大气污染处理设计课程.docx

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大气污染处理设计课程

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

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

污染物

最高允许

排放浓度

mg / m3

最高允许排放速率， kg / h

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

mg / m3

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

南京工业大学环境学院环境工程系

1、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。

2、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》（GB 16297-1996）中规定的二级排放要求。

2.3 排放标准

0

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403654

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

1

南京工业大学环境学院环境工程系

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。

3、工艺设计与计算：

3.1 工艺流程的初步确定

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

2

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

南京工业大学环境学院环境工程系

E、有良好的再生性能

F、吸附剂的来源广泛，价格低廉

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

3

南京工业大学环境学院环境工程系

已知：

废气的流量为 2100 Nm3 / h ，甲苯体积分数为 0.28%，温度 40℃

（1）根据理想气体方程 pV = nRT ，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：

QN

Q

=

TN

T

，即有 Q =

T

TN

QN =

2100 ⨯ 313

273 ⨯ 3600

= 0.67m3 / s

在根据：

VN

V

=

TN

T

，即有V =

VN

TN

T =

22 .4 ⨯ 313

273

= 25.68L / mol

经过冷却器处理后，可得：

 Q冷却 =

298

313

⨯ 0.67 = 0.64m3/s （冷却至室温）

（2）根据质量浓度的计算公式：

 x =

M ⨯ c

22.4

p T

pS TN

x - 污染物以标况下每立方米的毫克数表示的浓度值

c - 污染物以ppm表示的浓度值

M - 污染物的分子量

pS , TS - 观测状态下的压强，温度

pN ,TN - 标准状态下的压强，温度

进入冷却器之前甲苯的质量浓度：

x =

M ⨯ c

22.4

⨯

PN

pS

T

TN

92 ⨯ 0 .28 % ⨯10 ^ 6 101325 313

22.4 101325 273

= 13185.0mg / m3

进入冷却器后前甲苯的质量浓度：

x =

M ⨯ c

22.4

⨯

PN

pS

T

TN

92 ⨯ 0. 28% ⨯10 ^ 6 101325 298

22.4 101325 273

= 12553.1mg / m3

根据《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）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：

 μ =

12553 .1 - 60

12553.1

⨯100% = 99.5%

（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：

 QV =

πD 2u

4

即 D =

4QV

πu

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

4

类型

堆积密度

/ kg ⋅ m-3

对甲苯饱和吸附量

/ mg ⋅ g -1

计算动态饱和

附量 / kg ⋅ kg -1

粒径/mm

孔隙率

KC-2.0

450

218

0.218

2

0.40

南京工业大学环境学院环境工程系

D =

4QV

πu

=

4 ⨯ 0.64

π⨯ 0.3

= 1.65m

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

（4-2）、吸附周期的确定：

设计吸附周期为 5 天，即 5 ⨯ 24 = 120（h）

（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：

 m =

QV ⨯ T ⨯ （C0 - Ce ）

106 ⨯ qm

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：

5

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m =

0.64 ⨯ 5 ⨯ 24 ⨯ 3600 ⨯ （12553.1 - 60）

10^6 ⨯ 0.218

= 15845（kg）

（4-4）吸附剂（活性炭）床层高度计算

先根据V =

m

ρ

，即V =

m

ρ

=

15845

450

= 35.2m3 （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：

V = πr 2h =

π

4

D 2 H ，即 H = 4V = 4.1（m）

πD 2

H - 吸附剂床层高度，m

m - 活性炭用量，kg

V - 活性炭所占的体积，m3

D - 吸附塔塔径，m

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:

∆P

L

= 150 ⨯

（1 - ζ ）2

ζ 3

⨯

μ ⨯ u

d p

+ 1.75

1 - ζ

ζ 3

⨯ 0

d p

其中：

∆P - 吸附剂床层压力降，Pa

L - 吸附剂床层高度，m

ζ - 孔隙率

μ - 流体粘度，Pa ⋅ s

u - 气体流速，m/s

d p - 活性炭粒径，m

ρ0 - 气体密度，kg/m3

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。

6

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

+1

4.0

活性炭吸附塔

南京工业大学环境学院环境工程系

则压力降

∆P

L

= 150 ⨯

（1 - ζ ）2

ζ 3

⨯

μ ⨯ u

d p

+ 1.75

1 - ζ

ζ 3

⨯

ρ0u 2

d p

∆P = 8.2 ⨯ （150 ⨯

（1 - 0.4）2

0.43

⨯

19.04 ⨯10-6 ⨯ 0.2

（2 ⨯10-3 ）2

+ 1.75 ⨯

（1 - 0.4）

0.43

⨯

0.22 ⨯1.128

2 ⨯10-3

） = 9621.68（ pa）

选用高压离心风机能够满足要求。

3.3 确定工艺流程

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：

 D管道 =

π

4

QV

⨯ u管道

=

0.64

⨯ 20

4

m = 0.2m

7

120

560

1.0

±1

.5

140

630

160

700

5.0

180

800

200

900

220

0.7

5

1000

250

1120

6.0

280

1250

1.2～1

.5

320

1400

360

4.0

1600

400

1800

450

2000

南京工业大学环境学院环境工程系

由上面的表格中查表可得：

选取外径为 200mm，壁厚为 3mm 的塑料制风管，

管径的外径允许偏差为±1mm，则进气管风速为 u =

qv

A

=

π

4

0.64

⨯ （0.194）2

= 21.7 m/s

3.5 排气筒高度

有机工艺废气的甲苯含量为 2100 Nm3 / h

则 u = 2100m3 / h ⨯ 0.28% ⨯ 60mg / m3 = 352.8mg / h < 3.6kg / h

所以根据《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）甲苯排放标准，排气筒

高度设定为 15m 即可。

3.6 系统阻力计算

3.6.1 沿程阻力计算

∆Pf = λ

l ρum

d 2

其中：

λ —是沿程阻力损失系数

d—是管道的内径 m

L—是管道长度 m

8

管件

突然扩大

突然缩小

三通

90 度弯头

阀门

个数

5

4

2

9

3

管件

突然扩大

突然缩小

三通

90 度弯头

阀门

阻力系数

1

0.5

1.5

0.75

0.17

南京工业大学环境学院环境工程系

u—是流体在管道中的流速

根据场地平面布置图（详见 CAD 图纸），总管路长度为 38.5m，计算时稍取

大一些，取 40m

根据《工程流体力学》（第三版、周云龙著）中的莫迪图可以查得，此时的

沿程阻力损失系数为 0.02

则：

∆Pf = λ

l ρum

d 2

2

= 0.02 ⨯

40 1.185 ⨯ 21.7 2

2 2

= 111.6（Pa）

3.6.2 局部阻力计算

根据《工程流体力学》（第三版、周云龙著）可以查的各阻力系数如下：

2

其中：

u—是流体在管道中的流速

ρ —是流体的密度

ξ —是局部阻力系数

9

机号

转速

序号

流量

全压

配用电机

（r/min

）

3

（m /h）

pa

型号

功率

9-26 5A

2900

1

6035

4293

Y225M-2

45

2

5984

4706

3

5869

5114

4

5725

5527

Y250M-2

55

5

5553

5941

6

5381

6349

7

5180

6762

9-26 7.1D

2900

8

12427

12292

Y280S-2

75

9

12321

13475

10

12078

14643

11

11776

15826

Y315S-2

110

12

11415

17009

13

11055

18177

14

10635

19360

南京工业大学环境学院环境工程系

∆Pf 1 = ξ

ρu 2

2

= （0.5 ⨯ 4 + 1⨯ 5 + 1.5 ⨯ 2 + 0.75 ⨯ 9 + 0.17 ⨯ 3） ⨯

1.185 ⨯ 21.7 2

2

= 4815.6（ pa）

则总的压力损失为 4815.6+111.6=4927.2（pa）（此值为估计值）

3.7 风机选型

根据通风机的作用原理，风机可分为离心式、抽流式和贯流式三种。

在通

风工程中常用的是离心式和抽流式风机。

根据风机的用途不同，又可分为输送

一般气体的风机、高温风机、防爆风机、防腐风机、耐磨风机等。

离心风机按

其压力又可分为高压风机（P>3000Pa）、中压风机（1000Pa

（P<1000Pa）。

10

机号

转速

序号

流量

全压

配用电机

（r/min

）

3

（m /h）

pa

型号

功率

9-26 7.1D

2900

10

12078

14643

Y280S-2

75

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根据计算结果，选择上面第 4 个风机，其性能参数如下：

3.8 吸附塔气速校核

根据以上的一系列的计算，将吸附塔分成 2 个塔（两个塔串联使用），所选

用的风机压力为 14613（pa），管道中的总的压力损失为 4927.2