活性炭吸附VOC的工程设计.doc

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活性炭吸附VOC的工程设计

活性炭吸附VOC的工程设计

摘要

近年来，人们逐渐认识到有机废气对环境和人类健康的巨大危害性，因此在环境工程领域对有机废气的治理越来越受到人们的重视。

本设计将介绍一种有效且最广泛使用的工业有机废气的净化技术—活性炭吸附法。

本设计利用活性炭固定床吸附系统对工业有机废气进行净化。

经过该系统之前，废气会先用干式除尘器进行预处理，去除废气中的雾状物及粉尘，从而避免了这些物质堵塞活性炭微孔，影响活性炭的吸附效性能。

而在活性炭吸附器的设计上，本文采用了卧式多层设计。

选用活性炭为吸附剂，具有吸附性能好，流体阻力小的特点。

首先本文将概述当前有机工业废气的处理现状，主要处理方法和优缺点，并且阐述本设计所采用该技术的原因。

其次，本文将系统介绍所采用技术的基本原理，设计原则和设计过程计算。

最后，对本毕业设计的造价和费用进行工程预算，包括工程施工费用、设备费用、工程管理费用、设备维护费用和水电费等等，确定其经济可行性。

还给出了综合性的评价和可行性的建议。

关键词：

工业有机废气，干式除尘器，固定床吸附器，活性炭

Abstract

Duetoubiquityintheenvironmentandrisktohumanhealth,volatileorganiccompounds（VOCs）havereceivedgreatattentioninthefieldofenvironmentalcontrol.

Thisdesignintroducedaneffectiveandthemostextensiveusagetechnologyofactivatedcarbonadsorptionforcleaningvolatileorganiccompounds（VOCs）.Thatistosay,theprojectusingthefixed-bedadsorptionsystemofactivatedcarbontopurifyvolatileorganiccompounds（VOCs）.Beforedecontanmination,thegaseswouldbepretreadedbythedryseparatorwhichcouldwipeoffthereekanddust,inordertoavoidthesub-holesbeingjammedwhichwouldaffecttheefficiencyofadsorptionofactivatedcarbon.Moreovertheprojectchooseactivatedcarbonassorbent,whichhaslargeadsorptionabilityandlowresistance.

Atfirst,thetextwillintroducetheconditionofspray-paintwastegas,characteristics,andthepresentsituationofcleaningofsvolatileorganiccompounds（VOCs）,andprinciplesofthem,explainingthereasontochoosethetechnology.

Thesecond,thetextwilldescribetheprinciple,designmethodandtheprocesscalculationofthedesign.

Finally,thetextwilldothebudgetoftheprojet，listedthespendingplanofeachcertainitemsafterconfirmingtheproject,includingthespendingonengineeringconstruction,equipment,constructionsupercising,equipmentmaintenance,andthecostofwaterandwaterandelectricity,tomakesuretheavailabilityofthedesign.Atlast,anall-aroudestimateandsomefeasibleadviceweresuggestedonthetext.

Keywords:

volatileorganiccompounds（VOCs）,dryseparator,

thefixed-bedadsorptionsystem,activatedcarbon

目录

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各种净化方法的分析比较 3

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 6

3.1工艺选择 6

3.2工艺流程 6

4设计与计算 8

4.1基本原理 8

4.1.1吸附原理 8

4.1.2吸附机理 9

4.1.3吸附等温线与吸附等温方程式 9

4.1.4吸附量 12

4.1.5吸附速率 12

4.2吸附器选择的设计计算 13

4.2.1吸附器的确定 13

4.2.2吸附剂的选择 14

4.2.3空塔气速和横截面积的确定 16

4.2.4固定床吸附层高度的计算 17

4.2.5吸附剂（活性炭）用量的计算 18

4.2.6床层压降的计算 19

4.2.7活性炭再生的计算 19

4.3集气罩的设计计算 20

4.3.1集气罩气流的流动特性 21

4.3.2集气罩的分类及设计原则 21

4.3.3集气罩的选型 22

4.4吸附前的预处理 24

4.5管道系统设计计算 24

4.5.1管道系统的配置 25

4.5.2管道内流体流速的选择 26

4.5.3管道直径的确定 26

4.5.4管道内流体的压力损失 27

4.5.5风机和电机的选择 27

5工程核算 30

5.1工程造价 30

5.2运行费用核算 31

5.2.1价格标准 31

5.2.2运行费用 31

6结论与建议 32

6.1结论 32

6.2建议 32

参考文献 34

致谢 35

V

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、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气；固定源的种类极多,主要为石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、制鞋和化工生产的许多行业中,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方面的影响:

①VOCs是光化学反应的前体,有阳光照射时,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严重疾病,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严重威胁，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。

我国在1997年1月1日开始实施的《中华人民共和国国家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排放较为严格的标准，如表1.1所示。

表1.1几种VOCs排放的国家标准

VOCs最高允许排放浓度（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，其产生方式及排放方式也不尽相同。

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，选择合适的方法是有机废气治理的关键。

有机废气治理的方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。

目前应用最多的方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，由于切换的周期至少为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各种净化方法的分析比较

解决有机废气的污染,最根本的方法是工艺改革。

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。

目前国内常采用的三种净化方法分析比较见表1.2。

表1.2国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较

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、操作方便、

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

设计内容为20000m3/h活性炭吸附工业有机废气的工程设计，主要内容包括：

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20000，温度为35℃，

排气压力为101.325kpa，

苯浓度为100。

甲苯浓度为80,

二甲苯浓度为100，

2.3设计出气指标

依据广东省地方标准《大气污染物排放限值》（DB44/27-2001）一级排放标准,

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）严格执行国家有关环境保护的各项规定，确保各项污染指标达到国家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，维护管理方便。

（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,国内外对有机废气治理的常用方法有三种:

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,国内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，本方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，在塔内的气体从右到左，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

在用多孔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。

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，多孔性物质称为吸附剂。

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。

由于多孔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，两者之间没有严格的界限。

两者的主要区别见表4-1

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

范德华力

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吸附质的回收利用的。

4.1.2吸附机理

吸附和脱附互为可逆过程。

当用新鲜的吸附剂吸附气体中的吸附质时，由于吸附剂表面没有吸附质，因此也就没有吸附质的脱附。

但随着吸附的进行，吸附剂表面上的吸附质量逐渐增多，也就出现了吸附质的脱附，且随时间的推移，脱附速度不断增大。

但从宏观上看，同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量，所以过程的总趋势认为吸附。

当同一时间内吸附质的吸附量与脱附量相等时，吸附和脱附达到动态平衡，此时称为达到吸附平衡。

平衡时，吸附质再在流体中的浓度和在吸附剂表面上的浓度不再变化，从宏观上看，吸附过程停止。

平衡时的吸附质在流体中的浓度称为平衡浓度，在吸附剂中的浓度称为平衡吸附量。

当吸附质与吸附剂长时间接触后，终将达到吸附平衡。

吸附平衡量是吸附剂对吸附质的极限吸附量，亦称静吸附量分数或静活性分数，用Xt表示，无量纲。

它是设计和生产中十分重要的参数。

吸附平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系，一般用吸附等温线表示。

吸附等温线通常根据实验数据绘制，也常用各种经验方程式来表示。

4.1.3吸附等温线与吸附等温方程式

平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限，其数值对吸附造作，设计和过程控制有着重要的意义。

达到吸附平衡时，平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸附温度间存在着一定的函数关系，此关系即为吸附平衡关系，其一般都是根据实验测得的，也可以用经验方程式表示。

4.1.3.1吸附等温线

在气体吸附中，其平衡关系可表示为：

A＝

式中A——平衡吸附量；

p——吸附平衡时吸附质在气相中的分压力；

T——吸附温度

根据需要。

对一定的吸附体系可测得如下关系：

①当保持T不变，可测得A与P的变化关系

②当保持P不变，可测得A与T的变化关系

③当保持A不变，可测得P与T的变化关系

依据上述变化关系，可分别绘出相应的关系曲线，分别为吸附等温线，吸附等压线和吸附等量线。

由于吸附过程中，吸附温度一般变化不大，因此吸附等温线最为常用。

吸附等温线描述的是在吸附温度不变的情况下，平衡时，吸附剂的吸附量随气相中组分压力的不同而变化的情况。

根据对大量的不同气体与蒸气的吸附测定，吸附等温线形式可归纳为六种基本类型。

4.1.3.2吸附等温方程式

根据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的经验方程式，即为吸附等温方程式，其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得，一定条件范围内具有应用意义，但不具有理论指导意义，如弗罗因德利希（Freundlich）吸附等温方程式；有些是以一定的理论假设为前提得出的方程式，如朗格谬尔（Langmuir）吸附等温方程式和B·E·T方程，后者应用较多。

（1）朗格谬尔方程式

朗格谬尔吸附理论假定：

①吸附仅是单分子层的；②气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡；③吸附剂表面性质是均一的，被吸附的分子之间相互不受影响；④气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正比。

根据上述假设，可推导出朗格谬尔等温式：

式中θ——吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数；

a——吸附系数，是吸附作用的平衡常数；

p——气相分压。

朗格谬尔等温式的另一表现形式为：

=

式中——单分子层覆盖满时（）的吸附量；

——在气相分压p下的吸附量。

在压力很低时，或者吸附很若时，ap≤1,上式变成：

V=Vmap

由朗格谬尔等温式得到的结果与许多实验现象相符合，能够解释很多实验结果，因此，它目前仍是常用的、基本的等温式。

在很多体系中，朗格谬尔等温式不能在较大的θ范围内与实验结果相吻合。

（2）弗罗因德利希方程式

式中q——固体吸附气体的量，㎏/㎏吸附剂；

P——平衡时气体分压；

k，n——经验常数。

在一定温度下，对一定体系而言是常数，k和n随温度变化而变化；

m——吸附质质量，㎏；

——被吸附气体的质量。

弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式，它所适用的θ范围比朗格谬尔式要大些，可用于未知组成物质的吸附，如有机物或矿物油的脱色，通过实验来确定k与n。

有资料认为它在高压范围内不能很好地吻合实验值。

（3）B·E·T方程

由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好地吻合，在此基础上发展了B·E·T理论。

它除了接受朗格谬尔理论地几条假定，即固体表面是均匀的，被吸附分子不受其它分子的影响，吸附与脱附在吸附剂表面达到动态平衡以外，还认为在吸附剂表面吸附了一层分子以后，由于范德华力地作用还可以吸附多层分子，而第一层与以后的各层有所不同。

吸附达平衡后，吸附总数（V）为：

P——平衡时气体分压；

V——压力为p时的吸附总量；

——吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量；

——实际温度下气体的饱和蒸气压；

C——与气体有关的常数。

很多实验证明，当比压p/在0.05－0.35范围内时，B·E·T公式是比较准确的，在低压下可以与朗格谬尔等温式一致。

4.1.4吸附量

吸附量是指在一定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量，通常以㎏吸附质/㎏吸附剂或质量百分数表示，它是吸附剂所具有吸附能力的标志。

在工业上将吸附量称为吸附剂的活性。

吸附剂的活性有两种表示方法：

（1）吸附剂的静活性

在一定条件下，达到平衡时吸附剂的平衡吸附量即为其静活性。

对一