大气污染处理设计课程

1、精品环境工程专业大气污染课程设计计算说明书编制人：班级：学号：指导老师：编制日期：南京工业大学环境学院环境工程系可编辑.设计目的.错误!未定义书签。错误!未定义书签。2.1 设计任务错误!未定义书签。2.2 原始材料错误!未定义书签。2.3 排放标准12.4 处理方法错误!未定义书签。33.1 工艺流程的初步确定33.2 吸附塔计算33.2.1 吸附剂筛选33.2.2 吸附剂再生43.2.3 吸附塔设计43.3 确定工艺流程83.4 管道计算及选材83.5 排气筒高度93.6 系统阻力计算93.6.1 沿程阻力计算93.6.2 局部阻力计算1.23.7 风机选型1.23.8 吸附塔气速校核1.

2、43.9 工艺参数核算1.43.10其他参数说明和计算.1.5.四.工艺流程说明1.7.五绘图1.85.1工艺流程高程图错误!未定义书签。5.2吸附塔结构图.错误!未定义书签。5.3平面布置图.错误!未定义书签。1.9一、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

3、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：40C；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(GB16297-1996)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(GB16297-1996)甲苯排放标准(执行二级标准)污染物最图允许排放浓度最图允许排放速率，k

4、g/h无组织排放监控浓度限值mg/m3排气筒高度，m一级二级三级监控点浓度mg/m3甲苯6015禁排3.65.5周围外浓度戢高点0.30206.19.33021314036542.4 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

5、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

6、。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

7、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，

8、由于含甲苯的废气温度在40C,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）<1005007000.60.8约4507001300活性炭不适合用于吸附沸点高于2

9、00c、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100150C,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300700C,高沸点的有机物由于热分解，一部

10、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7001000C,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2100Nm3/h,甲苯体积分数为0.28%,温度40c(1)根据理想气体方程pVnRT,在P、n、R一定的时候，体积V与温度T成正比，而流量QT 2100 313Q QN = 273 3600与体积V也成正比，所以有

11、：QNTN,即有QT30.67m/sVnTn-Vn22.4313在根据：一一，即有VT25.68L/molVTTn273298经过冷却器处理后，可得：Q冷却仝80.670.64m3/s(冷却至室温)313(2)根据质量浓度的计算公式:M c Pn x22.4 PsTsTNx污染物以标况下每立方 米的毫克数表示的浓度 值 c-污染物以ppm表示的浓度值M-污染物的分子量Ps,Ts-观测状态下的压强，温 度pN,TN -标准状态下的压强，温 度进入冷却器之前甲苯的质量浓度：M c Pn Ts 92 0.28% 10A6 101325 313x 22.4ps Tn22.4101325 273_313

12、185.0mg/m进入冷却器后前甲苯的质量浓度:M c Pn Ts22.4 Ps Tn92 0.28% 10A6 101325 29822.4101325 273312553.1mg/m3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/m 3,即有： 12553.1 60亿。 99.5%12553.1(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。;4 0.64、冗 0.3其中：Qv-废气的流量m3/s、u-废气的流速m/s、D-管道的管口

13、直径m1.65m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0.273*0.8=0.218g/g。堆积密度/kgm3对甲苯饱和吸附量/1/mgg计

14、算动态饱和附里/kgkg粒径/mm孔隙率KC-2.04502180.21820.40(4-2)、吸附周期的确定：设计吸附周期为5天,即524120(h)（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:Qv T (Co Ce)"106 qm其中：Qv-气体的流量m3/sM-投加吸附剂（活性炭）的量kgT-吸附周期sCo-处理前废气中甲苯的浓度mg/m3Ce-处理后废气中甲苯的浓度mg/m3qm-活性炭对甲苯白饱和吸附量kg/kg则活性炭的投加量为：15845(kg)0.645243600(12553.160)10A60.218（4-4）吸附剂（活性炭）床层高度计算

15、450先根据Vm,即Vm1584535.2m3（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:V r h ZD H ,即 h4.1(m)H吸附剂床层高度，mm-活性炭用量,kgV-活性炭所占的体积，m3D-吸附塔塔径，m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:0Udp2P(1)2u1150(4-u1.75-L3dp其中：P-吸附剂床层压力降，PaL-吸附剂床层高度，m-孔隙率-流体粘度，Pasu-气体流速，m

16、/sdp-活性炭粒径，mp0-气体密度，kg/m3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,个大气压下(P=101325pa),空气粘度是19.04X10-6Pa*s,空气密度为1.128kg/m3。则压力降P150 L(1)23d22 u 1.75=°u- dpP 8.2 (150(1 0.4)20.4319.04 10 6 0.2 1.75(2 10 3)2(10.4) 0.22 1.1280.432 10 3)9621.68( pa)选用高压离心风机能够满足要求03.3 确定工艺流程有机废气活性炭吸附塔高压离心风机处理后排放3.4 管道计算及选材

17、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皿Qv0.64则：D管道m0.2m1,u管道420圆形通风管道规格外径D/mm钢板制风管塑料制风管外径D/mm钢板制风管塑料制风管外径允许偏差/mm壁厚/mm外径允许偏差/mm壁厚/mm外径允许偏差/mm壁厚/mm外径允许偏差/mm壁厚/mm100±10.5±13.0500+10.75_14.01205601.0±1.514

18、06301607005.01808002009002200.75100025011206.028012501.21.532014003604.0160040018004502000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±1mm,则进气管风速为21.7 m/s0.642-(0.194)23.5 排气筒高度有机工艺废气的甲苯含量为2100Nm3/h3-3贝Uu2100m/h0.28%60mg/m352.8mg/h3.6kg/h所以根据大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）甲苯排放标准，排气筒高度设定为15m即可。3.6系统

19、阻力计算3.6.1沿程阻力计算Pf其中：一是沿程阻力损失系数d一是管道的内径mL一是管道长度mu一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（第三版、周云龙著）中的莫迪图可以查得，此时的根据工程流体力学沿程阻力损失系数为0.02一 一 21.185 21.7111.6( Pa)402则：2Pf-um-0.02d23.6.2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10.51.50.750.17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

20、三通90度弯头阀门个数54293Pfi2u其中：u一是流体在管道中的流速一是流体的密度一是局部阻力系数22Pf1(0.54151.520.7590,173)854815.6(pa)22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(1000Pa<P<3000Pa)、低压风机(P<

21、;1000Pa)。查阅有关资料:机号转速在舁厅P8M:全压配用电机(r/min)(m3/h)pa型号功率9-265A2900160354293Y225M-245259844706358695114457255527Y250M-2555555359416538163497518067629-267.1D290081242712292Y280S-27591232113475101207814643111177615826Y315S-2110121141517009131105518177141063519360根据计算结果，选择上面第4个风机，其性能参数如下:机号转速在舁厅P8M:全压配用电机(r

22、/min)(m3/h)pa型号功率9-267.1D2900101207814643Y280S-2753.8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；F150J上Ldp0dp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圆日放 Com qmQvTC排放Com qmQvT10647535 0.218 10612553.1 -0.64 15 24 36

23、005957V 0,能够达到大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)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/m 3,则可求得实际的吸附周期T实际6mqm 1015845 0.218 106 s 5dQv (C0 - C排放)0.64 (12553.1 - 60)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EHA椭圆形封头内表面积、容积(JB/T47462002)序号公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/m2

24、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/m313001000.12110.00533429007659.48073.456723501130.16030.008035300079010.13293.817034001250.20490.011536310081510.80674.201544501380.25480.015937320084011.50214.611055001500.31030.021338330086512.21935.046365501630.37110.027739340089012.95815.508076001750.43470.03

25、5340350091513.71865.997286501880.50900.044241360094014.50086.514497002000.58610.054542370096515.30477.0605107502130.66860.066343380099016.13037.6364118002250.75660.0796443900101516.97758.2427128502380.84990.0946454000104017.84648.8802139002500.94870.1113464100106518.73709.5498149502631.05290.1300474

26、200109019.649310.25231510002751.1620.150544300111520.58310.98858231611003001.39800.1980494400114021.538911.75881712003251.65520.2545504500116522.516212.56441813003501.93400.3208514600119023.515213.40601914003752.23460.3977524700121524.535914.28442015004002.55680.4860534800124025.578215.2003211600425

27、2.90070.5864544900126526.642216.15452217004503.26620.6999555000129027.728017.14792318004753.65350.8270565100131528.835318.18112419005004.06240.9687575200134029.964419.25502520005254.49301.1257585300136531.115220.37042621005655.04431.3508595400139032.287621.52812722005905.52291.5459605500141533.48172

28、2.72882823006156.02331.7588615600144034.697523.97332924006406.54531.9905625700146535.935025.26243025006657.08912.2417635800149037.194126.59693126006907.65452.5131645900151538.475027.97763227007158.24152.8055656000154039.777529.40533328007408.85033.1198一一一一一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A4.4930m2,碳钢7850kg/m3,封头有2个，塔高（除封头）为5.3m则：m封头2(A碳钢d碳钢