广州某包装印刷厂废气的吸附设计.doc

课程设计报告书广州某包装印刷厂废气的吸附设计 学 院 环境与能源学院 专 业 环境工程 学生姓名 赵宇庭 学生学号 201136720460 学生电话指导教师 吴军良 课程编号 课程学分 起始日期 2014年12月20日 教师评语教师签名：日期：成绩评定备注 目录1.项目概况61.1.工厂概况61.2.产污与排放61.3.当地气象72.设计依据73.工艺方案比选与确定83.1.吸附工艺的选择83.2.工艺流程93.3.主要设备103.3.1.过滤阻火器（除尘器）103.3.2.冷凝器103.3.3.活性炭吸附装置104.工艺设计与计算114.1.集气罩的设计114.2.集气罩入口风量的确定114.3.列管式冷凝器1124.3.1.甲苯回收率计算134.3.2.换热器面积134.3.3.主要工艺的计算144.4.列管式冷凝器2154.4.1.确定所需蒸汽量154.4.2.冷凝甲苯回收率计算154.4.3.计算换热器的面积A154.4.4.主要工艺及结构基本参数的计算164.5.吸附设备的设计174.5.1.净化效率174.5.2.活性炭对甲苯的饱和吸附量计算174.5.3.固定床吸附器主要参数计算184.5.4.固定床吸附器直径184.5.5.气流穿过固定床层的压降估算式为：194.6.引风机和排风机204.7.溶剂水分离器204.8.液泵204.9.供汽205.设计图纸（见附页）216.参考文献217.互校说明211. 项目概况1.1. 工厂概况广州市某包装印刷厂坐落于广州市南沙区，主营业务为各种塑料薄膜的印刷制品。该印刷厂印刷工艺为凹印工艺，该工艺具有印刷速度快、印刷色彩饱满等特点，是现在主要的软包装、烟包、彩盒、铝箔材料的印刷手段，该工厂共有七台凹版印刷机，其中六台作为日常运作使用，剩余一台备用。1.2. 产污与排放该印刷厂运行的六台印刷机，没有专门的废气收集系统，生产过程中产生的VOC气体全部由车间顶部的通风窗以及车间墙上的风机进行换气，废气排放手机的方法都极不合理，导致生产过程中的大量废气直接从印刷机顶和四周排放，车间内空气十分恶劣，对厂区周围的环境也造成了即为严重的影响，当地居民及环保局一致要求其对废气进行治理。经过测量，该厂产出的VOC气体主要为甲苯、乙酸乙酯、丁酮、丙酮，但因为丁酮及丙酮用量少难以检测，主要测量了其甲苯及乙酸乙酯的浓度。该厂每天车间溶剂消耗量为14吨，而按照物料衡算挥发量也就是没有进行回收造成浪费的资源足有10吨。车间污染物浓度见表1。项目数值车间有害气体浓度（mg/m3）甲苯300乙酸乙酯200丁酮-丙酮-车间排放口有害气体浓度（mg/m3）甲苯300乙酸乙酯200丁酮-丙酮-表1 印刷厂污染物浓度可以看出主要的污染物为甲苯因此本设计以甲苯为主要污染物进行设计与计算。1.3. 当地气象广州年平均气温：22.0；年平均最高气温：26；年平均最低气温：18；年平均降雨量：1738毫米。广州地处南亚热带，气候属南亚热带典型的季风海洋性气候。夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，四季如春，繁花似锦。全年平均气温20-22摄氏度，平均相对湿度77%，市区年降雨量为1，600毫米以上。由于背山面海，海洋性气候特征特别显著，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。季风气候突出。冬夏季风的交替是广州季风气候突出的特征。冬季的偏北风因极地大陆冷气团向南伸展而形成，天气较干燥和寒冷；夏季偏南风因热带海洋暖气团向北扩张所形成，天气多温热潮湿。夏季风转换为冬季风一般在每年9月份，而冬季风转换为夏季风一般在每年4月份。2. 设计依据根据GB 16297-1996大气污染物综合排放标准以及DB44/27-2001广东省大气污染物排放限值制定相关内容详见表2。执行该标准下的二级标准。污染物最高允许排放浓度（mg/m）最高允许排放速率（kg/h）无组织排放监控浓度限值排气筒（m）一级二级三级监控点浓度（mg/m）甲苯4015203040禁排3.15.218304.77.92746周界外浓度最高点3.0表2 甲苯综合排放标准同时地方和厂家也有标准，详见表3。有机物名称接触限值（mg/m3）现有污染源新污染源车间最高容许浓度时间加权平均浓度短时接触浓度排放浓度（mg/m3）排放速率（kg/h）排放浓度（mg/m3）排放速率（kg/h）乙酸乙酯-2003001501212010甲苯-50100606.1405.2丁酮-3006001501212010丙酮-3004501501212010表3 印刷车间有机废气的接触限值及排放浓度标准3. 工艺方案比选与确定3.1. 吸附工艺的选择目前，对含有有害有机溶剂废气的净化方法，主要有吸收法、吸附法、冷凝法和燃烧法。吸收法主要是采用适当的液体吸收剂来吸收净化废气中的污染物。此方法简单可靠，投资省，处理风量不受限制，适于处理低浓度并含颗粒物的废气。对不同的污染物，可选择不同的液体吸收剂。但对于挥发性很强的有机溶剂废气，由于不能用水来作吸收剂，所以，很难选择到合适的吸收剂。该法操作简单，处理效果一败涂地。吸附法主要是采用吸附材料（如活性炭等）来吸附净化废气中的污染物。这种方法比较适合于中等风量以下、间歇性排放的低浓度废气的处理。该法操作简单，易管理，效果好。冷凝法是将废气的温度降低，使污染物冷凝、凝结成液体并与废气分离，以此来达到净化的目的。这种方法适用于高浓度废气的净化，并可以回收资源。但该法投资大，能耗高，操作复杂，不适宜处理大风量、低浓度的废气。燃烧法分为直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧法是将含有污染物的废气送入燃烧器烧掉；催化燃烧是在有催化剂帮助下燃烧废气中的有害物质。燃烧法也投资大，能耗高，操作复杂，同样不适宜处理大风量、低浓度的废气。相比较之下在回收方面，选择活性炭吸附法是最适用的方法。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。因涂料中所用的甲苯与水互不相溶，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。本次设计只需考虑甲苯的吸附且浓度较低因此活性炭吸附法是本次设计的最佳吸附方案。1.2.3.3.1.3.2. 工艺流程烘干废气风机引风机集气罩列管式冷凝器1溶剂水分离器苯系贮槽2冷却水贮槽水槽过滤阻火器活性炭吸附器尾气排放低压蒸汽锅炉房列管式冷凝器2冷凝水回收槽苯系贮槽1图1 系统工艺流程图由于烘箱出口废气中苯系污染物浓度较高，因此统一收集后先通过一组过滤阻火器，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态苯系污染物冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至24以下。经冷凝的废气由引风机导入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出的气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。本工艺系统可分为三个部分：废气收集系统主要包括局部排风罩，风量调节阀，管道。废气净化处理系统主要包括除尘器，冷凝器，活性炭吸附装置。排风系统主要包括排风机，风量调节阀和烟囱。1.2.3.3.1.3.2.3.3. 主要设备3.3.1. 过滤阻火器（除尘器）主要作用：主要是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。其次是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。3.3.2. 冷凝器冷凝器1的作用是将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，提高活性炭吸附处理效率，同时回收部分甲苯。冷凝器2的作用是将脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。3.3.3. 活性炭吸附装置活性炭吸附装置是净化装置重要组成部分，设置目的是利用吸附法截留废气中的有机物进一步净化废气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。图2 集气罩设计示意图4. 工艺设计与计算1.2.3.4.4.1. 集气罩的设计 集气罩的罩口尺寸不应小于罩子所在污染位置的污染物扩散的断面积。如图2所示，如果设集气罩连接风管的特征尺寸为d0（圆形为直径，方形为短边），污染源的特征尺寸为d（圆形为直径，方形为短边），集气罩距污染源的垂直距离H，集气罩口的特征尺寸为D0（圆形为直径，方形为短边），集气罩喇叭口长度h2，则应满足d0/d0.2、1.0D0/d2.0和H/d0.7(若影响操作，可适当增大)和h2/d03。4.2. 集气罩入口风量的确定TT1T2 =80-30=50（K） 式中T温差，K；T1料槽温度，K；T2环境温度，K.已知：d=700mm，H=1000mm，取H=500mm，a=80则D0=d+0.8H=700+0.8500=1100（mm）罩下口面积为F0=0.253.141.12=0.950（m2）罩下口边高为罩上口直径拟定为d0=200（mm）则罩净高为校核d0/d（=0.286）0.2 1.0D0/d（=1.57）2.0 H/d（=0.71）和h2/d0（=2.25）3，基本符合要求。F0.253.140.720.385（m2）式中q热量流率，kJ/s； F污染源断面积，m2。热烟气流量Q0为Q00.403（qHF2）1/3=0.403（0.1280.50.3852）1/3=0.085（m3/s）式中H集气罩距污染源的垂直距离，m。最小吸入风量 FF0-F= 0.950-0.3850.565（m2） 取吸气罩入口速度v0.7（m/s）集气罩排风量QQ0+ vF0.085+0.70.5650.48（m3/s）式中Q最小吸入风量，m3/s；最小吸入速度，0.51.0m/s；集气罩罩口面积与污染源断面积之差，m2。F0集气罩罩口面积，m2。4.3. 列管式冷凝器1根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换热器对废气进行冷凝以回收部分甲苯。为了便于排出冷凝液，且考虑到经除尘后废气相对清洁，流动路径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为了达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为常温20，出口温度为25。烘干废气进口温度为80，经冷凝后降低到40以下。具体计算如下：已知条件：烘干废气风量14000m3/h，进气温度80，甲苯浓度为300mg/m3，流量为4.5 kg/h出口温度为40，冷却水进水温度20，出口温度25。4.3.1. 甲苯回收率计算甲苯的Antoine常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine方程 （p为温度T时的饱和蒸汽压，mmHg）80时p291.21mmHg；40时p58.74mmHg因此，80降温至40的回收率为79.83所以，至40时甲苯冷凝量为4.579.83%=3.6kg/h，剩余流量为4.53.60.9kg/h。40时总废气体积约为，冷凝处理后废气中残留甲苯浓度为4.3.2. 换热器面积80时甲苯质量流量为4.5kg/h，则每小时排出的甲苯体积V为 又废气总体积流量为14000 m3/h，废气平均分子量约为28。80时废气质量流量kg/h废气中空气的质量流量为13356.84.513352.3kg/h。 废气从80(T1)降至40(T2)，冷水从20(t1)升高至25(t2)。热负荷Q1甲苯降温传热量空气降温传热量4.51.7(80 - 40) + 13352.3 1.005 (80 - 40)5.4105 kJ/h冷却水用量W26t/h先按单壳程考虑：对数平均温差34.6K 根据R、P的值查温度校正系数图可得，温差修正系数0.890.8，可见用单壳程合适，因此有效温差30.8K假定换热器总传热系数为，则所需传热面积为: 4.3.3. 主要工艺的计算选用252.5mm钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0.5 m/s，则管数 46根管长l37.4m因此，取管程数为2，管长为6m，总管数为46292根。壳体的公称直径DN800mm，公称压力为10kgf/cm2。采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。综上，列管式冷凝器_1的主要参数是：选用6m长的252.5mm钢管（材质20号钢）共92根；壳体直径800mm；换热面积135m2；冷却水用量为26t/h；甲苯回收率为86.7；废气由80降至40，冷却水由20升至25。4.4. 列管式冷凝器2根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换热器对甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为20，出口温度为25，蒸汽进口温度为120，经冷凝后降至30以下。具体计算如下：4.4.1. 确定所需蒸汽量脱附时甲苯回收率86.7需吹脱甲苯量为0.986.70.78 kg/h。一般取蒸汽量：吹脱溶剂量（410）：1，确定蒸汽量为150 kg/h。4.4.2. 冷凝甲苯回收率计算甲苯的Antoine常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine方程 （p为温度T时的饱和蒸汽压，mmHg）120时p984.7mmHg；30时p36.67mmHg因此，120降温至30的回收率为97.3，即甲苯基本上全部冷凝下来。4.4.3. 计算换热器的面积A120时甲苯质量流量为0.78kg/h，水蒸气质量流量为150 kg/h。 蒸汽从120降低至30，冷却水从20升高至25。热负荷Q1甲苯降温传热量蒸汽传热量蒸汽冷凝潜热0.781.7 (120 - 30) + 150 4.2 (120 - 30)150 22320.392106 kJ/h冷却水用量W18.7t/h先按单壳程考虑：对数平均温差37.76K18 根据R、P的值查温度校正系数图可得，温差修正系数0.930.8，可见用单壳程合适，因此有效温差35K假定换热器总传热系数为，则所需传热面积为: 4.4.4. 主要工艺及结构基本参数的计算选用252.5mm钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0. 5 m/s，则管数34根管长l3.4m因此，换热器管程数为2，管长为2m，总管数34268根。壳体的公称直径DN400mm，公称压力为16kgf/cm2。采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。综上，列管式冷凝器_2的主要参数是：选用2m长的252.5mm钢管（材质20号钢）共68根；换热面积9m2；壳体直径400mm；冷却水用量为18.7t/h；蒸汽由120降至30，冷却水由20升至25。4.5. 吸附设备的设计4.5.1. 净化效率根据废气性质和气量，本项目采用低压蒸汽再生的固定床活性炭吸附系统进一步回收废气中的甲苯。废气气量为14000m3/h，温度40，废气中含有300mg/m3的甲苯，要求出口甲苯浓度为40 mg/m3，即净化率达到86.7。1.2.3.4.4.1.4.2.4.3.4.4.4.5.4.5.1.4.5.2. 活性炭对甲苯的饱和吸附量计算选用某种活性炭的参数如下：堆积密度450kg/m3，5mm，空隙率0.40。从实验测得的有关二硫化碳在该活性炭上的吸附等温线方程为式中：a气相浓度为时的平衡吸附量，kg/kgAC；气相中溶质气体的浓度，g/m3。先用吸附方程将活性炭吸附二硫化碳的吸附等温线换算成吸附甲苯的吸附平衡线由式 查表可知，且T1=T2，故而40下二硫化碳和甲苯的饱和蒸汽压分别为：，故有 (a)由W1=W2, 即,因为40下甲苯的密度，二硫化碳的密度，所以 (b)由可得 , 代入式（a），有 整理得 代回式（b），得 上式即为甲苯在该种活性炭上的吸附平衡曲线。在此条件下，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量a0.313kg/kgAC4.5.3. 固定床吸附器主要参数计算选定吸附器中的气速为0.4m/s，此时吸附带长度为0.3m，吸附带中活性炭的动态吸附容量按静态饱和吸附容量的35计，则吸附带中活性炭所吸附的甲苯为0.110 kg/kg。吸附带外已经动态饱和的活性炭吸附容量按静态饱和吸附容量的90计，则吸附饱和后活性炭所吸附的甲苯为0.282 kg/kg。4.5.4. 固定床吸附器直径 吸附带内的活性炭量为 吸附带内的活性炭可吸附的甲苯量为 吸附工作周期按7天（56h）计，则每一周期的吸附量为 吸附带外所需的活性炭用量为取吸附器类活性炭外的空袭上下各为3m， 吸附器总高为 活性炭总用量为4.5.5. 气流穿过固定床层的压降估算式为： 式中：压降，Pa； 空隙率，m3空隙/m3吸附床； 吸附剂颗粒直径，m； 气体密度，kg/m3； G气体表现质量通量，； D床深，m； 气体黏度，。40下气体密度为，黏度为， 而，因此经计算可得压降为 理论功率消耗，风机效率以0.70计，则实际功率消耗 综上，选用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为：活性炭堆积密度450kg/m3，5mm，空隙率0.40；活性炭总用量为3.72m3；吸附器总高6.366m，直径3.6m；吸附工作周期为7天（56小时）；净化效率86.7；实际消耗功率1.607kW。4.6. 引风机和排风机活性炭吸附器组进口总管处配B472型防爆离心通风机一台，风量最大可达Q=20000m3/h，风压671Pa，电机功率35kw。活性炭吸附器组出口总管处配B472型防爆离心通风机一台，风量最大可达Q=20000m3/h，风压671Pa，电机功率35kw。4.7. 溶剂水分离器水蒸气用量为150kg/h（即150m3/h），甲苯为24kg/h（即7 m3/h），7天脱附一次，每次