環(huán)境工程專業(yè)大氣污染課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書編制人：班級(jí)：學(xué)號(hào)：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(jì)目的1二．設(shè)計(jì)條件12.1設(shè)計(jì)任務(wù)12.2原始材料12.3排放標(biāo)準(zhǔn)12.4處理方法2三．工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算33.1工藝流程的初步確定33.2吸附塔計(jì)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(jì)43.3確定工藝流程83.4管道計(jì)算及選材93.5排氣筒高度93.6系統(tǒng)阻力計(jì)算93.6.1沿程阻力計(jì)算93.6.2局部阻力計(jì)算103.7風(fēng)機(jī)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(jì)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(xiàn)16設(shè)計(jì)目的：〔1〕通過課程設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)系統(tǒng)化，培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力〔2〕通過設(shè)計(jì)，了解工程設(shè)計(jì)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(jì)方案、進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制工程圖、查找與使用技術(shù)資料、編寫設(shè)計(jì)說明書的能力。設(shè)計(jì)條件：2.1設(shè)計(jì)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(duì)廢氣處理流程中相關(guān)設(shè)備進(jìn)行工藝計(jì)算，確定其形式、數(shù)目與尺寸；3、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行選型，計(jì)算相關(guān)管道尺寸并確定材質(zhì)；4、進(jìn)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(jī)工藝廢氣。相關(guān)數(shù)據(jù)：流量：2100Nm3/h；溫度：40℃；壓力：由風(fēng)機(jī)決定；組成〔v/v〕：甲苯：0.28%；其它：空氣。試設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)中規(guī)定的二級(jí)排放要求。2.3排放標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)甲苯排放標(biāo)準(zhǔn)〔執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)〕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(jí)二級(jí)三級(jí)監(jiān)控點(diǎn)濃度甲苯6015禁排3.65.5周圍外濃度最高點(diǎn)0.30206.19.33021314036542.4處理方法確實(shí)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(shí)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(shí)，可把廢氣當(dāng)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(shí)現(xiàn)燃燒。在絕大多數(shù)處理有機(jī)廢氣場(chǎng)合，廢氣中VOC濃度一般較低，而風(fēng)量較大。往往因?yàn)榛厥諒U氣中的有機(jī)溶劑在經(jīng)濟(jì)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(jī)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(duì)VOCs進(jìn)行吸收，再利用VOCs分子和吸收劑物理性質(zhì)的差異進(jìn)行別離。在對(duì)含VOCs廢氣進(jìn)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?yàn)橛袡C(jī)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(jī)廢氣，最常見的是用于凈化水溶性有機(jī)物，國(guó)內(nèi)已有一些有機(jī)廢氣吸收的應(yīng)用實(shí)例，但凈化效率都不高。另外，吸收法的投資費(fèi)用較大，用于吸收劑循環(huán)的操作費(fèi)用也較高，如果廢氣中含多種有機(jī)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(jī)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?jǐn)?shù)在10-2以上的有機(jī)蒸氣。冷凝法在理論上可到達(dá)很高的凈化程度，但是當(dāng)體積分?jǐn)?shù)低于10-6時(shí)須采取進(jìn)一步的冷凍措施，使運(yùn)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(jī)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(jī)負(fù)荷，回收有機(jī)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(duì)既無回收價(jià)值又嚴(yán)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(guó)、荷蘭得到規(guī)?；瘧?yīng)用，有機(jī)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(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，較少形成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，尤其在處理低濃度、生物降解性好的氣態(tài)污染物時(shí)更顯經(jīng)濟(jì)。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(jì)是去除煙氣中的甲苯，采用吸附法。工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算：3.1工藝流程的初步確定有機(jī)廢氣有機(jī)廢氣過濾器冷凝器活性炭吸附塔風(fēng)機(jī)處理后排放說明：簡(jiǎn)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(jī)廢氣進(jìn)入吸附塔內(nèi)，有機(jī)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(jì)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(jī)械強(qiáng)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(jià)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(diǎn)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(duì)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(dòng)能，因而易于從吸附劑活性中心點(diǎn)脫離；同時(shí)，被吸附的有機(jī)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(jìn)行：1)脫水：使活性炭和輸送液別離。2)枯燥：加溫到100~150℃，將細(xì)孔中的水分蒸發(fā)出來，同時(shí)使一局部低沸點(diǎn)的有機(jī)物也揮發(fā)出來。3)碳化：加熱到300~700℃，高沸點(diǎn)的有機(jī)物由于熱分解，一局部成為低佛點(diǎn)物質(zhì)而揮發(fā)，另一局部被碳化留在活性炭細(xì)孔中。4)活化：加熱到700~1000℃，使碳化后留在細(xì)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(dá)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(jì)采用采用熱再生，通過往吸附塔內(nèi)參加蒸汽來到達(dá)活性炭的再生。3.2.3吸附塔設(shè)計(jì)：廢氣的流量為2100，甲苯體積分?jǐn)?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(shí)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(jì)算公式：進(jìn)入冷卻器之前甲苯的質(zhì)量濃度：進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)甲苯排放標(biāo)準(zhǔn)〔執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)〕，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(shí)參考相關(guān)資料，取流速0.3m/s。吸附塔徑的計(jì)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(huì)過大，將塔徑設(shè)大一點(diǎn)比擬好，因此采用公稱直徑長(zhǎng)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(dāng)塔徑為2.0m時(shí)，此時(shí)的流速為0.20m/s吸附塔床層高度確實(shí)定〔4-1〕、吸附劑動(dòng)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(duì)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(shí)際工業(yè)中會(huì)有很多因素的影響，取動(dòng)態(tài)平衡吸附量理論值的約80%為實(shí)際值〔70%-90%〕,那么實(shí)際的吸附量為0.273*0.8=0.218g/g。類型堆積密度對(duì)甲苯飽和吸附量計(jì)算動(dòng)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(shí)定：設(shè)計(jì)吸附周期為5天，即〔4-3〕吸附劑〔活性炭〕的用量計(jì)算：活性炭吸附劑的用量按此公式計(jì)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(duì)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(jì)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(gè)吸附塔〔串聯(lián)〕，每個(gè)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(gè)在吸附，另一個(gè)再生。如此輪換操作?！?-5〕吸附床層壓力降計(jì)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(dāng)粒徑為2mm，孔隙率為0.4，313K，一個(gè)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)冷凝器過濾器處理后排放高壓離心風(fēng)機(jī)冷凝器過濾器有機(jī)廢氣有機(jī)廢氣3.4管道計(jì)算及選材根據(jù)《環(huán)境工程原理》第二版〔胡洪營(yíng)著〕中：在管路設(shè)計(jì)中，選擇適宜的流速是非常重要的，因?yàn)榱魉儆绊懥鲃?dòng)阻力和管徑，進(jìn)而影響系統(tǒng)的操作費(fèi)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(jì)過程中取流速為20m/s那么：圓形通風(fēng)管道規(guī)格外徑D/mm鋼板制風(fēng)管塑料制風(fēng)管外徑D/mm鋼板制風(fēng)管塑料制風(fēng)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(fēng)管，管徑的外徑允許偏差為±1mm，那么進(jìn)氣管風(fēng)速為m/s3.5排氣筒高度有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)甲苯排放標(biāo)準(zhǔn)，排氣筒高度設(shè)定為15m即可。3.6系統(tǒng)阻力計(jì)算3.6.1沿程阻力計(jì)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(zhǎng)度mu—是流體在管道中的流速根據(jù)場(chǎng)地平面布置圖〔詳見CAD圖紙〕，總管路長(zhǎng)度為38.5m，計(jì)算時(shí)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(shí)的沿程阻力損失系數(shù)為0.02那么：3.6.2局部阻力計(jì)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(kuò)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(jì)出各管件的個(gè)數(shù)如下：管件突然擴(kuò)大突然縮小三通90度彎頭閥門個(gè)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(jì)值〕3.7風(fēng)機(jī)選型根據(jù)通風(fēng)機(jī)的作用原理，風(fēng)機(jī)可分為離心式、抽流式和貫流式三種。在通風(fēng)工程中常用的是離心式和抽流式風(fēng)機(jī)。根據(jù)風(fēng)機(jī)的用途不同，又可分為輸送一般氣體的風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、防爆風(fēng)機(jī)、防腐風(fēng)機(jī)、耐磨風(fēng)機(jī)等。離心風(fēng)機(jī)按其壓力又可分為高壓風(fēng)機(jī)(P>3000Pa)、中壓風(fēng)機(jī)(1000Pa<P<3000Pa)、低壓風(fēng)機(jī)(P<1000Pa)。查閱有關(guān)資料：機(jī)號(hào)轉(zhuǎn)速序號(hào)流量全壓配用電機(jī)〔r/min〕〔m3/h〕pa型號(hào)功率9-265A2900160354293Y225M-245259844706358695114457255527Y250M-2555555359416538163497518067629-267.1D290081242712292Y280S-27591232113475101207814643111177615826Y315S-2110121141517009131105518177141063519360根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇上面第4個(gè)風(fēng)機(jī)，其性能參數(shù)如下：機(jī)號(hào)轉(zhuǎn)速序號(hào)流量全壓配用電機(jī)〔r/min〕〔m3/h〕pa型號(hào)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(jì)算，將吸附塔分成2個(gè)塔〔兩個(gè)塔串聯(lián)使用〕，所選用的風(fēng)機(jī)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(jì)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(jì)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(dá)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)甲苯排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述計(jì)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(shí)際的吸附周期EQ3.10其他參數(shù)說明和計(jì)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(hào)公稱直徑DN/mm總深度H/mm內(nèi)外表積A/m2容積V/m3序號(hào)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