活性炭吸附VOC的工程案例设计（三）

活性炭吸附VOC 的⼯程案例设计（三）
4.2.3 空塔⽓速和横截⾯积的确定
空塔⽓速为⽓体通过吸附器整个横截⾯的速度。

空塔⽓速的选择, 不仅直接决定了吸附器的尺⼨和压降的⼤⼩, ⽽且还会影响吸附效率。

⽓速很⼩, 则吸附器尺⼨很⼤, 不经济; ⽓速过⼤, 则压降会增⼤, 使吸附效率受到影响。

通过实验确定最佳⽓速。

吸附设计中不能追求过⾼的吸附效率，把空塔速度取值降⼩，那样会使吸附床体积、吸附剂⽤量和设备造价⼤为增⾼；反之也不宜取过⼤的空塔⽓速那样设备费⽤虽低，但吸附效率下降很多，且体系压降会随空塔速率的增⼤上升很快，造成动⼒消耗过⼤，因此因选取合适的空塔⽓速，最适宜空塔⽓速为0.8～1.2m/s ，依此经验结论，本设计确定
空塔⽓速: U = 1.0 m/s.
原始条件：
处理风量：Q ＝20000/h ， 设计温度为35C ， 压⼒为1.01325×10Pa
由于废⽓中，空⽓所占的⽐例远远⼤于污染物所占⽐例，因此，废⽓性质可以近似看作为⼲空⽓的热物理性质，查《化学原理》附录9得以下数据：
空⽓混和物性质：
流体密度ρf =1.147kg/，黏度为µf =1.94×10 PaS ，⽐热容为C p =1.005kJ/(kg .C)
吸附得粒状活性炭颗粒性质：
平均直径d p =0.003m ， 表观密度ρs =670kg/， 堆积密度ρB =470 kg/
固定床空隙率εf ＝0.5
横截⾯积: S = = 5.56 ㎡
D= m
4.2.4 固定床吸附层⾼度的计算
采⽤透过曲线计算法，通过实验将含有⼀定浓度污染物的⽓流连续通过固定床吸附器，在不同时间内，确定确定吸附床不同截⾯处⽓流中污染物的浓度分布，当吸附床使⽤⼀段时间后，出⼝⽓体污染物浓度达到某⼀允许最⼤浓度时，认为吸附床失效。

从⽓流开始通⼊⾄吸附床失效这段时间称为穿透时间，或保护作⽤时间。

表⽰吸附床处理⽓体量与出⽓⼝污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。

穿透曲线的形状和穿透时间取决与固定床的操作⽅法。

操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、⽓流速度、污染物⼊⼝浓度，以及床层厚度等都影响穿透曲线的形状，此过程⽐较复杂，⽬前仍是只是近似过程的计算。

假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量a,也称a 为静活度，同时根据朗格谬尔等温线假定静活度不在与⽓象浓度有关。

在吸附作⽤时间ζ内，所吸附污染物的量为
X= aSL
式中：X—— 在时间ζ内的吸附量；
a —— 静活度，重量，%；
S —— 吸附层的截⾯积，m 2；
L—— 吸附层⾼度，m ；
ρb ——吸附剂的堆积密度，设计为470 kg/m
3
固定床虽然结构简单，但由于污染物在床层内浓度分布是随时间变化，计算⽐较复杂，因此⽬前⼯程上都是采⽤近似计算，通过算活性炭的作⽤时间进⾏后处理的计算。

活性炭的作⽤时间由下式算出：
V=×10
式中：V――活性炭的装填量，
C――进⼝⽓污染物的浓度，mg/
Q――⽓流量，/h
t――活性炭的使⽤时间，h
W――活性炭原粒度的中重量穿透炭容，％
d――活性炭的堆密度0.8t /
V===20
算出三苯每⼩时的排放量：
“三苯”的浓度：ρ0＝（100＋80＋100）×20000×10 ＝5.6kg/h
假设吸附器的吸附器的吸附效率为85%，则达标排放时需要吸附总的污染物的量为：5.6×85%＝4.76 kg/h t＝×10＝＝285h
则在吸附作⽤时间内的吸附量：
X=4.76×285＝1356.6㎏
根据X= aSL得：
L＝
根据活性炭的吸附能⼒，设静活度为16kg甲苯/100kg活性炭
所以，L＝＝3.24m
4.2.5吸附剂（活性炭）⽤量的计算
吸附剂的⽤量M：
M = LSρb
=3.24×5.56 ×470 = 8600kg
吸附剂本⾝占据体积：
V＝LS＝3.24×5.56＝18.1
吸附剂床层体积：
V＝＝＝25.8
设计吸附床层尺⼨为L×B＝6600mm×3200mm，则每块塔板的截⾯积A＝21.12。

取板上固定床⾼度H＝0.35m，
则吸附器中塔板数：n＝＝=3.5=4块
考虑安装的实际情况，得到固定床吸附装置的实际尺⼨取为：
L×B×H＝7000mm×3300mm×3000mm
4.2.6 床层压降的计算
流体通过固定床吸附器时，由于流体不断地分流和回合，以及流体与吸附剂颗粒和器壁的摩擦阻⼒，会产⽣⼀定的压降。

在设计固定床吸附器时多采⽤流路模型估算床层压⼒降，若对压⼒降计算有更⾼的要求，则可直接⽤实验测得的数据。

本设计的床层压⼒降⽤下式计算：
根据活性炭的性能：
＝220.76
△P＝220.76×0.35＝77.27Pa
4.2.7 活性炭再⽣的计算
吸附剂的吸附容量有限，⼀般在1％～40％（质量分数）之间。

要增⼤吸附装置的处理能⼒，吸附剂⼀般都循环使⽤，即当吸附剂达到饱和或接近饱和是，使其转⼊脱附和再⽣操作。

⼀般常⽤的再⽣⽅法有：升温脱附、降压脱附、置换脱附、吹打脱附、化学转化再⽣法、溶剂萃取。

此外，还有⼀些其他的吸附剂脱附再⽣⽅法，如电解氧化再⽣法、微⽣物再⽣法和药物再⽣法等。

⾄于⼯业上到底采⽤哪种操作⽅法，应视具体情况选⽤既经济⼜有效的⽅法。

⽣产实际中，常常是⼏种⽅法结合使⽤。

如活性炭吸附有机蒸⽓后，可⽤通⼊⾼温蒸⽓再⽣，也可⽤加热和抽真空的⽅法再⽣；沸⽯分⼦筛吸附⽔分后，可⽤加热氮⽓的办法再⽣。

本设计采⽤升温脱附，即在等压下升⾼吸附床层温度，进⾏脱附，然后降温冷却，重新吸附。

吸附床的操作温度为T，原料中吸附质的分压为P，当吸附床达饱和后，吸附剂吸附容量为x。

假定吸附阶段终了时，允许吸附后⽓体中的吸附容量低
于x。

升温脱附可将吸附剂从T升温到T，这是吸附剂容量可以低于x。

1、⼲燥吸附剂时空⽓消耗量：
L＝W＝
式中：L――⼲燥吸附剂时空⽓的消耗量，kg
――空⽓的单位消耗量，即⼲空⽓/HO，⽆量纲
x、x――分别为离开、进⼊吸附剂层时空⽓的含湿量即HO/⼲空⽓
W――⼲燥时驱⾛的⽔分，kg
由《化⼯原理》查表得，35C时饱和⽔蒸⽓蒸⽓密度为0.03960kg/m，则
L＝（0.03960×20000）＝931.76kg
2、加热空⽓所消耗得空⽓热含量：
Q＝（I－I）W
式中：I――由加热器进⼊吸附器的空⽓热含量，J/kg
I――进⼊加热器的空⽓热含量，J/kg
设利⽤120C的热风进⾏脱附，查得35C时⼲空⽓的热含量为1.005KJ/（kg. C），120C时为1.009 KJ/（kg. C），则：
Q=（1.009－1.005）×（120－35）×（0.03960×20000）＝316.8 KJ
4.3集⽓罩的设计计算
在⼯业⽣产中，常⽤于控制各种颗粒物和⽓态污染物的⽅法是将有害物质在发⽣源收集起来，经过净化设备净化后排到⼤⽓中，这就是局部排⽓净化系统，这种系统所需要的风量最⼩，效果好，能耗也少，是⽣产车间控制空⽓污染最有效、最常⽤的⽅法。

局部排⽓净化系统主要由集⽓罩、风管、净化设备、风机、烟囱等组成。

局部排⽓净化系统的设计主要包括污染物的捕集装置、管道系统、净化设备设计等⼏个部分。

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。

它是⽓体净化系统的关键部件，它可将粉尘及⽓态污染物导⼊净化系统，同时防⽌污染物向⽣产车间及⼤⽓扩散。

集⽓罩的性能对整个⽓体净化系统的技术经济效果有很⼤的影响。

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，⽤较⼩的排风量获得最佳的控制效果;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。

4.3.1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；另⼀种是吹⽓⼝⽓流的吹出流动。

了解吸⼊⽓流、吹出⽓流以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。

4.3.2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:密闭罩、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）集⽓罩应尽可能包围或靠近污染源，使污染物的扩散限制在最⼩的范围内，尽可能减少⽓吸⽓范围，防⽌横向⽓流的⼲扰，减少排风量。

（2）集⽓罩的吸⽓⽓流尽可能与污染⽓流运动⽅向⼀致，以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，使排风量最⼩。

（4）集⽓罩的吸⽓⽓流不允许通过⼈的呼吸区再进⼊罩内。

设计时要充分考虑操作⼈员的位置和活动范围。

（5）集⽓罩的配置应与⽣产⼯艺协调⼀致，⼒求不影响⼯艺操作和设备维修。

（6）集⽓罩应⼒求结构简单、坚固耐⽤⽽造价低，并便于制作安装和拆卸维修。

（7）要尽可能避免或减弱⼲扰⽓流辱穿堂风、送风⽓流等对吸⽓⽓流的影响；
虽然集⽓罩的结构不⼗分复杂，但由于各种因素的相互制约，要同时满⾜上述要求并⾮易事，应充分了解⽣产⼯艺、操作特点和现场实际。

4.3.3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，如附图5 所⽰
其基本参数如下：
排风量：Q = 20000 m 3 /h
钢板制圆形风管，取风速12 m/s 风管直径： m 圆整为 800 ㎜规格为 800 ㎜ 1.0 ㎜
风管横截⾯积： 0.50 ㎡
则实际风管⽓速：＝ 11.1 m/s
表4-4 集⽓罩罩⼝速度
条件举例罩⼝速度，m/s 扬尘速度极低，（1）烟尘从敞⼝容器外溢 0.25～0.5没有⼲扰⽓流（2）液⾯蒸发
（3）浸槽
扬尘低速飞散，（1）喷漆 0.5～1.0
⽆⼲扰⽓流（2）酸洗
（3）焊接
扬尘较⾼速飞散，（1）开炼机、密炼机 1.0～2.5有较⼩⼲扰⽓流（2）装袋、装桶
（3）解包车
扬尘⾼速飞散，（1）喷砂 2.5～10
有⼲扰⽓流（2）粉磨机
（3）砂轮机
罩⼝速度：对照表4-4,确定ν = 0.8 m/s
罩⼝⾯积: 5 ㎡
罩⼝直径： m
罩⼝直边长度： m （减少周围空⽓混⼊排风系统）
罩⼝敞开⾯周长： m
罩⼝喇叭⼝长度：取 m
罩的扩张⾓⾓：tan （在允许的范围内）
圆形⼯作台特征尺⼨：
⼯作台⾄地⾯⾼度: m
⼜ (设计符合要求)
污染源⾄⾄罩⼝⾼度: 取H ＝1 m
4.4吸附前的预处理
对于⼀般的有机废⽓的⼯艺过程所产⽣的尘雾在⾼速喷出时，诱导周围的空⽓流动，加上⼯作点的不断变换，⼜与⼯件周围的空⽓⼤量混合，在反弹⽓流及车间内横向⽓流作⽤下，尘雾呈⽆序发散。

这些粉尘含量不⾼，粒径较⼩，绝⼤部分在10um 以下，若未经处理，将很快堵塞活性炭微孔，使活性炭失效。

⽬前,国内外对这些尘雾特别是喷漆污染的治理⾮常重视，净化⽅式多种多样，有⼲式过滤法、湿式过滤法、燃烧法、催化燃烧法、吸附法、蒸馏析法等，根据不同产品的特性、产品⽣产状况以及经济性、场地情况进⾏选择。

本设计除雾处理采⽤前置式⼲式除尘过滤器，具体运⾏参数如下：
处理风量：Q=20000 m 3/h
过滤速度：u =1.2～1.5 m/s
过滤⾯积：S = =4.0 m
2过滤器的尺⼨：长×宽×⾼＝700×2000×2000mm
设备阻⼒：< 350Pa
数量： ⼀台；
采⽤钢板进⾏烧焊，过滤箱采⽤抽屉⽅式放置双层进⼝⼲式除尘和除雾过滤材料，容尘量⼤、净化效率⾼、阻⼒低、过滤风速⼤、阻燃。

⼲式过滤材料使雾状物变成松散粉尘状，材料饱和后可取出拍打、抖落，或⽤吸尘器吸尘后重复使⽤多次。

4.5 管道系统设计计算
只有通过各种管道把各种净装置连接在⼀起才能组合成完整的净化系统，因此，管道系统设计是净化系统设计中不可缺少的组成部分，合理地设计、施⼯和使⽤管道系统，不仅能充分发挥净化装置的能效，⽽且直接关系到设计和运转的经济合理性。

管道系统的设计通常是在净化系统中的各种装置选定之后进⾏的，主要包括管道系统的配置和管道系统的设计计算等两个⽅⾯的内容。

4.5.1 管道系统的配置
（1）配置的⼀般原则
从总体布局考虑，统⼀规划，⼒求简单、紧凑、适⽤、美观，⽽且安装、操作、维修⽅便，并尽可能缩短管线长度，
减少占地与空间，节省投资。

（2）管⽹的布置⽅式
为了便于管理和运⾏调节，管⽹系统不宜过⼤。

同⼀系统的吸⽓（尘）点不宜过多。

同⼀系统有多个分⽀管时，应将这些分⽀管
分组控制。

在进⾏管⽹配置时，主要考虑的⼀个重要问题就是要实现各⽀管间的压⼒平衡，以保证各吸⽓点达到设计风量，实现控制污染物扩散的⽬的。

为保证多分⽀管⽹中各⽀管间的压⼒平衡，常⽤的管⽹配置⽅式有以下三种：⼲管配管⽅式、个别配管⽅式和环状配管⽅式。

（3）管道热补偿
为了保证管道系统在热状态下的稳定和安全，吸收管道热胀冷缩所产⽣的应⼒，管道系统每隔⼀段距离应装固定⽀架和热
补偿装置。

管道热伸长补偿⽅法有⾃然补偿和补偿器补偿两类。

由于本设计管道线较短，管内介质温度不是很⾼，管径⼩于1000mm ，可采⽤⾃然补偿法，利⽤管道⾃然转弯管段（L 形或Z 形）来吸收管道热⾝长形变，既经济有合乎安全稳定要求。

常⽤的补偿器有柔性材料套管式补偿器和波形补偿器等。

（4）管道系统的保温及防爆措施
在管道系统的设计中，为减少输送过程中热量损耗或防⽌烟⽓结露⽽影响系统正常运⾏，则需要对管道和设备进⾏保温。

所谓保温是对设备、管道表⾯贴覆绝热材料，以减少热传递，维持管道或设备在⼀定的温度范围内⼯作。

管道系统保温设计的主要内容包括保温材料选择、保温层厚度计算和保温层结构设计。

当管道输送介质中含有可燃⽓体或易燃易爆粉尘时，管道系统设计必须考虑必要的防爆措施。

设计时应采取以下防爆措施：加强可燃物浓度的检测与控制；消除⽕源；阻⽕与泄爆措施；设备密闭和⼚房通风；对管道系统的布置必须将有可能蓄积静电的风管和设备可靠地接地。

4.5.2 管道内流体流速的选择
管道内流体的选择涉及到技术和经济两⽅⾯的问题。

当流量确定后，若选择较低的流速，管道断⾯积较⼤，管径⼤，材料耗费多，基建投资⾼，但系统压⼒损失⼩，噪声⼩，动⼒消耗低，运转费⽤低，且对于含尘烟⽓，则易造成粉尘沉积⽽堵塞管道。

反之，若选择较⾼流速，则管径⼩，材料消耗少，基建投资少，但系统压⼒损失⼤，噪声⼤，动⼒消耗⼤，运转费⽤⾼。

因此，要使管道设计计算经济合理，必须选择适当的流速，使投资和运⾏费⽤的总和为最⼩。

表4-5，使投资和运⾏费⽤总和最⼩综合衡量。

表 4-5 风管最⼩风速
粉尘性质垂直
风管
⽔平
风管粉尘性质
垂直
风管
⽔平
风管
粉状粘⼟和砂1113铁和钢1923
⽔泥粉尘1218钢铁粉尘1315
重矿物粉尘1416灰⼟、砂尘1618
焦炭粉尘1418轻矿物粉尘1214煤尘1113炭⿊1012染料粉尘1517棉絮810
⽯棉粉尘1218短纤维粉尘812 4.5.3管道直径的确定
在已知流量和确定流速后，管道直径可按下式计算：
钢板制圆形风管，取风速12 m/s
风管直径： m 圆整为800 ㎜
查规格为 800 ㎜ 1.0 ㎜
风管横截⾯积： 0.50 ㎡
则实际风管⽓速：＝ 11.1 m/s
4.5.4管道内流体的压⼒损失
（1）摩擦阻⼒的计算
对于直径为d的圆形风管，摩擦阻⼒计算公式为：
――摩擦阻⼒系数
――风管内⽓体的平均流速，m/s
――⽓体的密度，kg/m
――风管长度，m
管径：d ＝ 0.8 m ，摩擦系数： 1.593 ，管长：＝ 5 m 风管内⽓体的平均流速：＝11.1 m/s
则 Pa
（2）局部阻⼒的计算
Pa
则管路总压⼒损失为： Pa
流程总压⼒损失为：
350+77.27+880
＝1307.3 Pa。