某企业喷涂废气的冷凝吸附处理设计 (2)Word文件下载.docx

1、7.3 系统高程图267.4 固定活性炭吸附器三视图278 校正281. 前言概述某企业喷漆车间在生产过程中排放出大量的涂层烘干废气，废气中含有较高浓度的甲苯。该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围的环境，而且导致了极大的原物料消耗，还会受到环保部门的惩罚，同时对企业的形象也会造成负面的影响。因此，喷涂废气处理后再排放时十分必要的。本着这一宗旨，本人针对该厂排放的废气特征，进行了相对应的废气处理方案的设计。2. 设计资料及依据2.1 废气中所含污染物类型、浓度及温度污染物类型：甲苯排放量：甲苯浓度 180 kg/h，废气排放量为 33000 m3/h烘箱出口温度：7580，计算时取 80

2、由计算可得甲苯浓度为：5455mg/m3，由此可得，该项目废气类型属于高浓度高风量型。2.2 设计规模设计处理的废气量：33000 m3/h；甲苯排放量为 180 kg/h（均为最大值）2.3 设计要求废气排放标准应执行 GB16297-1996大气污染物综合排放标准中的二级标准，具体见表 1。表 1甲苯的二级排放标准序号污染物最高允许排放浓度，mg/m3最高允许排放速率，kg/h排气筒高度，m二级标准140153.1205.23018根据甲苯二级排放标准，处理后的废气中甲苯浓度应低于 40mg/m3,排气筒高度应该高于 15m。在本项目设计中取甲苯排放浓度 40mg/m3，排气筒高度取 15

3、m。3. 方案设计及工艺选择3.1 方案设计3.1.1 设计原则1. 根据国家环境保护有关法规，按照国家规定的排放标准，净化后的废气各项指标应达到且优于标准指标。2. 工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的灵活性和调节余地，确保达标排放。3. 采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，并具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。3.1.2 废气净化方法的选择就当前处理技术而言，工业有机废气处理主要有以下几种方法：1. 燃烧法包括高温燃烧和催化燃烧，前者需要附加燃料燃烧，因此，使用该法时要考虑回收利 用热能；催化燃烧能耗低，但在工作初期，需用电加热将废气加热到起燃温度，故对于频 繁开停车的场

4、合不合适。考虑到高温燃烧法回收的热量超过生产所需的热能，故并不合适。而直接采用催化燃烧投资太大。2. 吸收法即采用适当的吸收剂（如柴油、煤油、水等介质）在吸收塔内进行吸收，吸收到一定浓度后进行溶剂与吸收液的分离，溶剂回收，吸收液重新使用或另行处理，采用这种方法的关键是吸收剂的选择。由于溶剂与吸收剂的分离较为困难，因此其应用受到了一定的限制。3. 活性炭吸附法采用多孔活性炭或活性炭纤维吸附有机废气，饱和后用低压蒸汽再生，再生时排出溶剂废气经冷凝、水分离后回收溶剂，适用于不连续的处理过程，特别对低浓度有机废气中的溶剂回收有很好的效果。4. 冷凝法主要利用冷介质对高温有机废气蒸汽进行处理，可有效回收

5、溶剂。处理效果的好坏与冷媒的温度有关，处理效率较其他方法相对较低，适用高浓度废气的处理。根据本项目情况高风量高浓度的废气处理类型，采用冷凝活性炭吸附法较好。将这两种方法联用回收烘干废气中的甲苯，综合了冷凝法适用于高浓度废气处理和活性 炭吸附法处理效果好的优势，又可以通过前期冷凝降低甲苯浓度，减少活性炭吸附负荷， 延长活性炭再生周期，能够兼顾回收率和处理成本。故该项目的废气净化系统的设计方案为冷凝+活性炭吸附废气处理方案。3.3 工艺选择3.3.1 工艺流程设计根据该厂的实际情况，要提高甲苯的回收效率，需加强以下两方面的工作：一是烘干废气的收集，尽可能将甲苯收集到溶剂回收装置中；二是对收集的废气

6、采用适当的方法进行处理与回收。工艺流程如下图所示：蒸汽管水管风管示例：蒸汽排气筒风机锅炉房活性炭吸附器冷凝器 2贮存槽 1贮存槽 2分离器冷却水溶剂水甲苯贮存槽 2冷凝器 1除尘器烘干废气甲苯贮存槽 1图 1 系统工艺流程图3.3.2 工艺流程说明由于烘箱出口废气中甲苯浓度较高，因此统一收集后先通过旋风除尘器，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态甲苯冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至 24 以下。由于甲苯沸点约为 110，因此可回收大部分甲苯。经冷凝的废气由风机产生的负压引导进入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出的气相返

7、回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。4. 系统工艺设备4.1 主要设备说明与计算根据国家的相关法规及该项目废气的特征，可得该净化系统设计参数、处理效果的要求如下。表 2 主要设计参数和要求处理效果生产工艺风量甲苯入口浓度处理后浓度回收（kg/h）回收效率（%）列管式冷凝器3330005455587163.390.7活性炭吸附器15.693.24.1.1 除尘器1. 除尘器的主要作用一是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。二是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。2. 除尘器的选型根据废气性质和气量，本项目选用

8、 XCX 型多管式旋风除尘器，规格为 1300mm 四管。旋风除尘器除了有长锥体结构外在排气管内还设有弧形减阻器以降低除尘器的阻力系数。具体参数如下：进口风速：25m/s； 风量：35000m3/h； 压力损失：1020Pa；进气管管径：500mm； 排气管管径：500mm除尘效率：可除去 5m 以上的粉尘，效率 9599。4.1.2 列管式冷凝器根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换热器（即列管式冷凝器）对废气进行冷凝以回收部分甲苯。列管式冷凝器的作用是将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，使活性炭吸附器工作负荷减轻，并提高活性炭吸附处理的效率，同时回收部分甲苯。流动路

9、径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。综合考虑到冷却水的成本和冷却率之后，确定冷却水进口温度为常温 20，出口温度为 23。烘干废气进口温度为80，经冷凝后降低到 24左右。计算过程如下：1. 冷凝处理后的废气浓度已知条件：烘干废气风量 33000m3/h，进气温度 80，甲苯浓度为 5455mg/m3，流量为180 kg/h 出口温度为 24，冷却水进水温度 20，出口温度 23。甲苯的安托万常数为 A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。B由安托万方程ln p= A -T - C（p 为温度 T 时的饱和蒸汽压，mmHg），可得 80时 p291.21mmHg；2

10、4时 p27.00mmHg291.21- 27.00因此，80降温至 24的回收率为90.7291.21所以，至 24时甲苯冷凝量为 18090.7%=163.26kg/h，剩余流量为 180163. 316.7kg/h。24时总废气体积约为33000 24 + 273.15 = 27767m3 ，冷凝处理后废气中残留甲80 + 273.15苯浓度为16.327767106 = 587mg / m32. 换热器的面积 A80时甲苯质量流量为 180kg/h，则每小时排出的甲苯体积 V 为V = mRTMP= 180 0.082 （80 + 273.15） = 57m392 又废气总体积流量为

11、33000 m3/h，废气平均分子量约为 28。80时废气质量流量PVM RT=1 33000 28 0.082 （80 + 273.15）= 31908 kg/h废气中空气的质量流量为 3190818031728kg/h。废气从 80（T1）降至 24（T2），冷水从 20（t1）升高至 23（t2）。热负荷 Q1甲苯降温传热量空气降温传热量180 1.7 （80 - 24） + 31728 1.005 （80 - 24）1.8106 kJ/h=5105J/sQ1.8106冷却水用量 W143 t/h=143000 kg/hc Dt4.2 （23 - 20）| T1 - t 2 | - |

12、T2 - t1 |先按单壳程考虑：对数平均温差DTtm = ln（T- t 2） /（T2- t119.95K）R = T1 - T2 56t 2 - t13P = t 2 - t1 1T1 - t120因此有效温差DT = Ft DTtm 17.9K假定换热器总传热系数为 K = 120W /（m2 K ） ，则所需传热面积为:A =QDT K1.8 109=233m 217.9 120 36003. 主要工艺及结构基本参数的计算选用 252.5mm 钢管，材质 20 号钢。取管内冷却水的流速为 0.5 m/s，则管数 n =4Wiupd 24 （143000 / 3600） /10000.

13、5 p 0.022= 253 根A管长 lnpd 0233253 0.025= 11.7 m因此，取管程数为 2，管长为 6m，总管数为 2532506 根。壳体的公称直径DN1200mm，公称压力为 10kgf/cm2。采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。综上，列管式冷凝器_1 的主要参数是：选用 6m 长的 252.5mm 钢管（材质 20 号钢）共 506 根；壳体直径 1200mm； 换热面积 233m2；冷却水用量为 143t/h； 甲苯回收率为 90.7；废气由 80降至 24，冷却水由 20升至 23。4.1.3 列管式冷凝器根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换

14、热器对甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。冷凝器的作用是将脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为 20，出口温度为 25，蒸汽进口温度为 120，经冷凝后降至 30以下。1.确定所需蒸汽量587 - 40脱附时甲苯回收率93.2需吹脱甲苯量为 16.793.215.6 kg/h。一般取蒸汽量：吹脱溶剂量（410）：1，确定蒸汽量为 100 kg/h。2. 冷凝甲苯回收率计算甲苯的 Antoine 常数为 A=16.0137,B=3096

15、.52,C=53.67。由 Antoine 方程ln pB（p 为温度 T 时的饱和蒸汽压，mmHg）120时 p984.7mmHg；30时 p36.67mmHg984.7 - 36.67因此，80降温至 30的回收率为97.3，即甲苯基本上全部冷凝984.7下来。3. 计算换热器的面积 A120时甲苯质量流量为 15.6kg/h，水蒸气质量流量为 100 kg/h。蒸汽从 120降低至 30，冷却水从 20升高至 25。热负荷 Q1甲苯降温传热量蒸汽传热量蒸汽冷凝潜热15.6 （120 - 30） + 100 4.2 （120 - 30）100 22322.63105 kJ/hQ2.63 1

16、05冷却水用量 W12.5t/h （25 - 20）37.76KR = T1 - T2t 2 - t118根据 R、P 的值查温度校正系数图可得，温差修正系数 Ft 0.930.8，可见用单壳程合适，因此有效温差DT = Ft DTtm 35K假定换热器总传热系数为 K = 350W /（m2 K ） ，则所需传热面积为： K 6m24. 主要工艺及结构基本参数的计算取管内冷却水的流速为 0. 5 m/s，则4V （12500 / 3600） /10000.5 0.02222 根A6管长 l3.5mnpd 022 因此，换热器管程数为 2，管长为 2m，总管数22244 根。壳体的公称直径DN

17、600mm，公称压力为 16kgf/cm2。综上，列管式冷凝器_2 的主要参数是：选用 2m 长的 252.5mm 钢管（材质 20 号钢）44 根； 换热面积 6m2；壳体直径 600mm；冷却水用量为 12.5t/h；蒸汽由 120降至 30，冷却水由 20升至 25。4.1.4 活性炭吸附器本项目活性炭吸附装置为固定床活性炭吸附器，活性炭吸附器是净化装置最重要组成部分，设置目的是利用吸附法截留废气中的有机物进一步净化废气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。已知，废气气量为 33000m3/h，温度 24，废气中含有 587mg/m3 的甲苯，要求出口甲苯浓度为 40 mg/m3

18、，即净化率达到 92.3。根据项目的实际情况，本项目选用 HT-52 型过滤净化气体用粒状活性炭，该活性炭的具体参数如下：堆积密度450kg/m3， d p 5mm，空隙率e0.5。1. 活性炭的饱和吸附量甲苯在该活性炭上的吸附等温线方程为mva = 0.334c 0.133式中：a气相浓度为cmv 时的平衡吸附量，kg/kgAC；cmv 气相中甲苯的浓度，g/m3。由废气中甲苯浓度为0.587g/m3 可得，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量a0.311kg/kgAC。2. 固定式活性炭吸附器主要参数的计算根据本项目通风量大的特点，为了不使设计出的吸附器的直径过大产生问题，则适当的增大活性炭吸

19、附器中的气速，取活性炭吸附器中的气速约为 1m/s，则根据公式4QpuD =可算得，吸附器的直径为 3.4m，根据以往的工程经验，吸附带中活性炭的动态吸附容量按静态饱和吸附容量的 35计，则吸附带中活性炭所吸附的甲苯为 0.109 kg/kg。吸附工作周期按 2 天（16h）计，则每一周期的吸附量为33000 587 10-6 16 = 310kg吸附带内的活性炭量为3100.109= 2844kg吸附剂床层总高为2844（p/ 4） 3.42 450= 0.70m活性炭总用量为2844 / 450 = 6.32m3气流穿过固定床层的压降估算式为：Dpe2 dprg= 150（1 - e）m+

20、 1.75D（1 - e）G 2 Dp 压降，Pa；d p Ge空隙率，m3 空隙/m3 吸附床；d p 吸附剂颗粒直径，m；rg 气体密度，kg/m3；G气体表现质量通量， kg /（m 2 s） ；D床深，m；m气体黏度， Pa s 。30下气体密度为rg= 1.189kg / m3，黏度为m= 1.83 10-5 Pa s ，当 80废气降低为 24时，则废气的流量变为Q = 33000 273 + 24 = 27767m3 / h273 + 80则，气体表现质量通量为G =277673600 （p/ 4） 3.421.189 = 1.010kg /（m2 s） ，因此经计算可得压降为D

21、p = （150 （1 - 0.5） 1.83 10-55 10-3 1.010+0.7 1.01021.75） -331.189 5 10 0.5= 953.5Pa理论功率消耗 p = QDp = （27767 / 3600） 953.5 = 7354.4W ，风机效率以 0.70 计，则实际功率消耗p f = 7354.4 / 0.70 = 10.5kW综上，采用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为：HT-52 型粒状活性炭活性炭堆积密度 450kg/m3， d p 5mm，空隙率e0.50；活性炭总用量为 6.32m3；吸附器总高 0.7m，直径 3.4m； 吸附工作周期为 2

22、 天（16 小时）；净化效率93.2；4.2 管网系统设计4.2.1 管网管径计算1. 风管直径计算（1） 在废气进入冷凝器之前，废气的温度为 80。该段系统风管包括废气从烘干室进入除尘器的连接风管，从除尘器到冷凝器的连接风管。废气在风管中的气速为 25m/s，流量为 33000m3/h 则可得，该段系统风管直径4 330003.14 3600 25D = 683mm根据实际情况，该段系统风管选用直径 700mm 防火型风管（2） 废气经过冷凝器冷凝后，温度降到 24。该段系统风管包括废气从冷凝器到活性炭吸附器，以及从吸附器到排风筒的连接风管。同理可得，从冷凝器到活性炭吸附器，再从活性炭吸附器

23、到排气筒的系统连接风管的直径D = 27767= 630mm根据实际情况，该系统应该选用直径 650mm 风管2. 水管管径计算（1） 冷凝器的水循环系统水管管径由上面冷凝器的计算结果可知，冷凝器的循环水量为 143m3/h，取管中水流速为1.2m/s，由此可得，冷凝器的水循环系统的水管管径1431.2D = 205mm则该循环系统选用直径 200mm 的水管。（2） 冷凝器的循环水系统水管管径由冷凝器的计算结果可知，冷凝器循环水系统的水量为 12.5m3/h，取水速为 1.0m/s，则冷凝器的循环水系统的管径12.51.0D = 66.5mm则根据实际情况，该循环系统选用直径为 80mm 的水管。3. 蒸汽管管径蒸汽锅炉出口压力为 0.2Mpa，蒸汽温度约 120，可知蒸汽的密度为 1.122kg/m3，活性炭脱附需用蒸汽总共 100kg/h，即 89m3/h，则蒸汽管的管径 891.5D = 145mm