【正文】 務(wù)書日期：2022 年 1 月 26 日 指導(dǎo)教師簽名：預(yù)計(jì)完成日期： 2022 年 6 月 15 日 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章：主管院長簽章：II摘 要近年來，人們逐漸認(rèn)識到有機(jī)廢氣對環(huán)境和人類健康的巨大危害性，因此在環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)τ袡C(jī)廢氣的治理越來越受到人們的重視。（5）其它要求：包括制造工藝要求、節(jié)能要求、安全要求、質(zhì)量檢測要求以及應(yīng)遵循的國家法令、政策、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等。（4）經(jīng)濟(jì)性要求。（3）可靠性要求。 （2）技術(shù)要求。有機(jī)廢氣量 20220m3/h，主要污染物組分：苯 100mg/m甲苯80mg/m二甲苯 100mg/m3。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）活性炭吸附工業(yè)有機(jī)廢氣的工程設(shè)計(jì)學(xué) 院 環(huán)境科學(xué)與工程 專 業(yè) 環(huán)境工程 年級班別 2022 級 1 班 學(xué) 號 3203000227 學(xué)生姓名 黃少翠 指導(dǎo)教師 李彥旭 （2022 年 6 月 6 日 ）廣東工業(yè)大學(xué)教務(wù)處制20220 m3/h活性炭吸附工業(yè)有機(jī)廢氣的工程設(shè)計(jì) 黃 少翠 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)廣東工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書題目名稱 活性炭吸附工業(yè)有機(jī)廢氣的工程設(shè)計(jì)學(xué) 院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級 環(huán)境工程 2022（1）班姓 名 黃少翠學(xué) 號 3203000227一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容（1）文獻(xiàn)檢索、資料收集和翻譯；（2）制定設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容；（3）編寫設(shè)計(jì)說明書和繪制工程圖紙；（4）工程概算和經(jīng)濟(jì)分析。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)（1）基本設(shè)計(jì)參數(shù)。排放標(biāo)準(zhǔn)：苯 12mg/m甲苯 40mg/m二甲苯70mg/m3。滿足相應(yīng)的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)以及國家相關(guān)技術(shù)政策、凈化效率和操作適應(yīng)負(fù)荷范圍等。包括預(yù)定使用壽命，設(shè)計(jì)可靠性分析以及設(shè)計(jì)結(jié)果的敏感性分析等。包括工程概算、成本分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作（1）紙質(zhì)設(shè)計(jì)說明書及其電子版本；（2）譯文及原文影印件。本設(shè)計(jì)將介紹一種有效且最廣泛使用的工業(yè)有機(jī)廢氣的凈化技術(shù)—活性炭吸附法。經(jīng)過該系統(tǒng)之前，廢氣會(huì)先用干式除塵器進(jìn)行預(yù)處理，去除廢氣中的霧狀物及粉塵，從而避免了這些物質(zhì)堵塞活性炭微孔，影響活性炭的吸附效性能。選用活性炭為吸附劑，具有吸附性能好，流體阻力小的特點(diǎn)。其次，本文將系統(tǒng)介紹所采用技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)過程計(jì)算。還給出了綜合性的評價(jià)和可行性的建議。移動(dòng)源主要有汽車、輪船和飛機(jī)等以石油產(chǎn)品為燃料的交通工具的排放氣； 固定源的種類極多, 主要為石油化工工藝過程和儲(chǔ)存設(shè)備等的排出物及各種使用有機(jī)溶劑的場合, 如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、粘合劑、制藥、塑料、涂料和橡膠加工等。VOCs 廢氣排入大氣環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的影響: ①VOCs 是光化學(xué)反應(yīng)的前體,有陽光照射時(shí) ,在合適的條件下VOCs 與NOx及其它懸浮化學(xué)物質(zhì)發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng),主要生成臭氧,形成光化學(xué)煙霧,從而發(fā)生光化學(xué)污染； ②光化學(xué)煙霧會(huì)刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng),有些VOCs 還具有強(qiáng)烈刺激氣味,空氣中達(dá)到一定濃度時(shí)則產(chǎn)生令人不適的感覺,影響空氣質(zhì)量； ③有些有毒的VOCs (如芳香烴等) 氣體在環(huán)境中存在會(huì)損害人們的健康 ,長時(shí)間暴露在污染空氣中會(huì)引發(fā)癌變或引起其它嚴(yán)重疾病, 如苯對骨髓的造血機(jī)能造成破壞, 是一種致癌物； 甲苯和二甲苯對中樞神經(jīng)具有強(qiáng)的麻醉作用； 氯乙烯為致癌物。光化學(xué)煙霧也會(huì)危害人的健康和植物的生長，1965 年日本各大城市頻繁發(fā)生的光化學(xué)煙霧, 1966 年美國洛杉磯的光化學(xué)煙霧均對人類健康造成危害。美國環(huán)保署 EPA（Environmental Protection Agency）定義的污染物中 VOCs 占了 300 多種，而美國 1990 年的《清潔空氣法》 （Clean Air Act）要求減少 90%排放量的 189 種毒性化學(xué)物中，70%屬于 VOCs 。表 1. 1 幾種 VOCs 排放的國家標(biāo)準(zhǔn)VOCs 最高允許排放濃度(mg/ m 3)苯 12甲苯 40二甲苯 70氯乙烯 36注：這是對新污染源的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，有機(jī)廢氣的治理技術(shù)也多種多樣，各種治理技術(shù)也存在自己不同的優(yōu)缺點(diǎn)。有機(jī)廢氣治理的方法主要有回收法和消除法兩類。物理一化學(xué)法包括熱破壞法、光分解法、電暈法、臭氧分解法等。活性炭吸附法凈化率可達(dá)95%以上，若無再生裝置，則運(yùn)行費(fèi)用太高，若用蒸汽回收，則工藝流程過長，操作費(fèi)用高，回收的溶劑和水的混合物利用價(jià)值也不高；再生時(shí)需要有穩(wěn)定的蒸汽源，且活性炭經(jīng)反復(fù)吸附脫附后吸附能力會(huì)逐漸降低，一般使用二三年后就得更換。催化燃燒法凈化率可達(dá)95%，但適合于處理高濃度、小風(fēng)量且廢氣溫度較高的有機(jī)廢氣，而且要求氣體的溫度較高，為了提高廢氣溫度，要消耗大量的能源。針對這些問題，現(xiàn)有新型裝置的吸附器采用一種多單元分流組合結(jié)構(gòu)，并以新型材料――活性炭纖維作為吸附劑，采用PLC電腦來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。采用無害涂料、無害溶劑在現(xiàn)階段生產(chǎn)中是不能馬上實(shí)現(xiàn)的, 苯類溶劑使用量仍然很大。目前國內(nèi)常采用的三種凈化方法分析比較見表 ?？苫厥杖軇?。凈化效率高, 運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。僅限于低濃度。催化燃燒法設(shè)備簡單、投資少、操作方便、占地面積小。有利于凈化高濃度廢氣。要考慮催化劑中毒和表面異物附著, 易失效。廢氣凈化不需預(yù)處理。后處理投資大, 費(fèi)用高。 32 設(shè)計(jì)任務(wù)說明 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)內(nèi)容為 20220 m3/h 活性炭吸附工業(yè)有機(jī)廢氣的工程設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括：廢氣治理工藝、主體設(shè)備選型和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)，管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及吸附劑再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，應(yīng)完成工作：（1）紙質(zhì)設(shè)計(jì)說明書及其電子版本；（2）譯文及原文影印件。3/g甲苯濃度為 80 ,二甲苯濃度為 100 ，3/m 設(shè)計(jì)出氣指標(biāo)依據(jù)廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物排放限值》 （DB44/272022）一級排放標(biāo)準(zhǔn) ,]3[具體數(shù)據(jù)見表 21: 表 單位 mg/m3指 標(biāo) 苯 甲苯 二甲苯出氣濃度 ≤12 ≤40 ≤70 設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）嚴(yán)格執(zhí)行國家有關(guān)環(huán)境保護(hù)的各項(xiàng)規(guī)定，確保各項(xiàng)污染指標(biāo)達(dá)到國家及地區(qū) 4有關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。（3）本處理工藝運(yùn)行可靠，處理效果好，維護(hù)管理方便。（5）工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型能夠在生產(chǎn)運(yùn)行過程中具有較大的調(diào)節(jié)余地。目前 ,國內(nèi)外對有機(jī)廢氣治理的常用方法有三種:液體吸收法、活性炭吸附法及催]4[化燃燒法。針對這些問題,結(jié)合本畢業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和具體要求，采用利用活性炭固定床吸附系統(tǒng)對工業(yè)有機(jī)廢氣進(jìn)行凈化，選用蜂窩狀活性炭做為吸附劑。 2 除霧過濾器。 4 提供蒸汽的風(fēng)機(jī)。 6 排氣罩.圖 有機(jī)廢氣工藝流程圖 6該處理工藝系統(tǒng)組合十分緊湊,集吸附脫附于一體。脫附是在外加蒸汽的作用下通過加溫進(jìn)行的,由尾氣放出的熱氣流大部分用于吸附床吸附劑的脫附再生,達(dá)到余熱的利用。如 附圖 1 所示 74 設(shè)計(jì)與計(jì)算 基本原理 吸附原理在用多孔性固體物質(zhì)處理流體混合物時(shí)，流體中的某一些組分或某些組分可被吸引到固體表面并濃集其上，此現(xiàn)象稱為吸附 。固體表面吸附了吸附質(zhì)后，一部分被吸附的吸附質(zhì)可從吸附劑表面脫離，此現(xiàn)象稱為脫附。因此，在實(shí)際工作中，正是利用吸附劑的吸附－再生－吸附的循環(huán)過程，達(dá)到除去廢氣中污染物質(zhì)并回收廢氣中有用組分的目的。根據(jù)吸附劑表面與被吸附物質(zhì)之間作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附，但同一污染物可在較低溫度下發(fā)生物理吸附，而在較高溫度下發(fā)生化學(xué)吸附，或者兩種吸附同時(shí)發(fā)生，兩者之間沒有嚴(yán)格的界限。工業(yè)上的吸附操作正是利用這種可逆進(jìn)行吸附劑的再生及吸附質(zhì)的回收利用的。當(dāng)用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質(zhì)時(shí)，由于吸附劑表面沒有吸附質(zhì)，因此也就沒有吸附質(zhì)的脫附。但從宏觀上看，同一時(shí)間內(nèi)吸附質(zhì)的吸附量仍大于脫附量，所以過程的總趨勢認(rèn)為吸附。平衡時(shí)，吸附質(zhì)再在流體中的濃度和在吸附劑表面上的濃度不再變化，從宏觀上看，吸附過程停止。當(dāng)吸附質(zhì)與吸附劑長時(shí)間接觸后，終將達(dá)到吸附平衡。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中十分重要的參數(shù)。吸附等溫線通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制，也常用各種經(jīng)驗(yàn)方程式來表示。達(dá)到吸附平衡時(shí)，平衡吸附量與吸附質(zhì)在流體中的濃度與吸附溫度間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，此關(guān)系即為吸附平衡關(guān)系，其一般都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的，也可以用經(jīng)驗(yàn)方程式表示。對一定的吸附體系可測得如下關(guān)系： ① 當(dāng)保持 T 不變，可測得 A 與 P 的變化關(guān)系② 當(dāng)保持 P 不變，可測得 A 與 T 的變化關(guān)系 9③ 當(dāng)保持 A 不變，可測得 P 與 T 的變化關(guān)系依據(jù)上述變化關(guān)系，可分別繪出相應(yīng)的關(guān)系曲線，分別為吸附等溫線，吸附等壓線和吸附等量線。 吸附等溫線描述的是在吸附溫度不變的情況下，平衡時(shí)，吸附劑的吸附量隨氣相中組分壓力的不同而變化的情況。 吸附等溫方程式根據(jù)大量的吸附等溫線整理出描述吸附平衡狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)方程式，即為吸附等溫方程式，其中有的完全依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的規(guī)律整理而得，一定條件范圍內(nèi)具有應(yīng)用意義，但不具有理論指導(dǎo)意義，如弗羅因德利希（Freundlich）吸附等溫方程式；有些是以一定的理論假設(shè)為前提得出的方程式，如朗格謬爾（Langmuir）吸附等溫方程式和 BT 方程，后者應(yīng)用較多。根據(jù)上述假設(shè)，可推導(dǎo)出朗格謬爾等溫式： ap??1?式中 θ ——吸附劑表面被吸附分子覆蓋的百分?jǐn)?shù)； a ——吸附系數(shù)，是吸附作用的平衡常數(shù)； p ——?dú)庀喾謮?。在壓力很低時(shí)，或者吸附很若時(shí)，ap≤1,上式變成：V=V map 10由朗格謬爾等溫式得到的結(jié)果與許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合，能夠解釋很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此，它目前仍是常用的、基本的等溫式。（2）弗羅因德利希方程式 nkPmxq1?式中 q ——固體吸附氣體的量，㎏/㎏吸附劑； P ——平衡時(shí)氣體分壓； k ，n ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。x弗羅因德利希等溫方程式只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)式，它所適用的 θ 范圍比朗格謬爾式要大些，可用于未知組成物質(zhì)的吸附，如有機(jī)物或礦物油的脫色，通過實(shí)驗(yàn)來確定 k 與 n。（3） BT 方程由于朗格謬爾的單分子層吸附理論及其等溫方程對中壓合高壓物理吸附不能很好地吻合，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了 BT 理論。吸附達(dá)平衡后，吸附總數(shù)（V）為： ????????????001pCpmP ——平衡時(shí)氣體分壓；V—— 壓力為 p 時(shí)的吸附總量；——吸附劑表面為單分子層鋪滿時(shí)的吸附量；m——實(shí)際溫度下氣體的飽和蒸氣壓；0pC——與氣體有關(guān)的常數(shù)。E 吸附量 吸附量是指在一定條件下單位質(zhì)量地吸附劑上所吸附的吸附質(zhì)的量，通常以㎏吸附質(zhì)/㎏吸附劑或質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標(biāo)志。 吸附劑的活性有兩種表示方法：（1）吸附劑的靜活性 在一定條件下，達(dá)到平衡時(shí)吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。（2）吸附劑的動(dòng)活性在一定的操作條件下，將氣體混合物通過吸附床層，吸附質(zhì)被吸附，當(dāng)吸附一段時(shí)間后，從吸附劑層流出的的氣體中開始發(fā)現(xiàn)吸附質(zhì)（或其濃度達(dá)到一規(guī)定的允許值）時(shí)，認(rèn)為床層失效，此時(shí)吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量稱為吸附劑的動(dòng)活性。吸附劑的動(dòng)活性值是吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。因此，吸附量取決與吸附速率，而吸附速率與吸附過程有關(guān)，吸附過程可分為以下幾步：(1) 外擴(kuò)散，吸附質(zhì)從氣流主體穿過顆粒物周圍氣膜擴(kuò)散至吸附劑的外表面（2）內(nèi)擴(kuò)散，吸附質(zhì)由外表面經(jīng)微孔擴(kuò)散至吸附劑微孔表面（3）吸附，到達(dá)吸附劑微孔表面的吸附質(zhì)被吸附（4）脫附的吸附質(zhì)再經(jīng)內(nèi)外擴(kuò)散至氣相主體物理吸附過程一般為內(nèi)外擴(kuò)散控制，化學(xué)吸附既有表面動(dòng)力學(xué)控制，又有內(nèi)外擴(kuò)散控制。 吸附器選擇的設(shè)計(jì)計(jì)算吸附器的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)包括確定吸附器的形式，吸附劑的種類，吸附劑的需要量，吸附床高度，吸附周期等，這些參數(shù)的選擇應(yīng)從吸附平衡，吸附傳質(zhì)速率及壓降來考慮。 吸附工藝根據(jù)吸附劑在吸附器上的工作狀態(tài)，可將吸附器分為固定床、移動(dòng)床和流化床過程，相應(yīng)的三種吸附器的主要特點(diǎn)比較見表 42 ]6[表 42 三種吸附器主要特點(diǎn)比較類型 主要特點(diǎn)比較固定床吸附器1．結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格低廉2. 適用于小型、分散、間歇性的污染源治理3．吸附和脫附交替進(jìn)行、間歇操作4．應(yīng)用廣泛移動(dòng)床吸附器1．處理氣體量大，吸附劑可循環(huán)使用，適用于穩(wěn)定、連續(xù)、量大的氣體凈化2. 吸附和脫附連續(xù)完成3．動(dòng)力和熱力