1、某企业喷涂废气的冷凝吸附处理方案设计书 本科大气污染控制工程课程设计说明书 某企业喷涂废气的冷凝吸附处理设计 选题编号1、吸附 学 院 环境科学与工程 专 业 班级 学生姓名 学号 电子邮件 联系电话 指导教师 提交日期 4某企业喷涂废气的冷凝吸附处理设计 4前言概述1. 52. 设计资料及依据 52.1废气中所含污染物类型、浓度及温度 52.2 设计规模 52.3设计要求 6方案设计及工艺选择3. 6方案设计3.1 6设计原则3.1.1 6废气净化方法的选择3.1.2 7工艺选择3.3 7工艺流程设计3.3.1 8工艺流程说明3.3.2 8系统工艺设备4. 84.1主要设备说明与计算 94.
2、1.1除尘器 94.1.2列管式冷凝器 124.1.3列管式冷凝器 13活性炭吸附器4.1.4 16管网系统设计4.2 16管网管径计算4.2.1 17系统压降计算4.2.2 194.3附属系统及设备 194.3.1风机 19溶剂水分离器4.3.2 220甲苯贮槽4.3.3 204.3.4液泵 20电气系统4.3.5 204.3.6锅炉房及供汽系统 20供水系统4.3.7 215 工程概预算 215.1直接投资费用 22运行费用5.2 23参考资料6 错误！未定义书签。附图7 错误！未定义书签。工艺流程图7.1 错误！未定义书签。7.2平面布置图 错误！未定义书签。7.3系统高程图 错误！未定
3、义书签。固定活性炭吸附器三视图7.4 错误！未定义书签。校正8 某企业喷涂废气的冷凝吸附处理设计 1. 前言概述 某企业喷漆车间在生产过程中排放出大量的涂层烘干废气，废气中含有较高浓度的甲苯。该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围的环境，而且导致了极大的原物料消耗，还会受到环保部门的惩罚，同时对企业的形象也会造成负面的影响。因此，喷涂废气处理后再排放时十分必要的。本着这一宗旨，本人针对该厂排放的废气特征，进行了相对应的废气处理方案的设计。 2. 设计资料及依据 2.1废气中所含污染物类型、浓度及温度 污染物类型：甲苯 3/h 33000 m180 kg/h，废气排放量为排放量：甲苯浓度烘
4、箱出口温度：7580，计算时取80 3，由此可得，该工程废气类型属于高浓度高风量5455mg/m 由计算可得甲苯浓度为：型。 2.2 设计规模 3/h；甲苯排放量为180 kg/h33000 m（均为最大值） 设计处理的废气量：2.3设计要求 废气排放标准应执行GB16297-1996 大气污染物综合排放标准中的二级标准，具体见表1。 表1 甲苯的二级排放标准 最高允许排放速率，kg/h ，浓度排最高允许放 污染物序号3 mg/m排气筒高度，m 二级标准 3.1 15 甲苯1 40 5.2 20 30 18 3,40mg/m排气筒高度应该高于 根据甲苯二级排放标准，处理后的废气中甲苯浓度应低于
5、3，排气筒高度取15m。在本工程设计中取甲苯排放浓度40mg/m 15m3. 方案设计及工艺选择 3.1 方案设计 3.1.1设计原则 1. 根据国家环境保护有关法规，按照国家规定的排放标准，净化后的废气各项指标应达到且优于标准指标。 2. 工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的灵活性和调节余地，确保达标排放。 3. 采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，并具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。 3.1.2 废气净化方法的选择 就当前处理技术而言，工业有机废气处理主要有以下几种方法： 1. 燃烧法 包括高温燃烧和催化燃烧，前者需要附加燃料燃烧，因此，使用该法时要考虑回收利用热能；催
6、化燃烧能耗低，但在工作初期，需用电加热将废气加热到起燃温度，故对于频繁开停车的场合不合适。考虑到高温燃烧法回收的热量超过生产所需的热能，故并不合适。而直接采用催化燃烧投资太大。 2. 吸收法 即采用适当的吸收剂（如柴油、煤油、水等介质）在吸收塔内进行吸收，吸收到一定浓度后进行溶剂与吸收液的分离，溶剂回收，吸收液重新使用或另行处理，采用这种方法的关键是吸收剂的选择。由于溶剂与吸收剂的分离较为困难，因此其应用受到了一定的限制。 活性炭吸附法 3.采用多孔活性炭或活性炭纤维吸附有机废气，饱和后用低压蒸汽再生，再生时排出溶剂废气经冷凝、水分离后回收溶剂，适用于不连续的处理过程，特别对低浓度有机废气中的
7、溶剂回收有很好的效果。 4. 冷凝法 主要利用冷介质对高温有机废气蒸汽进行处理，可有效回收溶剂。处理效果的好坏与冷媒的温度有关，处理效率较其他方法相对较低，适用高浓度废气的处理。 根据本工程情况高风量高浓度的废气处理类型，采用冷凝活性炭吸附法较好。将这两种方法联用回收烘干废气中的甲苯，综合了冷凝法适用于高浓度废气处理和活性炭吸附法处理效果好的优势，又可以通过前期冷凝降低甲苯浓度，减少活性炭吸附负荷，延长活性炭再生周期，能够兼顾回收率和处理成本。 故该工程的废气净化系统的设计方案为冷凝+活性炭吸附废气处理方案。 3.3工艺选择 3.3.1工艺流程设计 根据该厂的实际情况，要提高甲苯的回收效率，需
8、加强以下两方面的工作：一是烘干废气的收集，尽可能将甲苯收集到溶剂回收装置中；二是对收集的废气采用适当的方法进行处理与回收。 工艺流程如下图所示： 烘干废除尘冷凝1存12存2贮存分离冷凝2活性锅炉吸附排气风蒸风水蒸汽 图1系统工艺流程图 3.3.2工艺流程说明 由于烘箱出口废气中甲苯浓度较高，因此统一收集后先通过旋风除尘器，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态甲苯冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至24以下。由于甲苯沸点约为110，因此可回收大部分甲苯。 经冷凝的废气由风机产生的负压引导进入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出
9、的气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。 4.系统工艺设备 4.1主要设备说明与计算 根据国家的相关法规及该工程废气的特征，可得该净化系统设计参数、处理效果的要求如下。 表2主要设计参数和要求处理效果 生产工艺数量 价格 总价 备注 设备名称 主要技术参数 (台序号 ) (万元) 万元套) 一 直接设备费用 XCX型1 旋风除尘器 1 8 8.00 1300mm 单壳程双管程2 换热面积233m_1 1 8.00 8.00 2 列管式冷凝器 800壳体 单壳程双管程2 6m换热面积列管式冷凝器_2 5.00 3 1 5.00 400壳体3消声器、减振座1 0.80 30
10、834m /h 4 0.80 离心风机含活性炭及附件活性炭吸附器 24.00 5 2 12.00 3400*2500 3 混合溶剂分层器 6 1 350m1.65 1.65 3/h 2 72m循环水泵0.50 _1 7 1.00 3_2 循环水泵/h 15m8 1 0.50 0.50 用于气动阀与活性3/h 9 0.60 冷凝甲苯泵0.6 Q=10m1 炭再生用于气动阀与活性3 冷凝水泵2 0.5 10 1.00 Q=86m/h 4 风量 （ 管理费 甲苯入口浓度 处理后浓度33(mg/m) (mg/m /hm） 回收（kg/h） 回收效率3% 2.21 3) 列管式冷凝器活性炭吸附器 三 3
11、3000 其他费用总计工程总造价5455 587 587 40 163.3 16.93 90.7 15.6 90.48 93.2 (%) 4.1.1除尘器 1.除尘器的主要作用 一是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。 二是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。 2.除尘器的选型 根据废气性质和气量，本工程选用XCX型多管式旋风除尘器，规格为1300mm四管。旋风除尘器除了有长锥体结构外在排气管内还设有弧形减阻器以降低除尘器的阻力系数。具体参数如下： 进口风速：25m/s； 3/h； 风量：35000m压力损失：1020Pa；
12、进气管管径：500mm； 排气管管径：500mm 除尘效率：可除去5m以上的粉尘，效率9599。 4.1.2列管式冷凝器 根据废气性质和气量，本工程选用固定板式换热器（即列管式冷凝器）对废气进行冷凝以回收部分甲苯。 列管式冷凝器的作用是将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，使活性炭吸附器工作负荷减轻，并提高活性炭吸附处理的效率，同时回收部分甲苯。 流动路径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。综合考虑到冷却水的成本和冷却率之后，确定冷却水进口温度为常温20，出口温度为23。烘干废气进口温度为80，经冷凝后降低到24左右。 计算过程如下： 1. 冷凝处理后的废气浓度 33
13、，流量，甲苯浓度为5455mg/m/h，进气温度80已知条件：烘干废气风量33000m为 180 kg/h出口温度为24，冷却水进水温度20，出口温度23。 甲苯的安托万常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。 B?Alnp （p为温度T时的饱和蒸汽压，mmHg），由安托万方程 T?C可得80时p291.21mmHg；24时p27.00mmHg 00291.21?27.因此，90.780降温至 24的回收率为 21291.所以，至24时甲苯冷凝量为18090.7%=163.26kg/h， 剩余流量为180163. 316.7kg/h。 24?273.153m?2776
14、7?33000，冷凝处理后废气中残留甲24时总废气体积约为 80?273.1516.363mmg10?/?587 苯浓度为 277672. 换热器的面积A 80时甲苯质量流量为180kg/h，则每小时排出的甲苯体积V为 mRT180?0.082?(80?273.15)3m57?V MP92?13/h ，废气平均分子量约为28。 又废气总体积流量为33000 m PVM1?33000?28?31908kg/h 时废气质量流量80 RT0.082?(80?273.15)废气中空气的质量流量为3190818031728kg/h。 废气从80(T1)降至24(T2)，冷水从20(t1)升高至23(t2
15、)。 热负荷Q甲苯降温传热量空气降温传热量 1180 1.7 (80 - 24) + 31728 1.005 (80 - 24) 6 kJ/h 101.85J/s 10=56Q10?.81冷却水用量W143 t/h=143000 kg/h ?tc?4.2?(23?20)|T?t|?|T?t|1212?T?先按单壳程考虑：对数平均温差19.95K tmln(T?t)/(T?t) 1221t?tT?T1562121?PR 203tT?t?t1112?T?F?T17.9K 因此有效温差tmt2?K/(m)K?120W，则所需传热面积为: 假定换热器总传热系数为910?1.8Q2m233?A? ?T?
16、K17.9?120?36003. 主要工艺及结构基本参数的计算 选用252.5mm钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0.5 m/s，则 4W4?(143000/3600)/1000?253?n根管数 22?02.?0.05?duiA233?11.7m 管长l ?0250253?.?dn0因此，取管程数为2，管长为6m，总管数为2532506根。壳体的公称直径DN2。10kgf/cm 1200mm，公称压力为采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_1的主要参数是： 选用6m长的252.5mm钢管（材质20号钢）共506根； 壳体直径1200mm； 2； 换
17、热面积233m冷却水用量为143t/h； 甲苯回收率为90.7； 。23升至20，冷却水由24降至80废气由4.1.3列管式冷凝器 根据废气性质和气量，本工程选用固定板式换热器对甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。 冷凝器的作用是将脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。 为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为20，出口温度为25，蒸汽进口温度为120，经冷凝后降至30以下。 计算过程如下： 1. 确定所需蒸汽量 587?4093.2 脱附时甲苯回收率 587需吹脱甲苯量为1
18、6.793.215.6 kg/h。 一般取蒸汽量：吹脱溶剂量（410）：1，确定蒸汽量为100 kg/h。 2. 冷凝甲苯回收率计算 甲苯的Antoine常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine方程 B?Ap?ln （p为温度T时的饱和蒸汽压，mmHg） T?C120时p984.7mmHg；30时p36.67mmHg 67.984.7?36因此，80，即甲苯基本上全部冷凝降温至30的回收率为97.3 7.984下来。 3. 计算换热器的面积A 120时甲苯质量流量为15.6kg/h，水蒸气质量流量为100 kg/h。 蒸汽从120降低至30，冷却水从2
19、0升高至25。 热负荷Q甲苯降温传热量蒸汽传热量蒸汽冷凝潜热 115.6 1.7 (120 - 30) + 100 4.2 (120 - 30)100 2232 5 kJ/h 102.635Q1063?2.冷却水用量W12.5t/h ?t?c4.2?(25?20)|T?t|?|T?t|1122?T?37.76K 先按单壳程考虑：对数平均温差 tmln(T?t)/(T?t) 1221t?tT?T12121?PR18 20tT?t?t1112F0.930.8P的值查温度校正系数图可得，温差修正系数，可见用单壳程根据R、t?T?F?T35K 合适，因此有效温差tmt2?K/(m)K?350W，则所需
20、传热面积为：假定换热器总传热系数为 Q?A ?T?K2 6m4. 主要工艺及结构基本参数的计算 选用252.5mm钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0. 5 m/s，则 4V4?(12500/3600)/1000?n22管数根 2?2?0?.02.05?duiA63.5m 管长l ?025022?.?dn0因此，换热器管程数为2，管长为2m，总管数22244根。壳体的公称直径DN2。16kgf/cm 600mm，公称压力为采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_2的主要参数是： 选用2m长的252.5mm钢管（材质20号钢）44根； 2；6m 换热面积壳
21、体直径600mm； 冷却水用量为12.5t/h； 蒸汽由120降至30，冷却水由20升至25。 4.1.4活性炭吸附器 本工程活性炭吸附装置为固定床活性炭吸附器，活性炭吸附器是净化装置最重要组成部分，设置目的是利用吸附法截留废气中的有机物进一步净化废气，并利用低压蒸汽吹脱 及冷凝等手段回收部分甲苯。33的甲苯，要求出口甲587mg/m，温度24已知，废气气量为33000m，废气中含有/h3 92.340 mg/m。，即净化率达到苯浓度为型过滤净化气体用粒状活性炭，该活性炭的HT-52根据工程的实际情况，本工程选用 具体参数如下：3?d 。，0.55mm，空隙率堆积密度450kg/mp 活性炭的
22、饱和吸附量1. 甲苯在该活性炭上的吸附等温线方程为133.0c334a?0. vmc ；时的平衡吸附量，式中：a气相浓度为kg/kgACmv3c g/m。气相中甲苯的浓度，mv3a可得，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量 0.587 g/m由废气中甲苯浓度为 。0.311kg/kgAC 2.固定式活性炭吸附器主要参数的计算根据本工程通风量大的特点，为了不使设计出的吸附器的直径过大产生问题，则适当的 4Q?D，则根据公式增大活性炭吸附器中的气速，取活性炭吸附器中的气速约为1m/s?u可算得，吸附器的直径为3.4m，根据以往的工程经验，吸附带中活性炭的动态吸附容量按静态饱和吸附容量的35计，则吸附带
23、中活性炭所吸附的甲苯为0.109 kg/kg。 吸附工作周期按2天（16h）计，则每一周期的吸附量为 ?6?16?31033000?587?10kg 310?2844kg 吸附带内的活性炭量为 0.1092844?0.70m 吸附剂床层总高为 2?4450)?3(./432844/450?6.32m 活性炭总用量为 气流穿过固定床层的压降估算式为： 2?d?p?)1150(?gp?1.75 2?dGG1(D?)p?p压降，Pa； 式中： 33?吸附床； 空隙空隙率，m/md吸附剂颗粒直径，m； p3?； 气体密度，kg/mg2?sm)kg/(； G气体表现质量通量， D床深，m； ?Pa?s。
24、气体黏度， 3?mkg/?1.189?5?1.83?10Pa?sg， 30下气体密度为 ，黏度为当80废气降低为24时，则废气的流量变为 273?243/mhQ?33000?27767 273?80 则，气体表现质量通量为 277672?1.189?1.010kg/(G?m?s)， 2?/4)?33600?(.4因此经计算可得压降为 ?520101.)0.5?0.7?(1?.1150?(?0.5)?183?10?p?(?1.75)?953.5Pa 3?3?35.10?01.189?5?0105?10?1.)?953.5?7354.4Wp?Q?p?(27767/3600理论功率消耗0.70，风机
25、效率以计，则实p?7354.4/0.70?10.5kW 际功率消耗 f综上，采用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为： 3?d0.50；5mm，空隙率 HT-52型粒状活性炭活性炭堆积密度450kg/m，p3； 活性炭总用量为6.32m吸附器总高 0.7m，直径3.4m； 吸附工作周期为2天（16小时）； ；93.2净化效率 4.2管网系统设计 4.2.1管网管径计算 1.风管直径计算。该段系统风管包括废气从烘干室进1）在废气进入冷凝器之前，废气的温度为80（ 入除尘器的连接风管，从除尘器到冷凝器的连接风管。3 /h废气在风管中的气速为25m/s，流量为33000m则可得，该段系统风
26、管直径330004Q4?mm683?D? ?25?3600u3.14 700mm防火型风管根据实际情况，该段系统风管选用直径。该段系统风管包括废气从冷凝器到活）废气经过冷凝器冷凝后，温度降到24（2 性炭吸附器，以及从吸附器到排风筒的连接风管。 24时，则废气的流量变为当80废气降低为24?2733h?27767mQ?33000?/ 80273?同理可得，从冷凝器到活性炭吸附器，再从活性炭吸附器到排气筒的系统连接风管 的直径277674?4Qmm630D? ?25?.14?3600u3 风管根据实际情况，该系统应该选用直径650mm 2.水管管径计算 （1）冷凝器的水循环系统水管管径3，取管中
27、水流速为/h由上面冷凝器的计算结果可知，冷凝器的循环水量为143m 1.2m/s，由此可得，冷凝器的水循环系统的水管管径4Q4?143?205D?mm ?u3.14?3600?1.2则该循环系统选用直径200mm的水管。 ）冷凝器的循环水系统水管管径2（31.0 /h，取水速为由冷凝器的计算结果可知，冷凝器循环水系统的水量为12.5m m/s，则冷凝器的循环水系统的管径5.Q44?12mm5D?66. ?0.14?3600?1.u3 的水管。则根据实际情况，该循环系统选用直径为80mm 蒸汽管管径3.，活0.2Mpa蒸汽锅炉出口压力为，蒸汽温度约120，可知蒸汽的密度为1.122kg/m33
28、/h，即89m，则蒸汽管的管径性炭脱附需用蒸汽总共100kg/h894?4Qmm?D?145? ?5.?3600?114u3. 管径的蒸汽管。根据实际情况，蒸汽脱附系统管道选用150mm 系统压降计算4.2.2 沿程阻力损失1.则根据冷凝后废气的流量变为,降到了24 经过冷凝管冷凝之后,废气的温度由803 27767m。/hQ4?D 25m/s，根据公式取风管中的气速为?u4?27765=0.630m，系统中风管的总长度约为风管管径35mD=，废气的密3.14?25?3600 度33。1.2 kg/m =1.189kg/m风管的阻力系数=0.0125+0.0011/D =0.014 22?2.
29、?10.014?u?25?p?L?35?282.6Pa = 风管的压降 ? D20.65?2?282.6 Pa 则沿程阻力损失为2.局部阻力损失 从系统本身来看，旋风除尘器自带有风机，能抵消除尘器产生的压降，因此不会使系统产生压降，而列管式冷凝器和排气筒对系统产生的压降较小。 o弯头、阀门该系统中产生局部阻力损失的主要设备或部件有固定式活性炭吸附器90等。 （1） 活性炭吸附器压降： 由上面的活性炭吸附器计算结果可知，活性炭吸附器的压降为953.5 Pa。 （2） 冷凝器压降： 由列管式冷凝器的计算结果可知，冷凝器的壳程直径D=1.2m，管程直径d=0.025m，共506根管，则废气通过壳程的
30、截面积 2222?025.14?0?506?n3d143.?1.2.D?2m?A.882?0 44则废气再壳程中的气速 Q27767?8.7m/su? A3600?0.882查资料得，该列管式冷凝器的阻力系数=0.324，管长6m 列管式冷凝器的压降 278.1.2?0.324?p?6?73.6Pa 2?1.2（3） 排气筒压降： 根据大气污染物综合排放标准中的二级标准选用排气筒的高度为15m直径为4Q?u，可得排气筒中的气速为管径，根据计算公式800mm15.4m/s，根据风管压降 2?D2?u?p?La，可得排气筒的压降为37.1Pa公式。 =? D2?2?u?p? 其他的部件产生的局部损失由
