fenton法吸收处理硝基苯废气毕业论文

摘摘 要要 室内空气中可挥发有机污染物对人体的危害严重影像了人们的生活质量和身体健 康，Fenton 试剂法处理有机污水的研究较早。在液态时促进化学反应能够极大的提高 低溶解性挥发性有机化合物(VOCs)的吸收率，进而提高去除率。 本设计提出采用 UV/Fenton 法吸收处理硝基苯废气。硝基苯中的硝基为强钝化基， 须在较强的条件下硝基苯才能发生亲电取代发应，生成间位产物，生物降解很难。 Fenton 试剂在紫外灯的照射下，能够产生较多的OH 自由基，使硝基苯被氧化去除， 去除效率高。 关键词：关键词：有机废气，吸收塔，UV/Fenton 法，硝基苯废气 Abstract It was fairly earlier to treat organic wastewater with Fenton as a reagent. Promotion of chemical reactions at the liquid phase can significantly improve the rate of low- solubility volatile organic compounds(VOCs), and then increase the efficency of removal. In this design，the treatment of nitrobenzene with UV/Fenton is proposed . The nitro of nitrobenzene is passivation, to be stronger in terms, nitrobenzene can happen electrophilic substitution, m-generation is producted, nitrobenzene biodegradable is difficult. Fenton in ultraviolet light irradiation, can produce more OH radicals, nitrobenzene is oxidation removal, with high removal efficiency. Key words : Organic emissions, Absorption tower, UV/Fenton, Nitrobenzene 目目 录录 1绪论1 1.1硝基苯的特性.1 1.2硝基苯对人体健康的危害.1 1.3硝基苯的毒理学资料及环境行为.1 1.4硝基苯有机废气处理的必要性2 2常用的净化方法3 2.1热力燃烧.3 2.2催化氧化.4 2.3炭吸附法.5 2.4冷凝法8 2.5膜分离技术19 2.6变压吸附技术.10 2.7生物处理技术.10 2.8高压脉冲电晕法10 2.9臭氧分解法( Ozonolysis Method)11 2.10 光分解法( Photeolysis Method)11 2.11 离子体分解法( Plasma Decomposition)12 3UV/Fenton 净化处理法.13 3.1UV/Fenton 法氧化机理.13 4设计资料15 4.1硝基苯废气的气量和组成.15 4.2设计依据与原则15 4.3设计原则.15 4.4设计范围.15 4.4设计目标.16 5 UV/Fenton 净化处理工艺设计17 5.1工艺流程.17 5.2工艺设计计算.18 5.2.1 吸收塔尺寸的确定18 5.2.2 喷淋量的确定19 5.2.3 吸收塔附件的选择19 5.2.4吸收塔总压降22 5.2.5 管网设计22 5.2.6 风机及配套电机的选择27 7工程投资32 8运行费用33 8.1成本概算有关单价.33 8.2运行成本概算.33 参 考 文 献.34 致 谢36 1 1 1 绪论绪论 1.1硝基苯的特性硝基苯的特性 硝基苯为淡黄色油状液体，有苦杏仁味，具有挥发性，能随水蒸汽同时挥发， 可溶于醇，微溶于水。空气中容许浓度为 1mgm，相对密度为 1.571(0)，熔点 为 118，沸点为 319。硝基苯的分子式为：C6H5NO2 可用于生产多种医药和 染料中间体如苯胺、间氨基苯磺酸、二硝基苯等。亦可用作有机溶剂，有时在有 机反应中作弱氧化剂用。如制造三芳基甲烷染料等。 1.2硝基苯对人体健康的危害硝基苯对人体健康的危害 硝基苯侵入人体的途径主要有三种，吸入、食入、经皮吸收。硝基苯对人的 危害与苯大体类似，主要引起高铁血红蛋白血症，可引起溶血及肝损害，除可以 致癌、致畸形、致基因突变，伤及人的中枢神经、组织器官及造血系统之外，它 还可能造成中毒性肝炎，或者肝病。剧毒。口服 15 滴可致死。吸入蒸气或经皮肤 吸收而引起中毒。急性中毒症状为神志不清、麻醉、心力衰褐、呼吸不匀，离开 中毒环境后仍有嘴唇发紫等症状，家兔经口 LD700mg/kg。由于醇类可使硝基苯中 毒者血液毒性增加，因此班前班后禁酒。工作场所空气中最高容许浓度 1E-6。生 产设备要密闭，防止泄漏，通风要良好。操作人员要穿戴防护用具。 1.3硝基苯的毒理学资料及环境行为硝基苯的毒理学资料及环境行为 急性毒性：LD50489mg/kg(大鼠经口)；2100mg/kg(大鼠经皮)；狗静脉 150mg/kg，最小致死剂量；人(女性)经口 200mg/kg，最小中毒剂量(血液毒性)； 人经口 5mg/kg，最小中毒剂量(不悦感)。 致突变性：细胞遗传学分析：啤酒酵母菌 10mmol/管。 2 生殖毒性：大鼠吸入最低中毒浓度(TCL0)：5ppm(6 小时)，(90 天，雄性)， 影响精子生成，影响睾丸、附睾和输精管。 硝基苯在水中具有极高的稳定性。由于其密度大于水，进入水体的硝基苯会沉 入水底，长时间保持不变。又由于其在水中有一定的溶解度，所以造成的水体污 染会持续相当长的时间。硝基苯的沸点较高，自然条件下的蒸发速度较慢，与强 氧化剂反应生成对机械震动很敏感的化合物，能与空气形成爆炸性混合物。倾翻 在环境中的硝基苯，会散发出刺鼻的苦杏仁味。80以上其蒸气与空气的混合物 具爆炸性，倾倒在水中的硝基苯，以黄绿色油状物沉在水底。当浓度为 5mg/L 时， 被污染水体呈黄色，有苦杏仁味。当浓度达 100mg/L 时，水几乎是黑色，并分离 出黑色沉淀。当浓度超过 33mg/L 时可造成鱼类及水生生物死亡。吸入、摄入或皮 肤吸收均可引起人员中毒。中毒的典型症状是气短、眩晕、恶心、昏厥、神志不 清、皮肤发蓝，最后会因呼吸衰竭而死亡。 危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。与硝酸 反应强烈。 燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳、氧化氮。 1.4硝基苯有机废气处理的必要性硝基苯有机废气处理的必要性 去除空气中有害挥发性有机物（VOCS）是近十年来普遍关注的重点和研究的 主要课题。VOCS来自室内生产工艺、设备、家具和围护结构在内的所有物品，并 在室内扩散、传递和反应。 硝基苯化合物常用于硝基苯制造、苯胺、联苯胺、偶氮苯、染料生产的原料， 是染料、苦味酸及苦胺酸、苯胺、炸药、香料、医药、农药等有机合成工业中最 重要的基本中间体之一，也常用于有机溶剂。硝基苯废气对人体危害极大，属重 度危害有机物，少量就能引起中毒，严重时昏迷、抽搐、呼吸麻痹，具有致突、 致畸、致癌性。各国对大气中硝基苯浓度均有严格限制。我国规定居住区大气中 硝基苯最高允许浓度为 0.01mg/m3，车间空气中最高允许浓度为 5mg/m3。 3 2 2 常用的净化方法常用的净化方法 VOC 的控制可以从多种途径实现。最经济的方法是通过清洁生产的途径减少 VOC 的使用和散发。但对于一些工艺过程和生产而言，清洁生产的路还很长，不 可避免的还会有大量的 VOC 会被排放，末端治理技术仍然是必不可少的一种手段。 同样在这些治理技术中也存在清洁工艺和污染工艺之分。 目前常用或已有实际应用的净化和回收 VOC 的方法有两类，一类是破坏性方 法，包括热力燃烧法，催化燃烧法、工业锅炉或加热器燃烧法；另外一类是非破 坏性方法，即将 VOC 净化和并回收，这类方法有活性炭吸附法、冷凝法、膜分离 法、生物法等；其他正在开发的方法有光催化氧化法、等离子法等。 热力燃烧法、催化燃烧法、吸附法等传统方法已在 VOC 的控制上得到了广泛 的应用，但这类方法也在不断的改进和提高以增加控制效率、扩展应用范围和减 低费用。 2.1热力燃烧热力燃烧 现代的热力燃烧系统已不再是以往的明火燃烧（如火矩） ，其对各类挥发性有 机污染消除效率设计为 95%99%。这类系统设计用于气量 200010000m3/h ,浓度 范围在 1002000ppm 的场合。通常的燃烧温度为 7001000，停留时间为 0.51.0s，并可通过配置热回收系统来减少运行费用，在国外和国内的石化企业中 应用很广。热力燃烧系统的实际运行温度取决于处理气体的性质、浓度和要求的 净化效率。在污染组分不易燃烧或入口浓度较低的情况时，需要输入较多的能量 和较长燃烧区停留时间才能确保所需的净化效率。燃烧在 1000进行时会产生一 定量的热力 NOx，造成二次污染。在处理卤代有机化合物时，生成的酸性产物及 由此可能造成的腐蚀问题要求设备防腐和对尾气进行进一步的净化处理。 燃烧法的改进主要体现在燃烧器的改进设计。美国 Alzeta 公司设计了一种内 向式、绝热辐射燃烧器。该装置为双层圆桶式结构，VOC 与燃烧气首先进入外圆 环空间，然后通过一多孔陶瓷圆环燃烧器强制混合燃烧，最后从中心排出。由于 4 陶瓷燃烧器的，而燃烧区为陶瓷环内表面，因此只需较低的温度和较短的停留时 间就可达完全燃烧。该装置可在数秒内就加热到操作温度，很适用于间歇式操作。 由于采用了内向流设计，辐射热在陶瓷的内表面间交换，使得燃烧器即使在空气 过量系数大于 2 的情况下也能维持所需的操作温度。该装置的操作温度为 870980，处理能力为 260360Nm3/m2陶瓷面积。对含氯或不含氯氢类的净化 效率大于 99.9，NOx和 CO 的含量低于 10ppm，设备占地小，对燃烧需求量也较 小。 还有一种燃烧法为界面燃烧，是在热力燃烧的基础上发展起来的，其特点是 在燃烧室内增加了蓄热能力大的填充物。填充物预热到 600，从上徐徐向下移动， 与上升的有害气体在上升过程中热量愈得愈多，温度愈来愈高，直到起燃温度后 开始氧化分解，最后反应温度 650750。填充物在装置内不断循环，处理过程 连续进行。净化后的排放气体与循环下降的低温填充物热交换后，约在 100左右 的温度下排入大气。在 750下对苯的净化效率为 99.8；在 800下则已接近 100。 表表 2.1 表面燃烧与一般热力燃烧的比较表面燃烧与一般热力燃烧的比较 表面燃烧一般热力燃烧 1m3空间中填充直径13mm球时，表面积达 250m3 1 m3空间内壁面积最大仅为 6m3 停留时间 0.050.1s停留时间 0.30.5s 填充层型的热回收装置的传热系数 K=628837.36kJ/(hm2) 列管式热交换器的传热系数 K=83.74167.47kJ/(hm2) 2.2催化氧化催化氧化 与热力燃烧系统一样，催化氧化处理系统也是一种燃烧，不同之处在于，由 于催化剂的作用，催化氧化的温度在 370480，用于气量 2000200000m3/h， 浓度范围在 1002000ppm 的场合。与热力燃烧相比，催化氧化适用于低浓度及气 体循环使用的场合。常用于气体流量和浓度波动的场合。其净化效率通常大于 5 90，最大为 95。其热力回收系统主要为间接回收。催化材料易受硫、氯和硅 等非 VOC 物质的毒害而失活。由于更换催化剂的费用非常昂贵，因此其应用要少 于热力燃烧。 催化燃烧的改进主要集中在新型催化剂的研究上.重点为如何防止催化剂因卤 素、硫化物或 NO2而造成的失活及和磷、铅、锌。砷、汞或其他重金属引起的中 毒。如美国联信公司开发的处理卤代氢的催化剂对磷和其他的一些物质有很好的 抵抗性。其他开发的铬铝基材料的催化剂（以 Cr2O3计含铬 1225）能持续 有效地处理卤代类有机物，而催化床结构上仍然是规则的蜂窝式结构、颗粒散堆 固定床和硫化床 3 种形式。 2.3炭吸附法炭吸附法 炭吸附是目前最广泛使用的回收技术, 其原理是利用吸附剂(粒状活性炭和活 性炭纤维) 的多孔结构, 将废气中的 VOC 捕获。将含 VOC 的有机废气通过活性 炭床, 其中的 VOC 被吸附剂吸附,废气得到净化, 而排入大气。当炭吸附达到饱 和后, 对饱和的炭床进行脱附再生; 通入水蒸气加热炭层, VOC 被吹脱放出,并 与水蒸汽形成蒸汽混合物, 一起离开炭吸附床。用冷凝器冷却蒸汽混合物, 使蒸 汽冷凝为液体。若 VOC 为水溶性的, 则用精馏将液体混合物提纯;若为水不溶性, 则用沉析器直接回收 VOC。因涂料中所用的“三苯”与水互不相溶, 故可以直接 回收。炭吸附技术主要用于废气中组分比较简单、有机物回收利用价值较高的情 况, 其废气处理设备的尺寸和费用正比于气体中 VOC 的数量, 却相对独立于废 气流量; 因此, 炭吸附床更倾向于稀的大气量物流, 一般用于 VOC 浓度小于 5000ppm 的情况。适于喷漆、印刷和粘合剂等温度不高, 湿度不大, 排气量较大 的场合, 尤其对含卤化物的净化回收更为有效。 表表 2.2 活性炭吸附可除去的污染物质活性炭吸附可除去的污染物质 吸附剂吸附质 活性炭 苯、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醇、汽油、煤油、光气、乙酸乙酯 6 浸渍活性炭 烯氢、胺、酸雾、硫醇、 SO2、Cl2、H2S、HF、HCl、NH3、Hg、HCHO、CO2、CO 表表 2.3 工业用活性炭的物理性质工业用活性炭的物理性质 吸附剂 真密度 /（g/cm3 ） 颗粒密度 /（g/cm3 ） 填充密度 /（g/cm3 ） 空隙率 / 细孔容积 /cm3 /g） 比表面积 /（m2/g ） 平均孔 径/ 颗粒活 性炭 2.02.2 0 0.61.0 0.350. 60 0.330. 45 0.501. 1 700150 0 1240 粉末活 性炭 1.902. 20 _ 0.150. 60 0.450. 75 0.501. 40 700160 0 1540 气体流量和浓度的波动对活性炭吸附器无大的影响。活性炭吸附系统常用来 处理气量 200100000m3/h，浓度范围在 205000ppm 的气体。设备的尺寸取决 于气量和浓度。活性炭吸附系统的投资费用不高，操作灵活，运行成本与其他方 法相比通常也较低。固定床吸附装置的空塔速度一般取 0.5m/s 以下，吸附剂和气 体的接触时间取 0.502.0s 以上，吸附层压力损失应控制小于 1kPa。在有害气体 浓度较高时，为了适应工艺连续生产的需要，多采用双罐式并联系统，一罐吸附， 另一罐脱附，交替切换使用。 再生可采用热空气、水蒸气或热氮气进行。再生产生的浓污染气体需进一步 采用冷凝、热力燃烧、催化燃烧等方法处理。由于此时处理的是小气量的浓缩气 流，故二级处理的费用大大减低。活性炭在使用和再生的过程中会不断地损失其 吸附容量，因此在使用一定时间后需全部更换。 固定床炭层高度一般取 0.51.0m，垂直型（立式）直径与高度大致相等；水 平型（卧式）长度大约为层高的 4 倍。 吸附罐可填充颗粒炭或纤维状炭，此两种炭的性能比较列于下表。后者各项 性能指标均优于前者，因此用其做成的吸附装置体形小、吸附及脱附速率均快、 节约能耗，且回收溶剂品质高，国内已有定型成品供应。 7 表表 2.4 粒炭和纤维炭的性能比较粒炭和纤维炭的性能比较 活性炭名称颗粒炭纤维炭 形态直径 46mm 圆柱体1020m 纤维 目测单重/（g/m2） 100300 填充密度/(g/cm3)0.400.500.010.10 外表面积/(m2/g) 0.01 1.52.0 比表面积/(m2/g)900100010001500 平均细孔直径 26 1420 在空塔速率 10cm/s，z10cm 时吸附速率/(g/g)/ min 0.030.47 在空塔速率 5cm/s，z10cm 时 吸附速率/(g/g)/min 28.597.5 表表 2.5 几种国产活性炭的主要性能几种国产活性炭的主要性能 粒度/mm 堆积密度 /g/cm3 强度/%水分/%吸苯率/%碘值/mg/g 比表面积 /m2/g 孔体积 /cm3/g 直径 35 长 38 8575 810 35859.89260.81 直径 34 长 815 95525 直径 34 长 815 95220 8 直径 33.5 长 38 9030 9760.63 厚 28 0.050. 15 203090014708001700 待处理气体中的水分对活性炭层的吸附性能影响很大。在气体相对湿度超过 50时，活性炭对有机物的吸附能力将大大下降。对于含酮类有机气体不宜采用 活性炭吸附。因为酮类物质中的酰基炭在炭表面会发生放热聚合。连续暴露于酮 类气体的活性炭会因为放热而引起炭层着火。 炭吸附系统的改进主要体现在新型吸附剂和吸附工艺及再生解吸方面。新型 吸附剂包括沸石、聚合吸附剂和炭纤维活性炭。 沸石为多孔性的硅酸铝骨架结构，其孔径比较均匀，能选择性的吸收一定大 小的气体分子，也称为分子筛。由于工艺的进步，目前以能生产出疏水性的沸石。 这使得沸石能进一步选择吸收不同极性的有机分子。疏水性的沸石对水溶性差的 甲苯、二甲苯、苯等吸附性能很好，而对水溶性很好的乙醇的吸附较差。另外， 气体湿度对沸石吸附性能的影响要远低于对活性炭的影响，使得沸石能用于一些 高湿度场合的吸附。 开发聚合吸附剂的目的是克服传统炭吸附的湿度和吸附容量的限制。这些吸 附剂是基于苯乙烯/二乙烯苯的聚合物而开发的。这类吸附剂的特点是再生性能好， 容量大，可以根据应用场合的特点、要求生产出适合的吸附剂。如有的吸附剂可 用于吸附高沸点、低极性物质，有的则适合于吸附低沸点、高极性物质。 纤维活性炭由于其微孔直接面向气流，表现出良好的吸附、脱附性能，因而 可采用较短的吸附、脱附周期。另外，由于炭纤维较普通活性炭的金属含量低 （约少 5090） ，对卤代氢的催化作用小，不会造成会引起腐蚀作用的水解作 用，也不会出现普通活性炭床吸附酮类物质时可能出现的炭床闷烧现象。 吸附工艺和再生方面的改进包括组合式的热气体再生系统、流化床吸附系统、 冷冻再生法、溶剂再生、浓缩轮及微波再生等。 9 2.4冷凝法冷凝法 冷凝法是最简单的回收技术, 将废气冷却使其温度低于有机物的露点温度, 使有机物冷凝变成液滴, 从废气中分离出来, 直接回收。但这种情况下, 离开冷 凝器的排放气中仍含有相当高浓度的 VOC , 不能满足环境排放标准。要获得高 的回收率, 系统需要很高的压力和很低的温度, 设备费用显著地增加。冷凝法主 要用于高沸点和高浓度的 VOC 回收, 适用的浓度范围为 5 % (体积) 。 2.5膜分离技术膜分离技术 膜分离系统是一种高效的新型分离技术, 其流程简单、回收率高、能耗低、 无二次污染。膜分离技术的基础就是使用对有机物具有选择渗透性的聚合物膜, 该膜对有机蒸气较空气更易于渗透 10100 倍, 从而实现有机物的分离。最简单 的膜分离为单级膜分离系统, 直接使压缩气体通过膜表面, 实现 VOC 的分离, 但单级膜因分离程度很低, 难以达到分离要求, 而多级膜分离系统则会大大增加 设备投资。MTR 开发了一种新型的集成膜系统, 仅使用单级膜, 就可以大大提高 回收率, 并降低系统的费用, 其原理如图 1 所示。该技术结合压缩冷凝和膜分离 两种技术的特点, 来集成实现分离。用压缩机先将进料气提高到一定压力, 然后 将进料气送到冷却器冷凝, 使部分 VOC 冷凝下来, 冷凝液直接放入储罐。离开 冷凝器的非凝气体仍含相当数量的有机物, 并具有很高的压力, 可以作为膜渗透 的驱动力, 使膜分离不再需要附加的动力。将非凝气送到膜系统, 有机选择渗透 膜将气体分成两股物流, 脱除了 VOC 的未渗透侧的净化气被排放; 渗透物流为 富集了有机物的蒸汽, 该渗透物流循环到压缩机的进口。系统通常可以从进料气 中移出 VOC 达 99 %以上, 并使排放气中的 VOC 达到环保排放标准。该系统的 特点是未渗透物流的浓度独立于进料气的浓度, 该浓度由冷凝器的压力和温度决 定。 10 图图 2.6 MTR 的的 VaporsepTM 压缩冷凝膜分离单元压缩冷凝膜分离单元 2.6变压吸附技术变压吸附技术 该技术利用吸附剂在一定压力下, 先吸附有机物。当吸附剂吸附饱和后, 进 行吸附剂的再生。再生不是利用蒸汽, 而是通过压力变换来将有机物脱附。当压 力降低时, 有机物从吸附剂表面脱附放出。其特点是无污染物, 回收效率高, 可 以回收反应性有机物。但是该技术操作费用较高, 吸附需要加压, 脱附需要减压, 环保中应用较少, 故不再讨论。 2.7生物处理技术生物处理技术 有机废气的生物处理技术 20 世纪 70 年代在德国、日本等国家得到了应用。 该法利用微生物降解有机废气仲溶解到水中的有机物质，使气体得到净化。这种 方法能耗低、运转费用省。对食品加工厂、动物饲养场、粘胶纤维生产厂、化工 厂等排放低浓度恶臭气体的处理十分有效，并已有研究报告表明对苯、甲苯等废 气的处理也有一定的效果。 微生物处理法中的生物反应器的处理能力较小，往往需要很大的占地面积， 在土地资源紧张的地方，应用受到限制。另外，受微生物品种的限制，并不是所 有的有机物都能用生物法处理。 11 2.8高压脉冲电晕法高压脉冲电晕法 脉冲电晕放电法去除有机物的基本原理是通过前沿陡峭、脉宽窄（纳秒级） 的高压脉冲电晕放电，能在常温常压下获得非平衡等离子体，既产生大量的高能 电子和 O、OH 等活性粒子，与有害物质分子进行氧化、降解反映，使污染物最终 转化为无害物。国内外近年来对该技术的初步研究表明能达到较好的去除效果。 由于高压脉冲电晕放电法的功率消耗是随着有机物浓度的增加而增加，其功 率消耗直接作用在去除废气中有害组分上。因此，该法的能耗较低，且适用于低 浓度有机废气的处理。该法的去除效率也与有机物的种类有关。根据浙江大学的 研究结果表明，在对苯、甲苯、乙醇和二氯甲烷。试验还表明，在反应器中添加 催化剂可大大提高脉冲电晕放电法去除有机物的效率。目前该法仅限于实验室研 究，离工业应用还有一定的距离。在解决了设备放大及设备运行的稳定性和可靠 性后，该法的前景是光明的。 2.92.9 臭氧分解法臭氧分解法( Ozonolysis Method) 臭氧分解法国内未见报导, 国外对此技术的研究也还极少, Wessling 研究了 O3分解挥发性有机物的方法, 此方法可用于净化地面废气, 而且方法简单便宜, 用于分解土壤中非挥发性有机物多环芳香有机物、脂肪族有机物、酚和杀虫剂, 此时用地面气作 O3载体, 他作了实验室及野外实验, 并特别注意了 O3处理后土壤 的微生物状态, 结果细菌减少 99 % ,呼吸性能降低, 通过用纯 O2控制和未反应 的 O3的分解从而达到安全的目的。 2.102.10 光分解法光分解法( Photeolysis Method) 有机物在一定波长光照条件下分解本是知道得较为清楚的, 应用此原理对环 境中的有机污染物进行治理取得了很大进步, 但主要应用于废水净化处理, 在有 机气体污染物治理方面的报道不多见, 如何把光分解用于气态污染物治理是今后 值得研究的方向。 12 光分解气态有机物主要有两种形式: 一种是直接光照在波长合适时, 有机物 分解; 另一种是催化剂存在下, 光照气态有机物使之分解。 日本的田中启一和山口伸一郎等对利用紫外线光分解气态有机物作了研究, 结果表明,在气体情况下, 有机氯化物和氟氯碳在 185nm 紫外光照射下, 进行气相 光解, 两种物质都能在极短的时间内分解, 而且有机卤化物的分解速度大于氟氯 碳; 三氯乙烯几秒钟内即能分解成最终产物 CO2 、CL2 、F2 及光气等; 光分解 可产生 1, 1, 1 - 三氯乙烯、醋酸等中间产物, 但可通过 NaOH 溶液处理或延长滞 留时间等手段最终除去。光催化氧化的基本原理就是在一定波长光照射下, 光催 化剂(常用的 FiO2等)使 H2O 生成-OH , 然后-OH 将有机物氧化成 CO2、H2O。由 于气相中具有较高的分子扩散和质量传递速率及较易进行的链反应; 光催化剂对 一些气相化学污染物的活性一般比水溶济中高得多, 一些气相反应的光效率接近 甚至超过水相反应。 2.112.11 离子体分解法离子体分解法( Plasma Decomposition) 用等离子体分解氯氟烃等的技术已到实用阶段, 日本的植松信行研究了利用 等离子体的化学作用分解氯氟烃之类难分解气体为无害物的应用。这种技术能在 短时间内完成, 并且在小型装置内进行大量的氯氟烃等气体的处理。该处理过程 采用了两个系统, 一个系统利用高频等离子体急速加热等离子体, 使温度达到约 10000利用等离子体的化学作用与水蒸气接触进行分解的超高温加水分解系统; 第二个系统是为了防止二口恶英类再合成, 把高温分解的排气急冷到 80以下的 排气急冷系统。整个系统由氯氟烃和水蒸气的供给装置、等离子体发生装置、反 应炉、冷却罐、除害塔以及排水处理装置等构成。 13 3 3 UV/FentonUV/Fenton 净化处理法净化处理法 本设计采用 UV/Fenton 法处理硝基苯废气，Fenton 氧化法自 1894 年由 H.J.H.Fenton 发明以来，在废水处理中得到了广泛应用，能处理大多数有机污染物， 但对一些难氧化的物质，加入 UV 后，可显著提高氧化效果，并用于废水处理的研 究，用于处理有机废气的研究很少。 硝基苯中的硝基为强钝化基，须在较强的条件下硝基苯才能发生亲电取代反 应，生成间位产物，生物降解很难。 3.1UV/Fenton 法氧化机理法氧化机理 Fe2+H2O2(Fenton 试剂)氧化还原引发体系比起 H2O2分解活化能低 （39.4KJ/mol） ，在室温下可发生如下反应 （1） 22 2 OHFe OHOHFe2 产生的羟基自由基具有极强的氧化性，氧化还原电位位 2.80，能对有机OH 物、尤其是难生物降解有机污染物进行氧化降解，使其完全矿化。 在 UV 光照下，分子吸收光子使电子激发，由基态提升到激发态。当能量匹 配时，会产生自由电子、原子、自由基或分子碎片。在 UV 辐射下，H2O2的解离 过程能产生。OH 2 （2）hvOH 22 OH （3）hvOHFe 22 3 OHOHFe2 大量除了可使相邻的同种或不同种分子反应过渡到新的激发态外，还OH 可以产生一系列的次级反应。如 （4） 22 3 OHFe HHOFe 2 2 （5） 22O HOH 22 OHOH （6）OHFe 2 OHFe3 14 从而实现对污染物降解，而的复合会减弱有害物质的处理效果。OH 硝基苯气体难溶于水，采用物理吸收的方法难以达到去除目的。在化学吸收 中，由于吸收质在液相与反应组分发生化学反应，降低了液相中纯吸收含量，因 而增加了吸收过程推动力，从而提高了吸收速率。同时，由于溶液表面上被吸收 组分的平衡分压降低，增大了吸收剂的吸收能力，有利于硝基苯气体进一步净化。 在化学吸收过程中，吸收速率除与扩散速率有关外，还与化学反应速率有关。如 果反应进行迅速，以致在气液界面附近便把溶入的溶质消耗净，使溶质在液膜内 的扩散力大为降低，因而加大了总传质系数。 在本设计中，硝基苯有机废气的化学吸收过程是极为主要的一个环节，以 Fe2+H2O2（Fe2+ 4mg/L，H2O2 33mg/L）溶液为吸收液，硝基苯有机废气经过 气液相平衡和化学平衡，在液相与发生氧化还原反应，改变硝基苯的分子OH 式，使传质驱动力增大，吸收效率提高，更多的硝基苯从气相转移入液相，并在 液相氧化分解，达到去除目的，反应生成的产物可能包括、对苯 2 NO 3 NO 2 CO 二酚、酚醌、三硝基苯、硝基苯酚系列、草酸盐、醋酸盐、酯类、有机酸 15 4 4设计资料设计资料 4.1硝基苯废气的气量和组成硝基苯废气的气量和组成 根据某公司提供的有关技术资料，排放点排放的有机废气量及废气中硝基苯 浓度估算如下： 有机废气量：5000m3/h 硝基苯浓度：900mg/m3 有机废气温度：40oC 4.2设计依据与原则设计依据与原则 （1）人民共和国国家标准 GB16297-1996大气污染物综合排放标准 （2）GBJ243-82 通风与空调工程施工及验收规范 （3）GBJ235-82 工业管道工程施工及验收规范 4.3设计原则设计原则 （1）工艺可靠、灵活、卫生、节能、综合运行成本低，操作管理方便， 节 能投资且能长期稳定运行的原则。 （2）电气设备可能采用半自动控制，最大限度减轻工人劳动强度。 （3）确保达标排放、不产生二次污染。 （4）各排放点的废气治理设备均设置在车间厂房的天台上。 4.4设计范围设计范围 （1）工艺流程的选择和设计 （2）非标准设备的制造与标准设备的选型 16 （3）工程设备的运输、安装、调试及培训 （4）电气的设计与施工安装 4.4设计目标设计目标 在不影响现有加工工艺的基础上，该公司所产生的硝基苯有机废气经治理后， 要符合中华人民共和国国家标准 GB16297-1996大气污染物综合排放标准 。 表表 4.1 GB16297-1996大气污染物综合排放标准大气污染物综合排放标准 最高允许排放速率(kg/h) 无组织排放监控浓度限 值 序号 污染物 最高允许排放浓度(mg/m3) 排气筒(m) 一级二级三级监控点浓度(mg/m3) 27 硝 基 苯 类 20 15 20 30 40 50 60 禁 排 0.06 0.1 0.34 0.59 0.91 1.3 0.09 0.15 0.52 0.9 1.4 2 周界外 浓度最 高点 0.05 17 5 5UV/FentonUV/Fenton 净化处理工艺设计净化处理工艺设计 5.1工艺流程工艺流程 本设计采用 UV/Fenton 法处理硝基苯废气，该设计的主要净化设备是吸收塔， 此吸收塔没有填料堆积.硝基苯废气在风机的作用下，经管道从吸收塔底部进入， 自下往上流动。而 Fenton 试剂经提升泵的提升，从吸收塔塔顶喷出，在紫外灯的 照射下，与硝基苯废气接触，吸收气体中的硝基苯，使气体得以净化，然后从塔 底流出。经过净化的气体则从吸收塔顶部排除。工艺流程图见图 5.1。 硝基苯废气 净化气体 排出 试剂 试剂 1 2 3 4 5 1-回收液储槽 2-吸收塔 3-离心泵 4- 液体储存器 5-风机 图 5.1 工艺流程图 18 5.2工艺设计计算工艺设计计算 5.2.1 吸收塔尺寸的确定 1.计算塔径 一般情况下，吸收塔的内径是根据气体负荷来计算的。依体积流量公式得： u Q D 4 = 6 . 114 . 3 3600 50004 = 1.052m 式中 D塔的直径，m Q气体的体积流量，m2/s u空塔气速，m/s ，取 u1.6m/s 由上式计算出来的塔径，需根据有关标准规定进行圆整，以便于塔设备的制 造和维修。 经圆整后，D=1000mm 2.利用圆整后的塔径重新计算气速 u u 2 114 . 3 3600 50004 1.8m/s 3.吸收塔有效吸收高度的确定 tuh =1.8 3.6 =6480mm 式中 h吸收塔有效吸收高度 t反应停留时间，s，根据实验经验，取 t3.6s 19 4.吸收塔总高 吸收塔总高 H吸收塔有效高度 h塔顶到喷淋器高度气体进口到塔底高 度 64801.2D4.8D 648012004800 12480mm 5.2.2 喷淋量的确定 40oC 时气体的摩尔体积 V )mol/(682.25 273 )40273( 4 . 22 0 0 L T TV V 气体的摩尔流率： hm/kmol248 4/114 . 3 682.25/5000 4/ / 2 22 ）（ D VV G G 液体的摩尔流率: 取,则4 G L GL 4 ）（）（hm/kg17856hm/kmol9922484 22 L 式中 L液体的摩尔流率，）（hm/kmol 2 G气体的摩尔流率，）（hm/kmol 2 5.2.3 吸收塔附件的选择 1 气体分布器的选择 气体进口装置的设计，应能防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分散 均匀。因此，不宜使气体直接由管接口或水平管冲入塔内，而应使气流的出口朝 20 向下方，使气流折转向上。对于直径微 500mm 以下的小塔，可使进气管伸到塔的 中心线位置，管端切成 45o向下的斜口或直接向下的长方形切口；对于直径 1.5m 以下的塔，管的末端可制成向下的喇叭形扩大口；对于更大的塔，应考虑盘管式 的分布结构。 气体的入塔速度一般为 1018m/s，以降低突然扩大造成的压头损失，并有利 于气流均匀分布，当气速较高时，可配以喇叭管。大型塔中用配有导流板的环形 分布器。 根据计算所得，吸收塔的直径为 1000m，因此选用喇叭形扩大口气体分布器， 进口管直径 350mm，进口风速 14.44m/s，阻力约 500pa。 2 液体喷淋装置 液体喷淋装置的作用是为了有效地分布液体，使液体与气体充分接触。当液 体喷淋装置设计不合理时，将导致液体分布不均，使部分截面上的气体没有与液 体接触，直接影响塔的处理能力和分离效率。选择液体喷林装置的原则是能使液 体均匀地分散开来，使整个塔截面气体与液体都能充分接触，结构简单，制造和 检修方便。 液体喷淋装置的结构形式很多，对于各种类型的塔，应根据他静的不同，选 择不同的喷淋结构。常见的喷淋器结构有如下几种： （1）管式喷淋器 管式喷淋器的结构比较简单，制造和安装都很方便，但喷洒面积小，液流不 均匀，因而只适用于较小直径的塔。管式喷淋器的常用结构有以下几种： （a）弯管式喷淋器和缺口式喷淋器 这两种结构的喷淋器都是让液体直接向下流出，为了避免水力冲击瓷环及液 体分配不均，最好在流出口下面加一块圆形挡板。它们一般适用于 300mm 以下的 小塔。缺口式喷淋器的开孔面积，为管截面积的 0.51.0 倍。 （b）多孔直管式喷淋器和多孔盘管式喷淋器 多孔管式喷淋器的结构是在直管或盘管底部钻有 35 排 38mm 的小孔， 液体由小孔喷淋而下。孔的总截面积大致与进液管的截面积相等。多孔直管式喷 淋器多用于 800mm 以下的塔，对于小直径的塔，可不用支持管。而多孔盘管式喷 21 淋器适用于直径 1.2m 以下的塔，盘管中心线的直径（D1）为塔径的 0.60.8 倍。 （2）莲蓬头式喷淋器 莲蓬头式喷淋器具有半球形的外壳，在壳壁上开有许多小孔，液体以一定压 力由小孔喷出，均匀地喷洒，在压力稳定的场合，可以达到较为均匀的喷淋效果， 由于喷淋器的尺寸有限，一般只适用于直径 600mm 以下的塔中。 （3）盘式分布器 盘式分布器由分布盘和进口管两部分构成，分布盘上开有310mm 的筛孔 或 15mm 的溢流管，液体先流到分布盘上，然后通过分布盘边缘的锯齿溢流， 或通过盘上的筛孔或溢流管均匀喷洒在整个塔截面上。盘式分布器的结构简单， 液体通过时的阻力小，其分布比较均匀，一般适用于直径 800mm 以上的塔。 （4）冲击式喷淋器 冲击式喷淋器其优点是喷洒半径大（最高时可达 3m） ，液体流量大，为 50200m3/h，结构简单，不会杜塞。缺点是改变液体流量或液体压头时会影响喷 洒半径，因此，应在操作比较恒定的条件下使用。 根据吸收塔的实际条件以及以上所述，选用多孔盘管式液体分布器，阻力约 50pa。 2塔顶除雾沫器 穿过吸收塔的气体有时会夹带液体和雾滴，因此有时需在塔顶气体排出口前 设置除雾沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，常用的型式有以下几种。 （1）填料除雾器 即在塔顶气体出口前，再通过一层干填料，达到分离雾沫的目的。填料一般 为环形，填料的高度根据除沫要求和容许压强来决定。它的除沫效率高，但阻力 较大。 （2）折流板式除雾器 它是利用惯性原理设计的最简单的除雾装置。除雾板由 50mm 50mm 3mm 的角钢组成，板间横向距离为 25mm。这种除雾器的结构简单、有效，常和塔器 构成一个整体，阻力小，不易堵塞，能除去 50以上的雾滴，压力降一般为m 22 50100pa。 （3）丝网除雾器 丝网除雾器是一种分离效率高，阻力较小，重量较轻，所占空间不大的除雾 器。它由金属或塑料丝编织成网，卷成盘状而成。可除去大于 5的雾滴，此澳m 旅可达 9899%,压力降不超过 250pa。但不宜用于液滴中含有或溶有固体物质 的场合，以免液相蒸发后固体产生堵塞现象。 根据吸收塔的实际条件以及以上所述，选用拆板除雾器，进口管直径 200mm，阻力约 100pa 4 紫外灯 Fenton 试剂在紫外灯的照射下，能够产生更多的OH 自由基，使难生物降解 的硝基苯受到OH 的攻击，被氧化吸收，以达到高的去除效率。 在本设计中，根据廖飞凤等人的实验结果，选取型号为 BIB150P 的紫外灯。 5.2.4 吸收塔总压降 PT=1.2（400+50+100）=1.2 550660pa 5.2.5 管网设计 1风速和管径的确定 保证管道内风速再 1020m/s 的范围内，本设计选用 12m/s 左右，以保证较 小的压力损失，并以此标准选择管径，圆整后复核风速。 则管径 u Q d 4 23 mm m 384 384 . 0 1214 . 3 3600 50004 圆整后 d400mm 复核风速 m/s06.11 4 . 014 . 3 3600 500044 22 d Q u 所以本设计中，管道以 400mm 为主，只是在吸收塔进口位置选用 350mm 管 径。 1.气管系统布置流程图 气管系统布置流程图,如下图 5.2 管道3 管道1 管道2 硝基苯废气 图 5.2 气管系统布置流程图 2.管道压降的计算 由设计资料可知，有机废气中硝基苯浓度为 900 mg/m3，有机废气温度为 40oC,大气压力为 734mmHg（97858.35pa） 有机废气中硝基苯的体积分数 24 30 10 M cV y = 3 3 10 123 4 . 2210900 = 4 1064 . 1 式中 y有机废气中硝基苯的体积分数 c有机废气中硝基苯的浓度，mg/m3 V0标准状态下，气体的摩尔体积，L/mol M硝基苯的摩尔质量，g/mol 有机废气气体的平均分子量 MmM1(1y)M2y 29（10.000164）123 0.000164 29.015（g/mol） 式中 Mm有机废气气体的平均分子量，g/mol M1空气的平均分子量，g/mol M2硝基苯的平均分子量，g/mol 有机废气密度 RT PMm G = )40273(314 . 8 015.29734 . 0 81 . 9 6 . 13 =1.092(kg/m3) 式中 有机废气密度，kg/m3 G 大气压力，KpaP 有机废气温度，KT 管道压降 25 2 2 u d L P G L 式中 各管道沿程压降，pa L P L管道长度，m d管道直径，m 有机废气密度，kg/m3 G 管道中平均气速，m/su 金属管道值取 0.02 2 u 2 G L P 式中 各管道局部压降，pa L P 管道局部总压损系数 （1）管道 1 摩擦面压力损失为 pa80.70 2 06.11092 . 1 4 . 0 2 . 21 02 . 0 2 22 1 1 u d L P G L 各管件局部压损系数（查手册）为： 吸风管接头，0.2，一个 11 90oC 弯头（R/d1.5）0.25，四个 12 所以管道 1 局部总压损系数 1 +4 11 12 0.24 0.25 1.2 则局部压降： 2 u 2 11 G L P 26 2 06.11092 . 1 2 . 1 2 =80.15pa 所以管道 1 的总压降 1L P 1L P 1L P 70.8080.15 150.95pa （2）管道 2 摩擦面压力损失为 pa43.53 2 06.11092 . 1 4 . 0 16 02 . 0 2 22 2 2 u d L P G L 各管件局部压损系数（查手册）为： 90oC 弯头（R/d1.5）0.25，三个 21 所以管道 2 局部总压损系数 23 21 3 0.25 0.75 则局部压降： 2 u 2 22 G L P 2 06.11092 . 1 75 . 0 2 =50.09pa 所以管道 2 的总压降 2L P 2L P 2L P 53.4350.09 103.52pa （3）管道 3 摩擦面压力损失为 27 pa07.10 2 06.11092 . 1 4 . 0 3 02 . 0 2 22 3 3 u d L P G L 各管件局部压损系数（查手册）为： 90oC 弯头（R/d1.5）0.25，一个 31 所以管道 3 局部总压损系数 3 31 0.25 则局部压降： 2 u 2 33 G L P 2 06.11092 . 1 25 . 0 2 =16.70pa 所以管道 3 的总压降 3L P 3L P 3L P 10.0716.70 26.77pa 综上所述，管网的总压降 L P 1L P 2L P 3L P 150.95103.5226.77 281.24pa 5.2.6 风机及配套电机的选择 1.风机的选择 净化系统管网设计计算的目的，是根据生产工艺的特点及管道配置，确定系 统的总抽风量、管道尺寸及系统的总阻力，然后选择匹配的风机。 根据通风机的作用原理，风机可分为离心式、轴流式和贯流式三种。