车间有机废气课程设计说明书.doc

目录
目录 1
前言 2
1概述 3
1.1有机废气的来源 3
1.2有机废气治理技术现状及进展 4
1.3各种净化方法的分析比较 5
2设计参数及目标 6
2.1主要技术参数： 6
2.2设计目标 6
3设计内容 6
3.1项目概况 6
3.2引用标准及设计规范等 7
3.3计算 7
3.3.1集气罩的设计 7
3.3.2管道布局设计 10
3.3.3风机和电机的选择 12
3.3.4活性炭吸附过程设计 14
3.3.5烟囱的设计 18
3.4工艺说明及流程简图 18
3.4.1工艺选择 18
3.4.2工艺流程 19
4小结 20
5设计感想 21
6参考文献 22

前言
大气污染是我国目前最突出的环境问题之一,工业废气是大气污染物的重要来源。大量工业废气排入大气,必然使大气环境质量下降,给人体健康带来严重危害。工业废气中最难处理的就是有机废气,有机废气通过呼吸道和皮肤进入人体后,能给人的呼吸、 血液、 肝脏等系统和器官造成暂时性和永久性病变,尤其是苯并芘类多环芳烃能使人体直接致癌,已经引起人类的高度重视。工业生产中会产生各种有机物废气,主要包括各种烃类、醇类、醛类、酸类、酮类和胺类等,这些有机废气会造成大气污染,危害人体健康,而且还会造成浪费,所以有机废气的处理与净化势在必行。进入 21世纪,随着社会经济的发展和人们环保意识的增强,人们对环境质量提出了更高的要求。目前我国的环境问题依然十分突出,已严重地制约了经济发展和人民生活水平的提高,其中有毒有机物对环境污染非常严重,该类污染物具有排放量大、 污染面广和难以降解的特点,对它们的污染控制一直是环保工作者研究的重点课题。
本文将介绍一种广泛应用于工业有机废气净化的技术——活性炭吸附法。本次设计利用固定床吸附器对有机废气进行处理，在进入系统之前，经过了一定的预处理阶段以去除其中的雾状物、粉尘等，避免这些物质对工艺流程的影响，提高了吸附效，经过净化的气体最终经过排放装置达标排放。
本次设计主要涉及五部分内容，包括有机废气的收集、有机废气的处理、净化气体的排放、连接管道的设计计算以及相关设计图的绘制。其中还介绍了有机废气污染现状与危害，处理的工艺流程和原理、相关的各种标准规则，以及设备的选型于尺寸的计算和简要介绍了活性炭的再生！
关键词：有机废气、固定床吸附器、活性炭
1概述
1.1有机废气的来源
有机废气主要来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气,特点是数量较大,有机物含量波动性大、可燃、有一定毒性,有的还有恶臭,而氯氟烃的排放还会引起臭氧层的破坏。石油和化工工厂及石化产品的存储设施,印刷及其他与石油和化工有关的行业,使用石油、石油化工产品的场合和燃烧设备,以石油产品为燃料的各种交通工具都是有机废气的源头。有机废气的来源和污染途径
见表1-1
表1-1 有机废气的来源于污染途径

类别
污染源
污染途径

固定源
石油炼制、储存、印刷、油漆、化工行业的有机原料及合成材料，农药、染料、涂料等化工产品，炼焦、固定燃烧装置
石油炼制过程，化工产品生产工艺中泄漏、存储设施中蒸发，废水有机物的蒸发、油墨、涂料中有机物蒸发，消毒剂、农药、染料等加工过程中有机物的蒸发，垃圾焚烧炉中不完全燃烧，饮食业煎、炸、烤类食物
流动源
汽车、轮船、飞机
曲轴箱漏气、尾气排放
1.2有机废气治理技术现状及进展
随着科学技术的飞速发展，商品生产给人类物质文明增色添彩，然而与丰富的物质享受相伴而生的是人类生态环境在遭受不断地威胁。有机废气污染物排放所造成的环境污染问题，带给生态环境和人类身体健康严重的危害性因而成为人们关注的焦点。有机废气的种类多种多样，所以采用的治理技术也要根据废气的性质而定。目前有机废气污染物治理的方法主要有两类回收法与消除法。有机废气回收法主要有炭吸附、变压吸附、吸收法、冷凝法及膜分离技术，回收法是通过物理方法，改变温度、压力或采用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来富集分离有机废气污染物。有机废气消除法可分为物理—化学法和生物法两类。物理化学法主要包括热破坏法、光分解法、点晕法、臭氧分解法等；生物法包括生物过滤器、生物冲刷塔、生物膜反应器、活性污泥法等。活性炭吸附净化的效率可达95%以上，但需要活性炭的再生装置，否则运行费用太高；若无蒸汽回收，则工艺流程过长，操作费用高，回收的水和溶剂的化合物利用价值也不高，再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的能力逐渐降低，一般使用两、三年后就需更换。而液体吸收法净化的效率在60%—80%，且存在二次污染。催化燃烧法净化的效率可达95%以上，但适合处理高浓度、小风量、且废气温度较高的有机气体，所以此方法消耗的能源较大。目前广泛使用的是吸附—催化燃烧法，它主要是以颗粒状或蜂窝状活性炭为吸附剂，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一天，因此吸附床体积大，吸附剂用量多，设备笨重，投资打，操作麻烦，由于床层体积大，容易出现吸附热的局部积累而引起燃烧爆炸等现象。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进行。近年来生物氧化、半导体光催化剂技术也得到很快地发展
1.3各种净化方法的分析比较
解决有机废气的污染，最根本的方法是加强管理和工艺改革。由于技术的原因，在现阶段的生产中大量使用无害涂料、无害溶剂是不可能的，非甲烷总烃溶剂的使用量仍然很大，所以必须解决有机废气问题。目前国内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处理方法的优缺点比较

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.净化废气前，需要进行预处理
2.仅限于低浓度
3.设备庞大

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.操作流程简单，吸附价格便宜
2.净化气体不需要预处理
3.建造快、占地
1.后处理大、费用高
2.对溶剂成分处理量大

2设计参数及目标
2.1主要技术参数：
1、设计范围：有机废气
2、处理风量：6000m3∕h；
3、废气温度： 25℃；
4、净化率： 90%；
5、排放高度： 15m；
6、排放浓度：达到GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》中二级标准；
7、运行功率：5.5kw。
2.2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。
3．本处理工艺运行安全可靠，处理效果好，维护简单方便。
4． 采用低耗能、地运行费用、基建投资少、维护管理方便。
5． 工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中有较大的调节余地。
3设计内容
3.1项目概况
某实业有限公司从事健身器材的生产加工，年生产各类健身器材242万台，健身器材的生产加工工艺包括海绵的生产、配件的注塑成型、整体组装三大工序，其中海绵的发泡工序中会产生大量有机废气（主要为非甲烷总烃），需设一套风机风量为6000m3∕h的处理装置，对该车间产生的有机废气进行处理，以达到规定的排放标准（GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》表2中二级标准）。
3.2引用标准及设计规范等
引用标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》
引用标准GB50316-2000《工业金属管道设计规范》
引用标准 环境保护设备选用手册
3.3计算
3.3.1集气罩的设计
3.3.1.1简介
集气罩是用以捕集污染气流的。其性能对净化系统的技术经济指标是有直接影响的。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同，集气罩的形式是多种多样的。
按罩口气流流动方式可将集气罩分为两大类：吸气式集气罩和吹吸式集气罩。利用吸气气流捕集污染空气的集气罩称为吸气式集气罩，而吹吸式集气罩则是利用吹吸气流来控制污染物扩散的装置。本设计中采用吸气式集气罩中的外部集气罩来收集污染气体。
由于受到工艺条件限制，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集气罩罩；
如图下图3-1
图3-1吸收式集气罩

3.3.1.2集气罩相关参数的确定
(1) 罩口速度Vx
本设计中，污染源产生有机废气可按照轻矿物粉尘，从轻微速度发散到上述平静的空气中参照，所以污染源的控制速度按中表2-1可得:
取0.5~1.0m/s之间。本设计选用vx=0.8m/s
表3-1 污染源控制速度
（2） 罩口面积

（3） 罩口直径

（4） 罩口直边长度
（减少周围空气混入排风系统）
（5） 罩口敞开面周长

（6）罩口喇叭口长度
取
（7）罩的扩张角度

（8）圆形工作台特征尺寸

（9）工作台至地面高度：

（10）污染源至罩口高度：
H＜0.7=0.71.2=0.84 取 H=0.8m
3.3.2管道布局设计
在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。该段设计主要是根据集气罩的流量以及净化设备的要求来完成必须的管道的参数设计。这主要包括：管内流速的确定；管道直径的确定；管道内流体的压力损失；本设计采用圆形风管来进行连接。
3.3.2.1管道内流体速度的确定
管道内流体的选择涉及到技术和经济两方面的问题。因此，要使管道设计计算经济合理，必须选择合适的流速，使投资和运行费用的总和为最少。
一般排风系统风管内常用流速见表3—2【10】
表3—2 除尘管道内最低气流速度

粉尘性质
垂直管
水平管
粉尘性质
垂直管
水平管
粉状的粘土和砂
11
13
铁和钢（屑）
18
20
耐火泥
14
17
灰土、砂土
16
18
重矿物粉尘
14
16
锯屑、刨屑
12
14
轻矿物粉尘
12
14
大块干木屑
14
15
干型砂
11
13
干粉尘
8
10
煤灰
10
12
燃料粉尘
14-16
16-18
湿土（2%水分以下）
15
18
大块湿木屑
18
20
铁和钢（尘末）
13
15
谷物粉尘
10
12
棉絮
8
10
麻（短纤维粉尘、杂质）
8
12
水泥粉尘
8-12
18-22

3.3.2.2管道直径的确定
在已知流量和确定流速后，管道直径可按照下式计算：
钢板制圆形风管，取风速12m/s
风管直径：
取圆整为500mm
查【8】规格为500mm1.0mm
风管横截面积 ：

则实际风管气速：

3.3.2.3管道内流体压力的损失
（1）摩擦阻力的计算
对于直径为d的圆形风管，摩擦力计算公式为：

—摩擦阻力系数
—风管内气体的平均流速，m/s
—气体的密度，kg/m³
—风管的长度，m
管径： 摩擦系数 ，
风管内气体的平均流速：
则
（2）局部阻力的计算

则管路总压力损失为：
流程总压力损失为：
=

3.3.3风机和电机的选择
（1）风量计算
在确定管网风量的基础上，考虑到风管、设备的漏风，选用风机的风量应大于管网计算测定的风量，计算公式如下：

式中：—选择风机的计算风量，m³/h
—风量附加安全系数，一般管道系数取1.01.1，吸收系统去1.11.5，且吸收器漏风另加5%10%，
本设计取
则
(2)风压计算
考虑到风机性能波动、管网阻力计算的不精确，选用的风机的压力应大于管网计算所确定的风压
计算公式如下;

式中：—选择风机的计算风量，
—风压附加安全系数，一般管道系统取1.01.5,除尘系统取1.151.20
本设计取
又风机样本上的性能参数是在标准状况（大气压力为，温度20℃）下得出的，在实际使用情况下不是标准态，风机的风压会变化，风量不变，
因此选择风机时对参数进行换算：

式中 —风机在实际工作状况下的风压
—风机样本上的风压
—风机在标准状况下的密度、温度和压力
—风机在实际工况下的密度、温度和压力
(3) 风机型号
在选择风机时应注意以下几个问题：
①根据输送气体的性质，确定风机的类型
②根据所需风量、风压和选定的风机类型，确定风机的型号
③在满足风量的风压的条件下，尽可能选用噪声低、工作效率高的型号
④通风机和风管系统的不合理连接可能使风机性能急剧变坏，因此在连续时，要使气体在进出风机时尽可能的均匀一致，不能有方向和速度的突然变化
(4)电机型号
排风机选择为：C4-73 NO.45 具体性能参数如下：
风量：580010500m³/h 全压：24501421
电动机型号：Y160M2-2 功率：15kw
3.3.4活性炭吸附过程设计
3.3.4.1吸附机理
吸附和脱附是互为可逆过程。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，且随着时间的推移，脱附速度不断地增大。但从宏观上看，同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附的吸附量，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收量，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，吸附质再气、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，也常用各种经验公式来表示。
3.3.4.2吸附量
吸附量是指在一定条件下单位质量的吸附剂上所能吸附质的量，通常以kg吸附质/kg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的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，从吸附剂层流出的气体中开始发现吸附质（或其浓度达到一定规定的允许值）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。
3.3.4.3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） 预先出去入口气流中污染吸附剂的杂质；
（4） 能够有效的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。
综合工艺特点和经济技术可行性分析，本设计吸附器采用固定床吸附器，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。
设备基本运行参数如下：
处理风量：6000m³/h
材料：钢板 δ=4
压降：≤ 1000 Pa
数量：两台并联，脱附吸附交替运行
3.3.4.4吸附塔计算
（1） 空塔气速和横截面积的确定
空塔速度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，那也会使吸附床的体积、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速度那样设备费用虽低，但吸附效率降低很多，且体系压降会随着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，适合速度一般为0.250.5m/s
本设计取 0.38m/s
查选择吸附器型号: ACA-KHJ-70
参数：
处理风量： 吸附器直径：1800mm
活性碳填充量：500kg/罐 电机功率：15kw
处理效率：≥90%
活性炭的堆积密度范围200kg/m³600kg/m³，设计取300kg/m³
由于废气中空气所占的比例远远大于污染物所占的比例，因此，废气性质可以近似看做干空气的热物理性质，查<<化学原理>>附录9得以下数据:
空气混合物性质;
流体密度 ，黏度
吸附的粒状活性炭性质：
平均直径 ，固定床孔隙率
（1） 填料层高h

（2）吸附器总高度H

取 1.0m
（3） 吸附剂的体积

（4） 床层压降

根据活性炭的性能:
所以
3.3.5烟囱的设计
(1)设计参数
烟囱出口速度为【大气书】 烟囱的高度:H=15m
（2）烟囱出口面积

（3）烟囱的内径

3.4工艺说明及流程简图
3.4.1工艺选择
处理工艺的选择，应根据气量的大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运转的经济型等条件全面考虑，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，国内外有机废气治理的常用方法：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；催化燃烧法净化效率为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，为了提高废气的温度，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，另外需要稳定的蒸汽源也常常是比较困难的事情。针对这些问题，结合本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净化，选用蜂窝状活性炭做为吸附剂。
3.4.2工艺流程
见图2-2
图2-2 有机废气工艺流程图

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风机；6排气罩
该处理工艺系统组合十分紧凑，集吸附—脱附于一体。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，同时对对面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，由为其放出的废气，通过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，从上到下通过活性炭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。
4小结
本设计工程系统工艺先进，设计合理，控制风速，净化风量及噪声强度等技术参数均达到或接近设计标准，同时通风净化效果显著，工人在清洁区作业，可有效的保护身体健康，特别是系统节能效果显著、操作简单、使用方便和处理废气效果好的特点。
本设计为末端治理方法，本着可持续发展和清洁生产的发展战略，应从源头上和生产过程中控制污染的产生，少用或使用无污染的替代原料，改进相关工艺以进一步防止和控制污染
5设计感想
通过这次课程设计，使我对集气罩，管道系统设计有了一定的了解，在设计之前，要对课本十三章知识有一定的了解，有利于对知识进行梳理，形成系统。这次课程设计要求我们对所学知识，进行应用。不仅仅是课本知识，还要相关软件的学习与应用。如AUTO CAD 的应用.需要的参数要查环境工程设计手册。相关的公式计算要应用到math type 软件等。
虽然这几天都是高温但是我们坚持天天去设计室，从开始着手做，到最后完成用了5天左右的时间。接到任务时自己的脑子里的一片空白，很多参数、工艺流程、设计图纸都不能确定，接着和同学们一起讨论，研究，包括上网找资料和学习。最后使这个很模糊概念的任务逐渐的清晰起来，并最终把这个设计完成。这种感觉只有自己经历过才会体会的到。
不管以后是学习还是工作，态度决定一切，也许困难排山倒海般像你涌来，只要你坚持，再艰难的时刻终将会过去，也许在某个时候就会找到灵感，有种柳暗花明又一村的感觉。总之，这次课程设计收获很多，成长历练也很多。

6参考文献
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【2】.金国淼等主编，《石油化工设备设计选用手册》，化学工业出版社，2008.8；
【3】.柴晓利等主编，《环境工程专业毕业设计指南》，化学工业出版社，2008.7；
【4】.王玉彬主编，《大气环境工程师实用手册》，中国环境科学出版社，2003.10；
【5】.黄学敏，张承中主编，《大气污染控制工程实践教程》，化学工业出版社；
【6】.刘天齐主编，《三废处理工程技术手册—废气卷》，化学工业出版社，1999；
【7】.《环境保护设备选用手册——大气污染控制设备》化学工业出版社，2002.5；
【8】.童志权等.工业废气污染控制与利用.北京：化工出版社.1988；
【9】.张文俊等.吸附、催化燃烧法治理有机废气的研究.北京轻工业学院院报，第15卷 第1期 1997年06月：9495；
【10】.李志华.橡胶除尘系统的配置与计算.特种橡胶值制品，第25卷 第1期.2004年02月；
【11】吴忠标.大气污染控制工程，科学出版社，2002.7；
【12】鹿政理.环境保护设备选用手册，化学工业出版社，2002.4；
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