m3每小时喷漆废气治理工程设计毕业论文

毕业设计（论文） 1500015000 m m3 3/h/h 喷漆废气喷漆废气 治理工程设计治理工程设计 学 院 环境科学与工程 专 业 环境工程 年 级 2009 级 1 班 学 号 3123008171 姓 名 周常月 指导教师 黄树杰（校外） 陈凡植 （2013 年 6 月 6 日 ） 广东工业大学教务处制 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 叶丽杰 广东工业大学 计计 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 I 摘 要 本设计将介绍一种有效的喷漆废气净化技术吸附浓缩与催化燃烧.设计选用蜂窝 状活性炭做为吸附剂，其具有吸附性能好，流体阻力小的特点。通过蜂窝状活性炭的 吸附浓缩作用,将大风量、低浓度的有机废气转换成小风量、高浓度的有机废气,后者可 在催化燃烧床上转变成无害的CO2 和H2O ,并保持稳定的自燃烧态。与传统工艺相比,采 用该方法具有净化效率高、无二次污染、运行成本低的优点。 首先本文将概述当前喷漆废气处理的现状，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，对本毕业设计进行工程预算，确定经济可行性。 在附录中，本文还将给出一些必要的设计资料，供参考之用。 关键词：喷漆废气，吸附浓缩，催化燃烧，蜂窝状活性炭 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 II Abstract The design introduced an effective technology of adsorption concentration and catalyticcombustion for cleaning spray-paint waste gas. The design choose honeycomb- shaped activated carbon as sorbent,which has large adsorption ability and low resistance. By its concentrating adsorption , large flow and low concentration of organicwaste gas were changed to smaller flow and higher concentration. The latter was passed into catalytic combustion chamber to convertinto carbon dioxide and water , which could maintain self- burning. Compared to traditional technology , this technology has the advantages of high purification efficiency , no residual waste generation , and low maintenance costs. At first , I will introduce the characteristics, application,and the present situation of cleaning of spray-paint saste gas,and then principles of them,explaining the reason to choose the technology. The second,I will describe the principle,design method. The last,I will do the budget of the projet，to make sure the availability of the design. At the supplement,I will write sone thing like program code,dialogs and so on.It may be helpful for the future design. Keywords : spray-paint cwaste gas, adsorption concentration , catalytic combustion, honeycomb-shaped activated carbon 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 III 1. 绪 论1 1.1 概述 1 1.2 国内外研究状况 1 1.2.1 各种净化方法的分析比较2 1.2.2 净化设备概况2 1.2.3 存在问题3 1.3 课题研究方法 3 2 设计任务和说明.4 2.1 设计任务 4 2.3 设计进气指标.4 2.4 设计出气指标 4 2.5 设计原则 5 2.6 设计目标 5 3 工艺流程说明.6 3.1 工艺选择 6 3.2 工艺流程 6 4 设计过程计算.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 4.3 吸附器的选择和设计计算.12 4.3.1 吸附器的确定12 4.3.2 吸附剂的选择14 4.3.3 空塔气速和横截面积的确定16 4.3.4 固定床吸附层高度的计算16 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 IV 4.3.4 活性炭用量的计算18 4.3.5 床层压降的计算19 4.3.6 活性炭再生的计算19 4.4 催化床装置的设计计算 21 4.5 集气罩的设计计算 22 4.5.1 集气罩气流的流动特性.22 4.5.2 集气罩的分类.23 4.5.3 集气罩的选型.23 4.6 漆雾处理 25 4.7 管道系统设计计算 26 4.7.1 管道系统的配置26 4.7.2 管道内流体流速的选择27 4.7.3 管道直径的确定.27 4.7.4 管道内流体的压力损失.27 4.7.5 风机和电机的选择.28 5 工程核算.31 5.1 工程造价 31 5.2 运行费用 32 结论.33 参考文献.34 致谢.36 附图 外文文献翻译 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -5 1. 绪绪 论论 1.1 概述 喷漆工艺的应用十分广泛，各种金属部件和机器整体的防锈蚀保护,日用商品和用 俱的表面装饰大多需经喷漆。喷漆包括普通喷漆、无雾喷漆和静电喷漆，其中普通喷 漆，因设备简单、投资少、灵活性大和适应面广,是目前使用最为普遍的涂装工艺。由 于涂料品种繁多。所使用的溶剂种类各不相同，喷漆中所释放出的溶剂种类成分复杂， 但总体上均属有机废气污染物，主要成份是苯类(苯、甲苯、二甲苯)，其次是醇类酷类。 这些有机物具有浓度高、毒性大、易燃、易爆等特点，同时，对人危害很大，严重影 响工人的身体健康，主要引起中枢神经系统麻醉、造血机能损害和呼吸系统病变、白 血球降低、血小板减少、皮炎等 1 ，因此净化漆雾已经越来越引起人们的重视. 目前，喷涂工艺仍然十分落后，设备简陋，不少喷漆施工现场，可以看到喷漆工 人处在“雾气腾腾、尖埃满地”的恶劣环境中劳动，生产方式很不文明.空气中有害物质 的浓度很高,一般都超过卫生标准的20400倍 2 ,严重地污染环境,损害职工身体健康。 有的虽然采取一些简易措施，收到一些效果，但由于设计不合理，又没有净化装置， 危害依然十分严重。鉴于上述情况，防止环境污染，改善劳动条件，保障职工身体健 康，对漆雾净化技术的研究有着十分明显的经济效益和社会效益。 1.2 国内外研究状况 目前国内大型工件，如汽车、火车、大型机床等喷漆的生产设施一般采用密闭容 器式喷漆室或建筑式喷漆车间。对采用人工喷漆的大型喷漆车间，又分为:单体密闭式、 组合式和分隔式几种，少数也采用了联合处理法，如活性炭吸附法与催化燃烧法相结 合。其中溶剂吸收法，又分为有机溶剂(如:油吸收)和水吸收等几种。国外目前大型、 连续性、产量高的喷漆车间，生产设施一般采用容器密闭，操作点集中和制成厚膜涂 料等措施，来减少废气排放量，缩小污染区。就处理方法而论，可分为低温冷凝法、 催化燃烧法、溶剂吸收法和活性炭吸收法等4类。近年来用混合处理法，如活性炭吸附 法与催化燃烧法相结合技术有了一些新进展，提高了自动化程度和处理效果。但因投 资昂贵，没有进一步推广使用。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -6 1.2.1 各种净化方法的分析比较 解决有机溶剂蒸汽的污染, 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 1-1。 表表 1-1 国内外喷漆废气常用处理方法的优缺点比较国内外喷漆废气常用处理方法的优缺点比较 3 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。 1.2.2 净化设备概况 有机净化设备是用于治理工厂排放的有机废气, 消除对大气污染的一种环保设备。 近年来发展比较快, 根据净化方法大致可以分为三类。 （1）活性炭吸附的净化设备 活性炭具有大量细孔和很高的比表面, 当废气通过炭层时, 靠分子间的引力和毛细 管凝聚作用, 可使废气凝缩在炭的表面上, 从而达到净化废气的目的。活性炭吸附饱和 后, 用蒸汽加热脱附可以使活性炭再生,再经干燥、冷却继续使用。脱附物经冷凝分离, 回收有机溶剂。活性炭吸附系统通常有阻火器、除尘过滤器、冷却器、吸附器、通风 机、冷凝器、分离器和控制仪表等组成。 （2）催化燃烧的净化设备 催化燃烧是利用催化剂对有机废气的催化燃烧作用, 促使有机废气在尽可能低的起 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -7 燃温度下, 激烈燃烧变成无毒的二氧化碳和水, 然后排到大气中, 进而达到净化的效果。 燃烧生成的高温气体可以再利用来干燥涂层和预热空气。催化燃烧系统一般由过滤器、 热交换器、预热室、催化室、通风机以及控制仪器等组成。 （3）废气治理吸收塔 这是应用吸收法净化废气的一种装置。废气通过与塔体的吸收液充分接触, 产生物 理溶解, 达到净化目的。这种装置的关键是根据不同涂料所产生的溶剂, 选用合适的吸 收剂。 1.2.3 存在问题 （1）净化系统是优化设计, 要求既节约投资和能量消耗, 又要确保安全, 这三者与 排风量均有关系。因此设计时, 先要科学地计算排风量。风量过大, 就会增加设备, 增 加投资, 多占面积, 多消耗能量; 风量过小, 就可能使废气浓度高于安全极限, 产生爆炸 危险。但目前生产中对风量的确定很少做科学实验和计算。 （2）对有机废气, 目前还没有统一的测试和分析方法, 使各单位无共同的标准可循, 影响测试分析的结果。 （3）目前国内的废气净化设备多用于高浓度单件的油漆设备, 对于大批量低浓度的 油漆自动线的废气净化还有待于进一步提高。 1.3 课题研究方法 (1) 实地调查 接收设计任务后对生产现场进行实地调查，重点是对污染源的调查， 了解污染物的种类、排放量和排放方式；此外对生产规模布局、生产工艺过程、原料 来源、废弃物的回收利用液需要有一定的了解 (2) 确定方案 根据调查情况对治理技术方案进行论证，确定治理方法、设备类型 治理工艺流程等 (3) 设计计算 首先要根据设计要求活前人的经验数据确定设计参数；通过物料衡 算确定设备外形尺寸；通过热量衡算和流体动力学、材料力学等原理确定设备内部的 结构。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -8 2 设计任务和说明设计任务和说明 2.1 设计任务 设计内容为 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计，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）查阅和翻译文献资料； （2）参与毕业实习并编写实习报告； （3）编写毕业设计说明书； （4）进行工程概算和运行可行性分析； （5）绘制工程设计图纸。 2.3 设计进气指标 风量为 15000，温度为 40，hm / 3 排气压力为 101.3 kpa， 甲苯浓度为 240, 3 /mmg 二甲苯浓度为 40， 3 /mmg 苯浓度为 20。 3 /mmg 2.4 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 4 , 具体数据见表 2-1: 表表 2-1.2-1.设计出气指标设计出气指标 单位 mg/m3 指 标苯甲苯二甲苯 出气浓度124070 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -9 2.5 设计原则 （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）采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，使建成的废气处理设施具有显著 的环境效益、经济效益和社会效益。 （3）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。 （4）操作管理方便，节省动力、消耗及运行费用。 2.6 设计目标 （1）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。 （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。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -10 3 工艺流程说明工艺流程说明 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 5 ,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,回 收物也是溶剂和水的混合物,通常是不能重复使用的,且又产生一个废液处理问题,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，采用将活性炭吸附法和催化燃烧法结合在一起,成为一种结构紧凑,适合处理低浓 度,大风量(如喷漆废气)有机废气的联合系统，即吸附浓缩催化燃烧工艺。该工艺充 分利用了活性炭吸附法和催化燃烧法的长处,克服其缺点,进一步提高净化效率,降低运行 费用。对于处理低浓度、大风量的喷漆废气,该技术与其它技术相比具有净化效率高、 无二次污染和节省能耗等优点。 3.2 工艺流程 图 3-1 处理工艺流程简图 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -11 1 漆雾过滤器; 2 活性炭固定吸附床; 3 催化燃烧设备; 4 四通阀; 5 阻火器; 6 温度缓冲器; 7 排风机; 8 脱附风机; 9 补冷风机。 该处理工艺系统组合十分紧凑,集吸附-脱附-催化燃烧于一体。由车间排放的 VOCs 废气先通过吸附床,在此气体中有机物被吸附剂吸附后排出净化了的气体。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。脱附是在脱附风机的 驱动下,使吸附床与催化燃烧设备成为1个循环系统。先由催化燃烧设备送出热气流引入 待脱附的吸附床,使吸附的有机物脱附下来,再引入催化燃烧设备,在催化燃烧室进行催化 氧化,以消除气流中的有机物。有机物催化燃烧后释放出的热量足以维持催化剂床层所 要求的温度,保证有机物高效净化。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。通过控制,可使脱附后气流中的有机物浓度较吸附操作前提高 10倍以上,气体流量仅为总排风量的1/201/10左右。通过两种净化工艺设备的组合,使 大风量、低浓度的VOCs 废气排放变为小风量、中高浓度的有机废气净化处理,同时有 效利用了有机物在催化燃烧时产生的热能,使运行费用较低。(详见附图1) 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -12 4 设计过程计算设计过程计算 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，流体会众的某一些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 6 。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 7 表表 4-1 物理吸附与化学吸附的区别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。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -13 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。 吸附平衡表明吸附过程的限度，未涉及吸附时间。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，两项接触时间式有限的。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吸附 （4）脱附的吸附质再经内外扩散至气象主体 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。 4.1.3 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，其平衡可表示为： A , pf 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -14 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 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。其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。 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，如弗罗因德里希（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： ap ap 1 式中 吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数 a 吸附系数 p 气象分压 其另一表现形式为： 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -15 = V ap ap Vm 1 式中 单分子层覆盖满时（）的吸附量 Vm 1 在气相分压下的吸附量 V 在压力很低时，或者吸附很若时，ap1,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、基本的恒温式。在很多体系中，朗格谬尔等温式不能在较 大的 范围内与试验结果相吻合。 （2） 罗因德里希方程式 n kP m x q 1 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 m 吸附质质量， 被吸附气体的质量x 罗因德里希等温方程式只是一个经验式，它所使用的 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，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，吸 附平衡后，吸附总数为： 0 0 11 p p Cpp Cp VV m 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -16 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。 4.2 吸附器的选择和设计计算 吸附器的设计计算主要包括吸附器的形式的选择，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。一个设计良好的吸附器的基本要求为： （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）能有效地控制和调节吸附操作温度 （5）易于更换吸附剂 4.21 吸附器的确定 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 4-2 8 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -17 表表 4-24-2 三种吸附器主要特点比较三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，本设计吸附器采用立式圆锥形固定床吸附 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：15000 hm / 3 吸附器外观尺寸：LBH400015001500mm 材料：钢板 4 压降： 1000 Pa 数量：两台并联，脱附吸附交替运行 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -18 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，对于流体的表面都具有物理吸附作用，但合乎工业要求的吸附剂则应具备 以下条件： （1） 具有巨大的比表面积 （2） 具有良好的选择吸附作用 （3） 吸附容容量大 （4） 较高的机械强度、化学与热稳定性 （5） 良好的再生性能 （6） 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除，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。 工业上常用的吸附剂主要有5种：活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛。 其中活性炭是一种具有非极性表面，为疏水性和亲有机物得吸附剂，常用于吸附空气 中的有机溶剂和恶臭物质，已广泛用于治理某些气态污染物。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。 蜂窝状活性炭的研制最早见于日本的报道 9 。蜂窝状活性炭不但包含活性炭原 有的优点,如比表面积大、独特的空隙结构、表面化学官能团稳定、抗酸碱腐蚀性、疏 水性,以及失效后可再生性,等等,而且由于其独特的蜂窝结构,还具有开孔率高、气体分 布均匀、几何表面积更大、扩散路程短、耐磨损、抗粉尘污染能力强等优点。与其它 类型的活性炭相比,蜂窝状活性炭的最大优点在于压力损失小,在同样条件下,其阻力仅为 同比颗粒活性炭的1/ 10 左右 10 。基于上述优点,蜂窝状活性炭可以用于气体净化、 气体储存等方面。 综合衡量各方面因素，本设计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： 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -19 表表 4-3 蜂窝状活性炭的物理性能蜂窝状活性炭的物理性能 11 项目性能指标 外形尺寸/50 50 100 孔数/-216 孔壁厚/0.5 压碎强度/Mpa 正面：7.07 侧面：0.3 体积密度/g.-30.40.5 几何外表面积/.g-10.32 比表面积/.g-1700 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 12 。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的一个函数 13 。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 14 。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 15 。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -20 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, 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/s” 16，依此经验结 论，本设计确定 空塔气速: U = 1.0 m/s. 处理气体量: Q = 15000 hm / 3 横截面积: S = = 4.16 U Q 0 . 13600 150000 取 S = 4.5 4.24 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。在无实验数据的情况下，本设计借鉴张文俊等人的实 验研究数据，其穿透曲线如图 4-1: 依据图 4-1，在允许的工程误差范围内,确定穿透时间 33 h，即吸附作用时间 为 33h.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17 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -21 X= a SL b 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 450 kg/m3 处理废气量：Q=15000 m3/h “三苯”的浓度：0400 mg/m3 吸附作用时间: =30 h 则在吸附作用时间内的吸附量： X=135 1000000 3030015000 4-1 “三苯”穿透曲线图 18 又蜂窝状活性炭对苯蒸气的吸附等温线(314K)如图 4-2 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -22 甲苯在气相中的分压比y 图 4-2 蜂窝状活性炭对甲苯蒸气的吸附等温线(314K) 19 污染物以甲苯为主，作为计算依据，在允许工程误差范围内， 甲苯浓度： 300 mg/m3 b 甲苯的摩尔质量:M = 92 g/mol 甲苯在气相中的分压比：y 0.0001 1000100092 4 . 22300 查吸附等温线上对应的吸附量约为：0.15 ml/g 314k 时，甲苯的密度为：0.83 mg/m3 则此温度下的静活度 a 为：0.150.830.12 则活性炭吸附层高度: L = = 0.56 m b aS X 4505 . 412 . 0 135 取 L = 0.8 m 4.2.5 活性炭用量的计算 吸附剂的用量：M = LS b = 0.84.5 450 = 1620 kg 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -23 4.2.6 床层压降的计算 与颗粒状活性炭相比,蜂窝状活性炭具有独特的蜂窝状结构,开孔率高,流体通过时 产生的压力损失很小,不同流速下蜂窝状活性炭和粒状活性炭对空气流的阻力见 图4-3 图 4-3 床层气体流速与阻力的关系 20 得床层压力降经验公式为: P 945.1L 055 . 1 U 则吸附器压降： 945.10.8 1 P 055 . 1 1 756 Pa 4.2.7 活性炭再生的计算21 吸附剂的吸附容量有限，一般在140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、化学转化、溶剂萃取、 电解氧化和微生物再生等。至于工业上到底采用哪种操作方法，应视具体情况选用既 经济又有效的方法。生产实际中，往往是几种方法结合使用。 本设计采用热风进行脱附，又脱附风量和脱附时间有如 图 4-4 的关系 ： 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -24 图 44 脱附风量和脱附时间关系 提高脱附风量可有效缩短脱附时间，但脱附风量过大增加了动力消耗，也不利于 后续的催化燃烧。一般脱附风量的确定可根据吸附有机溶剂的浓缩倍数（一般控制在 10 倍20 倍） ，脱附出气体种有机物浓度（控制在催化燃烧范围） ，热利用率及催化燃 烧系统设备费与运行费价格比等因素综合考虑。 在一个完整的吸附周期内，将升温时间与炭层中部温度作曲线，得图 4-5 图 45 脱附升温曲线 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -25 从图上看出，从吸附操作开始到达平衡需要时间约 3 h，这阶段热量主要用于吸附 床壳体及活性炭的的预热及低沸点苯及少量甲苯的脱附，达到平衡脱附阶段，热量主 要用于大量甲苯及二甲苯的解吸、蒸发，其时间约 3.5 h，其后返入吸附剂冷却时间阶 段约需 2.5 h，总脱附时间约 9 h。 活性炭再生基本参数如下: 脱附风量：2000 m3/h 热空气温度：120140 脱附时间：6.5 h 冷却时间：2.5 h 脱附周期：9.0 h 4.4 催化床装置的设计计算 催化燃烧也称为无火焰燃烧，其实质是催化氧化反应。与直接燃烧相比，催化燃 烧一般可使反映温度下降 300600，其流程如图 4-6 图 4-6 催化燃烧流程图 在燃烧室装入了催化剂，从燃烧室出来的气体再与入口的脱附废气进行热交换。 有机废气被加热至燃烧温度后进入催化剂床层进行催化氧化反应，最终生成 CO2和 H20。如果脱附废气中的“三苯”浓度较低（低于 1000 mg/m3 ） ，氧化反应放出的热量不 能维持催化剂床层的温度达到起燃温度，这是需从加外部施加一定的热量。当入口浓 度达到 80001000 mg/m3 时，靠燃烧热已能维持自燃，将入口浓度控制在这一浓度范 围内，从节能角度考虑是最理想的，但若综合考虑安全性，催化剂的使用寿命等因素， 入口浓度应控制再 60008000 mg/m3 的范围21。该装置由热交换器、预热室和燃烧 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -26 室构成。其中预热采用电加热方式，燃烧室装的是蜂窝状稀土催化剂，其具体结构见 附图 3 所示，运行基本参数如下： 催化装置进气“三苯”浓度：7500 mg/m3 （符合要求） 0 . 92000 1000000135 2 催化装置出气“三苯”浓度：甲苯 40 mg/m3 苯 12 mg/m3 二甲苯 70 mg/m3 净化效率： % 3 . 98%100 7500 7012407500 催化装置外观尺寸电机功率：49.5 Kw 系统管道直径：400 压降： 1500 Pa 数量： 1 台 4.5 集气罩的设计计算 在实际工业生产中，常采用局部排气净化系统控制各种颗粒物和气态污染物，也 就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。这种系统所需 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。 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 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。 广东工业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 - -27 4.5.1 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。经研究和查阅资料，两种气流运动特性迥异吹出气流在较 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。也就 是说，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受 4.5.2 集气罩的分类 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）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； （2）吸气气流尽可能与污染气流运动方向一致，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，使排风量最小； （4）充分考虑