大氣污染處理設(shè)計課程

環(huán)境工程專業(yè)大氣污染課程設(shè)計計算說明書編制人：班級：學(xué)號：指導(dǎo)老師：編制日期：南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系目錄一．設(shè)計目的1二．設(shè)計條件12.1設(shè)計任務(wù)12.2原始材料12.3排放標準12.4處理方法2三．工藝設(shè)計與計算33.1工藝流程的初步確定33.2吸附塔計算33.2.1吸附劑篩選33.2.2吸附劑再生43.2.3吸附塔設(shè)計43.3確定工藝流程83.4管道計算及選材93.5排氣筒高度93.6系統(tǒng)阻力計算93.6.1沿程阻力計算93.6.2局部阻力計算103.7風機選型103.8吸附塔氣速校核113.9工藝參數(shù)核算133.10其他參數(shù)說明和計算13四．工藝流程說明13五．繪圖145.1工藝流程高程圖145.2吸附塔結(jié)構(gòu)圖145.3平面布置圖15參考文獻16設(shè)計目的：〔1〕通過課程設(shè)計進一步消化和穩(wěn)固本課程所學(xué)內(nèi)容，并使所學(xué)的知識系統(tǒng)化，培養(yǎng)運用所學(xué)理論知識進行工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計的初步能力〔2〕通過設(shè)計，了解工程設(shè)計的內(nèi)容、方法及步驟，培養(yǎng)確定大氣污染控制系統(tǒng)的設(shè)計方案、進行設(shè)計計算、繪制工程圖、查找與使用技術(shù)資料、編寫設(shè)計說明書的能力。設(shè)計條件：2.1設(shè)計任務(wù)1、根據(jù)工藝廢氣相關(guān)資料，確定廢氣處理流程；2、對廢氣處理流程中相關(guān)設(shè)備進行工藝計算，確定其形式、數(shù)目與尺寸；3、對標準設(shè)備進行選型，計算相關(guān)管道尺寸并確定材質(zhì)；4、進行各設(shè)備的總體布置，吸附塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖〔主視圖、俯視圖、剖面圖〕。2.2原始材料某化工廠生產(chǎn)過程中需排放含甲苯的有機工藝廢氣。相關(guān)數(shù)據(jù)：流量：2100Nm3/h；溫度：40℃；壓力：由風機決定；組成〔v/v〕：甲苯：0.28%；其它：空氣。試設(shè)計出一種廢氣處理工藝，使處理后工藝廢氣滿足《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)中規(guī)定的二級排放要求。2.3排放標準《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)甲苯排放標準〔執(zhí)行二級標準〕污染物最高允許排放濃度最高允許排放速率，無組織排放監(jiān)控濃度限值排氣筒高度，m一級二級三級監(jiān)控點濃度甲苯6015禁排3.65.5周圍外濃度最高點0.30206.19.33021314036542.4處理方法確實定VOCs的處理方法有：燃燒法用燃燒方法將有害氣體、蒸汽、液體或煙塵轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的過程稱為燃燒法凈化，燃燒法凈化時所發(fā)生的化學(xué)反響主要是燃燒氧化作用及高溫下熱分解。；很高時，可把廢氣當燃料燃燒；在熱力燃燒和催化燃燒情況下，所處理廢氣中可燃物濃度太低，必須借助輔助燃料來實現(xiàn)燃燒。在絕大多數(shù)處理有機廢氣場合，廢氣中VOC濃度一般較低，而風量較大。往往因為回收廢氣中的有機溶劑在經(jīng)濟上不劃算或難以使回收后的溶劑重復(fù)使用，以及在回收過程中可能產(chǎn)生二次污染等問題，才采用燃燒法處理有機廢氣。吸收法溶劑吸收法采用低揮發(fā)或不揮發(fā)性溶劑對VOCs進行吸收，再利用VOCs分子和吸收劑物理性質(zhì)的差異進行別離。在對含VOCs廢氣進行治理的方法中，吸收法的應(yīng)用不如燃燒法、吸附法等廣泛，影響應(yīng)用的主要原因是因為有機廢氣的吸收劑均為物理吸收，其吸收容量有限。吸收法凈化有機廢氣，最常見的是用于凈化水溶性有機物，國內(nèi)已有一些有機廢氣吸收的應(yīng)用實例，但凈化效率都不高。另外，吸收法的投資費用較大，用于吸收劑循環(huán)的操作費用也較高，如果廢氣中含多種有機組分，那么難以再生利用或必須添加別離設(shè)備，還可能產(chǎn)生廢水而造成二次污染。目前此法多用于廢氣中無機污染物的凈化。吸附法目前工業(yè)上常用吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等冷凝法冷凝法利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓這一性質(zhì)，采用降低溫度、提高系統(tǒng)的壓力或者既降低溫度又提高壓力的方法，使處于蒸氣狀態(tài)的污染物〔如VOCs〕冷凝并與廢氣別離。該法特別適用于處理廢氣體積分數(shù)在10-2以上的有機蒸氣。冷凝法在理論上可到達很高的凈化程度，但是當體積分數(shù)低于10-6時須采取進一步的冷凍措施，使運行本錢大大一高提高。所以冷凝法不適宜處理低濃度的有機氣體，主要用于回收溶劑，作為廢氣凈化的一道預(yù)處理工序，以降低有機負荷，回收有機物。生物法生物法控制VOCs污染是近年開展起來的污染控制技術(shù)，主要針對既無回收價值又嚴重污染環(huán)境的工業(yè)廢氣研究開發(fā)的。該技術(shù)已在德國、荷蘭得到規(guī)?；瘧?yīng)用，有機物去除率大都在90%以上。與常規(guī)處理法相比，生物法具有設(shè)備簡單，運行費用低，較少形成二次污染等優(yōu)點，尤其在處理低濃度、生物降解性好的氣態(tài)污染物時更顯經(jīng)濟。生物法適合處理氣量在800-20000Nm/h左右的廢氣，廢氣的濃度一定要小，設(shè)備的占地面積很大。此次課程設(shè)計是去除煙氣中的甲苯，采用吸附法。工藝設(shè)計與計算：3.1工藝流程的初步確定有機廢氣有機廢氣過濾器冷凝器活性炭吸附塔風機處理后排放說明：簡易的工藝流程圖如上，含甲苯的廢氣先通過過濾器除去顆粒狀污染物，由于含甲苯的廢氣溫度在40℃，所以必須要先經(jīng)過冷凝器將廢氣溫度將在室溫左右，然后有機廢氣進入吸附塔內(nèi)，有機廢氣被吸附劑〔活性炭)吸附，凈化后的氣體被排入大氣中。3.2吸附塔計算3.2.1.吸附劑篩選工業(yè)吸附劑的要求應(yīng)具備以下特性：具有大的比外表積具有良好的選擇性吸附作用具有良好的機械強度和均勻的顆粒尺寸具有足夠的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性有良好的再生性能吸附劑的來源廣泛，價格低廉名稱粒度〔目數(shù)〕顆粒密度〔kg/m3〕顆?？紫堵侍畛涿芏取瞜g/m3〕比外表積〔m2/g〕活性炭(粉末狀〕<100500~7000.6~0.8約450700~1300活性炭不適合用于吸附沸點高于200℃、分子量大于130的化合物。而高揮發(fā)物質(zhì)如分子量低于45，那么不受活性炭吸附。甲苯的相對分子量為92，適宜采用活性炭吸附劑。3.2.2吸附劑再生活性炭是一種非常重要的吸附劑，活性炭的再生主要有以下幾種方法：(1)加熱再生法在高溫下，吸附質(zhì)分子提高了振動能，因而易于從吸附劑活性中心點脫離；同時，被吸附的有機物在高溫下能氧化分解，或以氣態(tài)分子逸出，或斷裂成短鏈，因之也降低了吸附能力。加熱再生過程分五步進行：1)脫水：使活性炭和輸送液別離。2)枯燥：加溫到100~150℃，將細孔中的水分蒸發(fā)出來，同時使一局部低沸點的有機物也揮發(fā)出來。3)碳化：加熱到300~700℃，高沸點的有機物由于熱分解，一局部成為低佛點物質(zhì)而揮發(fā)，另一局部被碳化留在活性炭細孔中。4)活化：加熱到700~1000℃，使碳化后留在細孔中的殘留碳與活化氣體(如蒸氣、CO2、O2等)反響，反響產(chǎn)物以氣態(tài)形式(CO2、CO、H2)逸出，到達重新造孔的目的。5)冷卻：活化后的活性炭用水急劇冷卻，防止氧化。本次課程設(shè)計采用采用熱再生，通過往吸附塔內(nèi)參加蒸汽來到達活性炭的再生。3.2.3吸附塔設(shè)計：廢氣的流量為2100，甲苯體積分數(shù)為0.28%，溫度40℃〔1〕根據(jù)理想氣體方程，在P、n、R一定的時候，體積V與溫度T成正比，而流量Q與體積V也成正比，所以有：，即有=在根據(jù)：，即有經(jīng)過冷卻器處理后，可得：〔冷卻至室溫〕〔2〕根據(jù)質(zhì)量濃度的計算公式：進入冷卻器之前甲苯的質(zhì)量濃度：進入冷卻器后前甲苯的質(zhì)量濃度：根據(jù)《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)甲苯排放標準〔執(zhí)行二級標準〕，最高允許排放濃度為60mg/m3，即有：根據(jù)流量為2100m3/h，假設(shè)流速過大那么不利于活性炭的吸附，假設(shè)流速過小那么不利于甲苯的處理效率，此時參考相關(guān)資料，取流速0.3m/s。吸附塔徑的計算：即其中：QV-廢氣的流量m3/s、u-廢氣的流速m/s、D-管道的管口直徑m為了保證壓力損失不會過大，將塔徑設(shè)大一點比擬好，因此采用公稱直徑長軸為2000mm的橢圓形封頭，那么吸附塔的塔徑應(yīng)設(shè)置為2.0m。當塔徑為2.0m時，此時的流速為0.20m/s吸附塔床層高度確實定〔4-1〕、吸附劑動態(tài)平衡吸附量確定：參考由周烈性、彭金輝等著作的《活性炭對甲苯的吸附平衡及熱力學(xué)研究》，活性炭的孔徑在0.5-2mm能夠有效的吸附甲苯，活性炭的最大的吸附量為0.273g/g，考慮實際工業(yè)中會有很多因素的影響，取動態(tài)平衡吸附量理論值的約80%為實際值〔70%-90%〕,那么實際的吸附量為0.273*0.8=0.218g/g。類型堆積密度對甲苯飽和吸附量計算動態(tài)飽和附量粒徑/mm孔隙率KC-2.04502180.21820.40〔4-2〕、吸附周期確實定：設(shè)計吸附周期為5天，即〔4-3〕吸附劑〔活性炭〕的用量計算：活性炭吸附劑的用量按此公式計算：其中：Qv-氣體的流量m3/sM-投加吸附劑〔活性炭〕的量kgT-吸附周期sC0-處理前廢氣中甲苯的濃度mg/m3Ce-處理后廢氣中甲苯的濃度mg/m3qm-活性炭對甲苯的飽和吸附量kg/kg那么活性炭的投加量為：〔4-4〕吸附劑〔活性炭〕床層高度計算先根據(jù)，即〔活性炭的密度為450kg/m3〕由于需要的活性炭體積比擬大，將活性炭體積分為2份，每份17.6m3,，做成2個吸附塔〔串聯(lián)〕，每個吸附塔的床層高度為H：，即在此高度下吸附塔內(nèi)氣體根本能夠混合均勻。一個在吸附，另一個再生。如此輪換操作。〔4-5〕吸附床層壓力降計算：根據(jù)歐根公式:其中：選擇典型的顆粒狀活性炭為吸附劑，當粒徑為2mm，孔隙率為0.4，313K，一個大氣壓下〔P=101325pa〕，空氣粘度是19.04×10-6Pa*s，空氣密度為1.128kg/m3。那么壓力降選用高壓離心風機能夠滿足要求。3.3確定工藝流程活性炭吸附塔活性炭吸附塔處理后排放高壓離心風機冷凝器過濾器處理后排放高壓離心風機冷凝器過濾器有機廢氣有機廢氣3.4管道計算及選材根據(jù)《環(huán)境工程原理》第二版〔胡洪營著〕中：在管路設(shè)計中，選擇適宜的流速是非常重要的，因為流速影響流動阻力和管徑，進而影響系統(tǒng)的操作費用和建設(shè)投資，一般情況下，液體的流速取0.5-3.0m/s，氣體那么為10-30m/s，本設(shè)計過程中取流速為20m/s那么：圓形通風管道規(guī)格外徑D/mm鋼板制風管塑料制風管外徑D/mm鋼板制風管塑料制風管外徑允許偏差/mm壁厚/mm外徑允許偏差/mm壁厚/mm外徑允許偏差/mm壁厚/mm外徑允許偏差/mm壁厚/mm100±10.5±13.0500+10.754.01205601.0±1.51406301607005.01808002009002200.75100025011206.028012501.2～1.532014003604.0160040018004502000由上面的表格中查表可得：選取外徑為200mm，壁厚為3mm的塑料制風管，管徑的外徑允許偏差為±1mm，那么進氣管風速為m/s3.5排氣筒高度有機工藝廢氣的甲苯含量為2100那么所以根據(jù)《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)甲苯排放標準，排氣筒高度設(shè)定為15m即可。3.6系統(tǒng)阻力計算3.6.1沿程阻力計算其中：—是沿程阻力損失系數(shù)d—是管道的內(nèi)徑mL—是管道長度mu—是流體在管道中的流速根據(jù)場地平面布置圖〔詳見CAD圖紙〕，總管路長度為38.5m，計算時稍取大一些，取40m根據(jù)《工程流體力學(xué)》〔第三版、周云龍著〕中的莫迪圖可以查得，此時的沿程阻力損失系數(shù)為0.02那么：3.6.2局部阻力計算根據(jù)《工程流體力學(xué)》〔第三版、周云龍著〕可以查的各阻力系數(shù)如下：管件突然擴大突然縮小三通90度彎頭閥門阻力系數(shù)10.51.50.750.17查CAD高程圖可以統(tǒng)計出各管件的個數(shù)如下：管件突然擴大突然縮小三通90度彎頭閥門個數(shù)54293其中：u—是流體在管道中的流速—是流體的密度—是局部阻力系數(shù)那么總的壓力損失為4815.6+111.6=4927.2〔pa〕(此值為估計值〕3.7風機選型根據(jù)通風機的作用原理，風機可分為離心式、抽流式和貫流式三種。在通風工程中常用的是離心式和抽流式風機。根據(jù)風機的用途不同，又可分為輸送一般氣體的風機、高溫風機、防爆風機、防腐風機、耐磨風機等。離心風機按其壓力又可分為高壓風機(P>3000Pa)、中壓風機(1000Pa<P<3000Pa)、低壓風機(P<1000Pa)。查閱有關(guān)資料：機號轉(zhuǎn)速序號流量全壓配用電機〔r/min〕〔m3/h〕pa型號功率9-265A2900160354293Y225M-245259844706358695114457255527Y250M-2555555359416538163497518067629-267.1D290081242712292Y280S-27591232113475101207814643111177615826Y315S-2110121141517009131105518177141063519360根據(jù)計算結(jié)果，選擇上面第4個風機，其性能參數(shù)如下：機號轉(zhuǎn)速序號流量全壓配用電機〔r/min〕〔m3/h〕pa型號功率9-267.1D2900101207814643Y280S-2753.8吸附塔氣速校核根據(jù)以上的一系列的計算，將吸附塔分成2個塔〔兩個塔串聯(lián)使用〕，所選用的風機壓力為14613〔pa〕，管道中的總的壓力損失為4927.2〔pa)，兩者之差為9685.8(pa),帶人計算可得;可以求出流速u=0.21m/s，而上面假設(shè)的流速為0.2m/s，相差不大，即上述計算正確，工藝流程根本正確。3.9工藝參數(shù)核算根據(jù)公式得：，能夠到達《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)甲苯排放標準。根據(jù)上述計算，吸附該甲苯廢氣需活性炭用量為15845kg，初始濃度為12553.1mg/m3，那么可求得實際的吸附周期EQ3.10其他參數(shù)說明和計算〔1〕吸附塔參數(shù)估算每座吸附塔內(nèi)活性炭的用量近似為237675kg吸附塔材質(zhì)為鋼材質(zhì)的碳鋼筒體塔身，吸附塔上部選用EHA橢圓形封頭。EHA橢圓形封頭內(nèi)外表積、容積〔JB/T4746—2002〕序號公稱直徑DN/mm總深度H/mm內(nèi)外表積A/m2容積V/m3序號公稱直徑DN/mm總深度H/mm內(nèi)外表積A/m2容積V/m313001000.12110.00533429007659.48073.456723501130.16030.008035300079010.13293.817034001250.20490.011536310081510.80674.202344501380.25480.015937320084011.50214.611055001500.31030.021338330086512.21935.046365501630.37110.027739340089012.95815.508076001750.43470.035340350091513.71865.997286501880.50900.044241360094014.50086.514497002000.58610.054542370096515.30477.0605107502130.66860.066343380099016.13037.6364118002250.75660.0796443900101516.97758.2427128502380.84990.0946454000104017.84648.8802139002500.94870.1113464100106518.73709.5498149502631.05290.1300474200109019.649310.25231510002751.16250.1505484300111520.583210.98831611003001.39800.1980494400114021.538911.75881712003251.65520.2545504500116522.516212.56441813003501.93400.3208514600119023.515213.40601914003752.23460.3977524700121524.535914.28442015004002.55680.4860534800124025.578215.20032116004252.90070.5864544900126526.642216.15452217004503.26620.6999555000129027.728017.14792318004753.65350.8270565100131528.835318.18112419005004.06240.9687575200134029.964419.25502520005254.49301.1257585300136531.115220.37042621005655.04431.3508595400139032.287621.52812722005905.52291.5459605500141533.481722.72882823006156.02331.7588615600144034.697523.97332924006406.54531.9905625700146535.935025.26243025006657.08912.2417635800149037.194126.59693126006907.65452.5131645900151538.475027.97763227007158.24152