大气污染处理设计课程.doc
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南京工业大学环境学院环境工程系
环境工程专业
大气污染课程设计
计算说明书
编制人：
班级：
学号：
指导老师：
编制日期：
南京工业大学环境学院环境工程系
目录
一．设计目的 1
二．设计条件 1
2.1设计任务 1
2.2原始材料 1
2.3排放标准 1
2.4处理方法 2
三．工艺设计与计算 3
3.1工艺流程的初步确定 3
3.2吸附塔计算 3
3.2.1吸附剂筛选 3
3.2.2吸附剂再生 4
3.2.3吸附塔设计 4
3.3确定工艺流程 8
3.4管道计算及选材 9
3.5排气筒高度 9
3.6系统阻力计算 9
3.6.1沿程阻力计算 9
3.6.2局部阻力计算 10
3.7风机选型 10
3.8吸附塔气速校核 11
3.9工艺参数核算 13
3.10其他参数说明和计算 13
四．工艺流程说明 13
五．绘图 14
5.1工艺流程高程图 14
5.2吸附塔结构图 14
5.3平面布置图 15
参考文献 16
一、设计目的：
（1）通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行工业废气处理系统设计的初步能力
（2）通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养确定大气污染控制系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、查找与使用技术资料、编写设计说明书的能力。
二、设计条件：
2.1设计任务
1、根据工艺废气相关资料，确定废气处理流程；
2、对废气处理流程中相关设备进行工艺计算，确定其形式、数目与尺寸；
3、对标准设备进行选型，计算相关管道尺寸并确定材质；
4、进行各设备的总体布置，吸附塔设备结构图（主视图、俯视图、剖面图）。
2.2原始材料
某化工厂生产过程中需排放含甲苯的有机工艺废气。
相关数据：
流量：
2100Nm3/h；温度：
40℃；压力：
由风机决定；组成（v/v）：
甲苯：
0.28%；其它：
空气。
试设计出一种废气处理工艺，使处理后工艺废气满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）中规定的二级排放要求。
2.3排放标准
《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）甲苯排放标准（执行二级标准）
污染物
最高允许排放浓度
最高允许排放速率，
无组织排放监控浓度限值
排气筒高度，m
一级
二级
三级
监控点
浓度
甲苯
60
15
禁排
3.6
5.5
周围外浓度最高点
0.30
20
6.1
9.3
30
21
31
40
36
54
2.4处理方法的确定
VOCs的处理方法有：
（1）燃烧法
用燃烧方法将有害气体、蒸汽、液体或烟尘转化为无害物质的过程称为燃烧法净化，燃烧法净化时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下热分解。
；很高时，可把废气当燃料燃烧；在热力燃烧和催化燃烧情况下，所处理废气中可燃物浓度太低，必须借助辅助燃料来实现燃烧。
在绝大多数处理有机废气场合，废气中VOC浓度一般较低，而风量较大。
往往因为回收废气中的有机溶剂在经济上不划算或难以使回收后的溶剂重复使用，以及在回收过程中可能产生二次污染等问题，才采用燃烧法处理有机废气。
（2）吸收法
溶剂吸收法采用低挥发或不挥发性溶剂对VOCs进行吸收，再利用VOCs分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。
在对含VOCs废气进行治理的方法中，吸收法的应用不如燃烧法、吸附法等广泛，影响应用的主要原因是因为有机废气的吸收剂均为物理吸收，其吸收容量有限。
吸收法净化有机废气，最常见的是用于净化水溶性有机物，国内已有一些有机废气吸收的应用实例，但净化效率都不高。
另外，吸收法的投资费用较大，用于吸收剂循环的操作费用也较高，如果废气中含多种有机组分，则难以再生利用或必须添加分离设备，还可能产生废水而造成二次污染。
目前此法多用于废气中无机污染物的净化。
（3）吸附法
目前工业上常用吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等
（4）冷凝法
冷凝法利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸气状态的污染物（如VOCs）冷凝并与废气分离。
该法特别适用于处理废气体积分数在10-2以上的有机蒸气。
冷凝法在理论上可达到很高的净化程度，但是当体积分数低于10-6时须采取进一步的冷冻措施，使运行成本大大一高提高。
所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体，主要用于回收溶剂，作为废气净化的一道预处理工序，以降低有机负荷，回收有机物。
（5）生物法
生物法控制VOCs污染是近年发展起来的污染控制技术，主要针对既无回收价值又严重污染环境的工业废气研究开发的。
该技术已在德国、荷兰得到规模化应用，有机物去除率大都在90%以上。
与常规处理法相比，生物法具有设备简单，运行费用低，较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显经济。
生物法适合处理气量在800-20000Nm/h左右的废气，废气的浓度一定要小，设备的占地面积很大。
此次课程设计是去除烟气中的甲苯，采用吸附法。
三、工艺设计与计算：
3.1工艺流程的初步确定
有机废气
过滤器
冷凝器
活性炭吸附塔
风机
处理后排放
说明：
简易的工艺流程图如上，含甲苯的废气先通过过滤器除去颗粒状污染物，由于含甲苯的废气温度在40℃，所以必须要先经过冷凝器将废气温度将在室温左右，然后有机废气进入吸附塔内，有机废气被吸附剂（活性炭）吸附，净化后的气体被排入大气中。
3.2吸附塔计算
3.2.1.吸附剂筛选
工业吸附剂的要求应具备以下特性：
A、具有大的比表面积
B、具有良好的选择性吸附作用
C、具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸
D、具有足够的热稳定性及化学稳定性
E、有良好的再生性能
F、吸附剂的来源广泛，价格低廉
名称
粒度
（目数）
颗粒密度
（kg/m3）
颗粒孔
隙率
填充密度
（kg/m3）
比表面积
（m2/g）
活性炭（粉末状）
<100
500~700
0.6~0.8
约450
700~1300
活性炭不适合用于吸附沸点高于200℃、分子量大于130的化合物。
而高挥发物质如分子量低于45，则不受活性炭吸附。
甲苯的相对分子量为92，适宜采用活性炭吸附剂。
3.2.2吸附剂再生
活性炭是一种非常重要的吸附剂，活性炭的再生主要有以下几种方法：
（1） 加热再生法在高温下，吸附质分子提高了振动能，因而易于从吸附剂活性中心点脱离；同时，被吸附的有机物在高温下能氧化分解，或以气态分子逸出，或断裂成短链，因之也降低了吸附能力。
加热再生过程分五步进行：
1）脱水：
使活性炭和输送液分离。
2）干燥：
加温到100~150℃，将细孔中的水分蒸发出来，同时使一部分低沸点的有机物也挥发出来。
3）碳化：
加热到300~700℃，高沸点的有机物由于热分解，一部分成为低佛点物质而挥发，另一部分被碳化留在活性炭细孔中。
4）活化：
加热到700~1000℃，使碳化后留在细孔中的残留碳与活化气体（如蒸气、CO2、O2等）反应，反应产物以气态形式（CO2、CO、H2）逸出，达到重新造孔的目的。
5）冷却：
活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。
本次课程设计采用采用热再生，通过往吸附塔内加入蒸汽来达到活性炭的再生。
3.2.3吸附塔设计
已知：
废气的流量为2100，甲苯体积分数为0.28%，温度40℃
（1）根据理想气体方程，在P、n、R一定的时候，体积V与温度T成正比，而流量Q与体积V也成正比，所以有：
，即有=
在根据：
，即有
经过冷却器处理后，可得：
（冷却至室温）
（2）根据质量浓度的计算公式：
进入冷却器之前甲苯的质量浓度：
进入冷却器后前甲苯的质量浓度：
根据《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）甲苯排放标准（执行二级标准），最高允许排放浓度为60mg/m3，即有：
（3）根据流量为2100m3/h，若流速过大则不利于活性炭的吸附，若流速过小则不利于甲苯的处理效率，此时参考相关资料，取流速0.3m/s。
吸附塔径的计算：
即
其中：
QV-废气的流量m3/s、u-废气的流速m/s、D-管道的管口直径m
为了保证压力损失不会过大，将塔径设大一点比较好，因此采用公称直径长轴为2000mm的椭圆形封头，则吸附塔的塔径应设置为2.0m。
当塔径为2.0m时，此时的流速为0.20m/s
（4）吸附塔床层高度的确定
（4-1）、吸附剂动态平衡吸附量确定：
参考由周烈性、彭金辉等著作的《活性炭对甲苯的吸附平衡及热力学研究》，活性炭的孔径在0.5-2mm能够有效的吸附甲苯，活性炭的最大的吸附量为0.273g/g，考虑实际工业中会有很多因素的影响，取动态平衡吸附量理论值的约80%为实际值（70%-90%）,则实际的吸附量为0.273*0.8=0.218g/g。
类型
堆积密度
对甲苯饱和吸附量
计算动态饱和附量
粒径/mm
孔隙率
KC-2.0
450
218
0.218
2
0.40
（4-2）、吸附周期的确定：
设计吸附周期为5天，即
（4-3）吸附剂（活性炭）的用量计算：
活性炭吸附剂的用量按此公式计算：
其中：
Qv-气体的流量m3/s
M-投加吸附剂（活性炭）的量kg
T-吸附周期s
C0-处理前废气中甲苯的浓度mg/m3
Ce-处理后废气中甲苯的浓度mg/m3
qm-活性炭对甲苯的饱和吸附量kg/kg
则活性炭的投加量为：
（4-4）吸附剂（活性炭）床层高度计算
先根据，即（活性炭的密度为450kg/m3）
由于需要的活性炭体积比较大，将活性炭体积分为2份，每份17.6m3,，做成2个吸附塔（串联），每个吸附塔的床层高度为H：
，即
在此高度下吸附塔内气体基本能够混合均匀。
一个在吸附，另一个再生。
如此轮换操作。
（4-5）吸附床层压力降计算：
根据欧根公式:
其中：
选择典型的颗粒状活性炭为吸附剂，当粒径为2mm，孔隙率为0.4，313K，一个大气压下（P=101325pa），空气粘度是19.04×10-6Pa*s，空气密度为1.128kg/m3。
则压力降
选用高压离心风机能够满足要求。
3.3确定工艺流程
活性炭吸附塔
处理后排放
高压离心风机
冷凝器
过滤器
有机废气
3.4管道计算及选材
根据《环境工程原理》第二版（胡洪营著）中：
在管路设计中，选择适宜的流速是非常重要的，因为流速影响流动阻力和管径，进而影响系统的操作费用和建设投资，一般情况下，液体的流速取0.5-3.0m/s，气体则为10-30m/s，本设计过程中取流速为20m/s
则：
圆形通风管道规格
外径D/mm
钢板制风管
塑料制风管
外径D/mm
钢板制风管
塑料制风管
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
100
±1
0.5
±1
3.0
500
+1
0.75
4.0
120
560
1.0
±1.5
140
630
160
700
5.0
180
800
200
900
220
0.75
10
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