氣罩罩口速度集氣罩罩口速度 12 條件舉例 罩口速度 m s 揚塵速度極低 1 煙塵從敞口容器外溢 0 25 0 5 沒有干擾氣流 2 液面蒸發 3 浸槽 揚塵低速飛散 1 噴漆 0 5 1 0 無干擾氣流 2 酸洗 3 焊接 揚塵較高速飛散 1 開煉機 密煉機 1 0 2 5 有較小干擾氣流 2 裝袋 裝桶 3 解包車 揚塵高速飛散 1 噴砂 2 5 10 有干擾氣流 2 粉磨機 3 砂輪機 罩口速度 對照表 4 4 確定 0 8 m s 24 罩口面積 5 9 6 8 03600 20000 0 Q A 罩口直徑 m98 2 14 3 95 6 44 0 A D 罩口直邊長度 m 減少周圍空氣混入排風系統 2 0 2 L 罩口敞開面周長 m34 9 14 3 95 6 4 14 3 4 0 A L 罩口喇叭口長度 取 mdL3 0 2 18 05 15 1 0 dL 罩的擴張角角 tan 在允許的范圍內 arc 0 90 8 098 2 2 122 0 dD L 00 60 3 42 圓形工作臺特征尺寸 5 1 0 d 工作臺至地面高度 m5 1 00 dH 又 設計符合要求 2 053 0 5 1 8 0 0 d d 0 298 1 5 1 98 2 2 1 0 d D 污染源至至罩口高度 取 H 1 m 05 1 5 17 07 0 0 dH 4 4 吸附前的預處理吸附前的預處理 對于一般的有機廢氣的工藝過程所產生的塵霧在高速噴出時 誘導周圍的空氣流 動 加上工作點的不斷變換 又與工件周圍的空氣大量混合 在反彈氣流及車間內橫 向氣流作用下 塵霧呈無序發散 這些粉塵含量不高 粒徑較小 絕大部分在10um以 下 若未經處理 將很快堵塞活性炭微孔 使活性炭失效 目前 國內外對這些塵霧特別是噴漆污染的治理非常重視 凈化方式多種多樣 有 干式過濾法 濕式過濾法 燃燒法 催化燃燒法 吸附法 蒸餾析法等 根據不同產 品的特性 產品生產狀況以及經濟性 場地情況進行選擇 本設計除霧處理采用前置式干式除塵過濾器 具體運行參數如下 處理風量 Q 20000 m3 h 過濾速度 u 1 2 1 5 m s 過濾面積 S 4 0 m2 4 13600 20000 25 過濾器的尺寸 長 寬 高 700 2000 2000mm 設備阻力 350Pa 2 P 數量 一臺 采用鋼板進行燒焊 過濾箱采用抽屜方式放置雙層進口干式除塵和除霧過濾材料 容塵量大 凈化效率高 阻力低 過濾風速大 阻燃 干式過濾材料使霧狀物變成松 散粉塵狀 材料飽和后可取出拍打 抖落 或用吸塵器吸塵后重復使用多次 4 5 管道系統設計計算管道系統設計計算 只有通過各種管道把各種凈裝置連接在一起才能組合成完整的凈化系統 因此 管道系統設計是凈化系統設計中不可缺少的組成部分 合理地設計 施工和使用管道 系統 不僅