1、活性炭吸附脱附及附属设备选型详细计算书I目录1.绪论 11.1 概述 11.1.1 有机废气的来源 .11.1.2 有机物对大气的破坏和对人类的危害 .11.2 有 机 废 气 治 理 技 术 现 状 及 进 展 21.2.1 各种净化方法的分析比较 .22 设 计 任 务 说 明 .42.1 设 计 任 务 42.2 设 计 进 气 指 标 .42.3 设 计 出 气 指 标 .42.4 设 计 目 标 43 工 艺 流 程 说 明 .53.1 工 艺 选 择 53.2 工 艺 流 程 54 设 计 与 计 算 74.1 基 本 原 理 74.1.1 吸附原理 .74.1.2 吸附机理 .7
2、4.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式 .84.1.4 吸附量 104.1.5 吸附速率 114.2 吸 附 器 选 择 的 设 计 计 算 114.2.1 吸附器的确定 114.2.2 吸附剂的选择 134.2.3 空塔气速和横截面积的确定 154.2.4 固定床吸附层高度的计算 154.2.5 吸附剂（活性炭）用量的计算 174.2.6 床层压降的计算15 17II4.2.7 活性炭再生的计算16 184.3 集 气 罩 的 设 计 计 算 194.3.1 集气罩气流的流动特性 194.3.2 集气罩的分类及设计原则 204.3.3 集气罩的选型 204.4 吸 附 前 的 预 处 理 2
3、24.5 管 道 系 统 设 计 计 算 234.5.1 管道系统的配置 234.5.2 管道内流体流速的选择 244.5.3 管道直径的确定 244.5.4 管道内流体的压力损失 254.5.5 风机和电机的选择 255 工 程 核 算 .285.1 工 程 造 价 .285.2 运 行 费 用 核 算 .285.2.1 价格标准 285.2.2 运行费用 296 结 论 与 建 议 .306.1 结论 306.2 建议 30致 谢 3311.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
4、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
5、:VOCs 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；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；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
6、,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（C leanAirAct）要求减少90%排放量的 189 种毒性化学物中，70%属于 VOCs1。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
7、放标准(GB16297-21996)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
8、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
9、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
10、， 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3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
11、处 理 方 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,
12、费用高。2、对溶剂成份选择性大。42 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 20000m3/h，温度为 35，排气压力为 101.325kpa，苯浓度为 100mg/m3。甲苯浓度
13、为 80mg/m3,二甲苯浓度为 100mg/m3，2.3 设 计 出 气 指 标依据广东省地方标准大气污染物排放限值（D B44/27-2001）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 40 702.4 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
14、中具有较大的调节余地。53 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
15、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
16、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6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
17、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74 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
18、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 4-15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
19、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8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
20、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
21、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：Af（p,T）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：当保持 T 不变，可测得 A 与 P 的变化关系当保持 P 不变，可测得 A 与 T 的变化关系当保持 A 不变，可测得 P 与 T 的变化关系9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
22、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 BET 方程，后者应用较多。（1）朗格谬尔
23、方程式朗格谬尔吸附理论假定：吸附仅是单分子层的；气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡；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；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 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 Vm单分子层覆盖满时（1）的吸附量；V在气相分压 p 下的吸附量。在压力很低时，或者吸附很若时，ap1,上式变成：V=Vmap10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
24、本 的 等 温 式 。 在 很 多 体 系 中 ， 朗 格 谬 尔 等 温 式不 能在 较 大 的 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，；x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 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）BET 方程由于朗格谬尔的单分子
25、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 BET 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；Vm吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量；P0实际温度下气体的饱和蒸气压；C与气体有关的常数。11很多实验证明，当比压 p/p0 在 0.050.35 范围内时，BET 公式是比较准确的，在低压下可以与朗
26、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。对一定的吸附体系，静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。（2）吸附剂的动活性在一定的操作条件下，将气体混合物通过吸附床层，吸附质被吸附，当吸附一段时间后，从吸附剂层流出的的气体中开始发现吸附质（或其浓度达到一规定的允许值）时，认为床层失效，此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。动活
27、性除与吸附剂和吸附质的特性有关外，还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值是吸附系统设计的主要依据。4.1.5 吸附速率吸附过程常需要较长时间才能达到平衡，而在实际生产过程中，两项接触时间是有限的。因此，吸附量取决与吸附速率，而吸附速率与吸附过程有关，吸附过程可分为以下几步：(1)外扩散，吸附质从气流主体穿过颗粒物周围气膜扩散至吸附剂的外表面（2）内扩散，吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面（3）吸附，到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附（4）脱附的吸附质再经内外扩散至气相主体物理吸附过程一般为内外扩散控制，化学吸附既有表面动力学控制，又有内外扩散控制。由于吸附过程复杂，影响因素多，从理
28、论上推导速率很难，因此一般是凭经验或根据模式实验来确定。4.2 吸 附 器 选 择 的 设 计 计 算12吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式，吸附剂的种类，吸附剂的需要量，吸附床高度，吸附周期等，这些参数的选择应从吸附平衡，吸附传质速率及压降来考虑。4.2.1 吸附器的确定对吸附器的基本要求：（1）具有足够的过气断面和停留时间；（2）良好的气流分布；（3）预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质；（4）能够有效地控制和调节吸附操作温度（5）易于更换吸附剂。吸附工艺根据吸附剂在吸附器上的工作状态，可将吸附器分为固定床、移动床和流化床过程，相应的三种吸附器的主要特点比较见表 4-26表 4-2 三
29、种 吸 附 器 主 要 特 点 比 较类型 主 要 特 点 比 较固定床吸附器1结构简单、制造容易、价格低廉2.适 用 于 小 型 、 分 散 、 间 歇 性 的 污 染 源 治 理3吸附和脱附交替进行、间歇操作4应用广泛移动床吸附器1处理气体量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连续、量大的气体净化2.吸附和脱附连续完成3 动 力 和 热 力 消 耗 较 大 ， 吸 附 剂 磨 损 较 为 严 重流化床吸附器1 结 构 复 杂 ， 造 价 昂 贵2气体和固体接触相当充分3.生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染源4吸附剂和容器的磨损严重结合工艺特点和经济技术可行性分析，本设计吸附器采用卧式圆
30、锥形固定床吸附器，壳体为圆形，封头为椭圆形，其优点是流体阻力小，可以减少气体流经吸附床层的动力消耗，易产生气流分配不均运现象，故吸附质以整砌形式13放在抽屉式的净化单元中，抽屉间设有防治气体短路的挡板，在气体入口的吸附剂之间装有气体整流装置，力求气体均匀。抽屉式的装卸吸附剂方式非常方便，利于操作，其具体结构见附图 2，基本运行参数如下：处理风量：20000m3/h吸附器外观尺寸：LBH700033003000mm材料：钢板 4压降：1000Pa数量：两台并联，脱附吸附交替运行4.2.2 吸附剂的选择如何选择、使用和评价吸附剂，是吸附操作中必须解决的首要问题。一切固体物质的表面，对于流体的表面都
31、具有物理吸附的作用，但合乎工业要求的吸附剂则应具备以下一些要求：（1）具有大的比表面积（2）具有良好的选择性吸附作用（3）吸附容量大（4）具有良好的的机械强度和均匀的颗粒尺寸。（5）有足够的热稳定性及化学稳定性（6）有良好的再生性能（7）吸附剂的来源广泛、造价低廉实际中，很难找到一种吸附剂能同时满足上述要求，因而在选择吸附剂时要权衡多方面的因素。同时，目前对吸附过程的实质还了解得不十分清楚，因而鉴别吸附剂吸附性能，还只能依靠实验测定和从生产中考察，尚不能从理论上推出。常用的吸附剂主要有：活性炭、硅胶、分子筛沸石、活性氧化铝与氧化铝。其中活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是一种具有非
32、极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂，故活性炭常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质，在环境保护方面用来处理工业废水和治理某些气态污染物。14活性炭的研究、生产和应用发展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也在积极开发之中,蜂窝状活性炭便是其中的一种。蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料，通过将优质活性炭和辅助材料制成蜂窝状方孔的过滤柱，达到产品体积密度小、比表面积大的目的，目前已经大量应用在低浓度、大风量的各类有机废气净化系统中。被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性碳接触，吸附效率高，风阻系数小，具有优良的吸附、脱附性能和气体动力学
33、性能，可广泛用于净化处理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯类、酚类、酯类、醇类、醛类等有机气体、恶臭味气体和含有微量重金属的各类气体。采用蜂窝状活性炭的环保设备废气处理净化效率高，吸附床体积小，设备能耗低，能够降低造价和运行成本，净化后的气体完全满足环保排放要求。综合衡量各方面因素，如果企业经济允许的话，建议吸附剂选用蜂窝状活性炭纤维能较好的满足技术经济要求，其物理性能参数见表 4-3：表 4-3 蜂窝状活性炭的物理性能7项目 性能指标外形尺寸/ 5050100孔数/-2 16孔壁厚/ 0.5压碎强度/ MPA 正 面 ： 7.07侧面：0.3体积密度/ G.-3 0.40 .5几 何 外 表 面 积
34、 /. G-1 0.32比表面积/. G-1 700着火点/ 550苯吸附率/ 0.2其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数8。材料参数包括炭的吸附孔隙率、蜂窝结构的壁厚和炭的含量；过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、吸附能(吸附能取决于碳结构和吸附质的特征如分子量)。穿透曲线是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化15的一个函数9。此比值达到 0.95 时,所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓度和蜂窝炭组分含量等因素10。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可以通过改变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情况
35、下,壁厚增加,则单位体积蜂窝的炭含量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是因为壁厚增加,蜂窝中流体通道的截面积减少,这样真实的表面或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也会提高,这两者之间存在一个平衡关系。在给定的条件下,这个平衡关系将决定吸附增加还是减少。如果吸附质以较高的扩散速度扩散到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又可连续吸附,因此厚壁蜂窝应该具有更好的吸附效率和吸附容量11。4.2.3 空塔气速和横截面积的确定空塔气速为气体通过吸附器整个横截面的速度。空塔气速的选择,不仅直接决定了吸附器的尺寸和压降的大小,而且还会影响吸附效率。气速很小,则吸附器尺寸很大,不经济;气速过大,
36、则压降会增大,使吸附效率受到影响。通过实验确定最佳气速。吸附设计中不能追求过高的吸附效率，把空塔速度取值降小，那样会使吸附床体积、吸附剂用量和设备造价大为增高；反之也不宜取过大的空塔气速那样设备费用虽低，但吸附效率下降很多，且体系压降会随空塔速率的增大上升很快，造成动力消耗过大，因此因选取合适的空塔气速，最适宜空塔气速为 0.81.2m/s12，依此经验结论，本设计确定空塔气速:U=1.0m/s.原始条件：处理风量：Q20000m3/h，设计温度为 35，压力为 1.01325105Pa由于废气中，空气所占的比例远远大于污染物所占比例，因此，废气性质可以近似看作为干空气的热物理性质，查化学原理
37、附录 9 得以下数据：空气混和物性质：流体密度 f=1.147kg/m3，黏度为 f=1.94105Pa.S，比热容为Cp=1.005kJ/(kg.)吸附得粒状活性炭颗粒性质：平均直径 dp=0.003m，表观密度 s=670kg/m3，堆积密度 B=470kg/m3固定床空隙率 f0.516横截面积:4.2.4 固定床吸附层高度的计算采用透过曲线计算法，通过实验将含有一定浓度污染物的气流连续通过固定床吸附器，在不同时间内，确定确定吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布，当吸附床使用一段时间后，出口气体污染物浓度达到某一允许最大浓度时，认为吸附床失效。从气流开始通入至吸附床失效这段时间称为穿透
38、时间，或保护作用时间。表示吸附床处理气体量与出气口污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线的形状和穿透时间取决与固定床的操作方法。操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、气流速度、污染物入口浓度，以及床层厚度等都影响穿透曲线的形状，此过程比较复杂，目前仍是只是近似过程的计算。假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量 a,也称 a 为静活度，同时根据朗格谬尔等温线假定静活度不在与气象浓度有关。在吸附作用时间 内，所吸附污染物的量为1 3式中：X在时间 内的吸附量；a静活度，重量，%；S吸附层的截面积，m2；L吸附层高度，m；b吸附剂的堆积密度，设计为 470kg/m
39、3固定床虽然结构简单，但由于污染物在床层内浓度分布是随时间变化，计算比较复杂，因此目前工程上都是采用近似计算，通过算活性炭的作用时间进行后处理的计算。活性炭的作用时间由下式算出1 4：式中：V活性炭的装填量，m3C进口气污染物的浓度，mg/m317Q气流量，m3/ht活性炭的使用时间，hW活性炭原粒度的中重量穿透炭容，d活性炭的堆密度 0.8t/m3算出三苯每小时的排放量：“三苯”的浓度：0（10080100）2000010-6 5.6kg/h假设吸附器的吸附器的吸附效率为 85%，则达标排放时需要吸附总的污染物的量为：5.685%4.76kg/h则在吸附作用时间内的吸附量：X=4.76285
40、1356.6根据 得：根据活性炭的吸附能力，设静活度为 16kg 甲苯/100kg 活性炭所以，4.2.5 吸附剂（活性炭）用量的计算吸附剂的用量 M：M=LSb=3.245.56470=8600kg吸附剂本身占据体积：VLS3.245.5618.1m3吸附剂床层体积：设计吸附床层尺寸为18LB6600mm3200mm，则每块塔板的截面积 A321.12m3。取板上固定床高度 H0.35m，则吸附器中塔板数：考虑安装的实际情况，得到固定床吸附装置的实际尺寸取为：LBH7000mm3300mm3000mm4.2.6 床层压降的计算15流体通过固定床吸附器时，由于流体不断地分流和回合，以及流体与吸
41、附剂颗粒和器壁的摩擦阻力，会产生一定的压降。在设计固定床吸附器时多采用流路模型估算床层压力降，若对压力降计算有更高的要求，则可直接用实验测得的数据。本设计的床层压力降用下式计算：根据活性炭的性能：4.2.7 活性炭再生的计算16吸附剂的吸附容量有限，一般在 140（质量分数）之间。要增大吸附装置的处理能力，吸附剂一般都循环使用，即当吸附剂达到饱和或接近饱和是，使其转入脱附和再生操作。一般常用的再生方法有：升温脱附、降压脱附、置换脱附、吹打脱附、化学转化再生法、溶剂萃取。此外，还有一些其他的吸附剂脱附再生方法，如电解氧化再生法、微生物再生法和药物再生法等。至于工业上到底采用哪种操作方法，应视具体
42、情况选用既经济又有效的方法。生产实际中，常常是几种方法结合使用。如活性炭吸附有机蒸气后，可用通入高温蒸气再生，也可用加热和抽真空的方法再生；沸石分子筛吸附水分后，可用加热氮气的办法再生。本设计采用升温脱附，即在等压下升高吸附床层温度，进行脱附，然后降温冷却，重新吸附。吸附床的操作温度为 T1，原料中吸附质的分压为 P1，当吸19附床达饱和后，吸附剂吸附容量为 x1。假定吸附阶段终了时，允许吸附后气体中的吸附容量低于 x2。升温脱附可将吸附剂从 T1 升温到 T2，这是吸附剂容量可以低于 x2。1、干燥吸附剂时空气消耗量：式中：L干燥吸附剂时空气的消耗量，kgl空气的单位消耗量，即干空气/H2O
43、，无量纲x1、x2分别为离开、进入吸附剂层时空气的含湿量即 H2O/干空气W干燥时驱走的水分，kg由化工原理查表得，35时饱和水蒸气蒸气密度为 0.03960kg/m3，则2、加热空气所消耗得空气热含量：式中：I2由加热器进入吸附器的空气热含量，J/kgI1进入加热器的空气热含量，J/kg设利用 120的热风进行脱附，查得 35时干空气的热含量为1.005KJ/（kg.），120时为 1.009KJ/（kg.），则：4.3 集 气 罩 的 设 计 计 算在工业生产中，常用于控制各种颗粒物和气态污染物的方法是将有害物质在发生源收集起来，经过净化设备净化后排到大气中，这就是局部排气净化系统，这种系
44、统所需要的风量最小，效果好，能耗也少，是生产车间控制空气污染最有效、最常用的方法。局部排气净化系统主要由集气罩、风管、净化设备、风机、烟囱等组成。局部排气净化系统的设计主要包括污染物的捕集装置、管道系统、净化设备设计等几个部分。20该系统用以捕集污染物的装置大多数呈罩子形状，通常称为集气罩。它是气体净化系统的关键部件，它可将粉尘及气态污染物导入净化系统，同时防止污染物向生产车间及大气扩散。集气罩的性能对整个气体净化系统的技术经济效果有很大的影响。设计完善的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下，用较小的排风量获得最佳的控制效果;而设计不良的集气罩即使用很大的排风量也达不到预期的目的。在控制
45、气体中扩散效果相同的前提下，排风量越大，则整个净化系统也越大，投资与运行费用也相应增加。因此，集气罩的设计是气体净化系统设计的重要环节。4.3.1 集气罩气流的流动特性研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的。集气罩罩口气流运动方式有两种：一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是吹气口气流的吹出流动。了解吸入气流、吹出气流以及两种气流合成的吹吸气流的运动规律，是合理设计和使用集气罩的基础。吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的。吹出气流在较远处仍能保持其能量密度，吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度急剧下降。这亦表明，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受。因此，可以利用吹出
46、气流作为动力，把污染物输送到吸气口再捕集，或者利用吹出气流阻挡、控制污染物的扩散。4.3.2 集气罩的分类及设计原则集气罩的种类繁多，应用广泛。按其气流流动的方式可分为两大类：吸气式集气罩和吹气式集气罩。按集气罩与污染源的相对位置及密闭情况，还可将吸气式集气罩分为:密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。其集气罩的设计原则为：（1）集气罩应尽可能包围或靠近污染源，使污染物的扩散限制在最小的范围内，尽可能减少气吸气范围，防止横向气流的干扰，减少排风量。（2）集气罩的吸气气流尽可能与污染气流运动方向一致，以充分利用污染气流的初始动能。（3）在保证控制污染的条件下，尽量减少集气罩的开口面积，使排
47、风量最小。（4）集气罩的吸气气流不允许通过人的呼吸区再进入罩内。设计时要充分考虑操作人员的位置和活动范围。21（5）集气罩的配置应与生产工艺协调一致，力求不影响工艺操作和设备维修。（6）集气罩应力求结构简单、坚固耐用而造价低，并便于制作安装和拆卸维修。（7）要尽可能避免或减弱干扰气流辱穿堂风、送风气流等对吸气气流的影响；虽然集气罩的结构不十分复杂，但由于各种因素的相互制约，要同时满足上述要求并非易事，应充分了解生产工艺、操作特点和现场实际。4.3.3 集气罩的选型由于受工艺条件限制，一般产生有机废气的车间无法进行密闭，且喷气车间室内横向气流干扰较小，可采用外部集气罩的上部伞形罩，如附图 5 所
48、示其基本参数如下：排风量：Q=20000m3/h钢板制圆形风管，取风速 12m/s风管直径： 圆整为 800规格为 8001.0风管横截面积：则实际风管气速：表 4-4 集气罩罩口速度1 2名称 条件举例 罩口速度，m/s扬尘速度极低，没有干扰气流（1） 烟 尘 从 敞 口 容 器 外 溢（2）液面蒸发（3）浸槽0.250.5扬尘低速飞散，无干扰气流（1）喷漆（2）酸洗（3）焊接0.51 .0扬尘较高速飞散，有较 （1）开炼机、密炼机 1.02.522小干扰气流 （2） 装 袋 、 装 桶（3）解包车扬 尘 高 速 飞 散 ， 有干扰气流（1）喷砂（2）粉磨机（3）砂轮机2.51 0罩口速度：
49、对照表 4-4,确定 =0.8m/s罩口面积:罩口直径：罩口直边长度：L20.2m（减少周围空气混入排风系统）罩口敞开面周长：罩口喇叭口长度：L03d 取 L0=1.5d=1.50.8=1.2m罩的扩张角角：圆形工作台特征尺寸：d0=1.5工作台至地面高度 H0=d0=1.5m又污染源至至罩口高度: 取 H1m4.4 吸 附 前 的 预 处 理对于一般的有机废气的工艺过程所产生的尘雾在高速喷出时，诱导周围的空气流动，加上工作点的不断变换，又与工件周围的空气大量混合，在反弹气流及车间内横向气流作用下，尘雾呈无序发散。这些粉尘含量不高，粒径较小，绝大部分在 10um 以下，若未经处理，将很快堵塞活性炭微孔，使活性炭失效。目前,国内外对这些尘雾特别是喷漆污染的治理非常
