课程设计报告书广州某包装印刷厂废气的吸附设计
学院环境与能源学院
专业环境工程
学生姓名赵宇庭
学生学号 201136720460
学生电话135********
指导教师吴军良
课程编号
课程学分
起始日期 2014年12月20日
目录
1.项目概况 (6)
1.1.工厂概况 (6)
1.2.产污与排放 (6)
1.3.当地气象 (7)
2.设计依据 (7)
3.工艺方案比选与确定 (8)
3.1.吸附工艺的选择 (8)
3.2.工艺流程 (9)
3.3.主要设备 (10)
3.3.1.过滤阻火器（除尘器） (10)
3.3.2.冷凝器 (10)
3.3.3.活性炭吸附装置 (10)
4.工艺设计与计算 (11)
4.1.集气罩的设计 (11)
4.2.集气罩入口风量的确定 (11)
4.3.列管式冷凝器1 (12)
4.3.1.甲苯回收率计算 (13)
4.3.2.换热器面积 (13)
4.3.3.主要工艺的计算 (14)
4.4.列管式冷凝器2 (15)
4.4.1.确定所需蒸汽量 (15)
4.4.2.冷凝甲苯回收率计算 (15)
4.4.3.计算换热器的面积A (15)
4.4.4.主要工艺及结构基本参数的计算 (16)
4.5.吸附设备的设计 (17)
4.5.1.净化效率 (17)
4.5.2.活性炭对甲苯的饱和吸附量计算 (17)
4.5.3.固定床吸附器主要参数计算 (18)
4.5.4.固定床吸附器直径 (18)
4.5.5.气流穿过固定床层的压降估算式为： (19)
4.6.引风机和排风机 (20)
4.7.溶剂水分离器 (20)
4.8.液泵 (20)
4.9.供汽 (20)
5.设计图纸（见附页） (21)
6.参考文献 (21)
7.互校说明 (21)
1.项目概况
1.1.工厂概况
广州市某包装印刷厂坐落于广州市南沙区，主营业务为各种塑料薄膜的印刷制品。该印刷厂印刷工艺为凹印工艺，该工艺具有印刷速度快、印刷色彩饱满等特点，是现在主要的软包装、烟包、彩盒、铝箔材料的印刷手段，该工厂共有七台凹版印刷机，其中六台作为日常运作使用，剩余一台备用。
1.2.产污与排放
该印刷厂运行的六台印刷机，没有专门的废气收集系统，生产过程中产生的VOC气体全部由车间顶部的通风窗以及车间墙上的风机进行换气，废气排放手机的方法都极不合理，导致生产过程中的大量废气直接从印刷机顶和四周排放，车间内空气十分恶劣，对厂区周围的环境也造成了即为严重的影响，当地居民及环保局一致要求其对废气进行治理。
经过测量，该厂产出的VOC气体主要为甲苯、乙酸乙酯、丁酮、丙酮，但因为丁酮及丙酮用量少难以检测，主要测量了其甲苯及乙酸乙酯的浓度。该厂每天车间溶剂消耗量为14吨，而按照物料衡算挥发量也就是没有进行回收造成浪费的资源足有10吨。车间污染物浓度见表1。
表1 印刷厂污染物浓度
可以看出主要的污染物为甲苯因此本设计以甲苯为主要污染物进行设计与计算。
1.3.当地气象
广州年平均气温：22.0℃；年平均最高气温：26℃；年平均最低气温：18℃；年平均降雨量：1738毫米。
广州地处南亚热带，气候属南亚热带典型的季风海洋性气候。夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，四季如春，繁花似锦。全年平均气温20-22摄氏度，平均相对湿度77%，市区年降雨量为1，600毫米以上。由于背山面海，海洋性气候特征特别显著，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。
季风气候突出。冬夏季风的交替是广州季风气候突出的特征。冬季的偏北风因极地大陆冷气团向南伸展而形成，天气较干燥和寒冷；夏季偏南风因热带海洋暖气团向北扩张所形成，天气多温热潮湿。夏季风转换为冬季风一般在每年9月份，而冬季风转换为夏季风一般在每年4月份。
2.设计依据
根据GB 16297-1996《大气污染物综合排放标准》以及DB44/27-2001《广东省大气污染物排放限值》制定相关内容详见表2。执行该标准下的二级标准。
表2 甲苯综合排放标准
同时地方和厂家也有标准，详见表3。
表3 印刷车间有机废气的接触限值及排放浓度标准
3.工艺方案比选与确定
3.1.吸附工艺的选择
目前，对含有有害有机溶剂废气的净化方法，主要有吸收法、吸附法、冷凝法和燃烧法。
吸收法主要是采用适当的液体吸收剂来吸收净化废气中的污染物。此方法简单可靠，投资省，处理风量不受限制，适于处理低浓度并含颗粒物的废气。对不同的污染物，可选择不同的液体吸收剂。但对于挥发性很强的有机溶剂废气，由于不能用水来作吸收剂，所以，很难选择到合适的吸收剂。该法操作简单，处理效果一败涂地。
吸附法主要是采用吸附材料（如活性炭等）来吸附净化废气中的污染物。这种方法比较适合于中等风量以下、间歇性排放的低浓度废气的处理。该法操作简单，易管理，效果好。
冷凝法是将废气的温度降低，使污染物冷凝、凝结成液体并与废气分离，以此来达到净化的目的。这种方法适用于高浓度废气的净化，并可以回收资源。但该法投资大，能耗高，操作复杂，不适宜处理大风量、低浓度的废气。
燃烧法分为直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧法是将含有污染物的废气送入燃烧器烧掉；催化燃烧是在有催化剂帮助下燃烧废气中的有害物质。燃烧法也投资大，能耗高，操作复杂，同样不适宜处理大风量、低浓度的废气。
相比较之下在回收方面，选择活性炭吸附法是最适用的方法。炭吸附是目前最广泛使用的回收技术，其原理是利用吸附剂 (粒状活性炭和活性炭纤维) 的多孔结构，将废气中的 VOC 捕获。将含 VOC 的有机废气通过活性炭床，其中的 VOC 被吸附剂吸附，废气得到净化，而排入大气。当炭吸附达到饱和后，对饱和的炭床进行脱附再生；通入水蒸气加热炭层，VOC 被吹脱放出，并与水蒸汽形成蒸汽混合物，一起离开炭吸附床。用冷凝器冷却蒸汽混合物，使蒸汽冷凝为液体。若VOC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 VOC。因涂料中所用的甲苯与水互不相溶，故可以直接回收。
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 VOC的数量，却相对独立于废气流量；因此，炭吸附床更倾向于稀的大气量物流，一般用于 VOC 浓度小于5000PPM 的情况。适于喷漆、印刷和粘合剂等温度不高，湿度不大，排气量较大的场合，尤其对含卤化物的净化回收更为有效。
本次设计只需考虑甲苯的吸附且浓度较低因此活性炭吸附法是本次设计的最佳吸附方案。
3.2.工艺流程
图1 系统工艺流程图
由于烘箱出口废气中苯系污染物浓度较高，因此统一收集后先通过一组过滤阻火器，去除尾气中的固体杂质，然后进入列管式冷凝器，将气态苯系污染物冷凝为液体。经冷凝，温度冷却至24℃以下。
经冷凝的废气由引风机导入活性炭吸附器，进行活性炭吸附处理。吸附器共设两组，交替使用。饱和后的活性炭采用低压蒸汽再生，再生出的气相返回到冷凝器进行溶剂回收。回收的溶剂经水分离器分离后回用。
本工艺系统可分为三个部分：
废气收集系统主要包括局部排风罩，风量调节阀，管道。
废气净化处理系统主要包括除尘器，冷凝器，活性炭吸附装置。
排风系统主要包括排风机，风量调节阀和烟囱。
3.3.主要设备
3.3.1.过滤阻火器（除尘器）
主要作用：主要是为了除去有机废气中的漆雾粒子，避免漆雾粒子粘在吸附床内的活性碳纤维材料上，影响有害气体吸附效果。其次是为了防止生产设备出现着火事故时影响净化设备。
3.3.2.冷凝器
冷凝器1的作用是将有机废气中的气态甲苯冷凝为液体，从而降低废气中甲苯含量，提高活性炭吸附处理效率，同时回收部分甲苯。
冷凝器2的作用是将脱附所得甲苯和水蒸气冷凝为液体，回收脱附所得甲苯。
3.3.3.活性炭吸附装置
活性炭吸附装置是净化装置重要组成部分，设置目的是利用吸附法截留废气中的有机物进一步净化废气，并利用低压蒸汽吹脱及冷凝等手段回收部分甲苯。
4. 工艺设计与计算
4.1. 集气罩的设计
集气罩的罩口尺寸不应小于罩子所在污染位 置的污染物扩散的断面积。如图2所示，如果设 集气罩连接风管的特征尺寸为d 0（圆形为直径， 方形为短边），污染源的特征尺寸为d （圆形为直 径，方形为短边），集气罩距污染源的垂直距离H ，
集气罩口的特征尺寸为D 0（圆形为直径，方形为短边），集气罩喇叭口长度h 2，则应满足d 0/d ＞0.2、1.0＜D 0/d ＜2.0和H/d ＜0.7(若影响操作，可适当增大)和h 2/d 0≤3。
4.2. 集气罩入口风量的确定
△T＝T 1－T 2 =80-30=50（K ）
式中△T——温差，K ；
T 1——料槽温度，K ； T 2——环境温度，K.
已知：d=700mm ，H′=1000mm，取H=500mm ，a=80℃ 则D 0=d+0.8H=700+0.8×500=1100（mm ） 罩下口面积为F 0=0.25×3.14×1.12=0.950（m 2） 罩下口边高为)(24.0950.025.025.001m F h =?== 罩上口直径拟定为d 0=200（mm ） 则罩净高为)(45.02
.21.12m h =-=
校核d 0/d （=0.286）＞0.2 1.0＜D 0/d （=1.57）＜2.0
H/d （=0.71）和h 2/d 0（=2.25）＜3，基本符合要求。
F ＝0.25×3.14×0.72＝0.385（m 2）
图2 集气罩设计示意图
s
KJ F T q /128.03600/385.05098.83600/98.825.125.1=??=?= 式中q ——热量流率，kJ/s ； F ——污染源断面积，m 2。
热烟气流量Q 0为
Q 0＝0.403（qHF 2）1/3=0.403×（0.128×0.5×0.3852）1/3=0.085（m 3/s ） 式中H ——集气罩距污染源的垂直距离，m 。
最小吸入风量
Fˊ＝F 0-F= 0.950-0.385＝0.565（m 2）
取吸气罩入口速度v′＝0.7（m/s ） 集气罩排风量
Q ＝Q 0+ v′F′＝0.085+0.7×0.565＝0.48（m 3/s ） 式中Q ——最小吸入风量，m 3/s ；
/v ——最小吸入速度，0.5～1.0m/s ；
/F ——集气罩罩口面积与污染源断面积之差，m 2。
F 0——集气罩罩口面积，m 2。 4.3. 列管式冷凝器1
根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换热器对废气进行冷凝以回收部分甲苯。为了便于排出冷凝液，且考虑到经除尘后废气相对清洁，流动路径按废气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为了达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为常温20℃，出口温度为25℃。烘干废气进口温度为80℃，经冷凝后降低到40℃以下。具体计算如下：
已知条件：烘干废气风量14000m 3/h ，进气温度80℃，甲苯浓度为300mg/m 3，流量为4.5 kg/h 出口温度为40℃，冷却水进水温度20℃，出口温度25℃。
4.3.1. 甲苯回收率计算
甲苯的Antoine 常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine 方程
C
T B
A p --
=ln （p 为温度T 时的饱和蒸汽压，mmHg ） 80℃时p ＝291.21mmHg ；40℃时p ＝58.74mmHg 因此，80℃降温至40℃的回收率为
21
.29174
.5821.291-＝79.83％
所以，至40℃时甲苯冷凝量为4.5×79.83%=3.6kg/h ， 剩余流量为4.5－3.6＝0.9kg/h 。 40℃时总废气体积约为36.12413273
80273
4014000m =++?
，冷凝处理后废气中残
留甲苯浓度为
3
6/5.72106.124139
.0m mg =?
4.3.2. 换热器面积
80℃时甲苯质量流量为4.5kg/h ，则每小时排出的甲苯体积V 为
344.11
92)27380(08314.05.4m MP mRT V =?+??==
又废气总体积流量为14000 m 3/h ，废气平均分子量约为28。 80℃时废气质量流量＝
8.13356)
27380(08314.028
140001=+???=RT PVM kg/h 废气中空气的质量流量为13356.8－4.5＝13352.3kg/h 。
废气从80℃(T1)降至40℃(T2)，冷水从20℃(t1)升高至25℃(t2)。 热负荷Q 1＝甲苯降温传热量＋空气降温传热量
＝4.5×1.7×(80 - 40) + 13352.3 ×1.005 ×(80 - 40) ＝5.4×105 kJ/h
冷却水用量W ＝t c Q ??＝)
2025(2.4104.55
-??＝26t/h
先按单壳程考虑：对数平均温差)]
/()ln[(|
|||12211221t T t T t T t T T tm -----=
?＝34.6K
1221t t T T R --=
＝8540= 1
112t T t t P --=＝201
根据R 、P 的值查温度校正系数图可得，温差修正系数t F ＝0.89>0.8，可见用单壳程合适，因此有效温差tm t T F T ??=?＝30.8K
假定换热器总传热系数为)/(1302K m W K ?=，则所需传热面积为: 2135m K
T Q
A =??=
4.3.3. 主要工艺的计算
选用Φ25×2.5mm 钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0.5 m/s ，则 管数 2
4i
d u V n π=
＝
2
02
.05.01000
/)3600/26000(4???π＝46根 管长l ＝
d n A
π＝025.046135??π＝37.4m 因此，取管程数为2，管长为6m ，总管数为46×2＝92根。壳体的公称直径DN ＝800mm ，公称压力为10kgf/cm 2。
采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_1的主要参数是：
选用6m 长的Φ25×2.5mm 钢管（材质20号钢）共92根； 壳体直径800mm ； 换热面积135m 2； 冷却水用量为26t/h ； 甲苯回收率为86.7％；
废气由80℃降至40℃，冷却水由20℃升至25℃。
4.4. 列管式冷凝器2
根据废气性质和气量，本项目选用固定板式换热器对甲苯和水蒸气进行冷凝以回收脱附所得甲苯。为了便于排出冷凝液，流动路径按甲苯和水蒸气走管间（即壳程）、冷却水走管内考虑。另外，为达到一定的回收效率，且兼顾冷却水成本，确定冷却水进口温度为20℃，出口温度为25℃，蒸汽进口温度为120℃，经冷凝后降至30℃以下。具体计算如下： 4.4.1. 确定所需蒸汽量
脱附时甲苯回收率＝
40
40
300-＝86.7％ 需吹脱甲苯量为0.9×86.7％＝0.78 kg/h 。
一般取蒸汽量：吹脱溶剂量＝（4－10）：1，确定蒸汽量为150 kg/h 。 4.4.2. 冷凝甲苯回收率计算
甲苯的Antoine 常数为A=16.0137, B=3096.52, C=53.67。由Antoine 方程
C
T B
A p --
=ln （p 为温度T 时的饱和蒸汽压，mmHg ） 120℃时p ＝984.7mmHg ；30℃时p ＝36.67mmHg 因此，120℃降温至30℃的回收率为7
.98467
.367.984-＝97.3％，即甲苯基本上
全部冷凝下来。
4.4.3. 计算换热器的面积A
120℃时甲苯质量流量为0.78kg/h ，水蒸气质量流量为150 kg/h 。 蒸汽从120℃降低至30℃，冷却水从20℃升高至25℃。 热负荷Q 1＝甲苯降温传热量＋蒸汽传热量＋蒸汽冷凝潜热
＝0.78×1.7 ×(120 - 30) + 150 ×4.2 ×(120 - 30)＋150 ×2232 ＝0.392×106 kJ/h
冷却水用量W ＝t c Q ??＝)
2025(2.410392.06
-??＝18.7t/h
先按单壳程考虑：对数平均温差)]
/()ln[(|
|||12211221t T t T t T t T T tm -----=
?＝37.76K
1221t t T T R --=
＝18 1
112t T t t P --=＝201
根据R 、P 的值查温度校正系数图可得，温差修正系数t F ＝0.93>0.8，可见用单壳程合适，因此有效温差tm t T F T ??=?＝35K
假定换热器总传热系数为)/(3502K m W K ?=，则所需传热面积为: 2
9m K T Q
A =??=
4.4.4. 主要工艺及结构基本参数的计算
选用Φ25×2.5mm 钢管，材质20号钢。 取管内冷却水的流速为0. 5 m/s ，则 管数2
4i
d u V n π=
＝
2
02.05.01000
/)3600/18700(4???π＝34根
管长l ＝
d n A
π＝025.0349??π＝3.4m 因此，换热器管程数为2，管长为2m ，总管数＝34×2＝68根。壳体的公称直径DN ＝400mm ，公称压力为16kgf/cm 2。
采用正三角形排列换热管，管子与管板采用焊接法连接。 综上，列管式冷凝器_2的主要参数是：
选用2m 长的Φ25×2.5mm 钢管（材质20号钢）共68根； 换热面积9m 2； 壳体直径400mm ； 冷却水用量为18.7t/h ；
蒸汽由120℃降至30℃，冷却水由20℃升至25℃。
4.5. 吸附设备的设计 4.5.1. 净化效率
根据废气性质和气量，本项目采用低压蒸汽再生的固定床活性炭吸附系统进一步回收废气中的甲苯。
废气气量为14000m 3/h ，温度40℃，废气中含有300mg/m 3的甲苯，要求出口甲苯浓度为40 mg/m 3，即净化率达到86.7％。 4.5.2. 活性炭对甲苯的饱和吸附量计算
选用某种活性炭的参数如下：
堆积密度＝450kg/m 3，p d ＝5mm ，空隙率ε＝0.40。
从实验测得的有关二硫化碳在该活性炭上的吸附等温线方程为
237
.008.0m v
c a =
式中：a －气相浓度为mv c 时的平衡吸附量，kg/kgAC ；
mv c －气相中溶质气体的浓度，g/m 3。
①先用吸附方程将活性炭吸附二硫化碳的吸附等温线换算成吸附甲苯的吸附平衡线
由式 1
1
112222ln ln ln p p T T p p v v ββ-
= 查表可知，70.0)(21=CS β，25.1)(2=甲苯β，且T1=T2，故79.121=β
而40℃下二硫化碳和甲苯的饱和蒸汽压分别为：Pa p v 623801=，Pa p v 790002=
故有486.8ln 79.1ln 79.162380ln 79.179000ln ln 112-=+-=p p p (a) ②由W1=W2, 即21)/()/(ρρa a =,因为40℃下甲苯的密度31/2.848m kg =ρ，二硫化碳的密度32/1240m kg =ρ，
所以 237.01112117.0462.1)2.848/1240(m v c a a a === (b) ③由M RT c p m v /=可得
1124.34m v c p = , 2225.28nv c p =
代入式（a ），有
486.824.34ln 79.125.28ln 12-=m v m v c c
整理得 55866.021)29.245(m v m v c c = 代回式（b ），得 133.022367.0m v c a =
上式即为甲苯在该种活性炭上的吸附平衡曲线。在此条件下，活性炭吸附甲苯的静态饱和吸附容量a ＝0.313kg/kgAC 4.5.3. 固定床吸附器主要参数计算
选定吸附器中的气速为0.4m/s ，此时吸附带长度为0.3m ，吸附带中活性炭的动态吸附容量按静态饱和吸附容量的35％计，则
吸附带中活性炭所吸附的甲苯为0.110 kg/kg 。
吸附带外已经动态饱和的活性炭吸附容量按静态饱和吸附容量的90％计，则
吸附饱和后活性炭所吸附的甲苯为0.282 kg/kg 。 4.5.4. 固定床吸附器直径
m D 6.352.34
.0)4/()
3600/14000(≈=?=
π
吸附带内的活性炭量为 kg 5.13734503.06.3)4/(2=???π
吸附带内的活性炭可吸附的甲苯量为 kg 1.1515.1373110.0=? 吸附工作周期按7天（56h ）计，则每一周期的吸附量为
kg 2.2355610300140006=???-
吸附带外所需的活性炭用量为
3663.0450
282.01
.1512.235m =?-
取吸附器类活性炭外的空袭上下各为3m ， 吸附器总高为
m 366.6333.06
.3)4/(663
.02
=+++?π 活性炭总用量为372.3663.0450/5.1373
m =+ 4.5.5. 气流穿过固定床层的压降估算式为：
75.1)1(150)1(2
2+-=
-?G
d G D d p p g p μ
εερε
式中：p ?－压降，Pa ；
ε－空隙率，m 3空隙/m 3吸附床； p d －吸附剂颗粒直径，m ； g ρ－气体密度，kg/m 3；
G －气体表现质量通量，)/(2s m kg ?； D －床深，m ；
μ－气体黏度，s Pa ?。
40℃下气体密度为3/128.1m kg g =ρ，黏度为s Pa ??=-510913.1μ， 而
)/(432.0128.16
.3)4/(360014000
22
s m kg G ?=???=
π，因此经计算可得压降为
Pa p 2.2894.0105128.1432.0)4.01(366.0)75.1432.010510913.1)4.01(150(3
32
35=????-??+????-?=?---
理论功率消耗W p Q p 11252.289)3600/14000(=?=?=，风机效率以0.70计，
则实际功率消耗 kW W p f 607.1160770.0/1125===
综上，选用固定床活性炭吸附器两台，交替使用，其主要参数为：
活性炭堆积密度450kg/m3，
d＝5mm，空隙率 ＝0.40；
p
活性炭总用量为3.72m3；
吸附器总高6.366m，直径3.6m；
吸附工作周期为7天（56小时）；
净化效率>86.7％；
实际消耗功率1.607kW。
4.6.引风机和排风机
活性炭吸附器组进口总管处配B4－72型防爆离心通风机一台，风量最大可达Q=20000m3/h，风压671Pa，电机功率35kw。
活性炭吸附器组出口总管处配B4－72型防爆离心通风机一台，风量最大可达Q=20000m3/h，风压671Pa，电机功率35kw。
4.7.溶剂水分离器
水蒸气用量为150kg/h（即150m3/h），甲苯为24kg/h（即7 m3/h），7天脱附一次，每次脱附两个小时，因此确定溶剂水分离器的容积为350m3。在此溶剂水分离器上设置安全排气管，每7天排空一次。
4.8.液泵
选用一台50SGB10-8型防爆管道泵将甲苯从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为口径为50mm，额定流量10 m3/h，扬程8m，转速2900 r.p.m，功率为7.5kW。
选用两台4B15A型离心水泵将冷凝水从溶剂水分离器中分离出来，其主要参数为额定流量86 m3/h，扬程8.5m，转速2900 r.p.m，功率为2.78kW。
4.9.供汽
为降低设备投资，节约成本，吸附饱和的活性炭再生时使用低压蒸汽，