毕业设计_活性炭吸附法净化包装印刷油墨废气

活性炭吸附法净化包装印刷油墨废气
1有机废气污染与控制现状
1.1苯的特性
苯及其同系物--甲苯和二甲苯都为无色、有芳香气味的，沸点为80.1℃。

是挥发性有机物，都具有易挥发、易燃的特点。

苯主要用作油、脂、橡胶、对脂、油漆、喷漆，和氯丁橡胶等溶剂及稀薄剂，制造多种化工产品。

1.2苯对人体健康的危害
苯被质量卫生组织（WHO）国际癌症研究中心（IARC）确认为高毒致癌物质。

急性毒作用，主要对中枢神经系统，慢性主要作用于造血组织及神经系统，但若造血功能完全破坏，可发生致命的颗粒性白细胞消失症，并引起白血病。

对皮肤也有刺激作用。

苯、甲苯和二甲苯是以蒸气状态存在于空气中，中毒作用一般是由于吸入蒸气或皮肤吸收所致。

由于苯属芳香烃类，使人一时不易警觉其毒性。

如果长期接触-定浓度的甲苯、二甲苯会引起慢性中毒，可出现头痛、失眠、精神萎靡、记忆力减退等神经衰弱症。

甲苯、二甲苯对生殖功能亦有一定影响，并导致胎儿先天性缺陷(即畸形)。

对皮肤和粘膜刺激性大，对神经系统损害比苯强，长期接触还有引起膀胱癌的可能。

1.3印刷厂含苯有机废气污染现状
印刷过程需要使用有机溶剂型油墨，而有机溶剂型油墨采用甲苯、二甲苯、丙酮、丁醇、乙酸乙酯等低沸点挥发性有机物作为溶剂。

由于现有的国产或进口的绝大部分印刷机械出厂时均未配备相应的净化装置，因此在生产过程中大量含有甲苯、二甲苯、丙酮、丁醇、乙酸乙酯等有机成分的废气没有经过净化处理而直接排向大气。

2设计依据
2.1设计目的
本设计着眼对包装印刷厂印刷过程中的有机溶剂型油墨挥发出来的有机废气的净化，力求满足实现技术上先进，经济上合理，设计出适合的脱除含苯有机废气的新工艺和新设备。

2.2设计进气指标
m/3，
风量为1500h
温度为常温，
排气压力为101.325 kpa，
三苯有机废气浓度为4003
mg。

/m
2.3 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]3[, 具体数据见表2-1:
3
2.4 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。

（5）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。

3有机废气治理工艺技术方案
3.1有机废气治理方法的比较
有机废气是污染大气的重要污染物之一。

碳氢化合物（HC）及其衍生物对人体器官有刺激作用，其中不少对内脏有毒害作用，甚至是致突变物与致癌物。

碳氢化合物（HC）及其衍生物废气的净化方法一般有燃烧法、催化燃烧法、吸附法、吸收法、冷凝法、生物法。

除了这些方法以外，还可以采用浓缩燃烧、浓缩回收等方法对含碳氢化合物（HC）及其衍生物废气进行治理。

具体净化方法见表3.1。

表3.1 碳氢化合物（HC）及其衍生物废气的净化方法
3.1.1燃烧法
所谓燃烧净化，就是用燃烧的方法销毁有害气体、蒸气或烟尘，使其转变为无害物质的过程。

在燃烧净化时所发生的化学作用主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解，故这种方法只能适用于净化那些可燃的或在高温情况下可以分解的有害气体。

用燃烧法净化有机废气，其氧化的结果主要是生成二氧化碳和水，该法不能回收到有用的物质，但由于燃烧时放出大量的热，使排气的温度很高，故可以回收热量。

燃烧法具有去除效率高、工艺操作简便、运行性能稳定等优点。

但由于能量消耗大，运行成本也较高。

目前，燃烧净化方法包括直接燃烧和热力燃烧。

表3.2 直接燃烧法与热力燃烧法
3.1.2催化燃烧法
催化燃烧净化有机废气实际上为完全的催化氧化，就是在催化剂的作用下，将废气中的有害可燃组分完全氧化为二氧化碳和水。

催化燃烧法一般用于金属印刷、绝缘材料、漆包线、炼焦、化工等行业中的有机废气的净化。

在不需要回收热量或回收热量得不到很好利用的情况下，催化燃烧法比直接燃烧法经济。

催化燃烧法的特点又如下几点：
①催化燃烧为无火焰燃烧，因而其安全性好；
②催化燃烧的温度要求低，大部分的烃类和一氧化碳在300～400℃之间就能完成反应，所以它的辅助燃料消耗少；
③对可燃组分的浓度和热值限制少；
④为了延长催化剂的使用寿命，不允许废气中含有尘粒和雾滴；
⑤由于燃烧开始时气体的温度较低，故需要补充热量启动装置，因而在频繁间歇、短期排放有机废气的情况下不适合。

⑥与其他的燃烧法相比，不足之处在于催化燃烧的产物为二氧化碳和水，不能回收废气中原有的有机组分，因此，在操作过程中，热量能否平衡或补充热量的多少将决定催化燃烧的应用价值。

而且，催化剂在正常工作条件下会逐渐失去活性（即催化剂老化和中毒），从而影响脱臭效率。

3.1.3吸附法
在处理含碳氢化合物（HC）及其衍生物的废气时，一般采用吸附的方法。

由于吸附剂对被吸附组分吸附容量的限制，吸附法一般用于处理低浓度废气，而对于浓度较高
的废气，则不采用吸附法治理。

吸附法具有以下几个特点：
①可进行深度净化，即可以相当彻底地净化废气，尤其是对于低浓度废气的净化，与其他方法相比显出了较大的优势；
②在不使用深冷、高压等手段下，它可以有效地回收有价值的有机物组分。

合乎工业要求的吸附剂，必须具备以下条件：
①要具有巨大的内表面，而其外表面往往仅占总表面的极小部分，故可看作是一种极其疏松的固态泡沫体。

②对不同的气体具有选择性吸附作用。

③较高的机械强度、化学与热稳定性。

④吸附容量大。

⑤来源广泛，造价低廉。

⑥良好的再生性能。

工业上广泛应用的吸附剂主要有5种：活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛。

表3.3给出了常用工业吸附剂的一般特性。

表3.3 常用工业吸附剂的特性：
①白土：白土分为漂白土和酸性白土。

漂白土是一种天然的粘土，其主要成分是硅铝酸盐。

这种粘土经加热和干燥后，可形成多孔结构的物质。

将其碾碎和筛分，取其一定细度的颗粒即可作为吸附剂。

漂白土吸附剂对各种油类脱色很有效，并可以除去油中
的臭味，使用后的漂白土，经洗涤及灼烧除去吸附在表面和孔隙内的有机物后，可重复使用。

SiO2与Al2O3这种比值比较低的白土，经过硫酸或盐酸的酸化处理后才会有吸附能力，酸处理后的白土经洗涤、干燥、碾碎即可获得酸性白土，酸性白土的脱色效率比天然漂白土高。

②活性氧化铝：活性氧化铝是将含水氧化铝，在严格控制升温条件下，加热到737K，使之脱水而制得。

它为多孔结构物质并具有良好的机械强度。

活性氧化铝的比表面积大约为210～360m2/g。

活性氧化铝对水分有很强的吸附能力，主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩和脱硫，近年来又将它用于含氟废气的治理。

③硅胶：硅胶是一种坚硬多孔的固体颗粒，一般作成粒状或球状体，其分子为SiO2·nH2O。

硅胶的制备方法是将水玻璃（硅酸钠）溶液用酸处理，然后再将得到的硅凝胶经老化、水洗，在368～403K温度下，经干燥脱水制得。

硅胶吸水容量较大，它从气体中吸附的水分量最高可达硅胶自身重量的50％。

吸水后的饱和硅胶，可通过加热的方法（573K）将其吸附的水分脱附，得到再生。

在工业上硅胶多用于气体的干燥和从废气中回收极为有用的烃类气体。

④活性炭：活性炭是由各种含炭物质干馏碳化，并经活化处理而得到的。

碳化温度一般低于873K，活化温度为1123～1173K。

活化剂通常为水蒸气或热空气。

近年来，氯化锌、氯化镁、氯化钙及硫酸等也用作活化剂。

活性炭是孔穴十分丰富的吸附剂，比表面积为600～1600 m2/g，由表3-3可知活性炭的比表面积最大，故其具有优异的吸附能力。

活性炭可用于溶剂蒸汽的回收、烃类气体提取分离、动植物油的精制、空气或者其他气体的脱臭、水和其他溶剂的脱色等。

待处理气体中的水分对活性炭层的吸附性能影响很大。

在气体相对湿度超过50％时，活性炭对有机物的吸附能力将大大下降。

对于含酮类有机气体不宜采用活性炭吸附。

因为酮类物质中的酰基炭在活性炭表面会发生放热聚合。

连续暴露于酮类气体的活性炭会因为放热而引起活性炭层着火。

活性炭吸附系统的改进主要体现在新型吸附剂和吸附工艺及再生解吸方面。

近年来，活性炭吸附剂在处理工业废水及治理某些气态污染物等环境保护方面也得到广泛的应用。

⑤沸石分子筛：沸石分子筛主要是指人工合成的泡沸石，它属于多孔性的硅酸铝骨架结构。

每一种分子筛都具有均匀一致的孔穴尺寸。

其孔径的大小相当于分子（或离子）
的大小，能选择性地吸收一定大小的气体分子。

不同的型号的沸石分子筛有不同的有效孔径。

由于工艺的进步，目前已能生产出疏水性的沸石分子筛。

这使得沸石分子筛能进一步选择吸收不同极性的有机分子。

疏水性的沸石分子筛对水溶性差的甲苯、二甲苯、苯等吸附性能很好，而对水溶性很好的乙醇的吸附较差。

另外，气体湿度对沸石分子筛吸附性能的影响要远低于对活性炭的影响，使得沸石分子筛能用于一些高湿度场合的吸附。

⑥新型吸附剂：聚合吸附剂的开发目的是为了克服传统炭吸附的湿度和吸附容量的限制。

这些吸附剂是基于苯乙烯/二乙烯苯的聚合物而开发的。

这类吸附剂的特点是再生性能好，容量大，可以根据应用场合的特点、要求生产出适合的吸附剂。

如有的吸附剂可用于吸附高沸点、低极性物质，有的则适合于吸附低沸点、高极性物质。

纤维活性炭由于其微孔直接面向气流，表现出良好的吸附、脱附性能，因而可采用较短的吸附、脱附周期。

另外，由于炭纤维较普通活性炭的金属含量低（约少50％～90％），对卤代氢的催化作用小，不会造成会引起腐蚀作用的水解作用，也不会出现普通活性炭床吸附酮类物质时可能出现的炭床闷烧现象。

吸附工艺和再生方面的改进包括组合式的热气体再生系统、流化床吸附系统、冷冻再生法、溶剂再生、浓缩轮及微波再生等。

3.1.4吸收法
吸收法系利用液体(吸收液)之溶解作用，以去除排气中可溶解之成分。

在污染控制上系利用吸收操作选择性，去除某些具污染性的气体成分，以达到减少污染排放的目的。

在吸收过程中，溶解在液体中的物质称为溶质(Adsorbate)，而使用的液体则称为吸收剂(Absorbent)。

吸收单元的主体为吸收塔，伴随溶质之废气从吸收塔塔底进入，而吸收剂从塔顶进入进行吸收接触。

自塔顶流出的气体为经处理过的干净气体，可径行排放或导入其它单元处理，而从塔底流出的液体则送入再生单元再生使用。

⑴吸收塔种类
吸收塔依据所产生的气液交界面的型态可区分为三类，即薄膜式吸收塔(FilmAbsorber)、喷射式吸收塔(JetAbsorber)、泡沫和液滴式吸收塔(Bubble andDropAbsorber)。

至于工业上常用之吸收设备有喷雾塔、文式洗涤塔、填充塔、板状
塔等数种。

一般处理含毒化物之废气使用填充塔或板状塔。

其中填充塔通常被用于处理含腐蚀性物质或有起泡/阻塞倾向之液体，或使用板状塔时会产生过压降者。

板状塔常用于需要内部冷却(InternalCooling)或因吸收剂流量较低以致无法完全润湿填充物之情况下，因此通常会用在大规模吸收操作。

废气进入吸收塔后，吸收剂由上往下与废气接触，将废气中可溶于吸收剂之成份吸收出来，而处理过后的干净气体则由塔顶流出。

由塔底流出之吸收剂可由汽提回收VoC成份后，重复进入填充塔使用或进入处理厂中处理。

⑵吸收法的特点
吸收法具有设备结构简单、投资低、操作简便、处理成本低、维护容易等优点。

但废气排放要求有机污染物浓度很低，化学吸收一般很难满足这一要求。

此外，有废水排出，形成二次污染。

因此，与燃烧法、催化燃烧法、吸附法相比，用吸收法对碳氢化合物（HC）及其衍生物进行净化的应用范围不如它们广泛。

尤其是在对使用有机溶剂的各种行业如喷漆、绝缘材料、漆包线等生产过程中所排放出的废气，由于没有合适的吸收剂的选择，因此不能完全达到工业的应用水平。

现在吸收法一般应用于石油炼制及石油化工的生产及贮运中对烃类气体的回收利用。

3.1.5冷凝法
在气液两相共存的体系中，存在着组分的蒸气态物质由于凝结变成为液态物质的过程，同时也存在着该组分液态物质由于蒸发变成为蒸气态物质的过程。

当凝结与蒸发的量相等时称达到了相平衡，在相平衡时液面上的蒸气压即为该温度下与该组分相对应的饱和蒸气压。

若气相中的组分的蒸气压力小于其饱和蒸气压时，则液相组分将挥发至气相；若气相中的组分的蒸气压力大于其饱和蒸气压时，则蒸气就将凝结为液体。

由于同一物质的饱和蒸气压的大小与温度有关，当温度越低时，则饱和蒸气压值就越低。

而对于含有一定浓度的有机蒸气的废气，在将其降温时，废气中的有机物蒸气浓度不变，但与其相应的饱和蒸气压值却随着温度的降低而降低。

当废气降低到某一温度，与其相应的饱和蒸气压值已低于废气组分分压时，该组分就要凝结为液体，废气中组分分压值即可降低，也可实现气体分离的目的。

在一定的压力下，一定组分的蒸气被冷却，开始出现液滴的温度称为露点温度。

对含易凝缩的有害气体或蒸气态物质进行冷却，当温度降到露点温度以下时，才能将蒸气部分冷凝下来，冷凝下来的液体量即是有害气体组分被净化的量。

将气体中的蒸气冷凝为液体，可采用冷却的方法，也可以采用压缩的方法，
或者两者结合使用。

冷凝法的特点有如下几点：
①冷凝净化法适用于处理高浓度废气，尤其是含有有害组分单纯的废气；冷凝净化法可作为燃烧与吸附净化的预处理，尤其是有害物含量较高时，可通过冷凝回收的方法减轻后续净化装置的操作负担；冷凝净化法可处理含有大量水蒸气的高温废气。

②冷凝净化法所需的设备和操作条件比较简单，回收物质纯度高。

③冷凝净化法对废气的净化程度受到冷凝温度的限制，要求净化程度高或处理低浓度废气时，需要将废气冷却到很低的温度，经济上不合算。

3.1.6生物法
有机废气生物处理技术是近年来发展起来的一项新兴的有效控制挥发性有机物（VOCs）等污染物的技术，该技术已在德国、荷兰得到规模化的应用，有机物的去除率大都在90％以上。

尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显其经济性。

因而，生物法成为近十年来应用研究的重点。

同传统的物化处理方法相比，生物法具有许多其他方法无可比拟的优点。

①生物法可避免或减少二次污染。

一般将硫系、碳系、氮系等各种恶臭成分，以及苯酚、氰等有毒成分氧化和分解成CO2、H2O、H2SO4等物质。

生物处理的产物是微生物，很容易处理，而化学氧化法会产生氯和含氯产物，加热法会产生氮氧化物等污染物，还需进一步处理。

②生物法投资少，能耗低，运行费用低。

生物处理法是以有机成分作为生物体内的能源，只要使微生物与有机成分相接触，就可以完成氧化和分解过程。

在常温常压下进行，处理的能量来自生物利用挥发性有机物（VOCs）成分本身产生的能量，一般不需要加热；不需投加额外的化学品；消耗的动力只是污染气体进入处理系统时所耗的能量(正压送风或负压引风)。

与物理化学法相比，不仅可以省能源和资源，而且处理成本也比较低廉。

③生物法的去除效率高。

只要控制适当的负荷条件与气液接触条件，就能达到极高的去除效率，对于一般的空气污染物去除效率超过90％。

④生物法装置较为简单，只需设置诸如生物过滤器、曝气槽、捕集器等装置。

⑤生物法生成的剩余污泥少。

这是因为活性污泥法去除有机废气属于自行消化，其
剩余污泥较少。

⑥生物法操作方便、维修维护容易。

但生物处理法占地面积过大，运行时性能不稳定。

3.2有机废气治理方案的选择
3.2.1方案选定
在选择技术方法时，应全面考虑如下因素：应选择去除效率极高的技术方法；工艺必须成熟可靠，运行稳定，运行成本低；操作灵活方便；占地面积较小；使用寿命比较长；总投资尽可能小；尽量无二次污染产生。

各种处理方法的技术性能与经济指标的比较具体见表3.4。

包装印刷厂印刷过程需要使用有机溶剂型油墨，而有机溶剂型油墨采用甲苯、二甲苯、丙酮、丁醇、乙酸乙酯等低沸点挥发性有机物作为溶剂，该生产过程产生废气的浓度相对较低。

由表3.4的各种处理方法的技术性能与经济指标的比较，综合选择技术方法时应全面考虑的因素，对该生产过程产生的含苯有机气体的进行净化，可以考虑使用燃烧法、吸附法、吸收法、生物法。

吸收法的工程投资较小，运行成本也较低，但由于净化效率不高、合适的吸收溶剂难以选择、吸收时需考虑气体压力等问题、吸收过程也可能很不稳定。

因而不予采用。

从净化效率、工艺操作、运行成本、是否造成二次污染以及适用的废气浓度范围考虑，吸附法与生物法都是不错的净化方法，都是值得采用的方法。

但从印刷厂的实际生产运行情况及净化方法不影响正常生产方面考虑，生物处理法占地面积过大，运行时性能不稳定，与印刷厂的实际运作情况有所不适。

相反，吸附法设备简单、安全、可靠，也不影响印刷厂的正常生产操作，因而本方案采取活性炭吸附法进行有机气体的净化。

表3.4 各种方法的技术性能与经济指标
3.2.2
吸附剂的选择
考虑活性炭吸附是目前应用最广泛的回收技术，且在国内外都有众多工艺设计方案可供参考，因此，选择活性炭作为吸附剂对生产过程产生的有机气体进行净化作用。

活性炭吸附法原理是利用含VOCs 的气态混合物与吸附剂(粒状活性炭和活性炭纤维) 的多孔固体结构接触时，固体表面存在的未平衡的分子吸引力或化学键力，把混合气体中的VOCs 组分吸附留在固体的表面，含VOCs 的有机废气通过活性炭床, 其中的VOCs 被吸附剂吸附,废气因而得到净化, 达标后即排入大气。

当活性炭吸附达到饱和后, 对饱和的活性炭床进行脱附再生; 通入水蒸气加热活性炭层, VOCs 被吹脱放出,并与水蒸汽形成蒸汽混合物, 一起离开活性炭吸附床。

用冷凝器冷却蒸汽混合物, 使蒸汽冷凝为液体。

若VOCs 为水溶性的, 则用精馏将液体混合物提纯；若为水不溶性, 则用沉析器直接回收VOCs 。

因所用黏合剂聚乙烯醇缩丁酸（PVB ）、二丁酯（DBP ）与水互不相溶, 故可以直接回收。

表3.5 活性炭吸附可除去的污染物质
表3.6工业用活性炭的物理性质
活性炭吸附技术主要用于废气中组分比较简单、有机物回收利用价值较高的情况, 其废气处理设备的尺寸和费用正比于气体中VOCs的数量, 却相对独立于废气流量; 因此, 活性炭吸附床更倾向于稀的大气量物流, 一般用于温度不高, 湿度不大, 排气量较大的场合。

气体流量和浓度的波动对活性炭吸附器无大的影响。

活性炭吸附系统常用来处理气量200～100000m3/h，浓度范围在20～5000ppm的气体。

设备的尺寸取决于气量和浓度。

活性炭吸附系统的投资费用不高，操作灵活，运行成本与其他方法相比通常也较低。

固定床吸附装置的空塔速度一般取0.5m/s以下，吸附剂和气体的接触时间取0.50～2.0s以上，吸附层压力损失应控制小于1kPa。

在有害气体浓度较高时，为了适应工艺连续生产的需要，多采用双罐式并联系统，一罐吸附，另一罐脱附，交替切换使用。

再生可采用热空气、水蒸气或热氮气进行。

再生产生的浓污染气体需进一步采用冷凝、热力燃烧、催化燃烧等方法处理。

由于此时处理的是小气量的浓缩气流，故二级处理的费用大大减低。

活性炭在使用和再生的过程中会不断地损失其吸附容量，因此在使用一定时间后需全部更换。

固定床活性炭层高度一般取0.5～1.0m，垂直型（立式）直径与高度大致相等；水平型（卧式）长度大约为层高的4倍。

吸附罐可填充颗粒炭或纤维状炭，此两种炭的性能比较列于下表。

后者各项性能指标均优于前者，因此用其做成的吸附装置体形小、吸附及脱附速率均快、节约能耗，且回收溶剂品质高，国内已有定型成品供应。

表3.7 颗粒炭和纤维炭的性能比较
表3.8 几种国产活性炭的主要性能
4有机废气治理工艺设计
本设计的风量为h m Q /15003=，吸附塔空塔速度为u 0=0.1m /s ，在常温下操作。

4.1吸附器计算 4.1.1吸附装置尺寸计算
本设计采用环式固定床吸附器，设活性炭床层内壁直径为D 1=150mm ，活性炭床层外壁直径为D 2=350mm ，则活性炭床层厚度为d=100mm ，取活性炭床层到吸附塔内壁距离为D 3=75mm ，则吸附塔的直径为D= D 1 +2⨯d +2⨯D 3 =150+2⨯100+2⨯75=500mm 。

活性炭有效吸附高度为h 0，空塔速度u 0=0.1m /s ，取吸附塔φ=1000mm 处为废气过气面，则
φπ00
h u Q
=，所以，
011.036001500h ⨯⨯=⨯π 得mm m h 1327327.10== 取1300mm
取吸附塔壁厚6mm ，则吸附塔外径mm D 512265000=⨯+=，按压力容器公称直径标准进行圆整，则取mm D 5000=
取吸附塔体高度m mm H 6.11600==，整个吸附器高度取m H 2= 4.1.2活性炭体积及饱和期计算 活性炭体积 ()
0212241h D D V -=
π()
130********
1
22⨯-⨯=π381006.1mm ⨯=3106.0m = 如表3.8中所列，选用MWY15（太原新华8＃炭）型活性炭 活性炭重量kg mm cm g V W 47.521006.1/495.0383=⨯⨯==堆ρ 取吸附率为活性炭重量的40％ 则吸附量 kg 21%4047.52=⨯=ψ 有机废气去除浓度取300 mg/m 3
则有机废气单位时间通过吸附塔的质量为。