甲苯废气处理工艺设计大气污染处理设计课程.docx

环境工程专业

大气污染课程设计
计算说明书

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班 级：
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编制日期：

南京工业大学环境学院环境工程系

目 录
一．设计目的 1
二．设计条件 1
2.1 设计任务 1
2.2 原始材料 1
2.3 排放标准 1
2.4 处理方法 2
三．工艺设计与计算 3
3.1 工艺流程的初步确定 3
3.2 吸附塔计算 3
3.2.1 吸附剂筛选 3
3.2.2吸附剂再生 4
3.2.3 吸附塔设计 4
3.3 确定工艺流程 8
3.4 管道计算及选材 9
3.5 排气筒高度 9
3.6 系统阻力计算 9
3.6.1 沿程阻力计算 9
3.6.2 局部阻力计算 10
3.7 风机选型 10
3.8 吸附塔气速校核 11
3.9 工艺参数核算 13
3.10 其他参数说明和计算 13
四．工艺流程说明 13
五．绘图 14
5.1 工艺流程高程图 14
5.2 吸附塔结构图 14
5.3 平面布置图 15
参考文献 16

一、 设计目的：
（1）通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行工业废气处理系统设计的初步能力
（2）通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养确定大气污染控制系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、查找与使用技术资料、编写设计说明书的能力。
二、 设计条件：
2.1设计任务
1、 根据工艺废气相关资料，确定废气处理流程；
2、 对废气处理流程中相关设备进行工艺计算，确定其形式、数目与尺寸；
3、 对标准设备进行选型，计算相关管道尺寸并确定材质；
4、 进行各设备的总体布置，吸附塔设备结构图（主视图、俯视图、剖面图）。
2.2原始材料
某化工厂生产过程中需排放含甲苯的有机工艺废气。相关数据：流量：2100Nm3/h；温度：40℃；压力：由风机决定；组成（v/v）：甲苯：0.28%；其它：空气。试设计出一种废气处理工艺，使处理后工艺废气满足《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)中规定的二级排放要求。
2.3排放标准
《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)甲苯排放标准（执行二级标准）
污染物
最高允许排放浓度

最高允许排放速率，
无组织排放监控浓度限值
排气筒高度，m
一级
二级
三级
监控点
浓度

甲苯
60
15
禁排
3.6
5.5
周围外浓度最高点
0.30
20
6.1
9.3
30
21
31
40
36
54

2.4处理方法的确定
VOCs的处理方法有：
（1） 燃烧法
用燃烧方法将有害气体、蒸汽、液体或烟尘转化为无害物质的过程称为燃烧法净化，燃烧法净化时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下热分解。；很高时，可把废气当燃料燃烧；在热力燃烧和催化燃烧情况下，所处理废气中可燃物浓度太低，必须借助辅助燃料来实现燃烧。
在绝大多数处理有机废气场合，废气中VOC浓度一般较低，而风量较大。往往因为回收废气中的有机溶剂在经济上不划算或难以使回收后的溶剂重复使用，以及在回收过程中可能产生二次污染等问题，才采用燃烧法处理有机废气。
（2） 吸收法
溶剂吸收法采用低挥发或不挥发性溶剂对VOCs进行吸收，再利用VOCs分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。在对含VOCs废气进行治理的方法中，吸收法的应用不如燃烧法、吸附法等广泛，影响应用的主要原因是因为有机废气的吸收剂均为物理吸收，其吸收容量有限。吸收法净化有机废气，最常见的是用于净化水溶性有机物，国内已有一些有机废气吸收的应用实例，但净化效率都不高。
另外，吸收法的投资费用较大，用于吸收剂循环的操作费用也较高，如果废气中含多种有机组分，则难以再生利用或必须添加分离设备，还可能产生废水而造成二次污染。目前此法多用于废气中无机污染物的净化。
（3） 吸附法
目前工业上常用吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等
（4） 冷凝法
冷凝法利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸气状态的污染物（如VOCs）冷凝并与废气分离。该法特别适用于处理废气体积分数在10-2以上的有机蒸气。
冷凝法在理论上可达到很高的净化程度，但是当体积分数低于10-6 时须采取进一步的冷冻措施，使运行成本大大一高提高。所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体，主要用于回收溶剂，作为废气净化的一道预处理工序，以降低有机负荷，回收有机物。
（5） 生物法
生物法控制VOCs污染是近年发展起来的污染控制技术，主要针对既无回收价值又严重污染环境的工业废气研究开发的。该技术已在德国、荷兰得到规模化应用有机物去除率大都在90%以上。与常规处理法相比，生物法具有设备简单，运行费用低，较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显经济。生物法适合处理气量在800-20000Nm /h左右的废气，废气的浓度一定要小，设备的占地面积很大。
此次课程设计是去除烟气中的甲苯，采用吸附法。
三、 工艺设计与计算：
3.1工艺流程的初步确定

有机废气
过滤器
冷凝器
活性炭吸附塔
风机
处理后排放

说明：
简易的工艺流程图如上，含甲苯的废气先通过过滤器除去颗粒状污染物，由于含甲苯的废气温度在40℃，所以必须要先经过冷凝器将废气温度将在室温左右，然后有机废气进入吸附塔内，有机废气被吸附剂（活性炭)吸附，净化后的气体被排入大气中。
3.2吸附塔计算
3.2.1. 吸附剂筛选
工业吸附剂的要求应具备以下特性：
A、 具有大的比表面积
B、 具有良好的选择性吸附作用
C、 具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸
D、 具有足够的热稳定性及化学稳定性
E、 有良好的再生性能
F、 吸附剂的来源广泛，价格低廉

名称
粒度
（目数）
颗粒密度
（kg/m3）
颗粒孔
隙率
填充密度
（kg/m3）
比表面积
（m2/g）
活性炭(粉末状）

<100

500~700

0.6~0.8

约450

700~1300
活性炭不适合用于吸附沸点高于200℃ 、分子量大于 130的化合物。而高挥发物质如分子量低于 45 ， 则不受活性炭吸附。甲苯的相对分子量为92，适宜采用活性炭吸附剂。
3.2.2吸附剂再生
活性炭是一种非常重要的吸附剂，活性炭的再生主要有以下几种方法： 　
(1)　加热再生法 在高温下，吸附质分子提高了振动能，因而易于从吸附剂活性中心点脱离；同时，被吸附的有机物在高温下能氧化分解，或以气态分子逸出，或断裂成短链，因之也降低了吸附能力。
加热再生过程分五步进行：
1)脱水：使活性炭和输送液分离。
2)干燥：加温到100~150℃，将细孔中的水分蒸发出来，同时使一部分低沸点的有机物也挥发出来。 　　
3)碳化：加热到300~700℃，高沸点的有机物由于热分解，一部分成为低佛点物质而挥发，另一部分被碳化留在活性炭细孔中。
4)活化：加热到700~1000℃，使碳化后留在细孔中的残留碳与活化气体(如蒸气、CO2、O2等)反应，反应产物以气态形式(CO2、CO、H2)逸出，达到重新造孔的目的。
5)冷却：活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。
本次课程设计采用采用热再生，通过往吸附塔内加入蒸汽来达到活性炭的再生。
3.2.3吸附塔设计
已知：废气的流量为2100，甲苯体积分数为0.28%，温度40℃
（1根据理想气体方程，在P、n、R一定的时候，体积V与温度T成正比，而流量Q与体积V也成正比，所以有：，即有=
在根据：，即有
经过冷却器处理后，可得：（冷却至室温）
（2）根据质量浓度的计算公式：

进入冷却器之前甲苯的质量浓度：

进入冷却器后前甲苯的质量浓度：

根据《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)甲苯排放标准（执行二级标准），最高允许排放浓度为60mg/m3，即有：
（3） 根据流量为2100m3/h，若流速过大则不利于活性炭的吸附，若流速过小则不利于甲苯的处理效率，此时参考相关资料，取流速0.3m/s。
吸附塔径的计算：即
其中：QV-废气的流量m3/s、u-废气的流速m/s、D-管道的管口直径m

为了保证压力损失不会过大，将塔径设大一点比较好，因此采用公称直径长轴为2000mm的椭圆形封头，则吸附塔的塔径应设置为2.0m。
当塔径为2.0m时，此时的流速为0.20m/s
（4） 吸附塔床层高度的确定
（4-1）、吸附剂动态平衡吸附量确定：
参考由周烈性、彭金辉等著作的《活性炭对甲苯的吸附平衡及热力学研究》，活性炭的孔径在0.5-2mm能够有效的吸附甲苯，活性炭的最大的吸附量为0.273g/g，考虑实际工业中会有很多因素的影响，取动态平衡吸附量理论值的约80%为实际值（70%-90%）,则实际的吸附量为0.2730.8=0.218g/g。
类型
堆积密度
对甲苯饱和吸附量
计算动态饱和附量
粒径/mm
孔隙率
KC-2.0
450
218
0.218
2
0.40

（4-2）、吸附周期的确定：
设计吸附周期为5天，即
（4-3）吸附剂（活性炭）的用量计算：
活性炭吸附剂的用量按此公式计算：
其中：Qv-气体的流量m3/s
M-投加吸附剂（活性炭）的量kg
T-吸附周期s
C0-处理前废气中甲苯的浓度mg/m3
Ce-处理后废气中甲苯的浓度mg/m3
qm-活性炭对甲苯的饱和吸附量kg/kg
则活性炭的投加量为：

（4-4）吸附剂（活性炭）床层高度计算
先根据，即（活性炭的密度为450kg/m3）
由于需要的活性炭体积比较大，将活性炭体积分为2份，每份17.6m3,，做成2个吸附塔（串联），每个吸附塔的床层高度为H：
，即

在此高度下吸附塔内气体基本能够混合均匀。一个在吸附，另一个再生。如此轮换操作。
（4-5）吸附床层压力降计算：
根据欧根公式:

其中：

选择典型的颗粒状活性炭为吸附剂，当粒径为2mm，孔隙率为0.4，313K，一个大气压下（P=101325pa），空气粘度是19.04×10-6Pa*s，空气密度为1.128kg/m3。

则压力降
选用高压离心风机能够满足要求。
3.3 确定工艺流程

活性炭吸附塔

处理后排放
高压离心风机

冷凝器
过滤器

有机废气

3.4 管道计算及选材
根据《环境工程原理》第二版（胡洪营著）中：在管路设计中，选择适宜的流速是非常重要的，因为流速影响流动阻力和管径，进而影响系统的操作费用和建设投资，一般情况下，液体的流速取0.5-3.0m/s，气体则为10-30m/s，本设计过程中取流速为20m/s
则：
圆形通风管道规格

由上面的表格中查表可得：选取外径为200mm，壁厚为3mm的塑料制风管，管径的外径允许偏差为3.5 排气筒高度
有机工艺废气的甲苯含量为2100
则
所以根据《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)甲苯排放标准，排气筒高度设定为15m即可。
3.6 系统阻力计算
3.6.1 沿程阻力计算

其中：
—是沿程阻力损失系数
d—是管道的内径m
L—是管道长度m
u—是流体在管道中的流速
根据场地平面布置图（详见CAD图纸），总管路长度为38.5m，计算时稍取大一些，取40m
根据《工程流体力学》（第三版、周云龙著）中的莫迪图可以查得，此时的沿程阻力损失系数为0.02
则：

3.6.2 局部阻力计算
根据《工程流体力学》（第三版、周云龙著）可以查的各阻力系数如下：
管件
突然扩大
突然缩小
三通
90度弯头
阀门
阻力系数
1
0.5
1.5
0.75
0.17

查CAD高程图可以统计出各管件的个数如下：
管件
突然扩大
突然缩小
三通
90度弯头
阀门
个数
5
4
2
9
3

其中：
u—是流体在管道中的流速
—是流体的密度
—是局部阻力系数
则总的压力损失为4815.6+111.6=4927.2（pa）(此值为估计值）
3.7 风机选型
根据通风机的作用原理，风机可分为离心式、抽流式和贯流式三种。在通风工程中常用的是离心式和抽流式风机。根据风机的用途不同，又可分为输送一般气体的风机、高温风机、防爆风机、防腐风机、耐磨风机等。离心风机按其压力又可分为高压风机(P>3000Pa)、中压风机(1000Pa93
Y225M-2
45
2
5984
4706
3
5869
5114
4
5725
5527
Y250M-2
55
5
5553
5941
6
5381
6349
7
5180
6762
9-26 7.1D
2900
8
12427
12292
Y280S-2
75
9
12321
13475
10
12078
14643
11
11776
15826
Y315S-2
110
12
11415
17009
13
11055
18177
14
10635
19360

根据计算结果，选择上面第4个风机，其性能参数如下：

机号
转速
序号
流量

全压

配用电机
（r/min）
（m3/h）
pa
型号
功率
9-26 7.1D
2900
10
12078
14643
Y280S-2
75

3.8 吸附塔气速校核

根据以上的一系列的计算，将吸附塔分成2个塔（两个塔串联使用），所选用的风机压力为14613（pa），管道中的总的压力损失为4927.2（pa)，两者之差为9685.8(pa),带人计算可得;

可以求出流速u=0.21m/s，而上面假设的流速为0.2m/s，相差不大，即上述计算正确，工艺流程基本正确。
3.9 工艺参数核算
根据公式得：
，能够达到《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)甲苯排放标准。
根据上述计算，吸附该甲苯废气需活性炭用量为15845kg，初始浓度为12553.1mg/m3，则可求得实际的吸附周期

3.10 其他参数说明和计算
（1）吸附塔参数估算
每座吸附塔内活性炭的用量近似为237675kg
吸附塔材质为钢材质的碳钢筒体塔身，吸附塔上部选用EHA椭圆形封头。
EHA椭圆形封头内表面积、容积（JB/T4746—2002）
序号
公称直径
DN/mm
总深度
H/mm
内表面积
A/m2
容积
V/m3

序号
公称直径
DN/mm
总深度
H/mm
内表面积
A/m2
容积
V/m3
1
300
100
0.1211
0.0053
34
2900
765
9.4807
3.4567
2
350
113
0.1603
0.0080
35
3000
790
10.1329
3.8170
3
400
125
0.2049
0.0115
36
3100
815
10.8067
4.2015
4
450
138
0.2548
0.0159
37
3200
840
11.5021
4.6110
5
500
150
0.3103
0.0213
38
3300
865
12.2193
5.0463
6
550
163
0.3711
0.0277
39
3400
890
12.9581
5.5080
7
600
175
0.4347
0.0353
40
3500
915
13.7186
5.9972
8
650
188
0.5090
0.0442
41
3600
940
14.5008
6.5144
9
700
200
0.5861
0.0545
42
3700
965
15.3047
7.0605
10
750
213
0.6686
0.0663
43
3800
990
16.1303
7.6364
11
800
225
0.7566
0.0796
44
3900
1015
16.9775
8.2427
12
850
238
0.8499
0.0946
45
4000
1040
17.8464
8.8802
13
900
250
0.9487
0.1113
46
4100
1065
18.7370
9.5498
14
950
263
1.0529
0.1300
47
4200
1090
19.6493
10.2523
15
1000
275
1.1625
0.1505
48
4300
1115
20.5832
10.9883
16
1100
300
1.3980
0.1980
49
4400
1140
21.5389
11.7588
17
1200
325
1.6552
0.2545
50
4500
1165
22.5162
12.5644
18
1300
350
1.9340
0.3208
51
4600
1190
23.5152
13.4060
19
1400
375
2.2346
0.3977
52
4700
1215
24.5359
14.2844
20
1500
400
2.5568
0.4860
53
4800
1240
25.5782
15.2003
21
1600
425
2.9007
0.5864
54
4900
1265
26.6422
16.1545
22
1700
450
3.2662
0.6999
55
5000
1290
27.7280
17.1479
23
1800
475
3.6535
0.8270
56
5100
1315
28.8353
18.1811
24
1900
500
4.0624
0.9687
57
5200
1340
29.9644
19.2550
25
2000
525
4.4930
1.1257
58
5300
1365
31.1152
20.3704
26
2100
565
5.0443
1.3508
59
5400
1390
32.2876
21.5281
27
2200
590
5.5229
1.5459
60
5500
1415
33.4817
22.7288
28
2300
615
6.0233
1.7588
61
5600
1440
34.6975
23.9733
29
2400
640
6.5453
1.9905
62
5700
1465
35.9350
25.2624
30
2500
665
7.0891
2.2417
63
5800
1490
37.1941
26.5969
31
2600
690
7.6545
2.5131
64
5900
1515
38.4750
27.9776
32
2700
715
8.2415
2.8055
65
6000
1540
39.7775
29.4053
33
2800
740
88503
3.1198
—
—
—
—
—
根据上表格可以查的：公称直径为2m时，碳钢塔体厚度为5mm，椭圆形封头内表面积，，封头有2个，塔高（除封头）为5.3m。
则：又
所以整座吸附塔总质量可近似估算，得

（2）冷却器冷却水参数计算
原含甲苯的有机废气流量为，即经冷却器冷却至25℃后，气体流量变为，由于原废气中仅含甲苯气体，其余为空气，将其近似当作空气处理
25℃时，，；℃-1，

根据，冷却水和气体的交换热相等。有

设冷却水的进水温度为5℃，热交换后水温为25℃
则

四． 工艺流程说明
本次课程设计是除去含有甲苯的有机废气，废气的相关条件为：温度40℃、流量：2100Nm3/h、甲苯：0.28%。
采用孔径为2mm的活性炭为吸附剂，含有甲苯的有机废气先经过除尘器出去有机废气中的大的颗粒物，然后经过冷却器将有机废气的温度降至温度为25℃，然后经过装有活性炭吸附剂的吸附塔，备用塔的作用是：当主塔提前穿透时备用塔可以继续吸附废气中的甲苯，保证吸附塔组不会在一个周期内穿透。经过一个周期后需要更换吸附剂时，通过阀门的控制进行切换，切换后备用塔作为主塔进行工作，对原来的主塔进行吸附剂的更换。
处理后的烟气由高压离心风机提供动力，经15m高的烟囱排除，设计时安排两台风机，一备一用。
五． 绘图
5.1,甲苯工艺流程的平面布置图：
详细见CAD图纸
5.2甲苯工艺流程中的吸附塔的结构示意图：
详细见CAD图纸
5.3甲苯工艺流程中的高程图：
详细见CAD图纸

参考文献