光催化降解室内挥发性有机物工艺设计

光催化降解室内挥发性有机物工艺设计目录一、绪论 31.1研究背景 31.2光催化降解挥发性有机物技术概述 31.2.1吸附处理技术 41.2.2催化燃烧处理技术 41.2.3液体吸收处理技术 41.2.4生物处理技术 41.2.5光催化氧化处理技术 4二、工艺设计 52．1工艺方案确定 52.2工艺流程确定 52.2.1设计任务及操作条件 62.2.2参照实验 6三、设备选型及设计 73.1光催化反应器设计 73.1.1反应器类型 73.1.2反应器尺寸设计 83.2分离单元设计 83.3风机设计 10四、自控设计 10五、车间布置 错误!未定义书签。参考文献 11

光催化降解室内挥发性有机物工艺设计一、绪论1.1研究背景随着全球社会和经济迅猛发展，大量废弃物排放，环境污染和生态破坏等正成为危及人类生存发展的重大问题[1]。调查表明，诸多的环境问题影响到了我国可持续性发展。所以，环境保护与治理是构建可持续发展道路的首要任务。在环境治理方面，传统的处理方法主要有：物理吸附法、高温焚烧法、化学氧化法和微生物处理法等[2]。但是这些方法都不能彻底除消除降解污染物，都不同程度的残存了部分污染物，也容易造成二次污染。并且使用范围窄，仅适合特定的污染物；还伴随着能耗高，不适合大规模推广等缺陷。因此，开发高效、节能、运用广泛的化学污染物治理技术非常必要。光催化氧化技术是集高效节能、操作简便、反应条件温和、同时可减少二次污染等特点于一身的一项新的污染治理技术，而且光催化技术可以将大量的有机污染物重新降解为CO2和H2O，从而被植物利用，形成循环，可以说光催化技术是一种非常有发展前景的技术[4]。1.2光催化降解挥发性有机物技术概述挥发性有机废气（VOCS）是指沸点在50～260℃、室温中饱和蒸气压超过133.3Pa的易挥发性有机化合物，其成分主要为烃类、硫化物、氨等。有机废气是有害人体的污染物质，它与空气中的NO2反应生成O3，可形成光化学烟雾，并伴随着异味散发到空气中，对人的呼吸道、眼睛刺激很大，对心、肺等器官产生有害影响，造成急性或慢性中毒[5]。1.2.1吸附处理技术吸附法是利用多孔吸附剂处理流体混合物，使其中所含的多组分浓缩于固体表面上，可以达到分离的目的。该方法去除率高，没有二次污染，净化率高，操作方便，；不足之处是吸附容量有限，不适合用于处理高浓度有机气体，当废气中有颗粒或其它杂质时，吸附剂容易失去效果[6]。1.2.2催化燃烧处理技术催化燃烧技术是指在比较低的温度下，在催化剂的作用下使有机废气中的可燃组分氧化分解，从而使气体得到净化的一种有机废气处理方法。这种方法适用于处理在高温下可分解的有机气体。催化燃烧法的优点是：①无火燃烧，安全；②起燃温度比较低，大部分有机物和CO在200～400℃即可完成反应；③可用来消除恶臭。它的缺点是：①工艺条件要求比较严格；②不允许有使催化剂中毒的物质，防止催化剂中毒[6]。1.2.3液体吸收处理技术液体吸收法是废气处理中常用的方法之一。此方法去除率可达到95%～98%。此技术采用低挥发或者不挥发液体作为吸收剂，利用废气中各组分在吸收剂中的溶解度或化学反应特性的差异，使废气中的有害组分被吸收剂吸收，从而达到净化废气的目的[6]。1.2.4生物处理技术生物处理技术是一项新兴的技术。微生物可以对各种污染物有较强、较快的适应性，并且可将其作为代谢底物降解、转化。所以它与传统的废气处理技术相比有处理效果好、价格低、安全性好、没有二次污染、易管理等优点[6]。1.2.5光催化氧化处理技术光催化氧化法是近年来逐渐受到重视的有机废气治理新技术。对VOCS降解率可以达到90％～95％。该技术是指在一定波长光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附剂在其表面的VOCS发生氧化还原反应，最终将有机物氧化成CO2、H2O和无机小分子物质。光催化氧化具有选择性，反应条件温和，催化剂无毒，能耗低，操作简单，成本低，无二次污染，使用后的催化剂可再生后循环使用，对几乎所有有机废气均具净化能力等优点[6]。在最近年的研究中，纳米TiO2光催化氧化技术逐渐显露出其优势。纳米TiO2是一种新型的无机产品，它的粒径介于1～100nm。由于它化学稳定性和催化活性高，比表面积大，价格低且来源广泛，对紫外光吸收率比较高，耐光腐蚀性，而且没有毒性，对很多有机物有很强的吸附作用，使它在去除有机废气方面有明显的优势[7]。二、工艺设计2.1工艺方案确定由于室内装修使用大量的胶合板、中密度纤维板、细木工板、刨花板等合成的建筑材料，导致室内的甲醛成为空气污染的头号杀手，被确定为强致癌物质[7]在我国，新装修宾馆的甲醛峰值达0.85mg/m3左右，新装修住宅的甲醛峰值约为0.2mg/m3，个别可达0.81mg/m3，而我国《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：室内甲醛最高容许浓度排为0.08mg/m3。如何高效快速的去除室内的甲醛，已成为人们关心的问题[8]。本设计将选用TiO2作为催化剂，选用甲醛为处理对象，设计一个室内光催化净化器。2.2工艺流程确定其具体工艺为：废气收集→光解-催化有机废气净化设备→分解排出。甲醛的光催化氧化过程反应机理如下：TiO2+hvTiO2+e-+h+氧化反应：HCHO+2h+HCOOH+H+HCOOH+h+

2CO2+2H+还原反应：O2+4e-+4H+2H2O总反应：HCHO+O2CO2+H2O2.2.1设计任务及操作条件空气中甲醛浓度为0.85mg/m3，房间面积为50m2，高2.8m，则处理量为140m3，反应温度：25℃。2.2.2参照实验参考李玉华的《光催化氧化降解室内甲醛性能及数值模拟》[9]，选取了TiO2光催化剂用于甲醛降解的研究试验作为参照[6]。在该参照实验中，以甲醛模拟污染物，选取波长为254nm的15W紫光灯做为光源，在甲醛的浓度为0.727~1.815mg/m3时，甲醛降解率可达92%。并通过计算拟合得出了甲基橙的光催化降解为动力学一级反应，甲醛的一级反应速率常数为0.512mol/(L·min)。2.3光催化单元现在对进入光催化反应器的甲醛进行计算处理，反应器的选型将在下一章设备选型中具体说明。单个光催化反应装置采用石英材料，制成长1000mm直径为50mm的圆柱形，石英材料透光性好，可同时利用太阳光。采用喷涂法在反应器内外壁喷涂催化剂，厚度为56μm拟定单个反应器处理量1m3/h，换算单位为：Vs=13600=0.00028m为提高反应效率，在管内加入283根直径为3mm，壁厚0.5mm的石英毛细管，排布成蜂窝状，则A则入口风速：u=VsA计算此时流体的雷诺数：Re=du式中：d：反应器内径单位：mm：流体密度单位：kg/m3：25℃下的流体粘度单位：Pa·s反应器体积：V=0.00067×1=0.00067m3停留时间：t=VVs=经过验证，该反应符合一级动力学方程，有r=kc，k=0.512mol/(L·min)单程转化率X=0tvtdt=k0tctdc将t=2.4sk=0.512mol/(L·min)c=0.85mg/m3代入其中得到X=53.3％可以得到经过光催化之后甲醛的浓度为：0.85×（1-0.53）=0.40mg/m3我们加入6个反应器并联，提高反应效率。2.4膜分离单元为了低于国家排放标准0.08mg/m3，因此应该设置一种循环工艺来连续处理甲醛。这种工艺会大幅度的增加反应的降解率，因此，在本设计中采用膜分离技术来完成对甲醛的循环再处理，具体的膜分离器的设计在下一章说明。三、设备选型及设计本设计所设计的反应器主要包括光催化反应器，风机等。现在对这些化工设备进行设计和选型。3.1光催化反应器设计3.1.1反应器类型目前用于实验研究的反应器有好几种，各自有各自的特点，一般有以下几种：平板式反应器、管式反应器、蜂窝状反应器、流化床反应器、填充床反应器。他们的特性如表所示。表3-1光催化反应器的特性反应器类型反应面积光照均匀性传质能力平板反应器小均匀强管状反应器小均匀弱蜂窝状反应器大不均匀强流化床反应器大不均匀强填充床反应器大不均匀强通过对以上反应器，我们选用蜂窝状反应器，因为这种反应器反应面积大，可以提高反应效率。3.1.2反应器尺寸设计目前可以用于气炼法制成长1000mm，直径50mm的圆筒石英玻璃，反应器石英玻璃平板的厚度综合石英玻璃板的承压来确定。现确定石英玻璃的厚度，查到石英玻璃的机械性质[10]如表3-2所示：表3-2石英玻璃的机械性质特征透明石英玻璃单位密度2.203g/cm3压缩强度1.1×109Pa抗张强度1.09×109Pa由石英玻璃的耐压设计中的透明石英玻璃的断裂公式：P=0.84Smax（t2/r2）（2-2）式中：P：压力差单位：Par：石英平板的宽度单位：mmSmax：最大应力（约为7:1的安全系数）7.0×106Pat：厚度单位：mm可以通过此式计算出石英玻璃的厚度。由表3-2得：P=2000Par=1000mmSmax=7.0×106Pa计算得：t=1.8mm经过设计可以得到石英玻璃的厚度为1.8mm3.2分离单元设计分离单元分为两部分，第一部分位于入风口前，主要用于过滤空气中的灰尘、烟雾等颗粒污染物，这部分过滤层采用涤纶纤维滤布，这种滤布表面光滑，透气性、耐磨性好，过滤精度可达5微米。第二部分位于出风口前，作用是分离剩余甲醛分子，浓缩到合适的浓度，循环反应，提高反应效率，采用膜分离的方法，采用气体分离膜。我们选择华膜公司生产的型号为N4040-A1的气体分离膜，孔径为0.3nm，可以截留直径为0.45nm的甲醛分子。其主要参数如表3-3所示。表3-3N4040-A1型元件的主要参数参数名称有效膜面积（m2）曝气量（L·m-2·H-1）工作压差(KPa)工作温度（℃）规格85010020由《化工分离工程》[11]中膜分离部分，得到如下公式：Jw=WA×τR=C式中：Jw表示膜通量，单位L·m-2·H-1W表示透水量，单位m3τ表示时间，单位：hA表示膜面积，单位m2;C1C2由表2-2可得，膜通量：Jw=WA×τ=50L·m由浓缩前后，物质的质量不变，得公式C1V1=C2V2C1=0.400g/LC2=0.85g/LV1=600L/h得到：V2=1275L/hA=1275需要气体分离膜的块数：N=25.58圆整为4块3.3风机设计3.3.1入口风机反应器额定流量为：6m3/h最大承压：2000Pa前面选用两个轴流式风机，夹在滤布两侧，选择众信牌型号为XF232ABHL的220V风机，风量为6m3/h。3.3.2膜分离处风机膜分离处额定压力：100KPa额定流量：6m3/h在膜分离器前安装一个轴流式风机目的在于输送废气，由于膜分离器在运行时需要一定的工作压差，所以经过风机加压后，膜分离器的废气要满足一定的压力。选用九洲普惠牌型号为ED-6A-2的轴流式风机。四、自控设计自动控制就是把原先需要人工去控制的装置变的自动化，只要实现了自动控制就能去更安全、更有效率的去完成[12]。本设计的工艺流程是连续光催化甲醛，在运作时采用DCS控制系统来实现控制，以保证甲醛能够连续处理。4.1反应器的自动控制光催化反应器是本次工艺设计的核心，反应器在控制时应当注意对其进出口温度，流量，压力等重要参数进行控制，保证反应器在最佳的外界环境条件下进行光催化反应。在反应器的控制方面采用了进口端设置流量控制，目的在于控制进入反应器的流量大小，避免信号滞后。此外，在反应器的进出口各设置温度和压力检测，保证反应在安全的条件下进行。4.3膜分离器的自动控制膜分离器是利用膜两侧的压力差来控制溶液进入膜的速率，所以应该重点对膜两侧的压力参数进行控制。我们采用了流量及压力控制。五、车间布置本设计的主要车间为光催化反应车间，因为光催化反应要吸收太阳光，所以必须考虑车间的采光问题。该车间主要含一台光催化反应器，一个膜分离器，还有三台轴流式风机。参考文献[1]李丹.纳米TiO_2光催化降解甲醛的研究进展[J].科技与创新,2019(15):122-123+126.[2]李慧芳.二氧化钛光催化技术治理室内甲醛的研究[D].河南工业大学,2018.[3]王小艳.光催化空气净化器的设计