有机废气处理活性炭吸附详细计算.docx
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有机废气处理活性炭吸附详细计算
活性炭吸附脱附及附属设备选型详细计算书
1.绪论1
1.1概述1
1.1.1有机废气的来源1
1.1.2有机物对大气的破坏和对人类的危害1
1.2有机废气治理技术现状及进展2
1.2.1各种净化法的分析比较2
2设计任务说明4
2.1设计任务4
2.2设计进气指标4
2.3设计出气指标4
2.4设计目标4
3工艺流程说明5
3.1工艺选择5
3.2工艺流程5
4设计与计算7
4.1基本原理7
4.1.1吸附原理7
4.1.2吸附机理7
4.1.3吸附等温线与吸附等温程式8
4.1.4吸附量10
4.1.5吸附速率11
4.2吸附器选择的设计计算11
4.2.1吸附器的确定11
4.2.2吸附剂的选择13
4.2.3空塔气速和横截面积的确定15
4.2.4固定床吸附层高度的计算15
4.2.5吸附剂（活性炭）用量的计算17
4.2.6床层压降的计算]15[17
4.2.7活性炭再生的计算]16[18
4.3集气罩的设计计算19
4.3.1集气罩气流的流动特性19
4.3.2集气罩的分类及设计原则20
4.3.3集气罩的选型20
4.4吸附前的预处理22
4.5管道系统设计计算23
4.5.1管道系统的配置23
4.5.2管道流体流速的选择24
4.5.3管道直径的确定24
4.5.4管道流体的压力损失25
4.5.5风机和电机的选择25
5工程核算28
5.1工程造价28
5.2运行费用核算28
5.2.1价格标准28
5.2.2运行费用29
6结论与建议30
6.1结论30
6.2建议30
致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
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（Volatileorganiccompounds）,在涂装、印刷、制鞋和化工生产的多行业中,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（VOCs）废气的排出。
VOCs废气排入大气环境中会产生以下几个面的影响:
①VOCs是光化学反应的前体,有照射时,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；
②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；
③有些有毒的VOCs（如芳香烃等）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重威胁，引起了世界各国政府的高度重视。
美国环保署EPA（EnvironmentalProtectionAgency）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VOCs]1[。
我国在1997年1月1日开始实施的《中华人民国标准大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）也规定了苯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等VOCs排放较为格的标准，如表1.1所示。
表1.1几种VOCs排放的标准
VOCs
最高允排放浓度（mg/m3）
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，其产生式及排放式也不尽相同。
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，选择合适的法是有机废气治理的关键。
有机废气治理的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，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。
1.2.1各种净化法的分析比较
解决有机废气的污染,最根本的法是工艺改革。
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。
目前国常采用的三种净化法分析比较见表1.2。
表1.2国外有机废气常用处理法的优缺点比较]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。
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
设计容为20000m3/h活性炭吸附工业有机废气的工程设计，主要容包括：
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
依据省地标准《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
≤12
≤40
≤70
2.4设计目标
（1）格执行有关环境保护的各项规定，确保各项污染指标达到及地区有关污染物排放标准。
（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[,国外对有机废气治理的常用法有三种:
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,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
在用多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。
由于多性固体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，两者之间没有格的界限。
两者的主要区别见表4-1]5[
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
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
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