1、广东工业大学2006届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 叶丽杰 广东工业大学计 毕业设计（论文）15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计学 院 环境科学与工程 专 业 环境工程 年 级 2009级1班 学 号 3123008171 姓 名 周常月 指导教师 黄树杰（校外） 陈凡植 （2013 年 6月6日 ）广东工业大学教务处制广东工业大学2008届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计摘 要本设计将介绍一种有效的喷漆废气净化技术吸附浓缩与催化燃烧.设计选用蜂窝状活性炭做为吸附剂，其具有吸
2、附性能好，流体阻力小的特点。通过蜂窝状活性炭的吸附浓缩作用,将大风量、低浓度的有机废气转换成小风量、高浓度的有机废气,后者可在催化燃烧床上转变成无害的CO2 和H2O ,并保持稳定的自燃烧态。与传统工艺相比,采用该方法具有净化效率高、无二次污染、运行成本低的优点。首先本文将概述当前喷漆废气处理的现状，主要处理方法和优缺点，并且阐述本设计所采用该技术的原因。其次，本文将系统介绍所采用技术的基本原理，设计原则和设计过程计算。最后，对本毕业设计进行工程预算，确定经济可行性。在附录中，本文还将给出一些必要的设计资料，供参考之用。关键词：喷漆废气，吸附浓缩，催化燃烧，蜂窝状活性炭AbstractThe
3、design introduced an effective technology of adsorption concentration and catalyticcombustion for cleaning spray-paint waste gas. The design choose honeycomb-shaped activated carbon as sorbent,which has large adsorption ability and low resistance. By its concentrating adsorption , large flow and low
4、 concentration of organicwaste gas were changed to smaller flow and higher concentration. The latter was passed into catalytic combustion chamber to convertinto carbon dioxide and water , which could maintain self-burning. Compared to traditional technology , this technology has the advantages of hi
5、gh purification efficiency , no residual waste generation , and low maintenance costs.At first , I will introduce the characteristics, application,and the present situation of cleaning of spray-paint saste gas,and then principles of them,explaining the reason to choose the technology.The second,I wi
6、ll describe the principle,design method.The last,I will do the budget of the projet，to make sure the availability of the design.At the supplement,I will write sone thing like program code,dialogs and so on.It may be helpful for the future design.Keywords : spray-paint cwaste gas, adsorption concentr
7、ation ,catalytic combustion, honeycomb-shaped activated carbon1. 绪 论11.1 概述11.2 国内外研究状况11.2.1 各种净化方法的分析比较21.2.2 净化设备概况21.2.3 存在问题31.3 课题研究方法32 设计任务和说明42.1 设计任务42.3设计进气指标42.4 设计出气指标42.5 设计原则52.6 设计目标53 工艺流程说明63.1 工艺选择63.2 工艺流程64 设计过程计算84.1 基本原理84.1.1 吸附原理84.1.2 吸附机理94.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式94.1.4 吸附量124.3
8、 吸附器的选择和设计计算124.3.1 吸附器的确定124.3.2 吸附剂的选择144.3.3 空塔气速和横截面积的确定164.3.4 固定床吸附层高度的计算164.3.4 活性炭用量的计算184.3.5 床层压降的计算194.3.6 活性炭再生的计算194.4 催化床装置的设计计算214.5 集气罩的设计计算224.5.1集气罩气流的流动特性224.5.2集气罩的分类234.5.3集气罩的选型234.6 漆雾处理254.7 管道系统设计计算264.7.1 管道系统的配置264.7.2 管道内流体流速的选择274.7.3管道直径的确定274.7.4管道内流体的压力损失274.7.5风机和电机的
9、选择285 工程核算315.1 工程造价315.2 运行费用32结论33参考文献34致谢36附图外文文献翻译IV广东工业大学2008届本科生毕业设计（论文） 15000 m3/h 喷漆废气治理工程设计 1. 绪 论1.1 概述 喷漆工艺的应用十分广泛，各种金属部件和机器整体的防锈蚀保护,日用商品和用俱的表面装饰大多需经喷漆。喷漆包括普通喷漆、无雾喷漆和静电喷漆，其中普通喷漆，因设备简单、投资少、灵活性大和适应面广,是目前使用最为普遍的涂装工艺。由于涂料品种繁多。所使用的溶剂种类各不相同，喷漆中所释放出的溶剂种类成分复杂，但总体上均属有机废气污染物，主要成份是苯类(苯、甲苯、二甲苯)，其次是醇类
10、酷类。这些有机物具有浓度高、毒性大、易燃、易爆等特点，同时，对人危害很大，严重影响工人的身体健康，主要引起中枢神经系统麻醉、造血机能损害和呼吸系统病变、白血球降低、血小板减少、皮炎等 1 ，因此净化漆雾已经越来越引起人们的重视.目前，喷涂工艺仍然十分落后，设备简陋，不少喷漆施工现场，可以看到喷漆工人处在“雾气腾腾、尖埃满地”的恶劣环境中劳动，生产方式很不文明.空气中有害物质的浓度很高,一般都超过卫生标准的20400倍 2 ,严重地污染环境,损害职工身体健康。有的虽然采取一些简易措施，收到一些效果，但由于设计不合理，又没有净化装置，危害依然十分严重。鉴于上述情况，防止环境污染，改善劳动条件，保障
11、职工身体健康，对漆雾净化技术的研究有着十分明显的经济效益和社会效益。1.2 国内外研究状况 目前国内大型工件，如汽车、火车、大型机床等喷漆的生产设施一般采用密闭容器式喷漆室或建筑式喷漆车间。对采用人工喷漆的大型喷漆车间，又分为:单体密闭式、组合式和分隔式几种，少数也采用了联合处理法，如活性炭吸附法与催化燃烧法相结合。其中溶剂吸收法，又分为有机溶剂(如:油吸收)和水吸收等几种。国外目前大型、连续性、产量高的喷漆车间，生产设施一般采用容器密闭，操作点集中和制成厚膜涂料等措施，来减少废气排放量，缩小污染区。就处理方法而论，可分为低温冷凝法、催化燃烧法、溶剂吸收法和活性炭吸收法等4类。近年来用混合处理
12、法，如活性炭吸附法与催化燃烧法相结合技术有了一些新进展，提高了自动化程度和处理效果。但因投资昂贵，没有进一步推广使用。1.2.1 各种净化方法的分析比较解决有机溶剂蒸汽的污染, 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 1-1。表 1-1 国内外喷漆废气常用处理方法的优缺点比较 3净化类别优点缺点活性炭吸附法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、废气净化前要进行预处理。2、仅限于低浓度。3、设备庞大,
13、占地面积多。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、流程较简单,吸收剂价格便宜。2、废气净化不需预处理。3、建造快、占地少。1、后处理投资大, 费用高。2、对溶剂成份选择性大。1.2.2 净化设备概况有机净化设备是用于治理工厂排放的有机废气, 消除对大气污染的一种环保设备。近年来发展比较快, 根据净化方法大致可以分为三类。（1）活性炭吸附的净化设备活性炭具有大量细孔和很高的比表面, 当废气通过炭层时, 靠分子间的引力和毛细管凝聚作用, 可使废气凝缩在炭的表
14、面上, 从而达到净化废气的目的。活性炭吸附饱和后, 用蒸汽加热脱附可以使活性炭再生,再经干燥、冷却继续使用。脱附物经冷凝分离, 回收有机溶剂。活性炭吸附系统通常有阻火器、除尘过滤器、冷却器、吸附器、通风机、冷凝器、分离器和控制仪表等组成。（2）催化燃烧的净化设备催化燃烧是利用催化剂对有机废气的催化燃烧作用, 促使有机废气在尽可能低的起燃温度下, 激烈燃烧变成无毒的二氧化碳和水, 然后排到大气中, 进而达到净化的效果。燃烧生成的高温气体可以再利用来干燥涂层和预热空气。催化燃烧系统一般由过滤器、热交换器、预热室、催化室、通风机以及控制仪器等组成。（3）废气治理吸收塔这是应用吸收法净化废气的一种装置
15、。废气通过与塔体的吸收液充分接触, 产生物理溶解, 达到净化目的。这种装置的关键是根据不同涂料所产生的溶剂, 选用合适的吸收剂。1.2.3 存在问题（1）净化系统是优化设计, 要求既节约投资和能量消耗, 又要确保安全, 这三者与排风量均有关系。因此设计时, 先要科学地计算排风量。风量过大, 就会增加设备, 增加投资, 多占面积, 多消耗能量; 风量过小, 就可能使废气浓度高于安全极限, 产生爆炸危险。但目前生产中对风量的确定很少做科学实验和计算。（2）对有机废气, 目前还没有统一的测试和分析方法, 使各单位无共同的标准可循, 影响测试分析的结果。（3）目前国内的废气净化设备多用于高浓度单件的油
16、漆设备, 对于大批量低浓度的油漆自动线的废气净化还有待于进一步提高。1.3 课题研究方法(1) 实地调查 接收设计任务后对生产现场进行实地调查，重点是对污染源的调查，了解污染物的种类、排放量和排放方式；此外对生产规模布局、生产工艺过程、原料来源、废弃物的回收利用液需要有一定的了解(2) 确定方案 根据调查情况对治理技术方案进行论证，确定治理方法、设备类型治理工艺流程等(3) 设计计算 首先要根据设计要求活前人的经验数据确定设计参数；通过物料衡算确定设备外形尺寸；通过热量衡算和流体动力学、材料力学等原理确定设备内部的结构。2 设计任务和说明 2.1 设计任务设计内容为15000 m3/h 喷漆废
17、气治理工程设计，主要内容包括：废气治理工艺、主体设备选型和非标准设备设计，管道输送系统设计及吸附剂再生系统设计等，应完成工作：（1）查阅和翻译文献资料；（2）参与毕业实习并编写实习报告；（3）编写毕业设计说明书；（4）进行工程概算和运行可行性分析；（5）绘制工程设计图纸。2.3设计进气指标 风量为15000，温度为40，排气压力为101.3 kpa，甲苯浓度为240,二甲苯浓度为40，苯浓度为20。2.4 设计出气指标依据广东省地方标准大气污染物排放限值（DB44/27-2001）一级排放标准 4 ,具体数据见表2-1: 表2-1.设计出气指标 单位mg/m3指 标苯甲苯二甲苯出气浓度1240
18、702.5 设计原则（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）采用先进、合理、成熟、可靠的处理工艺，使建成的废气处理设施具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。（3）工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中具有较大的调节余地。（4）操作管理方便，节省动力、消耗及运行费用。2.6 设计目标（1）广东省地方标准大气污染物排放限值（DB44/27-2001）一级排放标准。（2）经本处理工艺处理后的废气，将不会产生二次污染物。（3）本处理工艺运行可靠，处理效果好，维护管理方便。（4）采用低能耗、低运行费用、基建投资省、占地少、操作管理简便。3 工艺
19、流程说明 3.1 工艺选择处理工艺的选择, 应根据气量大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运转的经济性等条件全面考虑, 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。目前 5 ,国内外对有机废气治理的常用方法有三种:液体吸收法、活性炭吸附法及催化燃烧法。液体吸收法净化效率为60%80% ,适合处理低浓度,大风量的有机废气,但存在着二次污染；催化燃烧法净化率为95% ,适合处理高浓度,小风量的有机废气，缺点是对处理对象要求苛刻,要求气体的温度较高,为了提高废气温度,要消耗大量的燃料,所以运行费用很高；活性炭吸附法净化效率为99.2%99.3% ,对于处理大风量、低浓度的有机废气,
20、国内外一致认为该法是最为成熟和可靠的技术,但该工艺流程过长,操作费用高,回收物也是溶剂和水的混合物,通常是不能重复使用的,且又产生一个废液处理问题,另外需要稳定的蒸气源也常常是比较困难的事情。针对这些问题,结合本毕业设计特点和具体要求，采用将活性炭吸附法和催化燃烧法结合在一起,成为一种结构紧凑,适合处理低浓度,大风量(如喷漆废气)有机废气的联合系统，即吸附浓缩催化燃烧工艺。该工艺充分利用了活性炭吸附法和催化燃烧法的长处,克服其缺点,进一步提高净化效率,降低运行费用。对于处理低浓度、大风量的喷漆废气,该技术与其它技术相比具有净化效率高、无二次污染和节省能耗等优点。 3.2 工艺流程图 3-1 处
21、理工艺流程简图1 漆雾过滤器; 2 活性炭固定吸附床; 3 催化燃烧设备;4 四通阀; 5 阻火器; 6 温度缓冲器; 7 排风机;8 脱附风机; 9 补冷风机。该处理工艺系统组合十分紧凑,集吸附-脱附-催化燃烧于一体。由车间排放的 VOCs 废气先通过吸附床,在此气体中有机物被吸附剂吸附后排出净化了的气体。吸附床一般配置2台以上,轮换使用,当1台吸附床吸附的有机物达到规定的吸附量时,换到另1台吸附床进行吸附净化操作,同时对前面1台吸附床进行脱附再生。脱附是在脱附风机的驱动下,使吸附床与催化燃烧设备成为1个循环系统。先由催化燃烧设备送出热气流引入待脱附的吸附床,使吸附的有机物脱附下来,再引入催
22、化燃烧设备,在催化燃烧室进行催化氧化,以消除气流中的有机物。有机物催化燃烧后释放出的热量足以维持催化剂床层所要求的温度,保证有机物高效净化。由尾气放出的热气流大部分用于吸附床吸附剂的脱附再生,达到余热的利用。通过控制,可使脱附后气流中的有机物浓度较吸附操作前提高10倍以上,气体流量仅为总排风量的1/201/10左右。通过两种净化工艺设备的组合,使大风量、低浓度的VOCs 废气排放变为小风量、中高浓度的有机废气净化处理,同时有效利用了有机物在催化燃烧时产生的热能,使运行费用较低。(详见附图1) 4 设计过程计算 4.1 基本原理4.1.1 吸附原理在用多孔性固体物质处理流体混合物时，流体会众的某
23、一些分或某些组分可被吸引到固体表面并浓集其上，此现象称为吸附 6 。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吸附质，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
24、。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。两者的主要区别见表 4-1 7表4-1 物理吸附与化学吸附的区别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。4.1.2 吸附机理吸附和脱附互为可逆
25、过程。当用新鲜的吸附剂吸附气体中的吸附质时，由于吸附剂表面没有吸附质，因此也就没有吸附质的脱附。但随着吸附的进行，吸附剂表面上的吸附质量逐渐增多，也就出现了吸附质的脱附，且随时间的推移，脱附速度不断增大。但从宏观上看，同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量，所以过程的总趋势认为吸附。当同一时间内吸附质的吸附量与脱附量相等时，吸附和脱附达到动态平衡，此时称为达到吸附平衡。平衡时，吸附质再在流体中的浓度和在吸附剂表面上的浓度不再变化，从宏观上看，吸附过程停止。平衡时的吸附质在流体中的浓度称为平衡浓度，在吸附剂中的浓度称为平衡吸附量。吸附平衡表明吸附过程的限度，未涉及吸附时间。吸附过程常需要较长时间才
26、能达到平衡，而在实际生产过程中，两项接触时间式有限的。因此，吸附量取决与吸附速率，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（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吸附（4）脱附的吸附质再经内外扩散至气象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。4.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式 平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限，其数值对
27、吸附造作，设计和过程控制有着重要的意义。达到吸附平衡时，平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸附温度间存在着一定的函数关系，此关系即为吸附平衡关系，其一般都是根据实验测得的，也可以用经验方程式表示。4.1.3.1 吸附等温线 在气体吸附中，其平衡可表示为： A 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： 当保持T不变，可测得A与P的变化关系 当保持P不变，可测得A与T的变化关系 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，可分别绘出相应的关系曲线，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
28、般变化不大，因此吸附等温线最为常用。其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。 4.1.3.2 吸附等温方程式根据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的经验方程式，即为吸附等温方程式，其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得，一定条件范围内具有应用意义，但不具有理论指导意义，如弗罗因德里希（Freundlich）吸附等温方程式；有些是以一定的理论假设为前提得出的方程式，如朗格谬尔（Langmuir）吸附等温方程式和BET方程，后者应用较多。（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与脱附呈动态
29、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，可推导出朗格谬尔等温式： 式中 吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数 a 吸附系数 p 气象分压其另一表现形式为： = 式中 单分子层覆盖满时（）的吸附量 在气相分压下的吸附量在压力很低时，或者吸附很若时，ap1,上式变成V=Vmap由朗格谬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、基本的恒温式。在很多体系中，朗格谬尔等温式不能在较大的范围内与试验结果相吻合。（2） 罗因德里希方程式 式中q 固体吸附气体的量，/吸附剂 P 平衡时气体分压 k,n 经验常数 m 吸附质质量， 被吸附气体的质量罗因德里希等温方程式只是一个经验式，它所使用的范围比朗格谬尔式要大些，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方程由于朗格谬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
