《某化工企業(yè)揮發(fā)性有機廢氣【VOCs】的回收處理工藝設(shè)計》11000字【論文】

某化工企業(yè)揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）的回收處理工藝設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u12749某化工企業(yè)揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）的回收處理工藝設(shè)計 15557第1章緒論 17731.1選題的意義及內(nèi)容 11061.2有機廢氣簡介 218159第2章工藝比選 4192532.1廢氣工藝比選 4151282.2研究內(nèi)容及意義 6104272.3設(shè)計依據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù) 6198672.4工藝路線確定 725750第3章冷凝法控制VOCs污染 9250903.1氣態(tài)污染物的冷凝分離 9269003.2VOCs的冷凝 11170433.3冷凝系統(tǒng)的設(shè)計計算 1318609第4章生物法控制VOCs污染 1723915第5章工藝設(shè)計計算 24132375.1集氣罩 24152265.2冷凝裝置設(shè)計 25165575.3生物過濾器 30261735.4管道系統(tǒng)選擇設(shè)計 31第1章緒論選題的意義及內(nèi)容化工企業(yè)在工藝生產(chǎn)過程中會排放大量揮發(fā)性有機廢氣（VOCs），廢氣成分復(fù)雜，有機物濃度較高。VOCs若直接排入大氣，部分原本可被回收的產(chǎn)物將被浪費，而且還會對附近的環(huán)境造成污染，并危害人體健康。因此需要設(shè)計合理的方案來對VOCs進行有機物成分的回收及處理。當前，經(jīng)濟快速發(fā)展，化工行業(yè)也發(fā)展地愈發(fā)繁榮，而隨著廢氣排放總量增加，各種各樣環(huán)境污染和危害人體的問題也相繼出現(xiàn)。為了更好解決這些廢氣帶來的工業(yè)污染問題，部分城市地區(qū)頒布了一系列法律法規(guī)以及更新的標準限制來應(yīng)對廢氣排放過程中帶來的危害。如不對化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機廢氣進行合理的處理，將會對附近的環(huán)境以及對人體健康造成巨大危害。為了應(yīng)對化工企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的VOCs可能帶來的一系列危害，本論文將介紹不同處理技術(shù)，分析其優(yōu)勢和特點。論文的主要內(nèi)容是以某化工企業(yè)產(chǎn)生的廢氣為例，結(jié)合不同處理技術(shù)的特點，設(shè)計一套行之有效的VOCs凈化工藝。有機廢氣簡介有機廢氣的來源與危害世界衛(wèi)生組織(WHO)將總揮發(fā)性有機化合物(TVOC)定義為：熔點低于室溫而沸點在50~260°C之間的揮發(fā)性有機化合物的總稱REF_Ref10591\r\h[1]。雖然大氣中VOCs的濃度很低，但是卻在一些化學過程中起著重要的作用，如會影響大氣的氧化性和大氣輻射平衡等，并且還可以通過參與大氣光化學反應(yīng)的方式來生成二次污染物，如臭氧、有機氣溶膠等，與空氣污染的形成有很大關(guān)系。VOCs的排放來源主要分為兩種：天然源和人為源。雖然人為源較之天然源排放量較低，但因其主要集中在城市等人員聚集的地區(qū)，所以很大程度地影響了區(qū)域空氣質(zhì)量。VOCs不光會對環(huán)境造成破壞，還會對人體健康造成不可逆的巨大損害，其中部分VOCs成分如（苯、甲醛、二噁英等）可引發(fā)癌癥，危害不容小覷。1.2.2化工有機廢氣成分與特點化工企業(yè)生產(chǎn)過程中會排放出很多有機廢氣（VOCs），廢氣中各種有機物種類繁多。以所選企業(yè)為例，排放廢氣中含有丁酮、丙酮、甲苯、二甲苯等有機物，這些有機物均會對人類的健康構(gòu)成威脅，其中甲苯和二甲苯更是致癌物，十分危險。

第2章工藝比選2.1廢氣工藝比選在認識到VOCs帶來危害后，經(jīng)過長期研究實驗，可將已發(fā)展運用的VOCs處理技術(shù)大致分為以下幾種。2.1.1燃燒法燃燒法凈化是指用燃燒的形式將有害氣體或煙塵轉(zhuǎn)化為對環(huán)境和人體均無害的物質(zhì)的過程。燃燒氧化是其主要的化學反應(yīng)，還有高溫熱分解的少數(shù)情況?；?、噴漆等行業(yè)等行業(yè)排出的有機廢氣，普遍采用燃燒法凈化，同時。燃燒法將有機物中的C、O元素生成氧氣和二氧化碳，但含有氮、硫、磷等元素的VOCs經(jīng)過燃燒后會產(chǎn)生二氧化硫、一氧化氮等污染氣體，所以在排放前還需要進行尾氣處理。此外，燃燒法凈化不能回收的額外的有用物質(zhì)，但由于燃燒過程放出大量熱量，可以回收熱能。2.2.2吸收法混合氣體與液體溶劑接觸后，氣體中的不同組分并不會被同步吸收，因為不同組分在溶劑中的有著不一樣的化學反應(yīng)的活性和溶解度，吸收法便是利用這一特點來將氣體各組分分離的一種方法。吸收設(shè)備的結(jié)構(gòu)和吸收劑的吸收能力是決定吸收效果的重要影響因素。吸收法凈化VOCs的效率很高，并且配套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，并且還可用于回收有機物質(zhì)，具有良好的經(jīng)濟效益。吸收劑在吸收法中起到關(guān)鍵作用，選擇適宜的吸收劑也是設(shè)計的重要一環(huán)。吸收劑必須對被去除的VOCs有較大的溶解性；吸收劑的吸收能力與吸收及的摩爾質(zhì)量有關(guān)，吸收劑的摩爾質(zhì)量越低，它的吸收效果則越好，因此需選擇較低摩爾質(zhì)量的吸收劑。2.2.3吸附法一些固體物質(zhì)的表面具有很多孔隙，大量的孔隙使得這些固體物質(zhì)具備良好的吸附能力，可以吸附氣體混合物中的一部分有害物質(zhì)，吸附法正是利用這一特點先將有害組分從VOCs中分離出來，然后將吸附在固體表面上的這些物質(zhì)進行處理，以達到凈化VOCs的目的。吸附法凈化屬于干法工藝。目前已在石油化工、有機化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用，是一種重要VOCs的處理工藝。2.2.4冷凝法冷凝技術(shù)原理：物質(zhì)的飽和蒸氣壓會隨著溫度條件的改變而一同發(fā)生變化，不同物質(zhì)的飽和蒸氣壓在同一溫度條件下也不相同，利用這一特點，再通過提高系統(tǒng)壓力或降低系統(tǒng)溫度的方式，使氣態(tài)污染物冷凝成液態(tài)，達成分離氣態(tài)污染物組分以凈化廢氣的目的。由于低濃度氣態(tài)有機物的冷凝溫度較低，要達到一定去除率需要的成本很高，經(jīng)濟效益低，故不適宜用來直接處理較低濃度的有機氣體，可通過先提高氣態(tài)有機物濃度或增加壓強的方式來提高去除率。冷凝方法主要分為兩種：表面冷凝和接觸冷凝。表面冷凝過程中，冷凝劑不與被冷凝物和蒸氣有直接接觸，冷卻壁是換熱中間體，并將冷凝劑和冷凝氣分隔開來，特點是可直接回收冷凝劑，操作簡便；接觸冷凝與表面冷凝相反，冷凝劑與冷凝物通過直接接觸來進行換熱，因此要回收冷凝劑還需經(jīng)過處理。2.2.5生物法相對其它處理方法，生物法處理VOCs污染是新興的技術(shù)，現(xiàn)已在德國、荷蘭得到較好運用。生物法具有設(shè)備簡單、成本低、少量二次污染等優(yōu)秀特點，其用于處理含有生物可降解性良好、較低濃度的有機組分的VOCs時表現(xiàn)很好，經(jīng)濟性很高。2.2研究內(nèi)容及意義當前，隨著人們愈發(fā)注重環(huán)境問題，國內(nèi)外不斷頒布相關(guān)標準和法案，有機廢氣處理的標準也不斷提高，這無疑是一個重大考驗。想要在達標的前提下盡可能地減少成本，需要在設(shè)計時考慮各個方面，選取合適工藝和設(shè)備。本課題的研究目標是有機廢氣處理工藝，以某化工企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢氣為目標，根據(jù)相關(guān)排放標準和廢氣組分特點，確定處理VOCs的工藝。選取適宜的材料和設(shè)備以滿足目標污染物去除率，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，在確保經(jīng)濟效益的前提下盡可能提高凈化效率。為做到節(jié)能減排的原則，本設(shè)計選擇冷凝——生物處理兩個工藝聯(lián)合起來一同處理化工企業(yè)排放出的VOCs。2.3設(shè)計依據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)2.3.1設(shè)計依據(jù)廢氣排放控制指標：各種有機廢氣的去除率達到95%以上。大氣污染物綜合排放標準。2.3.2設(shè)計范圍按照目標污染物去除率以及相關(guān)污染物的排放標準，設(shè)計出能滿足該化工企業(yè)排放的VOCs各組分均達標處理的廢氣凈化（集氣罩、冷凝裝置、生物處理裝置）系統(tǒng)及相關(guān)圖紙，盡可能的減少有機廢氣中各污染物組分的含量，使尾氣達到相關(guān)排放標準，并減少相關(guān)成本，達成較高經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。2.3.3設(shè)計原始數(shù)據(jù)（1）處理風量：分為兩個發(fā)生源（需要設(shè)計兩個集氣罩），集氣罩1運作時收集廢氣量為：30000m3/h、集氣罩2為：40000m3/h；廢氣排放的基本條件均為101325Pa、400K。（2）各組分及濃度：丙酮、丁酮、甲苯、二甲苯的含量分別為4.8×10-3、3.6×10-3、2.4×10-3、1.2×10-3（體積分數(shù)）。（3）要求排放氣體中各種有機組分的去除率達到95%以上。2.4工藝路線確定廢氣中含有VOCs，根據(jù)大氣污染控制工程中的各VOCs處理工藝，選擇冷凝法和生物法來進行處理。由于化工企業(yè)在工藝生產(chǎn)過程中排放出的揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）中含有較高濃度的丙酮、丁酮、甲苯、二甲苯等有機物，采用冷凝和生物處理兩種工藝聯(lián)合的方法能使各有機組分達到很高的去除率。由于丙酮和丁酮有較高的回收價值，則先采用冷凝方法回收丙酮和丁酮，再采用生物過濾方法來進行更深層次的處理，使廢氣其它有機物含量降低至可以排放的標準。工藝過程如下圖所示。圖2-1設(shè)計VOCs處理工藝流程

第3章冷凝法控制VOCs污染3.1氣態(tài)污染物的冷凝分離3.1.1相平衡常數(shù)（m）相平衡常數(shù)m是指氣相及液相兩相在特定的溫度T和壓力P條件下均達到平衡時，任意組分i的氣相與液相的摩爾分數(shù)之比。即： m=y式中：yi——氣象中組分i的摩爾分數(shù)xi——液相中組分i的摩爾分數(shù)對于平衡狀態(tài)時的氣液兩相： ?ip那么有：m=fiL0γiL式中：fiL0、fiG0——i(純組分)在液相中的逸度和γiL、γiG——i在液、氣?i——im——平衡物系的壓力、溫度及組成的函數(shù)，實驗得出作如下簡化來進行計算：在常壓的條件下，由于組分物化性質(zhì)相似，將整個系統(tǒng)看作完全理想的系統(tǒng)。此時?i=1，fiL m=p在已知具體溫度下的飽和蒸氣壓pi?和總壓p的情況下，可經(jīng)計算得到平衡常數(shù)在常壓的條件下，混合物中不同組分有著不同的分子結(jié)構(gòu)，并且其差別很大，因此將氣相看為理想情況下的混合物，?i=1，fiL0=pi0，但液體并不適用該物系的相平衡常數(shù)m在與壓力和溫度有關(guān)聯(lián)之外，溶液的組成也會影響m的數(shù)值（γi與物系的組成有關(guān)）。當γiL大于1時，溶液有正偏差；在中壓的條件下，氣、液兩相均可看作理想體。此時，?i=1，γiL3.1.2露點溫度及泡點溫度的計算露點溫度是氣態(tài)物質(zhì)在指定壓力下出現(xiàn)第一個液滴時的溫度；泡點是指定壓力下液態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生第一個氣泡時的溫度。（1）計算露點溫度：假設(shè)各組分在氣態(tài)混合物中的體積/質(zhì)量分數(shù)分別為y1，y2，?，yi，?，首先設(shè)定壓力為p的時候?qū)?yīng)的露點溫度為t，然后查詢手冊或經(jīng)過一系列計算得到混合氣體各個組分在該溫度下的氣液平衡常數(shù)K1，K2，?，Ki，?，K x1=y1/K1，x2=y氣態(tài)組分的各液態(tài)組分之和也應(yīng)等于1，即i=1nxi=1；若i=1nx（2）泡點溫度的計算：與計算露點溫度的步驟相似，先設(shè)定壓力為p的時候?qū)?yīng)的泡點溫度為t，然后查詢手冊或計算所得到混合氣體各個組分的氣液平衡常數(shù)K1，K2，?，Ki，?，Kn，與此時 i=1n最后用i=1n3.2VOCs的冷凝假設(shè)系統(tǒng)的溫度、壓力分別為t、p時，VOCs在系統(tǒng)的內(nèi)部已經(jīng)冷凝了一部分，進料中組分i的摩爾分數(shù)為zi的數(shù)據(jù)已經(jīng)知道，然后需計算液化率f和氣、液兩相平衡狀態(tài)下的冷凝得到液體的組成部分xi和剩余未被冷凝的氣體的組成經(jīng)過冷凝后得到的液體的量占進料VOCs量的摩爾分數(shù)即液化率f，即： f=B冷凝裝置中各種物質(zhì)的物料衡算： F=B式中：B——經(jīng)冷凝后得到的液態(tài)物質(zhì)的摩爾流量，kmol/F——冷凝裝置進口處VOCs的摩爾流量，kmol/D——冷凝裝置出口處未被冷凝的VOCs的摩爾流量，kmol/將式（3-6）代入式（3-7）得： F=1?對組分i進行物料平衡： F經(jīng)整理得到： zi=1?f?由氣、液兩相的平衡狀態(tài)可得：yi=mi?x xi= yi=由式（3-10）、式（3-11）和i=1nxi=1、i=1nyi從式（3-10）、式（3-11）中可以知道：式中zi為唯一已知數(shù)，要求f、xi、yi，必須得知道m(xù)i的值，要通過式（3-10）、式（3-11）來進行計算，（1）在已知工藝運作的基本條件（壓力p及溫度t）的情況下，求f、xi、yi。由已知的壓強p和溫度t，來計算對應(yīng)的mi，然后在不知的情況下設(shè)定一個大致合理的f，再通過式（3-10）計算出xi，若i=1nxi=1，則前面設(shè)定的f可行。如果等式不成立，則需要再次設(shè)定一個不同的f并進行相同計算，或者通過式（3-11）來計算（2）在已知f的情況下，需要求相關(guān)操作的條件以及對應(yīng)條件下的組成?？芍篺=0對應(yīng)的溫度為露點，f=1對應(yīng)的溫度為泡點。所求的冷凝溫度應(yīng)在露點和泡點二者之間進行選取，越接近泡點，有機物去除率越高。故計算冷凝溫度過程中，需要先確定露點和泡點，然再設(shè)定冷凝溫度為t，求出對應(yīng)的mi，將mi代入式（3-10），求出xi，以i=1nxi=1這個條件來檢驗設(shè)定的溫度，或者將mi代入式（3通過熱量衡算可計算出的冷凝過程冷凝裝置交換的熱量qc qc=式中：Hi——組分i為氣態(tài)時的焓值?i——組分i為液態(tài)時的焓值通過上式得到了熱量qc后，下一步便可通過熱量守恒定律來計算冷凝器的換熱面積和所需冷凝劑的流量。在設(shè)計冷凝裝置的過程中，通過計算得到需交換的熱量q3.3冷凝系統(tǒng)的設(shè)計計算（1）冷凝系統(tǒng)的設(shè)計變量：已知出口濃度和去除率，確定冷凝溫度十分重要，在整個設(shè)計過程中起重要作用。可由已知的去除率可以通過安托萬方程來計算對應(yīng)的冷凝溫度。（2）確定冷凝系統(tǒng)的設(shè)計變量：設(shè)VOCs氣體由可冷凝的VOCs和不可冷凝的空氣組成。冷凝溫度估算：已知去除率，可計算得到出口VOCs的分壓，由式（3-13）計算：pout=760×式中：pout——氣流在冷凝裝置出口處的VOCs的分壓，mmHgη——有機物的去除率，%；φin，v——氣流在冷凝裝置入口處的VOCs體積分數(shù)，10氣液兩相平衡的情況下，氣體中VOCs組分的分壓與該平衡溫度下的蒸氣壓相等。由此可由氣液兩相的平衡溫度來確定所需的冷凝溫度Tcon冷凝劑可根據(jù)經(jīng)計算確定的冷凝溫度來選定，不同的冷凝劑的工作溫度區(qū)間不同，選取合適的冷凝劑很重要。已經(jīng)冷凝為液態(tài)的VOCs的物質(zhì)的量?n按下面的方法來計算（時間范圍為1分鐘被冷凝的VOCsnn式中：qv——VOCs氣體流量，mp——氣體的壓力，pvapor——氣流中VOCs的蒸氣壓，p確定VOCs的蒸發(fā)熱?H：一般來說，溫度的變化會影響VOCs的蒸發(fā)量。?H可通過柯克斯氣壓圖來求得，具體方法利用柯克斯氣壓圖上的數(shù)據(jù)來對蒸汽壓和溫度進行回歸冷凝去除的VOCs的焓變Hcon（每分鐘H未被冷凝的VOCs的焓變HunconH不能冷凝的空氣的焓變HnH式中：Nm——VOCs被冷凝為液體部分的摩爾流量，mol/minNi，m——氣流在冷凝裝置進口處VOCs摩爾No，m——氣流在冷凝裝置出口處VOCsTe——冷凝裝置出口處的氣流溫度，Tcon——冷卻溫度，cp——VOCs在Tecpair——空氣在Te冷凝器的熱負荷Hload Hload=1.1×60×式中：1.1冷凝器尺寸：下式可大致計算熱傳遞面積：Acon= ΔTLM式中：Acon——冷凝裝置中用于換熱的U——總傳熱Tcool，i——冷凝劑進入冷凝裝置時的溫度Tcool，o——冷凝劑排除冷凝裝置時的冷凝劑流量：氣體中的熱量在冷凝裝置中被交換至冷凝劑中，冷凝劑的流量的計算可通過能量守恒定理來計算： qcoolant=式中：qcoolantcp，coolant——在T

第4章生物法控制VOCs污染4.1生物法處理VOCs工藝由生物處理過程中微生物的存在方式和系統(tǒng)運作情況，將其分為兩個系統(tǒng)。一是附著生長系統(tǒng)，廢氣在通過填料的過程中被生長在填料表面的微生物降解，以此達到凈化的目的；二是懸浮生長系統(tǒng)，微生物在液體中，廢氣再通過生長有微生物的液體的過程中被降解。生物滴濾塔具備兩種系統(tǒng)的特點。表4-1生物法系統(tǒng)分類微生物存在體系液相分布連續(xù)相非連續(xù)相懸浮生長生物洗滌塔附著生長生物滴濾塔生物過濾塔4.1.1生物滴濾塔生物滴濾塔流程如圖4?1圖4-1生物滴濾塔工藝流程微生物吸附在濾料上會形成一層微生物膜，這層微生物膜還包含著其它的生物群落。該微生物膜由好氧區(qū)（外部）和厭氧區(qū)（內(nèi)部）兩個區(qū)域組成。微生物凈化廢氣的過程也是微生物生長繁殖的過程，生物膜會隨著時間逐漸變厚，當生物膜較厚時，會出現(xiàn)一種情況，有機物未達到微生物膜的內(nèi)部（厭氧區(qū)）便被消耗完，厭氧區(qū)的微生物無法進行正常的代謝，因此生物膜會脫落，然后再長出新的生物膜。對生物滴濾塔凈化效率造成影響的因素有：=1\*GB3①進氣流量、反應(yīng)器的體積及容積負荷。=2\*GB3②循環(huán)液噴淋量及濕度。=3\*GB3③營養(yǎng)液配比。=4\*GB3④系統(tǒng)pH。4.1.2生物洗滌塔生物洗滌塔的流程如圖4?1所示，洗滌塔由兩個部分組成：一是將有機物吸收在液體中的吸收部分；二是吸收進入液體的有機物被在液體中生存的微生物降解的部分。圖4-2生物洗滌塔工藝流程洗滌塔的作用便是為廢氣和循環(huán)液體中的微生物提供充分接觸的空間，二者接觸的面積和時間都會直接影響凈化的效率。鼓泡塔和多孔板式塔因結(jié)構(gòu)特點和處理效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。實踐中，提高氣液接觸面積、增加接觸時間以及在循環(huán)液中加入一些不會對微生物代謝造成影響的溶劑等方法來優(yōu)化處理效果。4.1.3生物過濾塔（1）生物過濾塔流程如圖4-3所示。首先廢氣從頂部進入過濾塔，然后廢氣在向下流動的過程中與填料進行接觸，填料表面吸附的微生物將廢氣中的有機物降解凈化，被凈化后的氣體最后從過濾塔的底部排除。生物過濾塔的運行過程中需要間歇性地噴灑營養(yǎng)液，為微生物正常生長提供良好的生長環(huán)境。生物過濾塔工藝與生物滴濾塔工藝最大的不同是生物過濾塔工藝的廢氣與營養(yǎng)液的流向一致，而生物滴濾塔工藝的廢氣與營養(yǎng)液的流向相反，其它結(jié)構(gòu)大致相似。生物過濾塔是典型的附著生長系統(tǒng)。在生物過濾塔內(nèi)，水不被看作有機物溶劑，故水、生物膜及填料被看作為一相：液/固相，因此在生物過濾塔內(nèi)僅存在兩相：氣相、液/固相。圖4-3生物過濾塔工藝流程（2）塔內(nèi)VOCs降解的模型：建立VOCs降解的整體模型需要建立氣相在填料上的傳質(zhì)模型和生物降解模型。反應(yīng)式如下：VOCs可知生物過濾塔中生物降解VOCs的方程為： rads式中：rads——Vρadsn、m——反應(yīng)級數(shù)；O2將O2的濃度看作恒定，故將式（4-1）改寫為： rads式中：b——生物的降解速率常數(shù)。過濾塔內(nèi)液/固相中VOCs、CO2的物料衡算方程： ?ρads?式中：ρads?——兩相處于平衡狀態(tài)時的液/固相污染物濃度，K——傳遞系數(shù)，傳遞模型：主體流入、擴散流入和相際傳遞是VOCs、CO2傳遞的主要流程，相際之間的傳遞量最后會被微生物分解利用，該模型選取氣流主體流向上的一各微小單元，其間隙速度為ν，高度為為?z，濾塔有效高度為L，孔隙率為θ，面積為S，VOCs在進出口的濃度則分別為ρi、ρo，然后流入量-流出量=相際傳遞量+累積量流出量：主體流出量=ρ擴散流出量=?流入量：主體流入量=ρ擴散流入量=?累積量：S相際傳遞量：K ?ρ?式中：θ——孔隙率；D——軸向擴散系數(shù)，υ——軸向間隙氣流速度，m/ρ——氣相主體中的污染物濃度，z——氣相主體在生物過濾塔中與軸的方向一致的式（4-4）表示的便是構(gòu)建的關(guān)于過濾塔中微生物降解污染物和生成CO2的傳遞模型，等式右邊的幾項分別為：1.擴散、2.對流項、3.液/固相和氣相間污染物的傳遞。污染物質(zhì)在生物過濾塔中被降解的模型可由式（4-4）得：?ρ表4-2過濾塔的相關(guān)參數(shù)參數(shù)參考值表面氣流速度10～100m降解能力6～16g壓力降500～1000Pa相對濕含量30%～60%停留時間15～60s酸堿度7～8填料高度0.5～1.0m

第5章工藝設(shè)計計算5.1集氣罩5.1.1說明集氣罩是煙氣凈化系統(tǒng)污染源的收集裝置，可將污染氣體導入凈化系統(tǒng)。集氣罩在污染氣體的收集過程中起重要作用，良好的設(shè)計能最大化的吸收污染氣體，減少對環(huán)境的污染。5.1.2設(shè)計計算本次設(shè)計采用兩個集氣罩，集氣罩1和2的廢氣量分別為30000m3/h和40000m3/h選取鋼材作為通風管道的材質(zhì)，廢氣在風管內(nèi)的流速取17m/s，則管徑： d d2=18.8取d1為800mm，d2為950mm式中：d—管徑；q—集氣罩廢氣量，q1=30000m3/h，q2=40000m3/h；v—廢氣在風管內(nèi)的流速，取17m/s。集氣罩的罩口處的廢氣流速選為2.7m/s，則罩口的面積為： A A2=式中：A—罩口的面積；q—集氣罩收集的廢氣量；v—罩口處的廢氣流速，取2.7m/s。則罩口的直徑： D D2=式中：D—罩口的直徑；A—罩口的面積；罩口直邊長度取：La=0.2m，則罩口敞開面周長：L L2=式中：L—罩口敞開面周長。罩口喇叭口長度設(shè)計為：L0≤3dL1=0.8m,L2=0.8m。5.2冷凝裝置設(shè)計（1）預(yù)算在101325Pa（760mmHg）下，丙酮和丁酮要達到85%回收率，計算所需的冷凝溫度由安托萬(Antoine)方程計算： logp=A? T=BA?式中：p——與液相平衡的氣體蒸氣壓，mmHg；T——系統(tǒng)溫度，℃；B和C——經(jīng)驗常數(shù)，查資料如下表所示。表5-1安托萬經(jīng)驗常數(shù)表ABC丙酮7.024471161224丁酮6.974211209.6216甲苯6.953341343.9219.4（鄰）二甲苯6.998911474.7213.7計算此時丙酮的溫度：pT同理得丁酮的溫度：T可知，僅靠水冷凝無法達成丙酮和丁酮目標回收率，故在查閱文獻后考慮在冷凝器前加設(shè)吸附脫附裝置以增大有機物濃度REF_Ref6277\r\h[2]，并加設(shè)增壓器來加壓以達成目標回收率。（2）冷凝溫度假設(shè)有機物濃度經(jīng)吸附脫附裝置后濃度增大40倍，再經(jīng)加壓器后氣壓增加至7600mmHg（10atm），計算此時丙酮和丁酮回收85%所需冷凝溫度。丙酮：pT丁酮：T可知此時冷凝溫度可以由冷凝水實現(xiàn)，定冷凝溫度為20℃。（3）各組分去除情況摩爾流量計算： q=Q22.4式中：q——摩爾流量，mol/h； Q——總廢氣流量，70000m3/h； φ——有機物體積分數(shù)。去除率計算： θ=1?式中：θ——去除率。查資料可得各組分的冷凝潛熱和比熱，如下表所示。表5-2物性數(shù)據(jù)及相關(guān)計算表摩爾質(zhì)量M(g/mol)摩爾流量q(mol/h)去除率θ(%)蒸發(fā)熱?H比熱Cp(KJ/(Kg*K))丙酮581500087.329.11211.28丁酮721125093.523.3262.30甲苯92750097.033.49221.13二甲苯106375098.743.46321.26空氣29406251.41（4）熱量衡算計算各組分與冷凝水交換熱量： H=q×θ×?H+q式中：?T計算得：H空氣=29×10-3×40625×1.41×(400-293)=1.8×105KJ/hH丙酮=58×10-3×15000×1.28×107+15000×0.873×29.1121=5×105KJ/hH丁酮=4.4×105KJ/hH甲苯=3.3×105KJ/hH二甲苯=2.1×105KJ/h冷凝器的熱負荷Hload： Hload=1.1×(H空氣+H丙酮+H丁酮+H甲苯+H二甲苯)=1.8×106KJ/h(5-10)式中：1.1——安全因子5.2.2冷凝裝置設(shè)計對數(shù)平均溫差 ?TLM式中：?TT1——廢氣入口溫度，123℃；T2——廢氣出口溫度，20℃；Tcool,i——冷凝劑入口溫度，15℃；Tcool,o——冷凝劑出口溫度，36℃。計算得：?冷凝劑流量 qcoolant=式中：qcoolant——冷凝劑（水）的流量；cp,coolant——在Tcool,o至Tcool,i溫度范圍內(nèi)冷凝劑的平均比熱容，4.18KJ/Kg*K。計算得：qcoolant=2.1*104Kg/h=21m3/h傳熱面積查資料得傳熱系數(shù)為455~1140w/(m2*k)，即1638~4104KJ/(m2*h*k)。 Acon=式中：Acon——冷凝器表面積；U——總的傳熱系數(shù)，設(shè)為1700KJ/(m2*h*k)。計算得：Acon=16m2概略尺寸傳熱管采用鋼管，外徑Do=25mm，內(nèi)徑Di=20.8mm，長度為5m，則需要的傳熱管根數(shù)Nt為： Nt=因為管側(cè)程數(shù)為6，取6的倍數(shù)，管子應(yīng)為42根。管間距Pt=80mm。折流板設(shè)計折流板個數(shù)為：4；折流板間距為：1m；折流板固定桿數(shù)：8個。5.3生物過濾器可知甲苯和二甲苯的去除率已經(jīng)大于95%，故由丙酮和丁酮來設(shè)計生物過濾器的尺寸已知提供的生物濾料上各有機物降解速率v為：丙酮：1.6；丁酮：0.4；甲苯：1.4；二甲苯：1.0kg/(m3*d)換算后為：丙酮：0.07；丁酮：0.02；甲苯：0.06；二甲苯：0.04kg/(m3*h)生物濾料體積 V體積=式中：m——各有機物達到目標去除率時的去除量，kg/h計算得甲苯和二甲苯達到目標去除率所需的生物濾料體積：甲苯：957m3；二甲苯：610m3故選擇生物濾料體積為1000m3。生物過濾器總尺寸設(shè)計采用4個相同尺寸的生物過濾器，則每個生物過濾器的生物濾料體積為250m3。設(shè)計單個生物過濾器的總體積為600m3，長寬高為4m×4m×10m。5.4管道系統(tǒng)選擇設(shè)計5.4.1管道內(nèi)廢氣流速一般工業(yè)通風管道內(nèi)的風速如下表：表5-3一般工業(yè)通風管道風速表風道部位鋼板和塑料風道(m/s)磚和混凝土風道(m/s)干管6~144~12支管2~82~65.4.2管道尺寸風管直徑計算公式： D=4Q3600式中：D——管道內(nèi)徑，m；Q——流體體積流量，m3/h;v——管內(nèi)流體的平均流速，m/s。則可得風管實際風速計算公式： v=4Q3600表5-4設(shè)計管徑及流速計算表管段流量(m3/h)流量(m3/s)管道外徑(mm)管道壁厚(mm)流