当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第十章 挥发性有机物控制技术 > 10-4 冷凝法控制VOCs污染 > Video
同学们好！这一讲我们学习冷凝法净化含VOCs废气
冷凝法的基本原理是气态污染物在不同温度及不同压力下
具有不同的饱和蒸汽压
当降低温度或加大压力时，某些污染物会凝结出来
从而达到净化和回收VOCs的目的
冷凝过程可在一定温度下通过增加压力来实现
也可在一定压力下通过降低温度来实现
一般多采用降低温度的方法
在一定压力下，降低温度，气态污染物开始冷凝
出现第一个液滴时的温度称为露点温度
因此，含VOCs废气的温度必须低于露点，才能冷凝下来
继续降低温度，当废气组分完全冷凝在液相中
如果增加温度，液体出现第一个气泡
这时的温度是泡点温度
所以，在露点温度到泡点温度间的任意温度，都能发生冷凝
但冷凝温度越接近泡点温度，废气的冷凝回收效率就越高
那么如何确定混合气体的露点温度和泡点温度呢
已知混合气体的组成为y1,y2,…,yn
假设系统的露点温度为t
各组分的相平衡常数分别为m1,m2,…mn
那么和混合气体相平衡的液滴组成xi可以用亨利定律求得
即xi=yi/mi
如果液滴中各组分之和等于1，对应的温度就是露点温度
如果各组分之和大于1，说明设定温度下的相平衡常数过小
因此实际的露点温度要高于假定的温度
需要重新假设露点温度并进行计算
直到液滴中各组分之和等于1
同样地，我们也可以用这种方法来计算泡点温度
已知液态混合物的组成为x1,x2,…,xn
假设系统的泡点温度为t，对应的相平衡常数为m1,m2,…mn
则气泡中各组分之和应该等于1
如果恰好为1，说明设定的温度就是液体的泡点温度
否则需要重设温度值，进行计算
我们刚才的计算中用到了混合物体系的相平衡常数
相平衡常数m是在一定温度和压力下
气液两相达到平衡时
任意组分i在气相中的分数yi与在液相中分数xi之比
VOCs混合物体系的相平衡常数计算可以简化为完全理想体系
常压体系和中压体系来进行计算
常压下，轻质烃组成的混合物系可以当作是完全理想系统
相平衡常数可以用指定温度下的饱和蒸汽压除以总压p得到
在常压下，如果物系中组分的分子结构差异较大
液体是非理想溶液，这时可以把气相看作是理想气体混合物
相平衡常数要用理想系统的相平衡常数乘以组分在液相的活度因子
中压下，气相为真实气体，当物系分子结构相近时
液相可以近似当作理想溶液
相平衡常数就为组分在液相中的逸度除以气相中的逸度
这里给出了一个典型的冷凝系统示意图
冷凝系统主要包括制冷系统和冷凝器
制冷设备提供冷却剂以保证冷凝器在冷却温度下操作
含VOCs的废气进入冷凝器发生冷凝，净化气体排放
冷凝的有机物回收利用
要获得较高的净化效率
系统就需要较高的压力和较低的温度
所以在工程实际中，经常采用多级冷凝串联
为了回收较纯的有机物，经常第一级的冷凝温度设为零度
以去除从气相中冷凝的水
冷凝法适用于处理废气体积分数在1%以上的有机蒸汽
回收效率一般在80%~95%以上
但是当体积分数低于1个ppm时，须采取进一步的冷冻措施
使得运行成本大大提高
所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体
而且它经常作为其他方法净化高浓度废气的前处理过程
利用这种方法，还可以借助于不同的冷凝温度
来达到分离不同污染物的目的
VOCs的冷凝计算一般有两类
一类是知道操作条件和进料中i组分的摩尔分率
要求计算液化率f和冷凝后的气液组成
假设VOCs在这个系统中进行冷凝
进料中i组分的摩尔分率为zi，它在冷凝液中的摩尔分率为xi
在未冷凝气体中摩尔分率为yi
液化率f可以用冷凝液排出摩尔流量B
除以进料VOCs的总摩尔流量F来表示
根据冷凝器的物料平衡
F为冷凝的部分B和排出量的部分D之和
对组分i做物料衡算，进入的量为F乘以Zi,冷凝的量为B乘以Xi
气相未冷凝的量为D乘以Yi
再将气液平衡关系Yi=mi*xi和物料平衡方程来联立
就可以得到xi和yi的表达式
这时候如果我们假设一个f 值，就可以求出对应的xi、yi
如果各组分摩尔分率加和等于1，那么假设的f有效
否则就需要重新试差来进行计算
第二种计算是指定f，求操作条件及相应条件下的组成
在这种情况下，我们要首先确定冷凝操作的温度
也就是先求出泡点温度和露点温度
然后在泡点和露点温度之间假设一个冷凝温度
求出对应的相平衡常数mi，将mi代入xi、yi的表达式
算出xi、yi，检验各组分的加和是不是等于1
如果加和等于1就说明假设冷凝温度正确
如果加和不等于1则需要重新假设冷凝温度再进行计算
实际应用的冷凝器有接触冷凝器和表面冷凝器两种
接触冷凝是指在冷凝器中
被冷凝气体与冷却剂直接接触从而使气体中的VOCs组分得以冷凝
经常用冷水作为冷却剂，用喷淋塔、填料塔
和筛板塔作为接触冷凝设备
接触冷凝器需要的冷却水量，可以用这个公式来进行计算
公式中，分子中的第一项是气体VOC冷凝释放的潜热
第二项是VOC冷凝液冷却的显热
第三项是废气降温释放的热量
这三者放出的热量就等于冷却水吸收的总热量
所以把这三者之和除以冷却水温度变化和水的比热容
就得到冷却水的用量
第二种是表面冷凝，也称为间接冷却
是用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
淋洒式冷凝器和螺旋板冷凝器
表面冷凝器的传热计算和一般传热器一样
需要根据总的传热量和对数平均温差，确定冷却的表面积
也就是A值
这里总换热量的计算与接触冷凝器的计算是相同的
冷凝系统的设计计算的复杂程度
依赖于烟气中组分的数量和各组分的性质
我们这里只介绍单组分VOC的冷凝计算
对于给定气体进口浓度和净化效率
设计冷凝系统需要确定的参数包括
冷凝温度、冷凝器的热负荷、冷凝器尺寸和冷凝剂流量
第一步需要确定冷凝温度。对于给定的脱除效率
我们可以用这个公式计算出口的VOCs的分压
在气液平衡条件下，VOCs的分压等于它在平衡温度下的蒸气压
这里给出了苯乙烯、甲苯、二氯乙烯
和乙烷的蒸汽压和温度关系
根据蒸气压就可以从图上推出冷凝所需要的温度
第二步需要计算冷凝器的热负荷
冷凝器的热负荷是为达到某一脱除效率
而必须从VOCs气体中取出的热量
冷凝器热负荷包括三个部分：一是被冷凝的VOCs的焓变
包括VOCs的冷凝潜热
以及冷却温度和出口气流温度差异导致的冷却热
第二部分是未被冷凝的VOCs的焓变
主要是未被冷凝的VOCs冷却热
用出口气流中VOCs的摩尔流量、VOC的平均比热容
和冷却温度与出口气流温度差的乘积得到
三是不能冷凝的气体的焓变
用不能冷凝的气体的摩尔流量
该气体的平均比热容和冷却温度和出口气流温度差的乘积得到
这三者乘以时间，再乘以1.1的安全因子
就得到了总的热负荷
第三步，是确定冷凝器的尺寸
用热负荷除以总的热传递系数和对数的平均温差
即可以估算出冷凝器的尺寸
最后一步，是利用热量衡算计算所需的冷凝剂的流量
这一讲我们就介绍到这里，同学们再见
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
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-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
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-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
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-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
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-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
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-期中测试--期中测试
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
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-7-7 催化原理--作业
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-12-2 气候变化的应对措施--作业
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-Lecture 02
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