管道系统的设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 管道系统的设计,管道系统设计内容广泛，本章重点介绍管道系统的压力损失计算、管道布置、管道保温、防腐和防爆及管道热补偿设计等内容。,第一节,管道系统压力损失计算,一、管道内气体流动的压力损失,管道内气体流动的压力损失有两种，一种是由于气体本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的压力损失，称为摩擦压力损失或沿程压力损失；另一种是气体流经管道系统中某些局部构件时，由于流速大小和方向改变形成涡流而产生的压力损失，称为局部压力损失。摩擦压力损失和局部压力损失之和即为管道系统总压力损失。,1,摩擦压力损失,根据流体力学的原理，气体流经断面不变的直管时，摩擦压力损失,P,L,可按下式计算,式中：,R,m,单位长度管道的摩擦压力损失，简称比压损,(,或比摩阻,),，,Pa/m,；,l,直管段长度，,m,；,摩擦压损系数；,管道内气体的平均流速，,m/s,；,管道内气体的密度，,kg/m,3,；,R,s,管道的水力半径，,m,。它是指流体流经直管段时，流体的断面积,A(m,2,),与润湿周边,x(m),之比，,(1),圆形管道比压损的确定：从式,(14 - 2),可知，,值的确定是计算,R,m,值的关键。,值是管道中气体的流动状态,(Re,准数,),及管道相对粗糙度,(K/d),的函数。在局部排气净化系统中，薄钢板风管内的空气流动状态大多属于湍流光滑区到粗糙区之间的过渡区。通常，高速风管内的流动状态也处于过渡区。只有管径很小，表面粗糙的砖、混凝土风管内的流动状态才属于粗糙区。计算过渡区摩擦压损系数的公式很多，而适用范围较大，广泛采用的是克里布洛克,(Colebrook),公式：,式中：,K,管道内壁粗糙度，,m,。具体数值见表,14 - 1,。,风管材料,粗糙度,/mm,薄钢板或镀锌薄钢板,0.15,0.18,塑,料,板,0.01,0.05,矿渣石膏板,1.0,矿渣混凝土板,1.5,胶,合,板,1.0,砖,砌,体,3,6,混,凝,土,1,3,木,板,0.2,1.0,表,14 - 1,各种材料所作风管的粗糙度,K,(2),矩形管道比压损的确定：,流速当量直径计算法：矩形管道的流速当量直径定义为，若矩形管道和某圆形管道的压损系数相等、管道内流速相等和管道比压损相等时，则将圆形管道的直径称为该矩形管道的流速当量直径，以,d,v,表示。,由上述定义，经推导可以得到边长为,a,、,b,的矩形管道流速当量直径的计算为,用,“,计算表,”,直,接计算：上述,的,“,计算表,”,已专门作出了矩形风管压损计算表，可根据已知的流量和选取的流速在,“,计算表,”,中直接,查出需要设计的管道尺寸和,R,m,值。,2,、局部压力损失,气体流经管道系统的异形管件（如阀门、弯头、三通等）时，由于流动情况发生骤然变化，所产生的能量损失称为局部压力损失。局部压力损失,P,m,一般用动压力的倍数表示，即,式中：,局部压损系数；,异形管件处管道断面平均流速，,m/s,。,局部压损系数通常是通过实验确定的。实验时，先测出管件前后的全压差（即管件的局部压力损失,),，再除以相应的动压,2,/2,即可求得,值。各种管件的局部压损系数在有关设计手册中可以查到。,二、管道系统压力损失计算,管道系统压力损失计算的目的是确定管道断面尺寸和系统的压力损失，并由系统的总风量和总压力损失选择适当的风机和电机。管道计算的常用方法是流速控制法，也称比摩阻法，即以管道内气流速度作为控制因素，据此计算管道断面尺寸和压力损失。,用流速控制法进行管道计算，通常按以下步骤进行：,确定各抽风点位置和风量、净化装置、风机和其他部件的型号规格、风管材料等。,根据现场实际情况布置管道，绘制管道系统轴测图，进行管段编号，标注长度和风量。管段长度一般按两管件中心线间距离计算，不扣除管件,(,如三通、弯头,),本身长度。,确定管道内的气体流速。,表,l4 - 2,所列为除尘管道内最低气流速度，可供设计参考。,粉尘性质,垂直管,水平管,粉尘性质,垂直管,水平管,粉状的粘土和砂,11,13,铁和钢,(,屑,),18,20,耐火泥,14,17,灰土、砂尘,16,18,重矿物粉尘,14,16,锯屑、刨屑,12,14,轻矿物粉尘,12,14,大块干木屑,14,15,干型砂,11,13,干微尘,8,10,煤,灰,10,12,染料粉尘,14,16,16,18,湿土,(2,以下水分,),15,18,大块湿木屑,18,20,铁和钢,(,尘末,),13,15,谷物粉尘,10,12,棉,絮,8,10,麻,(,短纤维粉尘、杂质,),8,12,水泥粉尘,8,12,18,22,表,l4 - 2,除尘管道内最低气流速度,单位：,m/s,根据系统各管段的风量和选择的流速确定各管段的断面尺寸。对于圆形管道，在已知流量,Q,和预先选取流速,v,的前提下，管道内径可按下式计算：,(mm),（,14,9,）,或,Q,体积流量，,m,3,/h,；,W,质量流量，,kg/h,。,对于除尘管道，为防止积尘堵塞，管径不得小于下列数值：输送细粉尘,(,如筛分和研磨的细粉,),，,d80 mm,；输送较粗粉尘,(,如木屑,),，,d100 mm,；输送粗粉尘,(,有小块物,),，,d130 mm,。,风管断面尺寸确定后，按管内实际流速计算压损。压损计算应从最不利环路（系统中压损最大的环路,),开始。,对并联管道进行压力平衡计算。两分支管段的压力差应满足以下要求：除尘系统应小于,10,，其他通风系统应小于,15,。否则，必须进行管径调整或增设调压装置,(,阀门、阻力圈等,),，使之满足上述要求。调整管径平衡压力：可按下式计算：,式中：,d,2,调整后的管径，,mm,；,d,l,调整前的管径，,mm,；,p,1,管径调整前的压力损失，,Pa,；,p,2,压力平衡基准值,(,若调整支管管径，即为干管的压力损失,),，,Pa,。,计算管道系统的总压力损失,(,即系统中最不利环路的总压力损失,),。,以上计算内容可列表进行。,根据系统的总风量、总压损选择通风机和电动机。,选择通风机的风量按下式计算：,m,3,/h,式中：,Q,管道计算的总风量，,m,3,/h,；,K,1,考虑系统漏风所附加的安全系数。一般管道取,K=0.1,；除尘管道取,K=0.1,0.15,。,选择通风机的风压按下式计算：,（,14 -12,）,式中：,p,管道计算的总压力损失，,Pa,：,K,2,考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的安全系数。一般管道取,K=0.1,0.15,，除尘管道取,K=0.15,0.2,；,0,、,p,0,、,T,0,通风机性能表中给出的标定状态的空气密度、压力、温度。一般说，,p,0,=101.3 kPa,，对于通风机,t,0,=20,，,0,=1.2 kg/m,3,，对于引风机,t,0,=200,，,0,=0.745 kg/m,3,；,、,p,、,T,运行工况下进入风机时的气体密度、压力和温度。,计算出,Q,0,和,p,0,后，即可按通风机产品样本给出的性能曲线或表格选择所需通风机的型号规格。,所需电动机的功率,N,e,可按下式计算,(kW) (14 -13),式中：,K,电动机备用系数。对于通风机，电机功率为,2,5 kW,时取,1.2,，大于,5 kW,时取,1.15,；对于引风机取,1.3,；,1,通风机全压效率，可由通风机样本中查得，一般为,0.5,0.7,；,2,机械传动效率，对于直联传动为,1,，联轴器传动为,0.98,，皮带传动为,0.95,。,三、管道计算实例,例,14 - 1,某有色冶炼车间除尘系统管道布置如图,14 - 1,所示。系统内的气体平均温度为,20,，钢板管道的粗糙度,K=0.15 mm,，气体含尘浓度为,10 g/m,3,，所选除尘器的压力损失为,981 Pa,。集气罩,l,和,2,的局部压损系数分别为,1,=0.12,，,2,=0.19,，集气罩排风量分别,为,Q,1,=4 950 m,3,/h,，,Q,2,=3 120 m,3,/h,。要求确定该系统的管道直径和压力损失，并选择风机。,解：,(1),管道编号并注上各管段的流量和长度。,(2),选择计算环路。一般从最远的管段开始计算。本题从管段,开始。,(3),有色冶炼车间的粉尘为重矿粉及灰土，按表,14 - 2,取水平管内流速为,16 m/s,。,(4),计算管径和压力损失：,第二节,VOCs,污染预防,Pollution preventing for VOCs,VOCs,污染控制技术基本上可分为两大类：第一类是以改进工艺技术、更换设备和防止泄漏为主的预防性措施；第二类是以末端治理为主的控制性措施（见图,10,2,）。,为了采取有效的预防性措施，必须编制,VOCs,控制计划（见图,10,3,）,明确生产部门、使用部门和管理部门的职责，调查,VOCs,排放清单，包括,VOCs,种类、强度、设备的工作条件和运行状态以及管理状况，为进一步决策提供依据。,一、,VOCs,替代,substitute of VOCs,涂料施工、喷漆、电缆、印刷、粘接、金属清洗等行业都需利用有机溶剂作为原材料的稀释剂或清洗剂，在使用过程中，这些有机溶剂绝大部分经挥发进人到大气环境中,造成严重的局部污染,因此，采用无毒或低毒原材料代替或部分代替有机溶剂，做到不排或少排有害的,VOCs,是减少这类污染的有效途径，具体减少有机溶剂用量的方法见表,10,6.,二、工艺改革,The craft reforming,通过工艺改革以减少,VOCs,的形成比末端治理措施更为经济有效。许多依赖挥发性溶剂的涂料和装潢工艺已逐步被其他非挥发性溶剂工艺所取代。,减少石油及石油化工生产过程中的原料及成品等的各种耗损也是减少,VOCs,排放的重要措施。石油化工厂在生产、储存和运输的各个环节中，都会产生烃类的排放和泄漏。这些排放和泄漏造成了原材料的损耗并污染了大气，因此应采取各种方法回收利用放空气体，改进、改善工艺设备，减少油品的挥发损失。,三、泄露损耗及控制,leak lossing and control,1,、充入、呼吸和排空损耗,当,VOCs,溶液在充入容器或从容器中导出时，由于温度和气压的变化，,VOCs,气体逸出，此类排放称为操作损耗。图,10,4,是,VOCs,充入、呼吸和排空损耗的示意图。当液体进入容器时，液面上升，容器上的蒸气空间（顶空）减少，蒸气通过顶部排气筒排出；当从容器中抽取液体时，液面下降，空气通过排气筒进入容器顶空。容器无开口时，改变液面会在充入时引起加压或在排空时引起真空。,由于温度的变化使容器产生“吸进和呼出”而导致的有机物损耗称为呼吸损耗。通常白天呼出，晚上吸进。对固定容器而言，蒸气活塞式流动的假设是可行的，但对移动车辆上的油箱而言，液体的摇动使容器上部的蒸气随时保持饱和状态，在这种情况下，可假设在变化温度范围内，蒸气处于平衡状态，有机物的排出量可通过积分求得。计算的排放量略大于实际排放量。,呼吸、充入和排空损耗可通过在容器出口附加的真空压力阀也叫蒸气保护阀来控制。当通过的压力差异较小时，阀门是关闭的。当充入、倒空或温度与压力有较大变化时引起明显的蒸气流出、流入，阀门会自动打开。,2,、汽油的转移和呼吸损耗,VOCs,的挥发主要取决于有机物质的蒸气压和分子量。对于纯组分（如对苯）而言，分子量是常数，蒸气压是温度的简单函数。而对,VOCs,混合物（如汽油）而言，液态有机物汽化时蒸气的蒸气压和分子量都变化，挥发量是温度、分子量和蒸气压的函数。汽油的蒸气压、分子量随挥发量的变化见图,10,5,。,要计算混合物的转移和呼吸损耗，先观察一小部分汽油汽化到容器的液面上空间，这样汽油的蒸气压和分子量近似于无汽化时相应的值，由图,10,5,，,20,时汽油的蒸气压约为,0.4 atm,，分子量约为,60 g/mol,。,第三节 燃烧法控制,VOCs,污染,VOCs pollution control during combustion,用燃烧方法将有害气体、蒸气、液体或烟尘转化为无害物质的过程称为燃烧法净化，亦称焚烧法。燃烧法净化时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解。因此，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物质。燃烧法还可以用来消除恶臭。由于有机气态污染物燃烧氧化的最终产物是,CO,2,和,H,2,O,因而使用这种方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，所以可以回收热量。,一、,VOCs,燃烧转化原理及燃烧动力学,Combustion transforming principle and burning kinetics of VOCs,1,燃烧反应,燃烧反应是放热的化学反应，可用普通的热化学反应方程式来表示，例如：,式中：,Q-,反应时放出的热量，,J,。,每摩尔燃料燃烧时所放出的热量称为燃烧热，单位为,kj/mol,。,2,、燃烧动力学,VOCs,燃烧反应速率，即单位时间浓度的减少量，可以表示为：,多数情况下，氧气的浓度远远高于,VOCs,的浓度。上式可表示为：,3,、燃烧与爆炸,当混合气体中含有的氧和可燃组分在一定的浓度范围内，某一点被燃着时产生的热量，可以继续引燃周围的混合气体，此浓度范围就是燃烧极限浓度范围。当燃烧在一有限空间内迅速蔓延，则形成爆炸。因此，对于混合气体的组成浓度而言，可燃的混合气体就是爆炸性混合气体，燃烧极限浓度范围，也就是爆炸极限浓度范围。,二、燃烧工艺,combustion techniques,目前在实际中使用的燃烧净化方法有直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧,.,1,、直接燃烧,直接燃烧亦称为直接火焰燃烧，它是把废气中可燃有害组分当作燃料直接燃烧。因此，该方法只适用于净化含可燃有害组分浓度较高的废气，或者用于净化有害组分燃烧时热值较高的废气，因为只有燃烧时放出的热量能够补偿散向环境中的热量时，才能保持燃烧区的温度，维持燃烧的持续。,多种可燃气体或多种溶剂蒸气混合存在于废气中时，只要浓度值适宜，也可以直接燃烧。如果可燃组分的浓度高于燃烧上限，可以混人空气后燃烧；如果可燃组分的浓度低于燃烧下限，则可以加人一定数量的辅助燃料（如天然气等）维持燃烧。,2,、热力燃烧,热力燃烧用于可燃有机物质含量较低的废气的净化处理，工艺流程如图,10,6,所示。这类废气中可燃有机组分的含量往往很低，本身不能维持燃烧。,在热力燃烧中，被净化的废气不是作为燃烧所用的燃料，而是在含氧量足够时作为助燃气体，不含氧时则作为燃烧的对象。在进行热力燃烧时一般是需燃烧其他燃料（如天然气、油等），把废气温度提高到热力燃烧所需的温度，使其中的气态污染物进行氧化，分解成为,CO,2,，,H,2,O,，,N,2,等。,为使废气温度提高到有害组分分解温度，热力燃烧过程需用辅助燃料燃烧来供热。但辅助燃料不能直接与全部要净化处理的废气混合，那样会使混合气中可燃物的浓度低于燃烧下限，以致不能维持燃烧。,如果废气以空气为主，即含有足够的氧，就可以用部分废气使辅助燃料燃烧，使燃气温度达到,1 370,左右，用高温燃气与其余废气混合达到热力燃烧的温度。这部分用来助燃辅助燃料的废气叫助燃废气，其余部分废气叫旁通废气。若废气以惰性气体为主，即废气缺氧，不能起助燃作用，则需要用空气助燃，全部废气均作为旁通废气。热力燃烧的过程可分为寸个步骤：辅助燃料燃烧,提供热量；废气与高温燃气混合,达到反应温度；在反应温度下，保持废气有足够的停留时间，使废气中可燃的有害组分氧化分解,达到净化排气的目的。,3,、催化燃烧法,催化燃烧实际上为完全的催化氧化，使废气中的有害可燃组分完全氧化为,CO,2,和,H,2,O,。由于绝大部分有机物均具有可燃烧性，因此，已成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。又由于很大一部分有机化合物具有不同程度的恶臭，因此催化燃烧法也是消除恶臭气体的有效手段。,催化燃烧法已成功地应用于绝缘材料、漆包线、炼焦、油漆、化工等多种行业中净化有机废气。因废气温度和有机物浓度较高，对燃烧反应及热量回收有利，具有较好的经济效益，因此应用广泛。,4,燃烧工艺性能,燃烧工艺性能见表,10,12,。从表,10,12,可知，燃烧法适合于处理浓度较高的,VOCs,废气，一般情况下去除率均在,95,以上。直接燃烧法虽然运行费用较低，但由于燃烧温度高，容易在燃烧过程中发生爆炸，并且浪费热能产生二次污染，因此目前较少采用；热力燃烧法通过热交换器回收了热能，降低了燃烧温度，但当,VOCs,浓度较低时，需加入辅助燃料，以维持正常的燃烧温度，从而增大了运行费用；但由于催化剂容易中毒，因此对进气成分要求极为严格，不得含有重金属、尘粒等易引起催化剂中毒的物质，同时催化剂成本高。使得该方法处理费用较高。,第四节 吸收（洗涤）法控制,VOCs,污染,VOCs pollution control with absorption (washing) technique,溶剂吸收法采用低挥发或不挥发性溶剂对,VOCs,进行吸收，再利用,VOCs,分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。,一、吸收工艺及吸收剂,absorption technique and absorben,1,、吸收工艺,Absorb technique,吸收（洗涤）法控制,VOCs,污染的典型工艺如图,10,8,所示。,含,VOCs,的气体由底部进入吸收塔，在上升的过程中与来自塔顶的吸收剂逆流接触而被吸收，被净化后的气体由塔顶排出。吸收了,VOCs,的吸收剂通过热交换器后，进入汽提塔顶部，在温度高于吸收温度或（和）压力低于吸收压力时得以解吸，吸收剂再经过溶剂冷凝器冷凝后进人吸收塔循环使用。解吸出的,VOCs,气体经过冷凝器、气徽分禺器后以纯,VOCs,气体的形式离开气提塔，被一步回收利用。该工艺适用于,VOCs,浓度较高、温度较低和压力较高的场合。,2,、吸收剂,吸收剂必须对被去除的,VOCs,有较大的溶解性，同时，如果需回收有用的,VOCs,组分，则回收组分不得和其他组分互溶；吸收剂的蒸气压必须相当低，如果净化过的气体被排放到大气，吸收剂的排放量必须降到最低；洗涤塔在较高的温度或较低的压力下，被吸收的,VOCs,必须容易从吸收剂中分离出来，并且吸收剂的蒸气压必须足够低，不会污染被回收的,VOCs,；吸收剂在吸收塔和汽提塔的运行条件下必须具有较好的化学稳定性及无毒无害性；吸收剂分子量要尽可能低，以使吸收能力最大化。,二、吸收设备,Absorption equipment,用于,VOCs,净化的吸收装置，多数为气液相反应器，一般要求气液有效接触面积大，气液湍流程度高，设备的压力损失小，易于操作和维修。目前工业上常用的气液吸收设备有喷洒塔、填料塔、板式塔、鼓泡塔等。其中在喷洒塔、填料塔中，气相是连续相，而液相是分散相，其特点是相界面积大，所需气液比亦较大在板式塔、鼓泡塔中，液相是连续相而气相为分散相。,VOCs,吸收净化过程，通常污染物浓度相对较低、气体量大，因而选用气相为连续相、湍流程度较高、相界面大的如填料塔、湍球塔型较为合适。填料塔的气液接触时间、气液比均可在较大范围内调节，且结构简单，因而在,VOCs,吸收净化中应用较广。下面简要讨论填料塔的设计指标,。,1,液气比,液气比既是重要的操作参数，也是重要的设计参数。它影响操作条件下的气液平衡（即操作线的斜率），也影响吸收过程的经济性。,2,塔径,填料塔直径决定于气体的体积流量与空塔气速，前者由生产条件决定，后者则在设计时规定。在气体处理量一定的条件下，气速大则塔径小，又由于传质系数提高，可使填料层的总体积减少，因而设备费可降低；气速大则阻力大，使操作费提高。气速又不能过于靠近液泛点，否则生产条件稍有波动，操作就不稳定因此在设计时应充分考虑填料层的压力降、液泛气速、载液气速及其他一些水力性能。正常运行时，气体流速一般控制在液泛气速的,75,以内。液泛速度可由半经验方程计算或用关联图查出（如图,10,9,所示）。,也可以根据生产条件，规定出可允许的压力降，由此压力降反算出可采用的气谏,3,、填料层高度,填料层高度由传质单元数和传质单元高度推算。根据经验，对工业用吸收塔，传质单元高度可取为,1.5,1.8 m,。如果算出的高度太大则要分成若干段，每段高度一般不宜超过,6 m,。填料尺寸也影响填料层高度的分段。对拉西环，每段填料层高度可为塔径的,3,倍，对鲍尔环及鞍形填料为,5,6,倍。,第五节 冷凝法控制,VOCs,污染,VOCs pollution control using condensation method,冷凝法利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸气状态的污染物,(,如,VOCs),冷凝并与废气分离。典型的带制冷的冷凝系统工艺流程见图,10,10,。,一、冷凝原理,principle of condensation,物质在不同的温度和压力下，具有不同的饱和蒸气压。对应于废气中有害物质的饱和蒸气压下的温度，称为该混合气体的露点温度。也就是说，在一定压力下，某气体物质开始冷凝出现第一个液滴时的温度，即为露点温度，简称为露点。因此，混合气体中有害物质的温度必须低于露点，才能冷凝下来。在衡压下加热液体，液体开始出现第一个气泡时的温度，简称泡点。冷凝温度一般在露点和泡点之间，冷却温度越接近泡点，则净化程度越高。通常也可用压缩法使气态有害物质在临界温度和临界压力下变成液态，从而除去或回收有害物质，但由于费用较高，目前使用较少。,二、气态污染物的冷凝分离,condensation separate of gaseous pollutants,1,、相平衡常数,相平衡常数是指在一定温度和压力下，汽液两相达到平衡时，任意组分,i,在气相中的分子分数,y,与在液相中的分子数,x,之比，即,m=yi/xi,三、,VOCs,的冷,condensation of VOCs,在压力为,P,，温度为,t,时，,VOCs,在图,10,10,所示的系统中进行部分冷凝，已知进料中,i,组分的摩尔分率为,Zi,，计算液化率,f,以及冷凝后冷凝液的组成,xi,和未凝气体的组成,yi,。,四、冷凝类型和设备,condensation types and equipment,两种最通用的冷凝方法是表面冷凝和接触冷凝,.,表面冷凝的常用设备是壳管式热交换器。典型情况下，冷却剂通过管子流动，而蒸气在管子外壳冷凝,被冷凝的蒸气在冷却管上形成液层后被排到收集槽进行储存或处理。在表面冷凝器中，冷凝剂既不与蒸气接触也不与冷凝物接触。与表面冷凝相反，在接触冷凝中，则是通过直接向气体中喷射冷却液的方法使,VOCs,气体进行冷凝。,1,、接触冷凝,接触冷凝是指在接触冷凝器中，被冷凝气体与冷却介质（通常采用冷水）直接接触而使气体中的,VOCs,组分得以冷凝，冷凝液与冷却介质以废液的形式排出冷却器。接触冷凝有利于强化传热，但冷凝液需进一步处理。常用的接触冷凝设备有喷射器、喷淋塔、填料塔和筛板塔。,2,、表面冷凝,表面冷凝也称间接冷却，冷却壁把冷凝气与冷凝液分开，因而冷凝液组分较为单一，可以直接回收利用。常用的间接冷凝设备有列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、淋洒式冷凝器以及螺旋板冷凝器等。,3,、冷凝系统的设计计算,冷凝系统的设计计算的复杂程度，依赖于排放流中组分的数量和各组分的性质。这里只介绍单组分,VOCs,气体的冷凝。多组分,VOCs,气体的冷凝可参考有关文献。,(1),冷凝系统设计变量：在脱除效率和出口浓度给定的情况下，冷凝系统设计中所需的关键设计变量是冷凝温度。冷凝器的脱除效率依赖于排放流中各组分的性质和浓度。例如，高沸点（即低挥发性）的,VOCs,比低沸点的,VOCs,更易冷凝。,达到给定的脱除效率（或出口浓度）所需要的温度取决于气液平衡条件下,VOCs,的蒸气压。对于给定的,VOCs,，只要给定了脱除效率，冷凝所需要的温度就可以根据它的蒸气压一温度来确定。对于一些典型,VOCs,，其蒸气压力一温度关系可用柯克斯气压图表示（见图,10,12,）。冷却剂则可根据所需要的冷凝温度选择。,(2,）冷凝系统设计变量的确定：本节介绍管壳式冷凝器的设计计算。该交换器在壳体内是热流体,(VOCs,气体,),，而在管内是冷流体,(,冷却剂,),。假设,VOCs,气体由两种组分组成,:,一种是可冷凝成分,(VOCs),，另一种是不可冷凝成分,(,空气,),。,冷凝温度估算：以下计算中，假设进人冷凝器的,VOCs,气流是由所关心的,VOCs,达到饱和的空气组成,第六节 吸附法控制,VOCs,污染,Section six VOCs pollution,control using adsorption method,含,VOCs,的气态混合物与多孔性固体接触时，利用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,VOCs,组分吸附留在固体表面，这种分离过程称为吸附法控制,VOCs,污染。吸附操作已广泛应用于石油化工、有机化工的生产部门，成为一种重要的操作单元。在大气污染控制领域，因为吸附剂的选择性强、能有效分离其他过程难以分开的混合物、能有效地去除低浓度有毒有害物质而得以广泛应用。,一、吸附工艺,One,、,adsorption technique,VOCs,污染控制的吸附工艺流程见图,10,13,。,二、吸附容量,Two,、,adsorption capacity,对工程应用而言，吸附容量直接决定了吸附质在吸附床中的停留时间和吸附设备的规模。通过吸附实验可得到吸附质在指定吸附剂中的吸附容量曲线、这里，简单介绍利用波拉尼,(Polanyi ),曲线估算吸附容量。波拉尼曲线见图,10,14,三、多组分吸附,Three,、,multi-component absorption,假如被吸附的气体或蒸气由几种化合物组成，吸附现象就变得复杂了。一般来讲，化合物的被吸附性与其相对挥发性近似呈负相关。因此，含有多组分有机蒸气的气流通过活性炭层时，在开始阶段各组分均等地吸附于活性炭上。但是随着沸点较高组分在床内保留量的增加，相对挥发性大的蒸气开始重新汽化。达到穿透点后，排出的蒸气大部分由挥发性较强的物质组成，在此阶段，较高沸点的组分开始置换较低沸点的组分，并且每种其他组分都重复这种置换过程。气流中存在两种或两种以上的挥发性有机化合物时：分子量较大的有机化合物的吸附有取代低分子量有机化合物的趋势，即轻组分以较快的速率通过吸附床。因此，可实现轻组分与重组分的分离。另外，多组分蒸气同时吸附加大了传质区高度，有可能需要增长吸附床长度。炭的保持力可能会减弱多组分有机物吸附时，给定系统的效率将会降低。混合物的爆炸下限将直接随各种单一组分爆炸下限变化。必须十分注意操作安全问题。,四、活性炭的吸附热,Four,、,Absorb heat of active carbon,用活性炭吸附蒸气或气体时，通常放出相当数量的热量，导致活性炭及气流温度升高，使活性炭吸附能力下降。,工业上计算时，对于物理吸附，常常取吸附热等于其凝缩热但这种假定会引起较大的误差,因为物理吸附的吸附热等于凝缩热,(q,凝,),与润湿热,(q,润,),之和,只有当前者相对后者很大时,才可忽略不计润湿热，而且这里的,q,润,是某阶段的所谓微分润湿热，不是全部的所谓积分润湿热。,第七节 生物法控制,VOCs,污染,Section seven VOCs pollution,control using biological technique,生物法控制,VOCs,污染是近年发展起来的空气污染控制技术，该技术已在德国、荷兰得到规模化应用，有机物去除率大都在,90,以上。与常规处理法相比，生物法具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，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,.,一、生物法控制,VOCs,污染的原理,One,、,the principle of VOCs control using biological technique,VOCs,生物净化过程的实质是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，维持其生命活动，并将有机物分解为,CO,2, H,2,O,的过程气相主体中,VOCs,首先经历由气相到固,/,液相的传质过程，然后才在固液相中被微生物降解。,用来进行气体污染物降解的微生物种类繁多，在生物滤塔运行初期，微生物对有机物有一个适应过程，其种群及数量分布逐步向处理目标有机物的微生物转化，通常情况，对易降解有机物，大约需驯化十天，而对难降解有机物，必须接种相应微生物，方能缩短培养驯化周期，确保生物降解正常进行。,对某些行业，由于其工艺是间歇过程，废气的排放是周期性的。因此，设备的停运、有机养份的不足是否会影响微生物的生存和处理设施的再运转，是生物处理系统运行的关键所在。奥特格拉夫研究表明，设备停运两周之内，生物降解性能不会明显下降，如果在滤塔中加人充分的营养物质，那么停运时间可达两个月以上，为避免生物缺氧和缺水，停运期间必须定期供氧、增湿,微生物对有机物不仅有独立氧化作用，而且还有协同氧化作用（共同代谢），在某些情况下，当微生物在其他可利用的碳源存在时，对它原来不能利用的物质也能分解代谢。同废水的生物处理一样,特定的待处理成分都有其特定的微生物群落，在有些情况下，起净化作用的多种微生物在相同条件下均可正常繁殖，因此在一套滤塔中可同时处理多种成分的气体。研究表明，微生物对几种高氯代脂肪族的共代谢降解大于对单一组分的降解，以甲苯作为惟一碳源的微生物当有其他碳源存在时对甲苯的降解速度比单一甲苯存在时的速度要快。当然，不同类有机物的共存对微生物抑制作用的研究也有报道。例如，当有丁醇存在时，微生物对甲烷的同化能力有所下降。,二、生物法处理,VOCs,工艺,Two,、,Technics of biological,method on disposing VOCs,在废气生物处理过程中，根据系统中微生物的存在形式，可将生物处理工艺分成悬浮生长系统和附着生长系统。悬浮生长系统即微生物及其营养物存在于液体中，气相中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液相，从而被微生物降解，其典型的形式有鼓泡塔、喷淋塔及穿孔塔等生物洗涤器。而附着生长系统中微生物附着生长于固体介质表面，废气通过由滤料介质构成的固定塔层时，被吸附、吸收，最终被微生物降解。其典型的形式有土壤、堆肥、填料等材料构成的生物过滤塔。,1,生物洗涤塔（悬浮生长系统）,工艺流程如图,10-17,所示，从图中可知,洗涤塔由吸收和生物降解两部分组成。经有机物驯化的循环液由洗涤塔顶部布液装置喷淋而下，与沿塔而上的气相主体逆流接触，使气相中的有机物和氧气转人液相，进人再生器（活性污泥池），被微生物氧化分解，得以降解。该法适用于气相传质速率大于生化反应速率的有机物的降解。,洗涤塔的主要作用是为气液两相提供充分接触的机会，使两相间的作用能够有效地进行。目前常用的洗涤塔有多孔板式塔和鼓泡塔。板式塔是由圆柱形外壳及其中按一定间距设置的若干层塔板构成，塔内液体依靠重力作用自上而下流经各塔层后自塔底排出，在各层塔板上保持一定深度的流动液层，气体则在压力差推动下，自塔底穿过各层塔板上的孔眼分散成小股气流鼓泡进入各板液层中，使两相密切接触进行质量传递。该法与鼓泡塔相比具有处理能力大、分离效率高、操作弹性大、气相阻力小、结构简单、制造成本低等优点，较为广泛地应用于生物洗涤系统中。经过液相吸收的有机物进人再生系统，在适当的环境中被微生物降解，从而使液相得以再生，继续循环使用。,2,生物滴滤塔,(1),滴滤塔工艺流程：工艺流程如图,10,18,所示。,VOCs,气体由塔底进人，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出。滴滤塔集废气的吸收与液相再生于一体，塔内增设了附着微生物的填料，为微生物的生长、有机物的降解提供了条件。启动初期，在循环液中接种了经被试机物驯化的微生物菌种，从塔顶喷淋而下，与进入滤塔的,VOCs,同向流动，微生物利用溶解于液相中的有机物质，进行代谢繁殖，并附着于填料表面，形成微生物膜，完成生物挂膜过程。气相主体的有机物和氧气经过传输进入微生物膜，被微生物利用，代谢产物再经过扩散作用进人气相主体后外排。,微生物膜是包含细菌及其他生物群落的粘质膜，由好氧区、厌氧区两部分组成，其厚度、生物量是由有机物负荷决定的，一般为,0.5,2.0 mm,，增加有机物的负荷，膜的厚度能增长到一个较大的有效厚度，该厚度又与液气比、填料类型、有机物类型、空塔气速、温度及微生物的性质等因素有关。此外,当生物膜较厚时，有机物在未达到整个膜厚时就已消耗掉，导致厌氧区的细菌往往处于内源呼吸状态，内源呼吸的细菌在滤料表面的附着能力较差，使生物膜在滤料上脱离，而在脱离原处又生长出新的生物膜，完成了膜的代谢，使微生物对有机物的代谢能连续稳定地进行。,(2),滴滤塔生物降解模型：生物滴滤塔模型见图,10,19,。水膜沿填料表面的生物膜向下流动。水膜厚,，生物膜厚,L,。水膜在,Z=0,处的底物浓度为,c,i,，它是与气相浓度,c,g,相平衡的液相浓度，,c,i,=K,h,c,g,，其中,K,h,为气相与液,/,固相的浓度平衡常数。在流动过程中，向生物膜传递的底物通量为,N.,因此，在水膜和生物膜中都存在底物浓度的梯度。由底物浓度分布曲线可以看出，底物浓度随高度,Z,的增加而减少，在水膜与生物膜交界面处的底物浓度,c*,也是随高度变化的，它所对应的通量为,N*,。出口处,(Z=H),底物浓度为,c,e,。,3,生物过滤塔（附着生长系统）,（,l,）过滤塔净化挥发性有机废气工作原理：生物过滤塔降解,VOCs,工艺流程及降解模型分别见图,10,20,和图,10,21,VOCs,气体由塔顶进入过滤塔，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔底排出。定期在塔顶喷淋营养液，为滤料微生物提供养分、水分并调整,pH,值，营养液呈非连续相，其流向与气体流向相同事实上，在过滤塔内，水只是滞留在生物膜表面和内层中，用于生物生长和自身代谢,而非,VOCs,溶剂，没有形成贯穿于整个滤料塔层的连续流动相，滤料中的水、含水微生物膜及含生物膜的滤料介质可视为单一相，称之为液,/,固相。因此，在建立模型过程中，滤塔的相构成视为两相，即含有,VOCs,的气相主体和由水、含水微生物膜及含生物膜的滤料介质组成的液,/,固相。,VOCs,通过扩散效应、平流效应以及气相、液,/,固相的传递而被吸附到液,/,固相中，传递到液,Z,固相中的,VOCs,通过微生物降解生成,CO,2, H,2,O,和生物机体，生成的,CO,2,再通过液,/,固相与气相主体之间的传递，进人气相主体，并通过气相主体外排从而穿成了,VOCS,降解讨程。,(2,）过滤塔类型：最初的生物过滤塔采用土壤为过滤介质，随后采用含微生物量较高的堆肥等为滤料。近年来，又开发诸如活性炭等新型介质作为滤塔滤料。生物过滤塔设计参数参见表,10-18.,生物过滤塔易于操作，而且滤料（特别是新型滤料）具有比表面积大、吸附性能高的特性，可大大减缓有机负荷变化而引起的降解效果的波动。同时，还可使微生物胞外酶、有机物在滤料和生物膜界面处浓缩，进而提高生化反应速度，使污染物得到最大程度的净化。目前较为常用的生物过滤工艺有土壤法和堆肥法。,A:,土壤法：,它是以土壤中的胶状颗粒作为滤料，利用其吸附性能和土壤中的细菌、霉菌等微生物的分解作用，将污染物去除的生物过滤工艺。研究表明，该法因其较好的通气性和适度的通水与持水能力以及相对稳定的生物群落系统，能有效地去除丙烷、丁烷等烷烃类化合物，对酸及乙醇等生物易降解物质的净化效果更好。该法具有设备简单、运行费用低、管理方便等优点，但由于占地面积大，开放式的场地因大雨和低温而使其通气性降低，生物活性差，从而降低了处理效果等因素，制约了该法的大面积推广和应用。,B:,堆肥法,该法是继土壤法后，开发的另一种相对成熟的生物过滤工艺，与土壤法相似，它利用泥炭、堆肥、木屑等为滤料，经熟化后形成一种有利于气体通过的堆肥层，更适宜于微生物的生长繁殖。由于堆肥中的微生物含量、种类大大高于土壤法，因此在去除相同负荷有机污染物时，可大大缩短停留时间，减少占地面积，克服了土壤法占地面积大的缺点。,三、生物法工艺性能比较及其应用前景,Three,、,compare of biological,technics and its application,foreground,1,生物法工艺性能,生物法工艺性能比较见表,10-19,。从表中可知，不同成分、浓度及气量的,VOCs,各有其适宜的有效生物净化系统。净化气量较小、浓度较大且生物代谢速率较低的气体污染物时，可采用以穿孔板式塔、鼓泡塔为吸收设备的生物洗涤系统，以增加气液接触时间和接触面积，但系统压降较大；对易溶气体则可采用生物喷淋塔；对于大气量、低浓度的,VOCs,可采用过滤系统，该系统工艺简单、操作方便；而对于负荷较高，降解过程易产酸的,VOCs,则采用生物滴滤系统,.,目前，,vocs,往往具有气量大、浓度低、且大多数较难溶于水的特点，因此较多采用生物过滤法,2,、适用范围,生物法可处理的有机化合物种类包括：,烃类：苯、甲苯、二甲苯、乙烷、石脑油、环己烷等；,卤烃：三氯乙烯、四氯乙烯、三氯乙烷、二氯甲烷、三氯苯、三氯甲烷、四氯化碳等；,酮类：丙酮、环己酮等；,酷类：醋酸乙醋、醋酸丁醋、甲基环己烷等；,乙醚类：乙酸乙酷、二氧杂环己烷、糠醛、甲基溶纤剂等；,醇类：甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等；,重合用单分子物体：氯乙烯、丙烯酸、丙烯酸醋、苯乙烯、醋酸乙烯等。,该技术适应的行业有：汽车、造船、摩托车、自行车、家用电器、钢琴、集装箱生产厂的喷漆、涂装车间或生产线产生的有机废气；印铁制罐、化式塑料、印刷油墨、电缆、漆包线等流水线产生的有机废气；制鞋粘胶、制革揉革过程中产生的有机废气；污水处理厂、垃圾处理厂、屠宰厂产生的臭气；化学品生产、储藏过程中产生的有机废气；胶卷生产和制药过程中产生的有机废气。,谢谢！,