环境工程：某某某工厂有机废气处理分析研究设计.doc

本科毕业设计说明书题目某某某工厂有机废气处理分析研究设计专业环境工程班级B环工081学号0810303128学生姓名XXX指导教师XXX完成日期20130610I摘要大气污染是我国目前最突出的环境问题之一,工业废气是大气污染物的重要来源。大量工业废气排入大气,必然使大气环境质量下降,给人体健康带来严重危害。本设计利用填料式氢氧化钠洗涤和活性炭固定床吸附系统对工业有机废气进行净化。选用填料式吸收塔气液之间扰动剧烈，吸收阻力小，吸收效率高，操作稳定有合适的弹性。而在活性炭吸附器的设计上，本文采用了卧式多层设计。选用活性炭为吸附剂，具有吸附性能好，流体阻力小的特点。本设计主要设计五部分内容，包括有机废气的收集、有机废气的处理、连接管道的设计计算、辅助设备的设计计算以及相关设计图的绘制。其中还介绍了有机废气污染现状与危害，处理的工艺流程和原理、相关的各种标准规则，以及设备的选型与尺寸的计算和简要介绍了活性炭的再生。关键词工业有机废气；填料塔；固定床吸附器IITHEORGANICWASTEGASTREATMENTDESIGNOFAFACTORYABSTRACTAIRPOLLUTIONISONEOFTHECOUNTRYSMOSTPROMINENTENVIRONMENTALISSUE,INDUSTRIALEMISSIONSAREANIMPORTANTSOURCEOFATMOSPHERICPOLLUTANTSALARGENUMBEROFINDUSTRIALEMISSIONSINTOTHEATMOSPHERE,ISBOUNDTOTHEATMOSPHERICENVIRONMENTQUALITYANDBRINGSERIOUSHARMTOHUMANHEALTHTHISDESIGNUSESAPACKEDTYPEWASHINGOFSODIUMHYDROXIDEANDACTIVATEDCARBONFIXEDBEDADSORPTIONSYSTEMOFINDUSTRIALORGANICWASTEGASPURIFICATIONCHOOSINGPACKEDTYPEABSORBER,THEDISTURBANCESBETWEENTHEGASLIQUIDISVIOLENTED,ABSORPTIONOFSMALLRESISTANCE,ABSORPTIONOFHIGHEFFICIENCY,STABLEOPERATION,ANDAPPROPRIATEFLEXIBILITYMOREOVERTHEPROJECTCHOOSEACTIVATEDCARBONASSORBENT,WHICHHASLARGEADSORPTIONABILITYANDLOWRESISTANCETHISDESIGNISDESIGNEDOFFIVEPARTS,INCLUDINGCOLLECTIONOFORGANICWASTEGAS、PROCESSINGOFORGANICWASTEGAS、DESIGNANDCALCULATIONOFTHECONNECTIONPIPE、DESIGNOFAUXILIARYEQUIPMENTANDMAPPINGOFTHERELEVANTDESIGNITALSODESCRIBESTHECURRENTSTATUSANDHAZARDSOFORGANICPOLLUTIONEMISSIONS,PROCESSINGPROCESSANDPRINCIPLES,AVARIETYOFRELATEDSTANDARDRULES,ANDTHESELECTIONANDSIZECALCULATIONOFEQUIPMENTANDBRIEFINTRODUCTIONTOTHEREGENERATIONOFACTIVATEDCARBONKEYWORDSVOLATIEORGANICCOMPOUNDS；PACKEDTOWER；THEFIXEDBEDADSORPTIONSYSTEMI目录第一章绪论111概述1111有机废气的来源1112有机物对大气的破坏和对人类的危害112有机废气治理技术现状及进展2121各种净化方法的分析比较3第二章设计参数及目标421设计参数422设计目标423设计内容4第三章工艺流程说明531工艺选择532工艺流程6第四章主要设备设计641集气罩的设计计算7411集气罩气流的流动特性7412集气罩的分类及设计原则7413集气罩的选型842填料塔的设计计算9421填料塔简介9II422填料吸收塔设计方案的确定10423填料的类型和选择12424填料塔工艺尺寸的计算1743吸附塔的设计计算20431基本原理20432吸附等温线与吸附等温方程式21433吸附速率23434吸附器选择的设计计算23435吸附剂的选择25436空塔气速和横截面的确定26437固定床吸附层高度的计算27438床层压降的计算28439活性炭再生的计算2944管道系统设计计算30441配置的一般原则30442管网的布置方式30443管道热补偿30444管道直径的确定31445管道内流体的压力损失31第五章风机和电机的选择3451风量计算3452风压计算3453风机型号35III54电机型号35第六章烟囱的设计3661设计参数3662烟囱出口面积3663烟囱的内径36第七章工程造价3771工程造价3772运行费用核算38721价格标准38722运行费用38第八章结论4081结论40参考文献41致谢431第一章绪论11概述111有机废气的来源有机废气来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气，特点是数量较大，有机物含量波动性大、可燃、有一定毒性，有的还有恶臭。石油和化工工厂及石化产品的存储设施，印刷及其他与石油和化工有关的行业，使用石油、石油化工产品的场合和燃料设备，以石油产品为燃料的各种交通工具都是有机废气的源头。有机废气的来源和污染途径见表111。表11有机废气的来源和污染途径1类型TYPE污染源POLLUTIONSOURCES污染途径POLLTIONPATHWAYS固定源SOLIDSOURCES石油炼制、储存、印刷、油漆、化工行业的有机原料及合成材料，农药、染料、涂料等化工产品，炼焦、固定燃烧装置石油炼制过程，化工产品生产工艺中泄露、存储设施中蒸发，废水有机物的蒸发，油墨、涂料中有机物蒸发，消毒剂、农药、染料等加工过程中有机物的蒸发、垃圾焚烧炉中不完全燃烧，饮食业煎、炸、烤类食物流动源MOBILESOURCES汽车、轮船、飞机曲轴箱漏气、尾气排放112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VOCSVLATILEORGANICCOMPOUNDS，在涂装、印刷、2制鞋和化工生产的许多兴业中，一些工业产品生产工艺过程都会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（1）VOCS是光化学反应的前提，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瘤变或引起其它严重疾病，如苯对骨髓的造血机能造成破坏，是一种致瘤物；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时间已发生过多起，而涂料工业使用的溶剂中，主要是甲苯、二甲苯和其他毒性有机物。光化学烟雾也会危害人的健康和植物的生长，在1965年日本各大城市频繁发生光化学烟雾，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EPA（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VOCS2。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（GB162971996）也规定了苯、甲苯、氯化氢等排放较为严格的标准，如表12所示。表12几种废气排放的二级排放标准废气最高允许排放浓度3/MG3苯甲苯氯化氢124010012有机废气治理技术现状及进展根据有机废气的成分特性，研究人员目前已经研发了许多适用的治理技术。按照污染物的去向形式，可将有机废气治理技术分为两大类一是浓缩回收。浓缩回收是指采用吸收、吸附、冷凝、膜分离等方法将有机废气中低浓度的挥发性有机物浓缩回收再生；二是分解消除。分解消除是指利用光、电、热、催化剂、等离子体或微生物等作用将有机废气中低浓度的挥发性有机物彻底分解转化为水和二氧化碳等物质，从而达到去毒化的目的。在实际应用中，工业有机废气处理常用的方法有吸附法、吸收法、催化燃烧法、热力燃烧法等3。近年来又出现了一些新技术，如生物法、电晕法、光分解法等离子体分解法。虽然有机废气治理技术目前已经多样化，但每种治理方法都存在一定的适用性和局限性，而且不同排放源的废气组成也千差万别。因此，对于企业来说，统筹考虑有机污染物的种类、性质、浓度、净化要求和经济性等因素，综合选择适当的有机废气治理方法显得至关重要。121各种净化方法的分析比较解决有机废气的污染，最根本的方法是工艺改革。采用无害涂料。无害溶剂在现阶段生产中是不能马上实现的，苯类溶剂使用量仍然很大。所以必须解决废气净化问题。目前国内常采用的三种净化方法分析比较见表13。表13国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较3净化类别优点缺点4活性炭吸附法1可处理大风量、低浓度的有机废气2可回收溶剂3不需要加热4净化效率高，运转费用低1净化废气前，需要进行预处理2仅限于低浓度3设备庞大催化燃烧法1设备简单、投资少、操作方便，占地面积小2热量可以循环利用3有利于净化高浓度废气1催化剂成本高2要考虑催化剂中毒和表面异物附着，易失效液体吸收法1操作流程简单，吸附价格便宜2净化气体不需要预处理3建造快、占地1后处理大、费用高2对溶剂成分处理量大4第二章设计参数及目标21设计参数（1）设计范围有机废气；（2）处理风量10000M3/H；（3）废气温度25；（4）净化率90；（5）排气筒高度15M；（6）排放浓度达到GB162971996大气污染物综合排放标准中二级标准；（7）进气参数苯100MG/M3，甲苯80MG/M3，氯化氢1000MG/M3。22设计目标（1）严格执行国家有关环境保护的各项规定，确保各项污染指标达到国家及地区有关污染物排放标准；（2）经本处理工艺处理后的废气，将不会产生二次污染；（3）本处理工艺运行安全可靠，处理效果好，维护简单方便；（4）采用低耗能、地运行费用、基建投资少、维护管理方便；（5）工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中有较大的调节余地；（6）排放标准苯12MG/M3，甲苯40MG/M3，氯化氢100MG/M3。23设计内容引用标准及设计规范等引用标准GB162971996大气污染物综合排放标准；引用标准GB503162000工业金属管道设计规范；5引用手册环境保护设备选用手册。5第三章工艺流程说明31工艺选择处理工艺的选择，应根据气量的大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运转的经济型等条件全面考虑，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。氯化氢是无色而有刺激性气味的气体4。氯化氢水溶液为盐酸，纯盐酸为无色液体，在空气中冒雾（由于盐酸有强挥发性），有刺鼻酸味。粗盐酸因含杂质氯化铁而带黄色。它易溶于水，在0时，1体积的水大约能溶解500体积的氯化氢。氯化氢的水溶液呈酸性，叫做氯化酸，习惯上叫盐酸。根据氯化氢的气体性质，采用液体吸收法净化，净化效率为95。苯，分子式C6H6，分子量7811，相对密度（0879420）比水轻，且不溶于水，因此可以漂浮在水面上。苯的熔点是551，沸点为801，燃点为56222，在常温常压下是无色透明的液体，并具强烈的特殊芳香气味。因此，苯遇热、明火易燃烧、爆炸，苯蒸气与空气混合物的爆炸限是1480。常态下，苯的蒸气密度为277，蒸气压1333KPA261。苯是常用的有机溶剂，不溶于水，能与乙醇、氯仿、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、冰醋酸、丙酮、油等混溶，因此常用作合成化学制品和制药的中间体及溶剂。苯能与氧化剂发生剧烈反应，如五氟化溴、氯气、三氧化铬、高氯酸、硝酰、氧气、臭氧、过氯酸盐、三氯化铝过氯酸氟、硫酸高锰酸盐、过氧化钾、高氯酸铝乙酸、过氧化钠等。甲苯是有机化合物，属芳香烃，分子式为C6H5CH3。在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为1108，凝固点为95，密度为0866GM3。甲苯温度计正是利用了它的凝固点比水很低，可以在高寒地区使用；而它的沸点又比水的沸点高，可以测61108以下的温度。因此从测温范围来看，它优于水银温度计和酒精温度计。另外甲苯比较便宜，故甲苯温度计比水银温度计也便宜。甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。根据苯和甲苯的性质我们采取活性炭吸附法进行净化，净化效率达955。32工艺流程及说明1集气罩2填料塔3吸附塔4离心风机5提供蒸汽风机6烟囱图31工艺流程图该处理工艺系统组合十分紧凑，集吸收吸附脱附于一体。在生产过程所产生的废气主要为氯化氢、苯、甲苯等，根据氯化氢及苯类性质，本方案采用氢氧化钠作为吸收剂和活性炭作为吸附剂对废气进行吸收处理。配置一台填料塔和二台吸附床（当一台吸附床的有机物达到规定的吸附量时，换到另一台吸附床进行吸附净化操作，同时对前面一天吸附床进行脱附再生。）。生产中挥发出来的废气，通过集气罩收集，将其送到填料塔以氢氧化钠作为吸收剂，在塔内的气体从下到上通过吸收剂对气体进行处理，处理后的气体从塔上方排出后进入吸附塔以活性炭作为吸附剂，在塔内的气体从下到上通过活性炭滤层对气体进行处理，净化后的气体经过风机打到烟囱。如图31所示77第四章设计与计算41集气罩的设计计算该系统用以捕集污染物的装置大多数呈罩子形状，通常称为集气罩。集气罩，是烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。其性能对净化系统的技术经济指标有直接的影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式是多种多样的。设计完善的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下，用较小的排风量过的最佳的控制效果；而设计不良的集气罩即使用很大的排风量也达不到预期的目的。在控制气体中扩散效果相同的前提下，排风量越大，则整个净化系统也越大，投资与运行费用也相应增加。因此，集气罩的设计是气体净化系统设计的重要环节67。411集气罩气流的流动特性研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的。集气罩罩口气流运动方式有两种一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是吹起口气流的吹出流动。了解吸入气流、吹出气流及两种气流合成的吹吸气流的运动规律，是合理设计和使用集气罩的基础。吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的。吹出气流在较远处仍旧能保持其能量密度，吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度急剧下降。这亦表明，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受。因此，可以利用吹出气流作为动力，把污染物输送到吸气口再捕集，或者利用吹出气流阻挡、控制污染物的扩散。412集气罩的分类及设计原则集气罩的种类繁多，应用广泛。按其气流流动的方式可分为两大类吸气式集气罩和吹气式集气罩。按集气罩与污染源的相对位置及密闭情况，还可将吸气式集气罩分为密闭式、8排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。其集气罩的设计原则为（1）集气罩应尽可能将污染源包围起来，使污染物的扩散限制在最小的范围内，以便防止横向气流的干扰，减少排气量；（2）集气罩的吸气方向尽可能与污染气流运动方向一致，充分利用污染气流的初始动能；（3）在保证控制污染的条件下，尽量减少集气罩的开口面积，以减少排风量；（4）集气罩的吸气气流不允许经过人的呼吸区再进入罩内；（5）集气罩的结构不应妨碍人工操作和设备检修。413集气罩的选型由于受工艺条件限制，一般产生有机废气的车间无法进行密闭，且喷气车间室内横向气流干扰较小，可采用外部集气罩的上部伞形罩，如图41所示图41集气罩外形图其基本参数如下排风量Q10000M3H，钢板制圆形风管，取风速12M/S罩口速度对照表41，确定V08M/S表41集气罩罩口速度8条件举例罩口速度，M/S9扬尘速度极低，没有干扰气流（1）烟尘从敞口容器外溢（2）液面蒸发（3）浸槽02505扬尘低速飞散，无干扰气流（1）喷漆（2）酸洗（3）焊接0510扬尘较高速飞散，有较小干扰气流（1）开炼机、密炼机（2）装袋、装桶（3）解包车1025扬尘高速飞散，有干扰气流（1）喷砂（2）粉磨机（3）砂轮机2510罩口面积（41）2050174368QAMV罩口直径（42）049D罩口直边长度（43）2L罩口敞开面周长（44）04437160AM罩口喇叭口长度取（45）03D59罩的扩张角（46）02L99ARCTN406D1（在允许范围内）圆形工作台特征尺寸（47）0M工作台至地面高度（48）5OHD0D64215又01240（设计符合要求）（49）10污染源至罩口高度（410）07150DH1MH取42填料塔的设计计算421填料塔简介填料塔679是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料。422填料吸收塔设计方案的确定4221装置流程的确定10（1）逆流操作。气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。11（2）并流操作。气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。（3）吸收剂部分再循环操作。在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下情况当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数M值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。（4）多塔串联操作。若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。（5）串联并联混合操作。若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小否则易引起塔的液泛，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。121吸收塔2贮槽3泵4冷却器图42逆流吸收塔图43串联逆流吸收塔流程1吸收塔2泵3冷却器1吸收塔2贮槽3泵4冷却器5换热器6解吸塔图44吸收剂部分循环吸收塔图45吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程本设计采用逆流装置流程。4222吸收剂的选择吸收过程11是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面（1）溶解度。吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的需用量。（2）选择性。吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。13（3）挥发度要低。操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。（4）粘度。吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。（5）其他。所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。工业上常用的吸收剂列于表42。表42工业常用吸收剂12溶质吸收剂氨水、硫酸丙酮蒸气水氯化氢碱液二氧化碳水、碱液、碳酸丙烯酯二氧化硫水硫化氢碱液、砷碱液、有机溶剂苯蒸气煤油、洗油丁二烯乙醇、乙腈二氯乙烯煤油一氧化碳铜氨液本设计选用5的NAOH。4223操作温度与压力的确定（1）操作温度的确定。由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。14（2）操作压力的确定。由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力13。423填料的类型和选择塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。4231散装填料散装填料14是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料。环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较典型的散装填料。（1）拉西环填料。拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。图46拉西环填料图47鲍尔环填料图48阶梯环填料（2）鲍尔环填料。鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相15比，其通量可增加50以上，传质效率提高30左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。（3）阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。（4）弧鞍填料。弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。（5）矩鞍填料。将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（6）环矩鞍填料。环矩鞍填料国外称为INTALOX是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，是工业应用最为普遍的一种金属散装填料。4232规整填料规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。16加工中，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，倾角为30以代号BX或X表示，倾角为45以代号CY或Y表示。（1）金属丝网波纹填料是阿波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。其特点是压降低。分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。（2）金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多4MM6MM的小孔，可起到粗分配板片上的液体。加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。（3）波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低。4233填料种类的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面（1）传质效率。传质效率即分离效率，它有两种表示方法一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP或HTU值低的填料。对于常用的工业填料，其HETP或HTU值可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。（2）通量。在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相17动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。（3）填料层的压降。填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗越低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降P/NT。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出。（4）填料的操作性能。填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。4234填料规格的选择通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同，现分别加以介绍。散装填料规格的选择。散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。4235填料材质的选择18工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。（1）陶瓷填料。陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。（2）金属填料。金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价极高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除CL以外常见物系的腐蚀，但其造价较高。金属填料可制成薄壁结构0210MM，与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。（3）塑料填料。塑料填料的材质主要包括聚丙烯PP、聚乙烯PE及聚氯乙烯PVC等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100以下使用。聚丙烯填料在低温低于0时具有冷脆性，在低于0的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有质轻。价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。424填料塔工艺尺寸的计算4241填料塔参数确定（1）填料的规格及相关参数本设计拟选用505045规格陶瓷鲍尔环填料（乱堆）19。填料参数为120M1230/A（2）计算泛点气速UF本设计采用质量分数5的NAOH为吸收液（参数近似取水的物理参数）。取液气比35LG因，即（411）/MWMG所以（412）55472169LGO查埃克特通用关联图知（413）20216FGLUG图49埃克特关联图吸收液温度为20，L1MPAS可得（414）375/FMS（3）计算操作气速U操作气速为（415）0737524/FMS（4）计算塔径填料塔中的混合气体体积流量为（4331078/GVHS16）取D12M（417）4278134GVDMU20（5）利用圆整后的塔径重新计算操作气速U（418）247846/31MS（6）校核填料直径与塔体直径的比符合要求（419）05DD（7）校核填料塔的喷淋密度当填料时，填料最小润湿率为填料层高度的计算由设计资料得（420）3114/,07LAGAKMOLHTKH当地大气压（421）0968957PP入塔气体中污染物体积含量（422）264Y出塔气体中污染物体积含量（423）131061435则入塔气体中污染物的分压（424）2096409AYPATMP则出塔气体中污染物的分压（425）115360AYT吸收液中活性则组分的临界浓度（426）2412907KPPAPGABL填料塔液相进口的临界浓度（427）314953/KPKMOLC填料塔液相进口的临界浓度（428）32024/KPKL液相进口处活性组分的浓度（429）3315/40125/BCKMOL液相总（430）36/8TL由物料平衡式知得（431）112ABTPCGBL21TBAPCLGB21即（432）20593025631BC则（433）2/1BKMOLC因,所以塔中反应为界面反应。11,22KPBKPB求25时气体的摩尔体积V因,则（434）OT24735V得（435）45/VLOL气体的摩尔流率（436）22/309/6GD4MHKOL流体的摩尔流率（437）224309126/8/KMOLHKGHL填料塔床层高取55M（438）05933141DPAMH4242填料塔床层压降的计算（439）20220214785698FGLUG查埃克特通用关联图知由于前已计算横坐标为0160，查埃克特通用关联图可知填料塔床层压降2000PA（440）P4243填料塔附件选择（1）选用斜口气体分布器，进口管直径450MM，进口风速1748M/S，阻力约500PA；（2）选用栅板支承板，阻力约200PA；（3）选用多孔盘管式液体分布器，阻力约为50PA；（4）选用液封排液装置；（5）选用折板除雾器，出口管直径250MM，阻力约100PA。4244填料塔总压降22（441）205012850PPA43吸附塔的设计计算431基本原理4311吸附原理在用多孔性固体物质处理流体混合物时，流体中的某一些组分可以被吸引到固体表面并浓集其上，此现象称为吸附，吸附处理废气时，吸附的对象是气态污染物，被吸附的气体组分称为附质，多孔性物质称为吸附剂。固体表面吸附了吸附质后，一部分被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离，此现象称为脱附。而当吸附进行一段时间后，由于表面吸附质的浓集，使其吸附能力明显下降而不能满足吸附净化的要求，此时需要采用一定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质脱附，已恢复吸附剂的吸附能力，这个过程称为吸附剂的再生。因此，在实际工作中，正是利用吸附剂的吸附再生吸附的循环过程，达到除去废气中污染物质并回收废气中有用组分的目的。由于多孔性固体吸附剂表面存在着剩余吸引力，固表面具有吸附力。根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附，但同一污染物可在较低温度下发生物理吸附，而在较高温度下发生化学吸附，或者两种吸附同时发生，两者之间没有严格的界限。两者的主要区别见下表4315表43两种吸附比较性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附层数单层活多层单层吸附热小近于液化热大近于反应热选择性无或很差较强可逆性可逆不可逆23吸附平衡易达到不易达到吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质分解压降低或温度升高时，容易发生脱附。工业上的吸附操作正是利用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收利用的。432吸附等温线与吸附等温方程式4321吸附等温线在气体吸附中，其平衡关系可表示为AF（P，T）（442）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，可分别会出相应的关系曲线，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汽的吸附测定，吸附等温线形式可归纳为六种基本类型。（1）朗格谬尔方程式朗格谬尔吸附理论假定吸附仅是单分子层的；气体分子在吸附剂表面上吸附于脱附呈动态平衡；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；气体的吸24附速率与该气体在气相的分压成正比。根据上述假设，可推导出朗格缪尔等温式（443）1AP式中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。朗格缪尔等温式的另一种表现形式为（444）V1MAP式中VM单分子层覆盖满时（1）的吸附量；V在气相分压P下的吸附量。在压力很低时，或者吸附很难时，上式变成（445）1APVMAP由朗格缪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，朗格缪尔等温式不能在较大的范围内与实验结果相吻合。（2）弗罗因德利希方程式（446）1NXQKPM式中Q固体吸附气体的量，KG/KG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，KG；X被吸附气体的质量。25费罗因德利系等温方程式只是一个经验式，它所适用的范围比朗格缪尔式要大些，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）BET方程由于朗格缪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BET理论。它除了接受朗格缪尔理论地几条假定，即固体表面是均匀的，被吸附分子不受其他分子的影响，吸附与脱附在吸附表面达到动态平衡以外，还以为在吸附剂表面吸附了一层分子以后，由于范德华力的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447001CPMCP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；PO实际温度下气体的饱和蒸汽压；C与气体有关的常数。很多实验证明，当比压P/PO在范围内时，BET公式是比较准确的，在低压下可以与朗格缪尔等温式一致。433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，吸附量取决于吸附速率，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。26（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。434吸附器选择的设计计算吸附器的设计计算因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。对吸附器的基本要求（1）具有足够的过气断面和停留时间；（2）良好的气流分布；（3）预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质；（4）能够有效地控制和调节吸附操作温度；（5）易于更换吸附剂。吸附工艺根据吸附剂在吸附器上的工作状态，可将吸附器分为固定床、移动床和流化过程，相应的三种吸附器的主要特点比较见表44表44三种吸附器主要特点比较16类型主要特点比较固定床吸附器1结构简单、制造简单、价格低廉2适用于小型、分散、间歇性的污染物治理3媳妇和脱附交替进行、间歇操作4应用广泛27移动床吸附器1处理气体量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连续、量大的气体净化2吸附和脱附连续完成3动力和热力消耗较大，吸附剂磨损较为严重流化床吸附器1结构复杂，造价昂贵2气体和固体接触相当充分3生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染源4吸附剂和容器的磨损严重结合工艺特点和经济技术可行性分析，本设计吸附器采用卧式圆锥形固定床吸附器，壳体为椭圆形，其优点是流体阻力小，可以减少气体流经吸附床层的动力消耗，易产生气流分配不均匀现象。抽屉式的装卸吸附剂方式非常方便，利于操作。基础运行参数如下处理风量10000M/H吸附器外观尺寸LBH520026003000MM材料钢板4压降10PA数量两台并联，脱附吸附交替运行435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；282具有良好的选择性吸附作用；3吸附容量大；4具有良好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。常用的吸附剂主要有活性炭、硅胶、分子水沸石、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。在空气净化领域中普遍认为大风量、低浓度有机废气的净化是个难题，这类废气的特点是排风量大、废气中同时存在几种污染物而且每种浓度都较低，一般在1G/M3以下，这种情况下采用回收或直接燃烧的方法是不经济的，为解决这一难题,笔者专门研制了蜂窝状活性炭17，并进行了批量生采用吸附净化、脱附再生和催化燃烧相结合的原理,设计了适合于大风量、低浓度有机废气治理的设备。实际应用表明蜂窝状活性炭吸附性能好、脱附速率快，完全满足了工艺使用要求。近年来,随着大风量有机废气净化装置的大量推广应用，蜂窝状活性炭的产量逐年增加，生产规模也不断扩大。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4529表45蜂窝状活性炭的性能表18性能TF1TF2外形尺寸长宽高MM10050501005050孔数CM21616孔壁厚MM0505纵向耐夺强度MPA08039横向耐压强度MPA03211密度G/CM304050405比表面积M2/G700700苯吸附率着火点2020着火点550550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18。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