毕业设计论文生物法去除甲苯气体工艺与设备的研究与设计doc.docx

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河北工业大学

毕业设计说明书

作者：

学号：

学院：

系（专业）：

环境工程

题目：

生物法去除甲苯气体工艺与设备的研究

与设计

指导者：

评阅者：

2014年6月5日

1.4生物法去除VOCs的工艺选择原则

通常根据VOCs气体组分的亨利系数Hc（Hc=Cg/Cl）选用装置。

Hc≤0.01的易溶气体用生物洗涤池，Hc≥1的难溶气体用生物过滤池，0.01＜Hc＜1的气体用生物滴滤塔[13]。

一般对于难溶性有机气体而言，选用生物过滤法与生物滴滤法并无严格界限。

生物滴滤塔作为新型生物处理设备较生物过滤池具有制造和管理成本低廉、操作条件易实现自动控制等优点，本文据此选用生物滴滤塔作为研究与设计的对象，完成课题所给的任务。

2生物滴滤塔的净化原理

2.1生物膜净化有机气体的基本理论

2.2影响生物滴滤塔净化效率的因素

2.2.1VOCs种类

2.2.2菌种的影响

表2.1部分常用填料及特性

名称

填料特性

塑料鲍尔环

规格多样（直径从25mm到76mm），密度60—85kg/m³，比表面积在72-213m2/g间属于质轻材料。

通量大、阻力小、分离效率高、操作弹性大，耐压性能强。

比起其它形式填料（拉西环、鞍环、波纹填料等），在强度、硬度、表面粗糙度、尺寸等方面更适合用于生物法处理设备中。

活性炭

密度为1800kg/m³，由天然碳性材质经烧结、活化而成，具有一定的吸附能力，来源环保；比表面积在500～1700m2/g间，内部有无数的毛细孔，增大了与介质的接触面积，这两种因素使活性炭的吸附能力大大增强；生产实践中可以根据不同需要加工成不同大小的颗粒。

活性炭的质地脆，容易从表面上脱落粉末。

目前多用于废水废气的除臭处理中。

聚氨酯海绵

是一种新型的有机填料，密度18kg/m³，质地松软轻快，内外分布着大量的通气孔。

材质分为耐水不易拉伸与耐油抗拉伸两种类型，做成填料后会吸收一部分喷淋液，表面平坦，接触生物膜后易相互黏着。

由于堆放时孔隙率小，阻塞气体与水分的通过，因而常常不单独使用，而是作为辅助材料在填料塔内起到保温、缓冲外力冲击的作用

2.2.4气液两相流动方式

一般分为顺流、逆流、横流3种方式。

顺溜阻力小，压降小，但是气体吸收效果差；逆流传质效果好，但是气体压力损失较大容易造成液泛；横流运行稳定性好，但是气液垂直分布的方式缩短了气相的停留时间。

2.2.5填料塔的运行条件

主要从塔内环境状况、喷淋液性质、进气条件3个方面分析：

（1）环境状况

包括塔内温度、湿度、pH，这三个变量既由进气与喷淋液的性质控制，又与微生物的代谢活动影响密不可分。

因此对它们的分析以后两方面的解析为主。

（2）喷淋液性质

包括喷淋液成分、水温、流量、喷淋时间和喷淋方式。

（3）进气条件

主要有气体湿度、有机物浓度、空塔气速、停留时间和有机负荷等。

2.3主要研究内容

2.4生物滴滤塔处理甲苯

2.4.1研究处理甲苯气体的意义

甲苯既是目前生物法净气领域着重研究的对象，也是VOCs的一种，给其它种类有机气体的去除方法研究提供了很好的参考。

2.4.2甲苯气体的特性

表2.2我国相关环境标准

标准名称

工业企业设计卫生标准（TJ36-79）

大气污染物综合排放标准

（GB16297-1996）

内容

车间空气中甲苯的最高容许浓度100mg/m³

项目

二级要求

三级要求

浓度mg/m³

40

60

最高允许排放速率（kg/h）

3.6～36

5.5～54

无组织排放监控浓度限值mg/m³

0.3

2.4.3相关实验结论

（1）菌种的选择

有文献资料记载，一般去除甲苯以细菌和真菌为主，其中以下列菌种为最优：

恶臭假单胞菌，不动杆菌，门多萨假单胞菌，滕黄微球菌，杰氏棒杆菌[12]。

本组进行了菌种的甲苯驯化实验，在通过显微镜观察个体形态时发现，真菌在甲苯驯化过程中全部被筛除，只有细菌保留了下来，这可能与提取的真菌菌种有关。

（2）其它条件的实验摘录

见表2.3

表2.3本文摘录的部分实验资料

实验员及对应文献序号

处理气体

填料

液气比

（L/m3）

反应时间

（S）

表观气速

（m/s）

负荷

（g/m3·h）

相应浓度

（mg/m3）

效率

（%）

李清雪

[16]

甲苯

鲍尔环

阶梯环

40

117

0.006

31

1000

87

刘永慧

[10]

堆肥

火山灰

—

28

0.006

50

400

100

羌宁

[19]

纤维活性炭

1.4

17

0.06

63.2

300

97.5

续表2.3

实验温度

（℃）

备注

20-30

该实验变量为气相浓度，当其为400g/m3时，负荷为13g/m3·h，效率为100%

—

该实验变量为气相浓度，并证明此浓度为最佳运行情况

27-30

该实验变量为液气比，作者指出当液气比过高和过低时均会降低塔的处理能力

从上述三个实验中可以初步得出生物滴滤塔处理能力的参数，如温度宜取为27-30℃；最佳气体浓度为400mg/m3；最佳液气比为1.4L/m3；填料负荷约为50g/m3·h；停留时间不小于28s；空塔气速在0.01-0.06之间。

值得说明的是，大部分实验的表观气速均在0.01—0.08m/s之间，鉴于实际工程中气体流量大，塔径有限，应根据实际情况选择合适的表观气速。

3生物滴滤塔的设计计算

3.1废气基本条件的确定

本次设计采用某印刷厂的排放工况，具体数据如下所示：

表3.1印刷厂甲苯排放参量

地点

甲苯产量

年工作日

日工作时间

甲苯浓度

成品车间

19t/a

250d

8h

760mg/m³

；

（1）实验结果显示，生物滴滤塔在进气浓度为400mg/m³，停留时间30s时达到最大负荷50g/（m³·h），因此总空气量

，

需额外补充空气量=23750-12500=11250m³/h

（2）空塔气速的选择

总结各篇文献中所作实验发现，污染物的表观气速均在0.01—0.06m/s范围内，可见实际工程中的空塔气速也应取较小值，在气体流量较大的情况下，可以直接从0.06m/s开始取。

填料塔的气速选取一般以液泛气速为准，但是本文计算得到的液泛气速为10m/s，该值的使用意义不大。

本文空塔气速的选择方法是，先假定某一值作为空塔气速，由总气体流量、停留时间计算出理论塔径与填料层高度，比较两者大小使塔外观合理。

在本文的前提条件下，经过反复计算确定空塔气速为0.12m/s，停留时间40s。

3.2滴滤塔主体结构的计算及选型

3.2.1气体净化系统流程

从印刷车间排出的废气先与空气泵挤入的空气在管道混合器中混匀，通入装有清水的洗气池进行洗涤，去除气体中夹杂的固体颗粒并得到润湿，随后从底部进入生物滴滤塔发生生物净化过程；喷淋管从顶端喷洒营养液，供给微生物代谢所需其它养分，多余的液体经塔底流出，由管道过滤器处理后回流至喷淋液池。

本文设计出的完整工艺流程如下图：

图3.1生物滴滤塔净化甲苯流程

3.2.2生物滴滤塔设计

（1）运行条件

进气浓度c=400mg/m³

进气量Q总=23750m³/h=6.6m³/s

停留时间t=40s

空塔气速v=0.12m/s

最大有机负荷ρ=50g/（m³·h）

最佳液气比L/G=1.4L/m³

（2）塔径的求解

生物滴滤塔可视为化学填料塔的一种形式，本文设计时部分计算方法和公式参考了填料塔的设计内容。

填料高h=0.12x40=4.8m，取5m，对于直径在2.5m以上的塔来说，由于h小于6m,因此填料不用分层。

由空塔气速得到塔径

m。

由于D过大，因此将滴滤塔设置为4个，则D=8.40/

=4.20m,查塔径标准（1m以上间隔200mm）可知塔直径为4200mm。

此时有机负荷为

未超过最大负荷值

（3）滴滤塔零件的选用

①进气管设计

工业输气管道运送物质与适宜气体流速关系如下表

表3.2输气管道内最低气流速度[22]单位m/s

输送物质

垂直管

水平管

输送物质

垂直管

水平管

干微尘

染料粉尘

棉絮

8

14-16

8

10

16-18

10

灰尘、沙尘

粉状土

轻矿物粉尘

16

11

12

18

13

14

本次设计针对的有机混合气体虽然不含质量较大的固体类物质，但是由于气体流量大，工作时间有限，因此参考上表选择水平与垂直管道内的气体流速分别为12m/s、10m/s

当水平进气管内气体流速v1=12m/s,管直径

，即420mm；

气体进口结构要能使气体均匀分布，同时防止液体淹没气体管道。

φ500mm以下的小塔可使进气管伸到塔的中心位置，管末端斜切成45°向下，或凹形口向下；φ1.5m以下的塔，管的末端可做成向下的喇叭形扩大口。

当塔直径大于2.5m，采用上述装置效果较差，这时应采用底部敞开式进口管，管端封口作为缓冲挡板。

这种形式的装置进气性能好，应用广泛，大直径、高气相负荷时更为适用。

其中一种变体是在中间加上缓冲挡板，仅遮住管道下半部分，气体分为两部分进入塔内，分布更均匀。

本设计采用底部敞开式气体进口管，前部与中间设置挡板控制气体流向分布。

另：

考虑到塔径过大，单根进气管可能会使气体过于集中，不利于大面积扩散，故在塔内设置两根扩散管，以便于扩大气体分布面积。

扩散管的直径为

d扩=d1/

=0.30m，即300mm

图3.2底部敞开式进气管示意图

②填料

填料要有透气率高、质轻、吸收水分性能差、表面粗糙的特点，并有助于处理效率的提高，综合表2.2的内容和李清雪的实验（塑料阶梯环与鲍尔环混合装填，微生物在一天后出现挂膜现象，5天后生物膜包裹填料表面并出现菌胶团），本次设计选用最大直径塑料鲍尔环（规格dxhxσ:

76x76x2.6）、塑料阶梯环填料（规格76x37x3.0）混合乱填。

一般生物过滤器填料压降损失在500—1000Pa/m（大气污染），本设计取600Pa/m，共600x5=3000Pa

③支撑装置

支撑装置满足两个基本条件：

自由截面积不小于填料孔隙率以保证不在支撑装置是发生液泛；有足够的机械强度。

常用的支撑装置有栅板式、驼峰式、孔管式等，对于散装填料最简单的支撑装置是栅板式支撑。

它由竖立的扁钢条焊接而成，栅条间距为0.6—0.7倍填料直径。

为安装设计简便起见，选用栅板型支撑装置。

取0.65倍填料直径—50mm，高度150mm，一般压降为200Pa[23]。

④进液口设计

a.进液管设计

由进气量求得营养液喷淋量

V总=23750x1.4/1000=33.3m³/h，

每塔喷淋量33.3/4=8.32m³/h；

喷淋频率设置：

每20min喷淋一次，每次喷淋时间2min，故

喷淋速率q=8.32/360=0.023m³/s，

设液体在管内流速为1m/s，进液管直径

。

b.液体喷淋装置

其作用是沿塔截面均匀分布喷淋液，保证填料表面润湿。

一般有管式喷淋器、莲蓬式喷洒器、盘式淋洒器。

管式喷淋器和莲蓬式喷洒器喷淋范围较小，一般适用于直径在600mm以下的小塔。

盘式淋洒器适用于直径800mm以上的塔，分布盘直径为塔径的0.6—0.8倍[23]。

若由塔径选择盘式淋洒器，经过计算确定淋洒器直径3.2m，孔径0.02m的情况下，盘体高60mm，降水速度1m/s。

此时盘体过大不利于进入塔体的喷淋液在盘表面均匀分布，本次设计的滴滤塔不同于普通填料塔的地方在于其塔径大、喷淋液少。

因此设计中拟定使用可旋转式喷水管。

计算如下：

管长L=0.8xD=3.40m,

因为管内流量q’=q/2,所以管径d’=d2/

=0.14m，取0.10m

长管每边穿16个孔，为使管子转动，喷淋管材质宜取为PVC等轻便材料，出水流速应在合理范围内尽量大，拟定出水流速5m/s，则

注：

若水速小无法使水管旋转和水滴雾化，则通过调整喷淋孔的大小实现水雾化和管道旋转的目的。

⑤除雾装置

除雾装置常用的有折板除雾器、填料除雾器、丝网除雾器三种。

折板除雾器是一种结构简单效果明显的除雾装置。

除雾板由（50

50

3）mm的角钢组成，板间横间距为25mm。

压力降一般为50～100pa，能除去的最小雾滴直径为

。

填料除雾器即在塔顶气体出口前，再通过一层填料以达到分离雾沫的目的。

填料一般为环形，高度根据除沫要求和允许压强来决定。

该装置效率高，但阻力大，占空间也大。

丝网除雾器由一定规格的丝网带卷成盘状，再用支撑板固定。

丝网盘高一般为100-150mm，支撑板自由截面积应大于90%。

它的分离效率高（对大于

的雾滴，可达98％～99%），阻力较小（小于250pa），重量较轻，所占空间不大。

但不宜用于液滴中含有或溶有固体物质的场合，以免液相蒸发后固体产生堵塞现象。

本设计采用丝网除雾器，高100mm，由于生物滴滤塔的产生的雾滴较少，故而可将其安置于排气口之下，直径略大于排气口，设压降为250Pa。

（4）塔高与压降的计算

填料层以上空间一般取0.8—1.4m,本设计取1.2m；填料层以下空间一般取1.2—1.5m,本设计取1.5m，进气管距填料层0.5米，底部用于承装未及时排出的喷淋液。

塔总高H=1.2m+5.0m+1.5m=7.7m。

综上所述，塔的总压降为3000+250+200=3450Pa，外界大气压为0.1MPa,使气体顺利排出则塔内工作气压至少为0.105MPa。

（5）滴滤塔壁厚计算[24]

塔体采用不锈钢材料，壁厚设计过程如下：

一般而言，钢材有压容器计算厚度

[δ]t：

温度t下钢板的许用应力，MPa；

φ：

焊接接头系数；全焊接头系数为1.0

Di：

设计圆筒内径，mm；

P：

圆筒计算压力，MPa；

相应的设计厚度δd=δ+C2

C2：

腐蚀裕量，等于年损耗厚度

设计使用年限，一般单面腐蚀取3mm；

若[δ]tφ>100MPa,设计压力p<0.4MPa时，圆筒壁的计算厚度可以直接按最小厚度δmin确定,不锈钢容器δmin=2mm

查得不锈钢板316L在30℃时许用应力为113MPa,此时[δ]tφ=113MPax1.0>100MPa,p=0.105MPa<0.4MPa，所以设计厚度δd=δ+C2=2mm+3mm=5mm

（6）塔体支座的选用

通常立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。

腿式支座是直接焊装在筒体上的支座，构造简单，适用于公称直径小于1600mm、总高度小于5000mm的小型直立容器；支承式支座适用于公称直径800—4000mm、总高度小于10m且离地面较近的中型直立容器，安装、操作、维修灵活性大；耳式支座是一种悬挂式支座，广泛用于反应器及立式换热器等中小型立式设备；结构高大的塔则广泛采用裙式支座。

针对本设计，选用支承式支座，查阅《支承式支座标准（JB/T4724-1992）》确定支座型号B8，各部分数据为

图3.3B型支承式支座

表3.3B8支承式支座结构数据

适用公称直径DN

高度h

底板

钢管

垫板

地脚螺栓

Dr

支座高度上限hmax

b

d2

d3

d4

d5

规格

4000

510

460

26

426

9

550

18

530

30

M24

2680

1050

（7）尾气不达标的解决办法

排放的尾气中污染物浓度高于国家规定的限值的情况属于意外工况，此时应停止排放尾气，将其全部回流至进气口进行二次处理，同时排查事故原因，尽早使尾气浓度恢复到标准浓度以下。

回流气管可以安装在塔顶，直径应根据塔顶大小进行调整，既保证气体能顺畅排出，又不会占据塔顶过多面积、减少塔顶的稳定性。

目前尚未有针对处理后气体体积的研究计算，在本论文设计中，回流管直径取为200mm

3.3工艺流程其它设备的设计与选用

3.3.1外部气管的设计

对系统中的通风管气体流速采用水平管12m/s,竖直管10m/s

（1）对于车间出气口气量12500m³，水平流速12m/s，管径

取0.60米；同理，竖直管管径0.65米；

（2）风机接口水平管径d风机=0.60米，竖直管径0.60米；

（3）气流混合管水平管径d总=0.85米，竖直管径0.90米；

（4）对于混合输气管渐减段，应保持气体主管道流速不变，因而第一次分流后管径

d气分=d总/

=0.60m,如图所示

图3.4进气（液）管俯视图

管道采用法兰连接，材料为焊接钢管；在进入洗气池之前安置一段管道混合器，使空气与甲苯气体充分混合，管道混合器直径850mm，长度在10m左右。

3.3.2外部构筑物的设计

（1）洗气池的设计

洗气池除了给混合气加湿，还要起到一定的缓冲作用，当主管道关闭时，洗气池内应能储存部分管道内残留气体。

设气体在洗气池内停留5s，V气=6.6m³/s×5s=33m³，

内部水量占容积的

，V水=33

=22m³。

令长宽分别为5m,3m，得到高=22/15=1.5m，设超高为1.0m,总高为2.5m。

洗气池规格为5×3×2.5m

为了便于维修，输气总管从池子顶部安装，另备一个井盖（φ700mm）供维修检查使用；池子底部安装φ200mm的进出水管，供清水更新时使用；清水池每两周更新一次。

某公司生产的洗气塔（

，处理量2800-11000m³/h）压力损失在300-800Pa之间，据此估计洗气池的压力损失为1700Pa

（2）配液池的设计

A、由于喷淋液每20min喷淋一次，喷淋液调配时间充足，因而配液池准备1h液量即可，即33.3m³，取整35m³，设长与宽分别为5m,4m，高为1.8m,另取1m超高，则配液池规格为5×4×2.8m。

进出水管设为φ250mm，池内放置一个搅拌器，喷淋液每40min调配一次。

注：

两座水池均为砖混结构

B、与配液池相连的输水总管的计算

出水管直径d出水=d2×

=0.20×2=0.40m,流量0.092m³/s

同气体输送管一样，水管第一段分支d水分=d2×

=0.20×

=0.28m，取0.30m,流量0.046m³/s

3.3.3容器与管道法兰的选用

法兰连接有较高的强度、刚度和严密性，能迅速、多次拆装，成本低廉，适于大批量制造，而且尺寸范围很大，在设备与管道上都能用，常被用于压力容器各部件的连接。

法兰密封面有凸面、凹凸面、全平面、环连接面等形式；法兰类型有整体法兰、松式法兰、任意式法兰。

考虑到法兰的密封性与耐压性，设备上与管道上采用全平面板式焊接法兰，两者均采用平焊方法与设备连接。

法兰参数如下：

表3.4法兰结构参数

名称

DN

D

D1

D3

d

δ

δ1

数值

4200

4376

4326

4260

30

114

≤20

注：

查阅《压力容器法兰标准JB4702—92》发现法兰最大标准适用于φ3000的容器，由于目前工业用容器直径较大，有的制造厂根据经验设计了适合大直径容器的法兰，以上数据采自广州某公司设计的适于φ4200的压力容器的法兰。

图3.5容器法兰图

3.3.4风机与水泵的选型

（1）水泵的计算

伯努利原理的应用基于无流量变化的恒定流，为此将4个滴滤塔合并为一个并画出相应的管路图（图3.6）

图3.6管路合并图

喷淋管距地面h=8.0m，P2=0.105MPa，V2=V1=0.74m/s；P1=0.1MPa；

管线的实际布置参考图3.4

a.水力沿程损失h1的计算：

设输水总管长7m，第一段支管长12m，进水管长15m，由海曾-威廉公式

，可以得到

=0.19m

Cw：

海曾-威廉系数，焊接管取120，修正后为140.6

b.局部损失h2的计算：

管路内有11个90°弯头（R/d=1.5），局部损失系数ζ=0.18；3个三通阀门，局部损失系数ζ=1.67

所以水头损失ht=h1+h2=0.19+0.20=0.39m

c.水泵扬程

=

=8.50m

选型时应选择临近计算值并较大的扬程，即9.0m及以上。

考虑到流量与扬程的裕量，需将各参赛乘以安全系数（1.1-1.2），最终确定水泵Q=1.1

V总=1.1

33.3m³/h=36.6m³/h；

H=1.1

=1.1

9.0=9.90m

ｄ.与水泵连接的电机的选择计算

水泵的有效功率Ne=ρ·Q·H/1000

电机功率Nm=K·Ne/（η·ηi）

Q:

流量单位m³/s，36.6/3600=0.01m³/s

η:

通风机全压效率或水泵工作效率，一般为0.5—0.7，本设计取0.6

ηi:

电机传动效率，由传动方式决定,直联传动为1，联轴器传动为0.98，皮带传动为0.95。

本设计用直联传动，ηi=1

K：

电机安全系数，取值见表3.5。

表3.5电机安全系数

电机功率/kW

<0.5

0.5-1.0

1.0-2.0

2.0-5.0

>5.0

安全系数K

1.50

1.40

1.30

1.20

1.15

Ne=1000

0.01

9.90/102=0.97kW

Ne/（η·ηi）=0.97/0.6=1.6kW

Nm介于1.0—2.0，因此K=1.30，

Nm=1.30

1.6=2.1kW

综上所述，选用管道泵3ＢＧ-33A，参数如下：

表3.63ＢＧ-33A管道泵参数

项目

流量Q

（m³/h）

扬程H（m）

转速

n（r/min）

轴功率P/kW

电动机

泵效率η（%）

汽蚀余量NPSH（m）

最大吸上真空度Hs（m）

型号

功率（kW）

数据

39

24.5

2900

3.5

Y132S1-2

5.5

75

2.9

7.6

（2）风机的计算

风机的计算原理同上，风机出口处P2=0.105MPa，v2=12m/s，进口处P1=0.1MPa，v1=0；

图3.7进气管全程示意图

ａ.沿程损失

查“计算表”[25]得到总风管

=0.0178、第一段分管

=0.0268、进气管

=0.0413，设总风管长20m、第一段分管长10m、进气管长8m，则沿程损失

=

=168Pa

b.局部损失

管线中包含10个90°弯管（R/d=1.5），ζ=0.18；3个三通阀，ζ=1.70

局部损失

=

=596Pa

总压损Pt=Py+Pj+P洗气池=168Pa+596Pa+1700Pa=2442Pa

c.计算得到风机的全压Pmax=（P2+ρv22/2）-（P1+ρv12/2）+Pt

=（0.105-0.1）MPa+

+2442Pa

=75