活性炭吸附VOC的工程設(shè)計

1、活性炭吸附VOC的工程設(shè)計摘 要近年來，人們逐漸認識到有機廢氣對環(huán)境和人類健康的巨大危害性，因此在環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)τ袡C廢氣的治理越來越受到人們的重視。本設(shè)計將介紹一種有效且最廣泛使用的工業(yè)有機廢氣的凈化技術(shù)活性炭吸附法。本設(shè)計利用活性炭固定床吸附系統(tǒng)對工業(yè)有機廢氣進行凈化。經(jīng)過該系統(tǒng)之前，廢氣會先用干式除塵器進行預(yù)處理，去除廢氣中的霧狀物及粉塵，從而避免了這些物質(zhì)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(shè)計上，本文采用了臥式多層設(shè)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(yè)廢氣的處理現(xiàn)狀，主要處理方法和優(yōu)缺點，并且闡述本設(shè)計所采用該技術(shù)的

2、原因。其次，本文將系統(tǒng)介紹所采用技術(shù)的基本原理，設(shè)計原則和設(shè)計過程計算。最后，對本畢業(yè)設(shè)計的造價和費用進行工程預(yù)算，包括工程施工費用、設(shè)備費用、工程管理費用、設(shè)備維護費用和水電費等等，確定其經(jīng)濟可行性。還給出了綜合性的評價和可行性的建議。關(guān)鍵詞：工業(yè)有機廢氣，干式除塵器，固定床吸附器，活性炭AbstractDue to ubiquity in the environment and risk to human health, volatile organic compounds (VOCs) have received great attention in the field of envir

3、onmental 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 (VOC

4、s). 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

5、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 t

6、ext 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 supercis

7、ing, 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, ac

8、tivated carbon目錄1. 緒 論11.1 概述1有機廢氣的來源1有機物對大氣的破壞和對人類的危害11.2 有機廢氣治理技術(shù)現(xiàn)狀及進展21.2.1 各種凈化方法的分析比較32 設(shè)計任務(wù)說明42.1 設(shè)計任務(wù)42.2設(shè)計進氣指標42.3 設(shè)計出氣指標42.4 設(shè)計目標43 工藝流程說明63.1 工藝選擇63.2 工藝流程64 設(shè)計與計算84.1 基本原理8 吸附原理84.1.2 吸附機理94.1.3 吸附等溫線與吸附等溫方程式94.1.4 吸附量124.1.5 吸附速率124.2吸附器選擇的設(shè)計計算134.2.1 吸附器的確定134.2.2 吸附劑的選擇144.2.3 空塔氣速和橫截面

9、積的確定164.2.4 固定床吸附層高度的計算17吸附劑（活性炭）用量的計算184.2.6 床層壓降的計算194.2.7 活性炭再生的計算194.3集氣罩的設(shè)計計算20集氣罩氣流的流動特性21集氣罩的分類及設(shè)計原則21集氣罩的選型224.4吸附前的預(yù)處理244.5 管道系統(tǒng)設(shè)計計算244.5.1 管道系統(tǒng)的配置254.5.2 管道內(nèi)流體流速的選擇26管道直徑的確定26管道內(nèi)流體的壓力損失27風機和電機的選擇275 工程核算305.1 工程造價305.2 運行費用核算31價格標準31運行費用316 結(jié)論與建議326.1結(jié)論326.2建議32參考文獻34致謝351. 緒 論1.1 概述1.1.1有

10、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(chǎn)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(shè)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。有機物對大氣的破壞和對人類的危害有機廢氣中的揮發(fā)性有機物稱為VOCs (Volatile organic compounds) ,在涂裝、印刷、制鞋和化工生產(chǎn)的許多行業(yè)中,一些工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程都伴有大量的揮發(fā)性有機化合物(VOCs) 廢氣的排出。VOCs 廢氣排入大氣環(huán)境中會產(chǎn)生以下幾個方面的影響: VOCs 是光

11、化學反應(yīng)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(zhì)發(fā)生一系列光化學反應(yīng),主要生成臭氧,形成光化學煙霧,從而發(fā)生光化學污染； 光化學煙霧會刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng),有些VOCs 還具有強烈刺激氣味,空氣中達到一定濃度時則產(chǎn)生令人不適的感覺,影響空氣質(zhì)量； 有些有毒的VOCs (如芳香烴等) 氣體在環(huán)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(fā)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(jīng)具有強的麻醉作用； 氯乙烯為致癌物。在制鞋業(yè), 由于“三苯”中毒而導致工人致死事件已發(fā)生過多起, 而涂料工業(yè)使用的溶劑中,主

12、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(fā)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(huán)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(huán)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。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

13、16297- 1996) 也規(guī)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1. 1幾種VOCs 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。1.2 有機廢氣治理技術(shù)現(xiàn)狀及進展有機廢氣的來源多種多樣，其產(chǎn)生方式及排放方式也不盡相同。因此，有機廢氣的治理技術(shù)也多種多樣，各種治理技術(shù)也存在自己不同的優(yōu)缺點。在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的情況，選擇合適的方法是有機廢氣治理的關(guān)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(shù)有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離技術(shù)及變壓

14、吸附技術(shù)等；有機廢氣消除技術(shù)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(yīng)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(wěn)定的蒸汽源，且活性炭經(jīng)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

15、提高廢氣溫度，要消耗大量的能源。目前應(yīng)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(chǎn)的連續(xù)性，一般設(shè)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(shè)備笨重，投資大，操作麻煩；由于床層體積大，容易出現(xiàn)因吸附熱的積蓄引起的燃燒爆炸等現(xiàn)象。針對這些問題，現(xiàn)有新型裝置的吸附器采用一種多單元分流組合結(jié)構(gòu)，并以新型材料活性炭纖維作為吸附劑，采用PLC電腦來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的連續(xù)運行。 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(xiàn)階段生產(chǎn)中是不能馬上實現(xiàn)的, 苯類溶劑使用量仍然很大。所以必須解決廢氣

16、凈化問題。目前國內(nèi)常采用的三種凈化方法分析比較見表 1.2。表 1.2國內(nèi)外有機廢氣常用處理方法的優(yōu)缺點比較凈化類別優(yōu)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(zhuǎn)費用低。1、廢氣凈化前要進行預(yù)處理。2、僅限于低濃度。3、設(shè)備龐大, 占地面積多。催化燃燒法1、設(shè)備簡單、投資少、操作方便、占地面積小。2、熱量可以循環(huán)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(yù)處理。3、建造快、占地少。1、后處理投資大, 費用高。2、對溶劑成

17、份選擇性大。2 設(shè)計任務(wù)說明 2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計內(nèi)容為20000 m3/h活性炭吸附工業(yè)有機廢氣的工程設(shè)計，主要內(nèi)容包括：廢氣治理工藝、主體設(shè)備選型和非標準設(shè)備設(shè)計，管道輸送系統(tǒng)設(shè)計及吸附劑再生系統(tǒng)設(shè)計等，應(yīng)完成工作：（1）紙質(zhì)設(shè)計說明書及其電子版本；（2）譯文及原文影印件。（3）設(shè)計圖紙（平面布置圖、工藝流程圖、主要構(gòu)筑物圖、管道布置圖等）2.2設(shè)計進氣指標 風量為20000，溫度為35，排氣壓力為101.325 kpa，苯濃度為100。甲苯濃度為80,二甲苯濃度為100，2.3 設(shè)計出氣指標依據(jù)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 ,具體數(shù)據(jù)見表2-1

18、: 表2-1.設(shè)計出氣指標 單位mg/m3指 標苯甲苯二甲苯出氣濃度1240702.4 設(shè)計目標（1）嚴格執(zhí)行國家有關(guān)環(huán)境保護的各項規(guī)定，確保各項污染指標達到國家及地區(qū)有關(guān)污染物排放標準。（2）經(jīng)本處理工藝處理后的廢氣，將不會產(chǎn)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(shè)計與設(shè)備選型能夠在生產(chǎn)運行過程中具有較大的調(diào)節(jié)余地。3 工藝流程說明 3.1 工藝選擇處理工藝的選擇, 應(yīng)根據(jù)氣量大小、凈化要求、回收的可能性、設(shè)備建造和運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性等條件全面考慮, 實際工作中應(yīng)特別注意與工藝密切配合, 盡可能做

19、到綜合利用。目前,國內(nèi)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(nèi)外一致認為該法是最為成熟和可靠的技術(shù),但該工藝流程過長,操作費用高,另外需要穩(wěn)定的蒸氣源也常常是比較困難的事情。針對這些問題,結(jié)合本畢業(yè)設(shè)計特點和具體要求，采用利用活性炭固

20、定床吸附系統(tǒng)對工業(yè)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該處理工藝系統(tǒng)組合十分緊湊,集吸附-脫附于一體。在生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的廢氣主要為苯、甲苯、二甲苯等，根據(jù)苯類性質(zhì)，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(guī)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

21、,達到余熱的利用。生產(chǎn)中揮發(fā)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(nèi)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 4設(shè)計與計算 4.1 基本原理 吸附原理在用多孔性固體物質(zhì)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(xiàn)象稱為吸附。吸附處理廢氣時，吸附的對象是氣態(tài)污染物，被吸附的氣體組分稱為吸附質(zhì)，多孔性物質(zhì)稱為吸附劑。固體表面吸附了吸附質(zhì)后，一部分被吸附的吸附質(zhì)可從吸附劑表面脫離，此現(xiàn)象稱為脫附。而當吸附進行一段時間后，由于表面吸附質(zhì)的濃集，使其吸附能力明顯下降而不能滿足吸附凈

22、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(zhì)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(huán)過程，達到除去廢氣中污染物質(zhì)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(jù)吸附劑表面與被吸附物質(zhì)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(fā)生物理吸附，而在較高溫度下發(fā)生化學吸附，或者兩種吸附同時發(fā)生，兩者之間沒有嚴格的界限。兩者的主要區(qū)別見表 4-1 表4-1 物理吸附與化學吸附的區(qū)別性質(zhì)物理吸附化學吸附吸附力范德華力化學鍵力吸附層數(shù)單層活多層單層吸附

23、熱小（近于液化熱）大（近于反應(yīng)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(zhì)間的吸附力不強，當氣體中吸附質(zhì)分壓降低或溫度升高時，容易發(fā)生脫附。工業(yè)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(zhì)的回收利用的。 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(zhì)時，由于吸附劑表面沒有吸附質(zhì)，因此也就沒有吸附質(zhì)的脫附。但隨著吸附的進行，吸附劑表面上的吸附質(zhì)量逐漸增多，也就出現(xiàn)了吸附質(zhì)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(nèi)吸附質(zhì)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(nèi)吸附質(zhì)的吸附量與脫附量相等時，吸附和脫

24、附達到動態(tài)平衡，此時稱為達到吸附平衡。平衡時，吸附質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的極限吸附量，亦稱靜吸附量分數(shù)或靜活性分數(shù)，用Xt表示，無量綱。它是設(shè)計和生產(chǎn)中十分重要的參數(shù)。吸附平衡時，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度關(guān)系，一般用吸附等溫線表示。吸附等溫線通常根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制，也常用各種經(jīng)驗方程式來表示。 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(zhì)吸附數(shù)量的極限，其數(shù)值對吸附造作，設(shè)計和過

25、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(zhì)在流體中的濃度與吸附溫度間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，此關(guān)系即為吸附平衡關(guān)系，其一般都是根據(jù)實驗測得的，也可以用經(jīng)驗方程式表示。.1 吸附等溫線 在氣體吸附中，其平衡關(guān)系可表示為： A 式中 A平衡吸附量； p吸附平衡時吸附質(zhì)在氣相中的分壓力； T吸附溫度 根據(jù)需要。對一定的吸附體系可測得如下關(guān)系： 當保持T不變，可測得A與P的變化關(guān)系 當保持P不變，可測得A與T的變化關(guān)系 當保持A不變，可測得P與T的變化關(guān)系依據(jù)上述變化關(guān)系，可分別繪出相應(yīng)的關(guān)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

26、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(jù)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。 .2 吸附等溫方程式根據(jù)大量的吸附等溫線整理出描述吸附平衡狀態(tài)的經(jīng)驗方程式，即為吸附等溫方程式，其中有的完全依據(jù)實驗數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的規(guī)律整理而得，一定條件范圍內(nèi)具有應(yīng)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(shè)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(yīng)用較多。（1）朗格謬爾方程式朗格謬

27、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(tài)平衡；吸附劑表面性質(zhì)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(jù)上述假設(shè)，可推導出朗格謬爾等溫式： 式中 吸附劑表面被吸附分子覆蓋的百分數(shù)； a 吸附系數(shù)，是吸附作用的平衡常數(shù)； p 氣相分壓。朗格謬爾等溫式的另一表現(xiàn)形式為： = 式中 單分子層覆蓋滿時（）的吸附量； 在氣相分壓p下的吸附量。在壓力很低時，或者吸附很若時，ap1,上式變成：V=Vmap由朗格謬爾等溫式得到的結(jié)果與許多實驗現(xiàn)象相符合，能夠解釋很多實驗結(jié)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

28、等溫式不能在較大的范圍內(nèi)與實驗結(jié)果相吻合。（2）弗羅因德利希方程式 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(jīng)驗常數(shù)。在一定溫度下，對一定體系而言是常數(shù)，k和n隨溫度變化而變化； m 吸附質(zhì)質(zhì)量，； 被吸附氣體的質(zhì)量。弗羅因德利希等溫方程式只是一個經(jīng)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(zhì)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(nèi)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(chǔ)上發(fā)展了B·E·

29、;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(tài)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(shù)（V）為：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；實際溫度下氣體的飽和蒸氣壓；C與氣體有關(guān)的常數(shù)。 很多實驗證明，當比壓p/在0.050.35范圍內(nèi)時，B·E·T公式是比較準確的，在低壓下可以與朗格謬爾等溫式一致。 吸附量 吸附量是指在一定條件下單位質(zhì)量地吸附劑上所吸附的吸附

30、質(zhì)的量，通常以吸附質(zhì)/吸附劑或質(zhì)量百分數(shù)表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標志。在工業(yè)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(zhì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)吸附質(zhì)（或其濃度達到一規(guī)定的允許值）時，認為床層失效，此時吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量稱為吸附劑的動活性。動活性除與吸附劑和吸附質(zhì)的特性有關(guān)外，還與溫度、濃度及操作條件有關(guān)。吸附劑的動活性值是吸

31、附系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)。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(chǎn)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(guān)，吸附過程可分為以下幾步：(1) 外擴散，吸附質(zhì)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(nèi)擴散，吸附質(zhì)由外表面經(jīng)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(zhì)被吸附（4）脫附的吸附質(zhì)再經(jīng)內(nèi)外擴散至氣相主體物理吸附過程一般為內(nèi)外擴散控制，化學吸附既有表面動力學控制，又有內(nèi)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(jīng)驗或根據(jù)模式實驗來確定。4.2吸附器選擇的設(shè)計計算

32、吸附器的設(shè)計計算應(yīng)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(shù)的選擇應(yīng)從吸附平衡，吸附傳質(zhì)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(yù)先除去入口氣體中污染吸附劑的雜質(zhì)； （4）能夠有效地控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度 （5）易于更換吸附劑。 吸附工藝根據(jù)吸附劑在吸附器上的工作狀態(tài)，可將吸附器分為固定床、移動床和流化床過程，相應(yīng)的三種吸附器的主要特點比較見表 4-2 表4-2三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(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉2. 適用于小型、分散、

33、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(yīng)用廣泛移動床吸附器1處理氣體量大，吸附劑可循環(huán)使用，適用于穩(wěn)定、連續(xù)、量大的氣體凈化2. 吸附和脫附連續(xù)完成3動力和熱力消耗較大，吸附劑磨損較為嚴重流化床吸附器1結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴2氣體和固體接觸相當充分3. 生產(chǎn)能力大，適合治理連續(xù)性、大氣量的污染源4吸附劑和容器的磨損嚴重結(jié)合工藝特點和經(jīng)濟技術(shù)可行性分析，本設(shè)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(yōu)點是流體阻力小，可以減少氣體流經(jīng)吸附床層的動力消耗，易產(chǎn)生氣流分配不均運現(xiàn)象，故吸附質(zhì)以整砌形式放在抽屜式的凈化單元中，抽屜間設(shè)有防治氣體短路的擋板，在氣體入口的吸附劑

34、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(jié)構(gòu)見 附圖2，基本運行參數(shù)如下：處理風量：20000 吸附器外觀尺寸：L×B×H7000×3300×3000mm 材料：鋼板4壓降： 1000 Pa 數(shù)量：兩臺并聯(lián)，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(zhì)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(yè)要求的吸附劑則應(yīng)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

35、勻的顆粒尺寸。（5） 有足夠的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)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(quán)衡多方面的因素。同時，目前對吸附過程的實質(zhì)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(chǎn)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(yīng)用最早、用途較廣的一種優(yōu)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(zhì)，在環(huán)境保護方面用來處理工業(yè)廢水和治理某些氣態(tài)污染物?；钚蕴康难芯?/p>

36、、生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展很快,目前應(yīng)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(fā)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(huán)保吸附材料，通過將優(yōu)質(zhì)活性炭和輔助材料制成蜂窩狀方孔的過濾柱，達到產(chǎn)品體積密度小、比表面積大的目的，目前已經(jīng)大量應(yīng)用在低濃度、大風量的各類有機廢氣凈化系統(tǒng)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(shù)小，具有優(yōu)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(huán)保設(shè)備廢氣處理

37、凈化效率高，吸附床體積小，設(shè)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(huán)保排放要求。綜合衡量各方面因素，如果企業(yè)經(jīng)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(shù)經(jīng)濟要求，其物理性能參數(shù)見表 4-3：表 4-3蜂窩狀活性炭的物理性能項目性能指標外形尺寸/50 ×50 ×100孔數(shù)/-216孔壁厚/0.5壓碎強度/Mpa 正面：7.07側(cè)面：0.3體積密度/g.-30.40.5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(shù)和過程參數(shù) 。材料參數(shù)包括炭的吸附孔隙率、蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚

38、和炭的含量；過程參數(shù)包括流體流速、吸附質(zhì)的濃度、吸附能(吸附能取決于碳結(jié)構(gòu)和吸附質(zhì)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(zhì)濃度比值隨時間變化的一個函數(shù) 。此比值達到0.95時,所吸附的吸附質(zhì)的總量就稱為穿透容量。穿透容量取決于流體流速、吸附質(zhì)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(shù),可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(zhì)與炭之間的接觸效率也會提高,

39、這兩者之間存在一個平衡關(guān)系。在給定的條件下,這個平衡關(guān)系將決定吸附增加還是減少。如果吸附質(zhì)以較高的擴散速度擴散到蜂窩壁的內(nèi)部,由此空出來的吸附位又可連續(xù)吸附,因此厚壁蜂窩應(yīng)該具有更好的吸附效率和吸附容量 。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?？账馑俚倪x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(jīng)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(shè)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(shè)備造價大為增高；反之也不宜取過大的

40、空塔氣速那樣設(shè)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0.81.2m/s，依此經(jīng)驗結(jié)論，本設(shè)計確定空塔氣速: U = 1.0 m/s.原始條件：處理風量：Q20000/h ， 設(shè)計溫度為35C， 壓力為1.01325×10Pa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(zhì)可以近似看作為干空氣的熱物理性質(zhì)，查化學原理附錄9得以下數(shù)據(jù)：空氣混和物性質(zhì)：流體密度f =1.147kg/，黏度為f =1.94×10 PaS，比熱容為Cp =1.005kJ/(kg.C)吸附得粒狀

41、活性炭顆粒性質(zhì)：平均直徑dp =0.003m， 表觀密度s =670kg/， 堆積密度B =470 kg/ 固定床空隙率f 0.5橫截面積: S = = 5.56 D= m4.2.4 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(xù)通過固定床吸附器，在不同時間內(nèi)，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(guān)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

42、方法。操作過程的實際速率和機理、吸附平衡性質(zhì)、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(tài)，即達到它的平衡吸附量a,也稱a為靜活度，同時根據(jù)朗格謬爾等溫線假定靜活度不在與氣象濃度有關(guān)。在吸附作用時間內(nèi)，所吸附污染物的量為 X= aSL式中：X 在時間內(nèi)的吸附量； 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(shè)計為470 kg/m3 固定床雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于污染物在床層內(nèi)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

43、性炭的作用時間進行后處理的計算?；钚蕴康淖饔脮r間由下式算出：V=×10式中：V活性炭的裝填量， C進口氣污染物的濃度，mg/ Q氣流量，/h 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 /V=20算出三苯每小時的排放量：“三苯”的濃度：0（10080100）×20000×10 5.6kg/h假設(shè)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×10285h 則在吸附作用時間內(nèi)的吸附量：X=4.76×2851356.6根據(jù)X= aSL得：

44、L根據(jù)活性炭的吸附能力，設(shè)靜活度為16kg甲苯/100kg活性炭所以，L3.24m4.2.5吸附劑（活性炭）用量的計算 吸附劑的用量M：M = LSb =3.24×5.56 ×470 = 8600kg吸附劑本身占據(jù)體積：VLS3.24×5.5618.1吸附劑床層體積： V25.8設(shè)計吸附床層尺寸為L×B6600mm×3200mm，則每塊塔板的截面積A21.12。取板上固定床高度H0.35m，則吸附器中塔板數(shù)：n=3.5=4塊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×H7000mm×3300mm&

45、#215;3000mm4.2.6 床層壓降的計算 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(chǎn)生一定的壓降。在設(shè)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(shù)據(jù)。本設(shè)計的床層壓力降用下式計算：根據(jù)活性炭的性能：220.76P220.76×0.3577.27Pa4.2.7 活性炭再生的計算吸附劑的吸附容量有限，一般在140（質(zhì)量分數(shù)）之間。要增大吸附裝置的處理能力，吸附劑一般都循環(huán)使用，即當吸附劑達到飽和或接近飽和是，使其轉(zhuǎn)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

46、附、吹打脫附、化學轉(zhuǎn)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(yè)上到底采用哪種操作方法，應(yīng)視具體情況選用既經(jīng)濟又有效的方法。生產(chǎn)實際中，常常是幾種方法結(jié)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(shè)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(zhì)的分壓為P，當吸附床達飽和后，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。升溫脫附可將吸附劑從T升溫到

47、T，這是吸附劑容量可以低于x。1、 干燥吸附劑時空氣消耗量：LW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/HO，無量綱 x、x分別為離開、進入吸附劑層時空氣的含濕量即HO/干空氣W干燥時驅(qū)走的水分，kg由化工原理查表得，35C時飽和水蒸氣蒸氣密度為0.03960kg/m，則 L（0.03960×20000）931.76kg2、加熱空氣所消耗得空氣熱含量： Q（II）W式中：I由加熱器進入吸附器的空氣熱含量，J/kg I進入加熱器的空氣熱含量，J/kg設(shè)利用120C的熱風進行脫附，查得35C時干空氣的熱含量為1.005KJ/（kg. C），120C時為1.00

48、9 KJ/（kg. C），則：Q=（1.0091.005）×（12035）×（0.03960×20000）316.8 KJ4.3集氣罩的設(shè)計計算 在工業(yè)生產(chǎn)中，常用于控制各種顆粒物和氣態(tài)污染物的方法是將有害物質(zhì)在發(fā)生源收集起來，經(jīng)過凈化設(shè)備凈化后排到大氣中，這就是局部排氣凈化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所需要的風量最小，效果好，能耗也少，是生產(chǎn)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(tǒng)主要由集氣罩、風管、凈化設(shè)備、風機、煙囪等組成。局部排氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計主要包括污染物的捕集裝置、管道系統(tǒng)、凈化設(shè)備設(shè)計等幾個部分。該系統(tǒng)用以捕集污染物的裝置大多數(shù)呈罩子形狀，通常稱為集

49、氣罩。它是氣體凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它可將粉塵及氣態(tài)污染物導入凈化系統(tǒng)，同時防止污染物向生產(chǎn)車間及大氣擴散。集氣罩的性能對整個氣體凈化系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟效果有很大的影響。設(shè)計完善的集氣罩能在不影響生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)操作的前提下，用較小的排風量獲得最佳的控制效果;而設(shè)計不良的集氣罩即使用很大的排風量也達不到預(yù)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(tǒng)也越大，投資與運行費用也相應(yīng)增加。因此，集氣罩的設(shè)計是氣體凈化系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。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(guī)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

50、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(guī)律，是合理設(shè)計和使用集氣罩的基礎(chǔ)。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(shè)計原則 集氣罩的種類繁多，應(yīng)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

51、氣罩、接受式集氣罩等。其集氣罩的設(shè)計原則為：（1）集氣罩應(yīng)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(nèi)，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(qū)再進入罩內(nèi)。設(shè)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(yīng)與生產(chǎn)工藝協(xié)調(diào)一致，力求不影響工藝操作和設(shè)備維修。（6）集氣罩應(yīng)力求結(jié)構(gòu)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

52、、送風氣流等對吸氣氣流的影響；雖然集氣罩的結(jié)構(gòu)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(yīng)充分了解生產(chǎn)工藝、操作特點和現(xiàn)場實際。4.3.3集氣罩的選型由于受工藝條件限制，一般產(chǎn)生有機廢氣的車間無法進行密閉，且噴氣車間室內(nèi)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(shù)如下：排風量：Q = 20000 m3/h 鋼板制圓形風管，取風速12 m/s風管直徑： m 圓整為 800 規(guī)格為 800 1.0 風管橫截面積： 0.50 則實際風管氣速： 11.1 m/s表4-4 集氣罩罩口速度條件舉例 罩口速度，m/s揚塵速度極低， （1）煙塵從敞口容器外

53、溢 0.250.5沒有干擾氣流 （2）液面蒸發(fā) （3）浸槽揚塵低速飛散， （1）噴漆 0.51.0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 1.02.5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 2.510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罩口面積: 5 罩口直徑： m罩口直邊長度： m （減少周圍空氣混入排風系統(tǒng)）罩口敞開面周長： m罩口喇叭口長度： 取 m罩的擴張角角：tan （在允許的范圍內(nèi)）圓形工作臺特征尺寸： 工作臺至地面高度: m又 (設(shè)計符合要求)污染源至至罩口高度: 取H 1 m 4.4吸附前的預(yù)處理對于一般的有機廢氣的工藝過程所產(chǎn)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(nèi)橫向氣流作用下，塵霧呈無序發(fā)散。這些粉塵含量不高，粒徑較小，絕大部分在10um以下，若未經(jīng)處理，將很快堵塞活性炭微孔，使活性炭失效。目前,國內(nèi)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