活性炭吸附工业有机废气的工程设计毕业论文

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 活性炭吸附工业有机废气的工程设计 学学 院院 环境科学与工程环境科学与工程 专专 业业 环境工程环境工程 年级班别年级班别 2011 级级 1 班班 学学 号号 3101000227 学生姓名学生姓名 李敏李敏 指导教师指导教师 李彦旭李彦旭 （2015 年 6 月 6 日 ） 广东工业大学教务处制 2000020000 m m3 3/h/h活性炭吸附工业有机废气的工程设计活性炭吸附工业有机废气的工程设计 黄黄 少翠少翠 环境科学与工程学院 计计 I 广东工业大学本科生毕业设计广东工业大学本科生毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 题目名称 活性炭吸附工业有机废气的工程设计 学 院 环境科学与工程学院 专业班级 环境工程 2011（1）班 姓 名 李敏 学 号 3101000227 一、毕业设计（论文）的内容 （1）文献检索、资料收集和翻译；（2）制定设计方案和设计计算内容； （3）编写设计说明书和绘制工程图纸；（4）工程概算和经济分析。 二、毕业设计（论文）的要求与数据 （1）基本设计参数。有机废气量 20000m3/h，主要污染物组分：苯 100mg/m3、甲苯 80mg/m3、二甲苯 100mg/m3。排放标准：苯 12mg/m3、甲苯 40mg/m3、二甲苯 70mg/m3。 （2）技术要求。满足相应的环境空气质量标准、大气污染物排放标准、工业 企业设计卫生标准、大气污染控制技术标准、警报标准以及国家相关技术政策、净化 效率和操作适应负荷范围等。 （3）可靠性要求。包括预定使用寿命，设计可靠性分析以及设计结果的敏感性分析等。 （4）经济性要求。包括工程概算、成本分析和技术经济分析。 （5）其它要求：包括制造工艺要求、节能要求、安全要求、质量检测要求以及应遵循 的国家法令、政策、规范和标准等。 三、毕业设计（论文）应完成的工作 （1）纸质设计说明书及其电子版本；（2）译文及原文影印件。 （3）设计图纸（平面布置图、工艺流程图、主要构筑物图、管道布置图等） 四、毕业设计（论文）进程安排 序号设计（论文）各阶段名称地点起止日期 1 文献检索及资料收集图书馆2015.4.2-2015.4.12 2 外文资料熟悉及翻译图书馆2015.4.13-2015.4.20 3 工艺设计及说明书编写设计室2015.4.21-2015.5.25 4 工程绘图设计室2015.5.26-2015.6.10 5 答辩阶段课室2015.6.11-2015.6.15 II 五、应收集的资料及主要参考文献 1 Taylor S. H., Heneghan C. S., Hutchings G. J., Catalysis Today J, 2000, 59: 249. 2 李明华.有机废气的污染、净化概况与分析.山西机械，1996 第一期:1920 3 DB44/27-2001, 大气污染物排放限值.广东：广东省环境保护局， 4 周兴求.环保设备设计手册大气污染控制设备.化学工业出版社.2011.12：338346 5 王正烈等.物理化学（下册）,第四版.高等教育出版社.2001.12：165 6 郝吉明等.大气污染控制工程（第二版）.高等教育出版社.2002 7 彭宏等.蜂窝状活性炭的研究.资源开发与市场，2002.22（1） 8 K. P. Gadkaree , M. Jaroniec. Pore Structure Development in Activated Carbon HoneycombsJ . Carbon 2000 , (38) 983993. 9 Tien C. Adsorption Calculations and Modeling. Butter - worth - HeinemannM , London ,1994 ,123. 10 K. P. Gadkaree. Carbon Honeycomb Structures for Adsorption Applica2tionJ . Carbon , 1998 , (36) 981989. 11 彭宏等.蜂窝状活性炭的研究.资源开发与市场，2002.22（1） 12 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 13 高瑞英等.活性炭吸附VOC苯系物的影响因素研究. 广东轻工职业技术学院学报，第四卷 第4期.2005年12月 14 朱世勇. 环境与工业气体净化. 北京：化学工业出版社，2001.5 15 熊振湖、费学宁等.大气污染防治技术及工程应用. 北京：机械工业出版社，2011.7：274 16 周兴求等.环保设备设计手册大气污染控制设备.2004.1：363364 17 李志华.橡胶除尘系统的配置与计算.特种橡胶制品， 第25卷 第1期.2004年2月 18 童志权等. 工业废气污染控制与利用. 北京：化学工业出版社，1988 19 魏闲勋.环境工程设计手册.湖南科学技术出版社.1992.11：226 20 中华人民共和国国家标准.总图制图标准 GB/T50103-2001 21 中华人民共和国国家标准.建筑制图标准 GB/T50104-2001 22 中华人民共和国国家标准.建筑结构制图标准 GB/T50105-2001 发出任务书日期：发出任务书日期：2015 年年 1 月月 26 日日 指导教师签名：指导教师签名： 预计完成日期：预计完成日期： 2015 年年 6 月月 15 日日 专业负责人签章：专业负责人签章： 主管院长签章：主管院长签章： III 摘摘 要要 近年来，人们逐渐认识到有机废气对环境和人类健康的巨大危害性，因此在环境 工程领域对有机废气的治理越来越受到人们的重视。 本设计将介绍一种有效且最广泛使用的工业有机废气的净化技术活性炭吸附法。 本设计利用活性炭固定床吸附系统对工业有机废气进行净化。经过该系统之前，废气 会先用干式除尘器进行预处理，去除废气中的雾状物及粉尘，从而避免了这些物质堵 塞活性炭微孔，影响活性炭的吸附效性能。而在活性炭吸附器的设计上，本文采用了 卧式多层设计。选用活性炭为吸附剂，具有吸附性能好，流体阻力小的特点。 首先本文将概述当前有机工业废气的处理现状，主要处理方法和优缺点，并且阐 述本设计所采用该技术的原因。 其次，本文将系统介绍所采用技术的基本原理，设计原则和设计过程计算。 最后，对本毕业设计的造价和费用进行工程预算，包括工程施工费用、设备费用、 工程管理费用、设备维护费用和水电费等等，确定其经济可行性。还给出了综合性的 评价和可行性的建议。 关键词关键词：工业有机废气，干式除尘器，固定床吸附器，活性炭 IV Abstract Due to ubiquity in the environment and risk to human health, volatile organic compounds (VOCs) have received great attention in the field of environmental control. This design introduced an effective and the most extensive usage technology of activated carbon adsorption for cleaning volatile organic compounds (VOCs). That is to say, the project using the fixed-bed adsorption system of activated carbon to purify volatile organic compounds (VOCs). Before decontanmination, the gases would be pretreaded by the dry separator which could wipe off the reek and dust, in order to avoid the sub-holes being jammed which would affect the efficiency of adsorption of activated carbon .Moreover the project choose activated carbon as sorbent,which has large adsorption ability and low resistance. At first, the text will introduce the condition of spray-paint waste gas,characteristics, and the present situation of cleaning of s volatile organic compounds (VOCs), and principles of them,explaining the reason to choose the technology. The second, the text will describe the principle,design method and the process calculation of the design. Finally, the text will do the budget of the projet，listed the spending plan of each certain items after confirming the project, including the spending on engineering construction ,equipment ,construction supercising, equipment maintenance, and the cost of water and water and electricity, to make sure the availability of the design. At last, an all-aroud estimate and some feasible advice were suggested on the text. Keywords : volatile organic compounds (VOCs), dry separator, the fixed-bed adsorption system, activated carbon V 目录 1. 绪 论 1 1.1 概述 .1 1.1.1 有机废气的来源.1 1.1.2 有机物对大气的破坏和对人类的危害1 1.2 有机废气治理技术现状及进展 .2 1.2.1 各种净化方法的分析比较3 2 设计任务说明 4 2.1 设计任务 4 2.2 设计进气指标.4 2.3 设计出气指标 4 2.4 设计目标 4 3 工艺流程说明 6 3.1 工艺选择 6 3.2 工艺流程 6 4 设计与计算 8 4.1 基本原理 .8 4.1.1 吸附原理8 4.1.2 吸附机理9 4.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式9 4.1.4 吸附量12 4.1.5 吸附速率12 4.2 吸附器选择的设计计算.13 4.2.1 吸附器的确定13 4.2.2 吸附剂的选择14 4.2.3 空塔气速和横截面积的确定16 VI 4.2.4 固定床吸附层高度的计算17 4.2.5 吸附剂（活性炭）用量的计算.18 4.2.6 床层压降的计算 15 .19 4.2.7 活性炭再生的计算19 4.3 集气罩的设计计算.20 4.3.1 集气罩气流的流动特性.21 4.3.2 集气罩的分类及设计原则.21 4.3.3 集气罩的选型.22 4.4 吸附前的预处理.24 4.5 管道系统设计计算 24 4.5.1 管道系统的配置25 4.5.2 管道内流体流速的选择26 4.5.3 管道直径的确定.26 4.5.4 管道内流体的压力损失.27 4.5.5 风机和电机的选择.27 5 工程核算 .30 5.1 工程造价 30 5.2 运行费用核算 31 5.2.1 价格标准.31 5.2.2 运行费用.31 6 结论与建议 .32 6.1 结论.32 6.2 建议.32 参考文献 .34 致谢 .35 - -1 1.1. 绪绪 论论 1.11.1 概述概述 1.1.1 有机废气的来源 有机废气的来源主要有固定源和移动源两种。移动源主要有汽车、轮船和飞机等 以石油产品为燃料的交通工具的排放气； 固定源的种类极多, 主要为石油化工工艺过 程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合, 如喷漆、印刷、金属除油和脱 脂、粘合剂、制药、塑料、涂料和橡胶加工等。 1.1.2 有机物对大气的破坏和对人类的危害 有机废气中的挥发性有机物称为VOCs (Volatile organic compounds) ,在涂装、印 刷、制鞋和化工生产的许多行业中,一些工业产品的生产工艺过程都伴有大量的挥发性 有机化合物(VOCs) 废气的排出。VOCs 废气排入大气环境中会产生以下几个方面的 影响: VOCs 是光化学反应的前体,有阳光照射时,在合适的条件下VOCs 与NOx及 其它悬浮化学物质发生一系列光化学反应,主要生成臭氧,形成光化学烟雾,从而发生光 化学污染； 光化学烟雾会刺激人的眼睛和呼吸系统,有些VOCs 还具有强烈刺激气 味,空气中达到一定浓度时则产生令人不适的感觉,影响空气质量； 有些有毒的 VOCs (如芳香烃等) 气体在环境中存在会损害人们的健康,长时间暴露在污染空气中 会引发癌变或引起其它严重疾病, 如苯对骨髓的造血机能造成破坏, 是一种致癌物； 甲苯和二甲苯对中枢神经具有强的麻醉作用； 氯乙烯为致癌物。在制鞋业, 由于“三 苯”中毒而导致工人致死事件已发生过多起, 而涂料工业使用的溶剂中,主要是甲苯、 二甲苯和其它毒性有机物。光化学烟雾也会危害人的健康和植物的生长，1965 年日本 各大城市频繁发生的光化学烟雾, 1966 年美国洛杉矶的光化学烟雾均对人类健康造成 危害。 VOCs 对环境的极大危害和对人体健康的严重威胁，引起了世界各国政府的高度重视。 美国环保署 EPA（Environmental Protection Agency）定义的污染物中 VOCs 占了 300 多种，而美国 1990 年的清洁空气法 （Clean Air Act）要求减少 90%排放量的 189 种毒性化学物中，70%属于 VOCs。 1 - -2 我国在 1997 年 1 月 1 日开始实施的中华人民共和国国家标准大气污染物综合 排放标准(GB 16297- 1996) 也规定了苯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等 VOCs 排放较为 严格的标准，如表 1.1 所示。 表表 1.1. 1 1 几种几种 VOCsVOCs 排放的国家标准排放的国家标准 VOCs 最高允许排放浓度(mg/ m3) 苯 12 甲苯 40 二甲苯 70 氯乙烯 36 注：这是对新污染源的排放标准。 1.21.2 有机废气治理技术现状及进展有机废气治理技术现状及进展 有机废气的来源多种多样，其产生方式及排放方式也不尽相同。因此，有机废气 的治理技术也多种多样，各种治理技术也存在自己不同的优缺点。在实际生产过程中， 根据不同的情况，选择合适的方法是有机废气治理的关键。有机废气治理的方法主要 有回收法和消除法两类。有机废气主要回收技术有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分 离技术及变压吸附技术等；有机废气消除技术可分为物理一化学法和生物法两类。物 理一化学法包括热破坏法、光分解法、电晕法、臭氧分解法等;生物法包括生物过滤器， 生物滴滤器，生物冲刷塔，膜生物反应器，活性污泥法等。活性炭吸附法净化率可达 95%以上，若无再生装置，则运行费用太高，若用蒸汽回收，则工艺流程过长，操作费 用高，回收的溶剂和水的混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能力会逐渐降低，一般使用二三年后就得更换。液体吸收 法净化率只有6O% 8O%，而且存在着二次污染问题。催化燃烧法净化率可达95%，但 适合于处理高浓度、小风量且废气温度较高的有机废气，而且要求气体的温度较高， 为了提高废气温度，要消耗大量的能源。目前应用最多的方法是吸附一催化燃烧法， 它主要以颗粒炭或蜂窝炭为吸附剂，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1d，因此吸附床体积大，吸附剂用量多，设备笨重， 投资大，操作麻烦；由于床层体积大，容易出现因吸附热的积蓄引起的燃烧爆炸等现 - -3 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运行。 1.2.1 各种净化方法的分析比较 解决有机废气的污染, 最根本的方法是工艺改革。采用无害涂料、无害溶剂在现阶 段生产中是不能马上实现的, 苯类溶剂使用量仍然很大。所以必须解决废气净化问题。 目前国内常采用的三种净化方法分析比较见表 1.2。 表表 1.21.2国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较 2 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、废气净化前要进行预处理。 2、仅限于低浓度。 3、设备庞大, 占地面积多。 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、流程较简单,吸收剂价格便宜。 2、废气净化不需预处理。 3、建造快、占地少。 1、后处理投资大, 费用高。 2、对溶剂成份选择性大。 - -4 2 设计任务说明设计任务说明 2.1 设计任务 设计内容为 20000 m3/h 活性炭吸附工业有机废气的工程设计，主要内容包括：废 气治理工艺、主体设备选型和非标准设备设计，管道输送系统设计及吸附剂再生系统 设计等，应完成工作： （1）纸质设计说明书及其电子版本； （2）译文及原文影印件。 （3）设计图纸（平面布置图、工艺流程图、主要构筑物图、管道布置图等） 2.2 设计进气指标 风量为 20000，温度为 35，hm / 3 排气压力为 101.325 kpa， 苯浓度为 100。 3 /mmg 甲苯浓度为 80, 3 /mmg 二甲苯浓度为 100， 3 /mmg 2.3 设计出气指标 依据广东省地方标准大气污染物排放限值 （DB44/27-2001）一级排放标准 , 3 具体数据见表 2-1: 表表 2-1.2-1.设计出气指标设计出气指标 单位 mg/m3 指 标苯甲苯二甲苯 出气浓度124070 2.4 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 - -5 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物。 （3）本处理工艺运行可靠，处理效果好，维护管理方便。 （4）采用低能耗、低运行费用、基建投资省、占地少、操作管理简便。 （5）工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的调节余地。 - -6 3 3 工艺流程说明工艺流程说明 3.1 工艺选择 处理工艺的选择, 应根据气量大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运转的 经济性等条件全面考虑, 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,国内外对有机废气治理的常用方法有三种:液体吸收法、活性炭吸附法及催 4 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为成熟和可靠的技术,但该工艺流程过长,操作费 用高,另外需要稳定的蒸气源也常常是比较困难的事情。针对这些问题,结合本毕业设计 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进行净化，选用蜂 窝状活性炭做为吸附剂。 3.2 工艺流程工艺流程 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 离心风机; 6 排气罩. 图 2.3 有机废气工艺流程图 - -7 该处理工艺系统组合十分紧凑,集吸附-脱附于一体。在生产过程所产生的废气主要 为苯、甲苯、二甲苯等，根据苯类性质，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,同时对前面 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,由尾气放出的热气流大部分用于吸附床吸附 剂的脱附再生,达到余热的利用。生产中挥发出来的废气，通过离心风机将其送至吸附 塔以活性炭作为吸附剂，在塔内的气体从右到左，从下到上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。如 附图 1 所示 - -8 4 4 设计与计算设计与计算 4.14.1 基本原理基本原理 4.1.1 吸附原理 在用多孔性固体物质处理流体混合物时，流体中的某一些组分或某些组分可被吸 引到固体表面并浓集其上，此现象称为吸附。吸附处理废气时，吸附的对象是气态 4 污染物，被吸附的气体组分称为吸附质，多孔性物质称为吸附剂。 固体表面吸附了吸附质后，一部分被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离，此现象 称为脱附。而当吸附进行一段时间后，由于表面吸附质的浓集，使其吸附能力明显下 降而不能满足吸附净化的要求，此时需要采用一定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质 脱附，已恢复吸附剂的吸附能力，这个过程称为吸附剂的再生。因此，在实际工作中， 正是利用吸附剂的吸附再生吸附的循环过程，达到除去废气中污染物质并回收废 气中有用组分的目的。 由于多孔性固体吸附剂表面存在着剩余吸引力，固表面具有吸附力。根据吸附剂表 面与被吸附物质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附，但同一污染物 可在较低温度下发生物理吸附，而在较高温度下发生化学吸附，或者两种吸附同时发 生，两者之间没有严格的界限。两者的主要区别见表 4-1 5 表表 4-14-1 物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别 性质物理吸附化学吸附 吸附力范德华力化学键力 吸附层数单层活多层单层 吸附热小（近于液化热）大（近于反应热） 选择性无或很差较强 可逆性可逆不可逆 吸附平衡易达到不易达到 吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质分压降低或温度升高时，容易 发生脱附。工业上的吸附操作正是利用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收利 用的。 - -9 4.1.2 吸附机理 吸附和脱附互为可逆过程。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，因此也就没有吸附质的脱附。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，且随时间的推移，脱附速度不断增 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量相等时，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在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 质的极限吸附量，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，吸附质在气、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，也常用各种经验方程式来表示。 4.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式 平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限，其数值对吸附造作，设计 和过程控制有着重要的意义。达到吸附平衡时，平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度 与吸附温度间存在着一定的函数关系，此关系即为吸附平衡关系，其一般都是根据实 验测得的，也可以用经验方程式表示。 4.1.3.1 吸附等温线 在气体吸附中，其平衡关系可表示为： A , pf 式中 A平衡吸附量； p吸附平衡时吸附质在气相中的分压力； T吸附温度 根据需要。对一定的吸附体系可测得如下关系： 当保持 T 不变，可测得 A 与 P 的变化关系 当保持 P 不变，可测得 A 与 T 的变化关系 - -10 当保持 A 不变，可测得 P 与 T 的变化关系 依据上述变化关系，可分别绘出相应的关系曲线，分别为吸附等温线，吸附等压 线和吸附等量线。由于吸附过程中，吸附温度一般变化不大，因此吸附等温线最为常 用。 吸附等温线描述的是在吸附温度不变的情况下，平衡时，吸附剂的吸附量随气相 中组分压力的不同而变化的情况。根据对大量的不同气体与蒸气的吸附测定，吸附等 温线形式可归纳为六种基本类型。 4.1.3.2 吸附等温方程式 根据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的经验方程式，即为吸附等温方 程式，其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得，一定条件范围内具有应用 意义，但不具有理论指导意义，如弗罗因德利希（Freundlich）吸附等温方程式；有些 是以一定的理论假设为前提得出的方程式，如朗格谬尔（Langmuir）吸附等温方程式 和 BET 方程，后者应用较多。 （1）朗格谬尔方程式 朗格谬尔吸附理论假定：吸附仅是单分子层的；气体分子在吸附剂表面上吸 附与脱附呈动态平衡；吸附剂表面性质是均一的，被吸附的分子之间相互不受影响； 气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正比。根据上述假设，可推导出朗格谬尔 等温式： ap ap 1 式中 吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数； a 吸附系数，是吸附作用的平衡常数； p 气相分压。 朗格谬尔等温式的另一表现形式为： = V ap ap Vm 1 式中 单分子层覆盖满时（）的吸附量； Vm 1 在气相分压 p 下的吸附量。 V 在压力很低时，或者吸附很若时，ap1,上式变成：V=Vmap - -11 由朗格谬尔等温式得到的结果与许多实验现象相符合，能够解释很多实验结果， 因此，它目前仍是常用的、基本的等温式。在很多体系中，朗格谬尔等温式不能在较 大的 范围内与实验结果相吻合。 （2）弗罗因德利希方程式 n kP m x q 1 式中 q 固体吸附气体的量，/吸附剂； P 平衡时气体分压； k ，n 经验常数。在一定温度下，对一定体系而言是常数，k 和 n 随温度变 化而变化； m 吸附质质量，； 被吸附气体的质量。x 弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式，它所适用的 范围比朗格谬尔式要大 些，可用于未知组成物质的吸附，如有机物或矿物油的脱色，通过实验来确定 k 与 n。 有资料认为它在高压范围内不能很好地吻合实验值。 （3） BET 方程 由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好 地吻合，在此基础上发展了 BET 理论。它除了接受朗格谬尔理论地几条假定，即固 体表面是均匀的，被吸附分子不受其它分子的影响，吸附与脱附在吸附剂表面达到动 态平衡以外，还认为在吸附剂表面吸附了一层分子以后，由于范德华力地作用还可以 吸附多层分子，而第一层与以后的各层有所不同。 吸附达平衡后，吸附总数（V）为： 0 0 11 p p Cpp Cp Vm V P 平衡时气体分压； V 压力为 p 时的吸附总量； 吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量； m V 实际温度下气体的饱和蒸气压； 0 p C与气体有关的常数。 - -12 很多实验证明，当比压 p/在 0.050.35 范围内时，BET 公式是比较准确的，在低 0 p 压下可以与朗格谬尔等温式一致。 4.1.4 吸附量 吸附量是指在一定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量，通常以吸 附质/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，从吸附剂层流出的的气体中开始发现吸附质（或其浓度达到一规定的允许值） 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。 4.1.5 吸附速率 吸附过程常需要较长时间才能达到平衡，而在实际生产过程中，两项接触时间是 有限的。因此，吸附量取决与吸附速率，而吸附速率与吸附过程有关，吸附过程可分 为以下几步： (1) 外扩散，吸附质从气流主体穿过颗粒物周围气膜扩散至吸附剂的外表面 （2）内扩散，吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面 （3）吸附，到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附 （4）脱附的吸附质再经内外扩散至气相主体 物理吸附过程一般为内外扩散控制，化学吸附既有表面动力学控制，又有内外扩 散控制。由于吸附过程复杂，影响因素多，从理论上推导速率很难，因此一般是凭经 - -13 验或根据模式实验来确定。 4.2 吸附器选择的设计计算吸附器选择的设计计算 吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式，吸附剂的种类，吸附剂的需要量， 吸附床高度，吸附周期等，这些参数的选择应从吸附平衡，吸附传质速率及压降来考 虑。 4.2.1 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）预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质； （4）能够有效地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，相应的三种吸附器的主要特点比较见表 4-2 6 表表 4-24-2 三种吸附器主要特点比较三种吸附器主要特点比较 类型主要特点比较 固 定床 吸 附器 1结构简单、制造容易、价格低廉 2. 适用于小型、分散、间歇性的污染源治理 3吸附和脱附交替进行、间歇操作 4应用广泛 移 动床 吸 附器 1处理气体量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连续、量大的气体净化 2. 吸附和脱附连续完成 3动力和热力消耗较大，吸附剂磨损较为严重 - -14 流 化床 吸 附器 1结构复杂，造价昂贵 2气体和固体接触相当充分 3. 生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染源 4吸附剂和容器的磨损严重 结合工艺特点和经济技术可行性分析，本设计吸附器采用卧式圆锥形固定床吸附 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，易产生气流分配不均运现象，故吸附质以整砌形式放在抽屉式的净化单 元中，抽屉间设有防治气体短路的挡板，在气体入口的吸附剂之间装有气体整流装置， 力求气体均匀。抽屉式的装卸吸附剂方式非常方便，利于操作，其具体结构见 附图 2， 基本运行参数如下： 处理风量：20000 hm / 3 吸附器外观尺寸：LBH700033003000mm 材料：钢板 4 压降： 1000 Pa 数量：两台并联，脱附吸附交替运行 4.2.2 吸附剂的选择 如何选择、使用和评价吸附剂，是吸附操作中必须解决的首要问题。一切固体物 质的表面，对于流体的表面都具有物理吸附的作用，但合乎工业要求的吸附剂则应具 备以下一些要求： （1） 具有大的比表面积 （2） 具有良好的选择性吸附作用 （3） 吸附容量大 （4） 具有良好的的机械强度和均匀的颗粒尺寸。 - -15 （5） 有足够的热稳定性及化学稳定性 （6） 有良好的再生性能 （7） 吸附剂的来源广泛、造价低廉 实际中，很难找到一种吸附剂能同时满足上述要求，因而在选择吸附剂时要权衡 多方面的因素。同时，目前对吸附过程的实质还了解得不十分清楚，因而鉴别吸附剂 吸附性能，还只能依靠实验测定和从生产中考察，尚不能从理论上推出。 常用的吸附剂主要有：活性炭、硅胶、分子筛沸石、活性氧化铝与氧化铝。其中 活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是一种具有非极性表面，为疏水 性和亲有机物的吸附剂，故活性炭常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质， 在环境保护方面用来处理工业废水和治理某些气态污染物。 活性炭的研究、生产和应用发展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活 性炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也在积极开发之中,蜂窝状活性炭便是其中 的一种。 蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料，通过将优质活性炭和辅助材料制成蜂窝 状方孔的过滤柱，达到产品体积密度小、比表面积大的目的，目前已经大量应用在低 浓度、大风量的各类有机废气净化系统中。被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充 分与活性碳接触，吸附效率高，风阻系数小，具有优良的吸附、脱附性能和气体动力 学性能，可广泛用于净化处理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯类、酚类、酯类、醇类、 醛类等有机气体、恶臭味气体和含有微量重金属的各类气体。采用蜂窝状活性炭的环 保设备废气处理净化效率高，吸附床体积小，设备能耗低，能够降低造价和运行成本， 净化后的气体完全满足环保排放要求。 综合衡量各方面因素，如果企业经济允许的话，建议吸附剂选用蜂窝状活性炭纤 维能较好的满足技术经济要求，其物理性能参数见表 4-3： 表表 4-34-3 蜂窝状活性炭的物理性能蜂窝状活性炭的物理性能 7 项目性能指标 外形尺寸/50 50 100 孔数/-216 孔壁厚/0.5 压碎强度/Mpa 正面：7.07 侧面：0.3 - -16 体积密度/g.-30.40.5 几何外表面积/.g-10.32 比表面积/.g-1700 着火点/550 苯吸附率/0.2 其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数 。材料参数包括炭的 8 吸附孔隙率、蜂窝结构的壁厚和炭的含量；过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、 吸附能(吸附能取决于碳结构和吸附质的特征如分子量) 。穿透曲线是表征材料吸附性 能的主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化的一个函数 。此比值达到 9 0.95时,所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓 度和蜂窝炭组分含量等因素 。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可 10 以通过改变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情况下,壁厚增加,则单位体积蜂 窝的炭含量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是因为壁厚增加,蜂窝中流体通道的 截面积减少,这样真实的表面或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也 会提高,这两者之间存在一个平衡关系。在给定的条件下,这个平衡关系将决定吸附增加 还是减少。如果吸附质以较高的扩散速度扩散到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又 可连续吸附,因此厚壁蜂窝应该具有更好的吸附效率和吸附容量 。 11 4.2.3 空塔气速和横截面积的确定 空塔气速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, 则压降会增大, 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，那样会使吸附床体积、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气速那样设备费用虽低，但 吸附效率下降很多，且体系压降会随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，最适宜空塔气速为 0.81.2m/s，依此经验结论，本设 12 计确定 空塔气速: U = 1.0 m/s. 原始条件：原始条件： - -17 处理风量：Q20000/h ， 设计温度为35 C， 压力为1.0132510 Pa 3 m 05 由于废气中，空气所占的比例远远大于污染物所占比例，因此，废气性质可以近 似看作为干空气的热物理性质，查化学原理附录9得以下数据： 空气混和物性质： 流体密度f =1.147kg/，黏度为f =1.9410 Pa S，比热容为Cp 3 m 5 . =1.005kJ/(kg. C) 0 吸附得粒状活性炭颗粒性质： 平均直径dp =0.003m， 表观密度s =670kg/， 堆积密度B =470 kg/ 3 m 3 m 固定床空隙率f 0.5 横截面积: S = = 5.56 U Q 0 . 13600 200000 D= m66 . 2 36000 . 114 . 3 2000044 U V 4.2.4 固定床吸附层高度的计算 采用透过曲线计算法，通过实验将含有一定浓度污染物的气流连续通过固定床吸 附器，在不同时间内，确定确定吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布，当吸附 床使用一段时间后，出口气体污染物浓度达到某一允许最大浓度时，认为吸附床失效。 从气流开始通入至吸附床失效这段时间称为穿透时间，或保护作用时间。表示吸附床 处理气体量与出气口污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线的形状和 穿透时间取决与固定床的操作方法。操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、气 流速度、污染物入口浓度，以及床层厚度等都影响穿透曲线的形状，此过程比较复杂， 目前仍是只是近似过程的计算。 假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量 a,也称 a 为静活度，同时根据朗格谬尔等温线假定静活度不在与气象浓度有关。在吸附作用时 间 内，所吸附污染物的量为 13 X= aSL b 式中：X 在时间 内的吸附量； - -18 a 静活度，重量，%； S 吸附层的截面积，m2； L 吸附层高度，m； b吸附剂的堆积密度，设计为 470 kg/m3 固定床虽然结构简单，但由于污染物在床层内浓度分布是随时间变化，计算比较复杂， 因此目前工程上都是采用近似计算，通过算活性炭的作用时间进行后处理的计算。活 性炭的作用时间由下式算出： 14 V=10 Wd CQt 9 式中：V活性炭的装填量， 3 m C进口气污染物的浓度，mg/ 3 m Q气流量，/h 3 m t活性炭的使用时间，h W活性炭原粒度的中重量穿透炭容， d活性炭的堆密度 0.8t / 3 m V=20 sp v Q 1000 20000 3 m 算出三苯每小时的排放量： “三苯”的浓度：0（10080100）2000010 5.6kg/h 6 假设吸附器的吸附器的吸附效率为 85%，则达标排放时需要吸附总的污染物的量 为：5.685%4.76 kg/h t10285h CQ VWd 99 10 20000280 8 . 0%1020 则在吸附作用时间内的吸附量： X=4.762851356.6 根据 X= aSL得： b - -19 L b aS X 根据活性炭的吸附能力，设静活度为 16kg 甲苯/100kg 活性炭 所以，L3.24m 47056 . 5 16 . 0 6 . 1356 4.2.5 吸附剂（活性炭）用量的计算 吸附剂的用量 M： M = LSb =3.245.56 470 = 8600kg 吸附剂本身占据体积： VLS3.245.5618.1 3 m 吸附剂床层体积： V 25.8 b s V 470 670 1 . 18 3 m 设计吸附床层尺寸为 LB6600mm3200mm，则每块塔板的截面积 A 21.12。 3 3 m 取板上固定床高度 H0.35m， 则吸附器中塔板数：n=3.5=4 块 HA V 3 35 . 0 12.21 8 . 25 考虑安装的实际情况，得到固定床吸附装置的实际尺寸取为： LBH7000mm3300mm3000mm 4.2.6 床层压降的计算 15 流体通过固定床吸附器时，由于流体不断地分流和回合，以及流体与吸附剂颗粒 和器壁的摩擦阻力，会产生一定的压降。在设计固定床吸附器时多采用流路模型估算 床层压力降，若对压力降计算有更高的要求，则可直接用实验测得的数据。本设计的 床层压力降用下式计算： 2 p f 32 p f 2 3 d 1 75 . 1 d 1 150 UU L P - -20 根据活性炭的性能： 220.76 0.003 1 . 0147 . 1 5 . 0 5 . 01 75 . 1 003 . 0 1 . 01094 . 1 5 . 0 5 . 01 150 35 . 0 2 32 5 2 3 P P 220.760.3577.27Pa 1 4.2.7 活性炭再生的计算 16 吸附剂的吸附容量有限，一般在140（质量分数）之间。要增大吸附装置的 处理能力，吸附剂一般都循环使用，即当吸附剂达到饱和或接近饱和是，使其转入脱 附和再生操作。一般常用的再生方法有：升温脱附、降压脱附、置换脱附、吹打脱附、 化学转化再生法、溶剂萃取。此外，还有一些其他的吸附剂脱附再生方法，如电解氧 化再生法、微生物再生法和药物再生法等。至于工业上到底采用哪种操作方法，应视 具体情况选用既经济又有效的方法。生产实际中，常常是几种方法结合使用。如活性 炭吸附有机