有机废气处理--活性炭吸附详细计算

活性炭吸附脱附及附属设备选型详细计算书

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 (2)

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 (5)

3.1工艺选择 (5)

3.2工艺流程 (5)

4设计与计算 (7)

4.1基本原理 (7)

4.1.1吸附原理 (7)

4.1.2吸附机理 (7)

4.1.3吸附等温线与吸附等温方程式 (8)

4.1.4吸附量 (10)

4.1.5吸附速率 (11)

4.2吸附器选择的设计计算 (11)

4.2.1吸附器的确定 (11)

4.2.2吸附剂的选择 (13)

4.2.3空塔气速和横截面积的确定 (15)

4.2.4固定床吸附层高度的计算 (15)

4.2.5吸附剂（活性炭）用量的计算 (17)

4.2.6床层压降的计算]15[ (17)

4.2.7活性炭再生的计算]16[ (18)

4.3集气罩的设计计算 (19)

4.3.1集气罩气流的流动特性 (19)

4.3.2集气罩的分类及设计原则 (20)

4.3.3集气罩的选型 (20)

4.4吸附前的预处理 (22)

4.5管道系统设计计算 (23)

4.5.1管道系统的配置 (23)

4.5.2管道内流体流速的选择 (24)

4.5.3管道直径的确定 (24)

4.5.4管道内流体的压力损失 (25)

4.5.5风机和电机的选择 (25)

5工程核算 (28)

5.1工程造价 (28)

5.2运行费用核算 (28)

5.2.1价格标准 (28)

5.2.2运行费用 (29)

6结论与建议 (30)

6.1结论 (30)

6.2建议 (30)

致谢 (33)

1.绪论

1.1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(Volatileorganiccompounds),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:

①VOCs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；

②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；

③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E P A（EnvironmentalProtectionAgency）定义的污染物中VOCs 占了300多种，而美国1990年的《清洁空气法》（CleanAirAct）要求减少90%排放量的189种毒性化学物中，70%属于VOCs]1[。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》(GB16297-1996)

3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]4[,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

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

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

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＝f（p,T）

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：

①当保持T不变，可测得A与P的变化关系

②当保持P不变，可测得A与T的变化关系

③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B·E·T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：①吸附仅是单分子层的；②气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡；③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；④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：

式中θ——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：

式中Vm——单分子层覆盖满时（θ 1）的吸附量；

V——在气相分压p下的吸附量。

在压力很低时，或者吸附很若时，ap≤1,上式变成：V=Vmap

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θ范围内与实验结果相吻合。

（2）弗罗因德利希方程式

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，㎏；

x——被吸附气体的质量。

弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式，它所适用的θ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）B·E·T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B·E·T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：

P——平衡时气体分压；

V——压力为p时的吸附总量；

Vm——吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量；

P0——实际温度下气体的饱和蒸气压；

C——与气体有关的常数。

很多实验证明，当比压p/p0在0.05－0.35范围内时，B·E·T公式是比较准确的，在低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：

吸附器外观尺寸：L×B×H＝7000×3300×3000mm

材料：钢板δ＝4

压降： 1000Pa

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。

（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4-3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/㎝-2 16

孔壁厚/㎜0.5

压碎强度/MPA 正面：7.07

侧面：0.3

体积密度/G.㎝-3 0.4～0.5

几何外表面积/㎡.G-1 0.32

比表面积/㎡.G-1 700

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]8[。材料参数包括炭的吸附孔隙率、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]9[。此比值达到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]10[。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可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0.8～1.2m/s]12[，依此经验结论，本设计确定

空塔气速:U=1.0m/s.

原始条件：

处理风量：Q＝20000m3/h，设计温度为35℃，压力为1.01325×10^5Pa

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ρf=1.147kg/m3，黏度为μf=1.94×10^ 5Pa.S，比热容为

Cp=1.005kJ/(kg.℃)

吸附得粒状活性炭颗粒性质：

平均直径dp=0.003m，表观密度ρs=670kg/m3，堆积密度ρB=470kg/m3

固定床空隙率εf＝0.5

横截面积:

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ζ内，所吸附污染物的量为]13[

式中：X——在时间ζ内的吸附量；

a——静活度，重量，%；

S——吸附层的截面积，m2；

L——吸附层高度，m；

ρb——吸附剂的堆积密度，设计为470kg/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[：

式中：V――活性炭的装填量，m3

C――进口气污染物的浓度，mg/m3

Q――气流量，m3/h

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/m3

算出三苯每小时的排放量：

“三苯”的浓度：ρ0＝（100＋80＋100）×20000×10^-6 5.6kg/h 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：5.6×85%＝4.76kg/h

则在吸附作用时间内的吸附量：

X=4.76×285＝1356.6㎏

根据得：

根据活性炭的吸附能力，设静活度为16kg甲苯/100kg活性炭所以，

4.2.5吸附剂（活性炭）用量的计算

吸附剂的用量M：

M=LSρb=3.24×5.56×470=8600kg

吸附剂本身占据体积：

V＝LS＝3.24×5.56＝18.1m3

吸附剂床层体积：

设计吸附床层尺寸为

L×B＝6600mm×3200mm，则每块塔板的截面积A3＝21.12m3。取板上固定床高度H＝0.35m，

则吸附器中塔板数：

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：

L×B×H＝7000mm×3300mm×3000mm

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