以下是VOC废气处理中常用的20个核心计算公式，涵盖了浓度转换、燃烧法、吸附法、吸收法、冷凝法、生物法以及关键参数计算等主要方面：

一、 基础参数计算

1. 质量浓度 (mg/m³) 与体积浓度 (ppm) 的换算 (标准状态)：

• C_mass (mg/m³) = C_ppm * M / 22.4

• C_ppm = (C_mass (mg/m³) * 22.4) / M

• 说明： M 是VOC的摩尔质量 (g/mol)；22.4 是标准状态下 (0°C, 101.325kPa) 理想气体的摩尔体积 (L/mol)。 注意： 若非标准状态，需用实际摩尔体积 V_m = 22.4 * (T/273) * (101.325/P) 替代 22.4 (T 是开尔文温度，P 是kPa)。

2. 废气实际体积流量 (m³/h) 与标准状态体积流量 (Nm³/h) 的换算：

• Q_actual (m³/h) = Q_N (Nm³/h) * (T_actual / 273) * (101.325 / P_actual)

• Q_N (Nm³/h) = Q_actual (m³/h) * (273 / T_actual) * (P_actual / 101.325)

• 说明： T_actual 是实际废气温度 (K)；P_actual 是实际废气绝对压力 (kPa)。

3. 废气中VOC的质量流量 (kg/h)：

• m_VOC = C_mass * Q_actual / 1,000,000 或 m_VOC = (C_ppm * M * Q_N) / (22.4 * 1000)

• 说明： C_mass 单位 mg/m³；Q_actual 单位 m³/h；C_ppm 单位 ppm；Q_N 单位 Nm³/h；M 单位 g/mol。

4. 废气热值 (kJ/Nm³)：

• LHV_mix = Σ (C_ppm_i * LHV_i) / 1,000,000 (近似计算)

• 说明： C_ppm_i 是组分 i 的浓度 (ppm)；LHV_i 是组分 i 的低位热值 (kJ/mol 或 kJ/kg，注意单位统一)。更精确计算需基于质量流量和组分质量分数。

5. 爆炸下限 (LEL) 计算 (混合气近似)：

• LEL_mix ≈ 100 / Σ (Vol%_i / LEL_i)

• 说明： Vol%_i 是组分 i 在混合气中的体积百分比 (%)；LEL_i 是组分 i 的爆炸下限 (%)。 重要提示： 此为近似公式，实际混合气LEL需实验测定或更精确模型计算。

二、 燃烧法 (热力燃烧/RTO/催化燃烧)

1. 理论燃烧温度 (绝热火焰温度，AFT) (K) - 简化估算：

• T_ad ≈ T_in + (LHV_mix * η_c) / (C_p, mix * (1 + Excess_Air))

• 说明： T_in 是入口废气温度 (K)；LHV_mix 是废气混合气热值 (kJ/Nm³)；η_c 是燃烧效率 (通常取0.95-1.0)；C_p, mix 是混合气平均定压比热容 (kJ/Nm³·K)；Excess_Air 是过剩空气系数 (实际空气量/理论空气量 - 1)。

2. 燃料 (天然气/柴油等) 消耗量 (Nm³/h 或 kg/h)：

• Q_fuel = [m_VOC * (C_p, VOC * (T_min - T_in) + ΔH_c, VOC) + Q_air * C_p, air * (T_min - T_in)] / (LHV_fuel * η_comb)

• 说明： 用于补充废气热值不足时。T_min 是所需的最低燃烧温度 (通常760-850°C 热力燃烧，250-400°C 催化燃烧) (K)；C_p, VOC, C_p, air 是VOC和空气的比热容 (kJ/kg·K 或 kJ/Nm³·K)；ΔH_c, VOC 是VOC的燃烧热 (kJ/kg)；Q_air 是废气+补充空气的总风量 (Nm³/h)；LHV_fuel 是燃料的低位热值 (kJ/Nm³ 或 kJ/kg)；η_comb 是燃烧器效率。

3. 热回收效率 (%) - 对于RTO：

• η_thermal = (T_outlet - T_inlet) / (T_comb - T_inlet) * 100%

• 说明： T_outlet 是经过蓄热体换热后的出口气体温度 (K)；T_inlet 是入口废气温度 (K)；T_comb 是燃烧室温度 (K)。 高效RTO通常 >95%。

4. VOC去除效率 (%)：

• η_removal = (1 - C_out / C_in) * 100%

• 说明： C_out 是出口VOC浓度 (mg/m³ 或 ppm)；C_in 是入口VOC浓度 (mg/m³ 或 ppm)。适用于所有方法。

三、 吸附法 (活性炭/沸石转轮)

1. 吸附容量 (qe) (g VOC / kg 吸附剂)：

• q_e = (C_in - C_out) * Q_actual * t / (W * 1000) (通过穿透实验测定)

• 说明： t 是穿透时间 (h)；W 是吸附剂装填量 (kg)。 qe 是设计关键参数，受VOC种类、浓度、温湿度、吸附剂性质影响。

2. 穿透时间 (tb) (h)：

• t_b = (W * q_e) / [(C_in - C_out) * Q_actual / 1000]

• 说明： 估算吸附床在达到设定穿透浓度 (C_out) 前能运行的时间。基于设计吸附容量 q_e。

3. 吸附床层高度 (H) (m) - 基于空床接触时间 (EBCT)：

• H = EBCT * V_superficial

• 说明： EBCT 是空床接触时间 (s)，根据VOC性质和去除要求选定 (典型范围 0.5-2s)；V_superficial 是空床表观气速 (m/s)，需低于最大允许气速。

4. 吸附剂用量估算 (W) (kg)：

• W ≈ (m_VOC * t_cycle) / q_e

• 说明： m_VOC 是VOC质量流量 (kg/h)；t_cycle 是吸附-脱附周期时间 (h)，通常吸附时间取穿透时间 t_b 的70-90%；q_e 是设计吸附容量 (kg VOC/kg 吸附剂)。需考虑安全系数。

5. 脱附蒸汽用量 (G) (kg/h) - 简化估算：

• G ≈ (m_VOC * ΔH_des + m_ads * Cp_ads * ΔT_ads) / (ΔH_vap - Cp_steam * ΔT_sc) (忽略热损失)

• 说明： ΔH_des 是VOC脱附热 (kJ/kg VOC)；m_ads 是单次脱附的吸附剂质量 (kg)；Cp_ads 是吸附剂比热容 (kJ/kg·K)；ΔT_ads 是吸附剂升温幅度 (K)；ΔH_vap 是蒸汽汽化潜热 (kJ/kg)；Cp_steam 是蒸汽比热容 (kJ/kg·K)；ΔT_sc 是蒸汽过冷度 (K)。实际需考虑热效率和系统热容。

四、 吸收法 (化学/物理吸收)

1. 最小液气比 (L/G)min (L/Nm³)：

• (L/G)_min = (Y_in - Y_out) / (X_eq - X_in)

• 说明： 基于平衡线和操作线。Y_in, Y_out 是气相入口和出口摩尔比 (mol VOC / mol 惰气)；X_in, X_eq 是液相入口和与 Y_in 平衡的摩尔比 (mol VOC / mol 吸收剂)。实际操作液气比需大于最小液气比。

2. 理论塔板数 (N) - Kremser方程 (适用于线性平衡)：

• N = ln[(Y_in - mX_in)/(Y_out - mX_in) * (1 - 1/A) + 1/A] / ln(A)

• 说明： m 是亨利常数或平衡线斜率 (Y = mX)；A = (L/G) / m 是吸收因子 (A > 1 吸收易进行)。

3. 传质单元数 (NTUOG)：

• NTU_OG = ∫(dY) / (Y - Y*) (从 Y_out 到 Y_in)

• 说明： Y* 是与液相浓度 X 平衡的气相浓度。对于稀溶液和线性平衡，NTU_OG ≈ (Y_in - Y_out) / ΔY_lm，其中 ΔY_lm 是气相平均对数推动力。

4. 塔高 (Z) (m)：

• Z = NTU_OG * H_OG 或 Z = N * HETP

• 说明： H_OG 是气相总传质单元高度 (m)；HETP 是等板高度 (m)。H_OG 或 HETP 需由实验、经验关联式或供应商数据提供。

五、 冷凝法

1. 冷凝温度下的饱和蒸汽压 (P⁰sat) (Pa) - Antoine方程：

• log₁₀(P⁰_sat) = A - B / (T + C)

• 说明： T 是冷凝温度 (°C)；A, B, C 是物质的Antoine常数。这是计算冷凝极限的基础。

2. 理论冷凝率 (%) - 理想化计算：

• 冷凝率 ≈ (1 - P⁰_sat(T_cond) / P) * 100% (仅适用于接近饱和的单一组分)

• 说明： T_cond 是冷凝温度 (K)；P 是系统总压 (Pa)。 重要提示： 实际冷凝率远低于此理论值，受气液平衡、传质、非凝气、多组分效应等影响。需用更精确的闪蒸计算或过程模拟软件。

六、 生物法 (生物滴滤塔/生物滤池)

1. 空床停留时间 (EBRT) (s)：

• EBRT = V_bed / Q_actual

• 说明： V_bed 是生物反应器填料床体积 (m³)；Q_actual 是实际废气体积流量 (m³/s)。是生物法设计的关键参数 (典型范围 15-60秒)。

2. 表面负荷率 (Bv) (m³/m³·h)：

• B_v = Q_actual / V_bed

• 说明： Q_actual 单位 m³/h；V_bed 单位 m³。是EBRT的倒数 (B_v = 3600 / EBRT)。

3. 污染物负荷率 (L) (g/m³·h)：

• L = (C_in * Q_actual) / (1000 * V_bed) 或 L = m_VOC / V_bed

• 说明： C_in 单位 mg/m³；Q_actual 单位 m³/h；V_bed 单位 m³；m_VOC 单位 g/h。需确保负荷率在微生物可承受范围内。

4. 营养盐 (N, P) 添加量估算：

• m_nutrient ≈ m_VOC * (COD_VOC / COD_nutrient) * (C:N:P)_req / (C:N:P)_nutrient

• 说明： 基于VOC的化学需氧量 (COD) 和微生物生长所需的C:N:P比例 (如100:5:1)。COD_VOC 是VOC的COD当量 (g O₂/g VOC)；COD_nutrient 是营养盐 (如NH₄⁺, PO₄³⁻) 的COD当量；(C:N:P)_req 是微生物所需的摩尔比；(C:N:P)_nutrient 是所加营养盐提供的摩尔比。需根据具体微生物和VOC调整。

关键注意事项

1. 单位一致性： 所有计算必须严格保证单位一致！特别注意温度用K还是°C，压力用Pa、kPa还是atm，浓度单位(mg/m³, ppm, g/Nm³)，流量单位(m³/h, Nm³/h, m³/s)。

2. 状态定义： 明确参数是基于标准状态 (0°C, 101.325kPa) 还是实际工况。

3. 理想气体假设： 许多公式基于理想气体定律，在高压或低温下可能不适用。

4. 复杂性： 这些公式多为基本原理或简化计算。实际工程设计涉及复杂的物料衡算、能量衡算、动力学、传质传热、设备选型和严格的环保规范，需借助专业软件（如Aspen HYSYS, CHEMCAD）和经验丰富的工程师。

5. 参数获取： 物性参数（如热值、比热容、Antoine常数、亨利常数、吸附等温线、爆炸极限、反应动力学常数）需从可靠的数据库、手册或实验中获得。

6. 安全系数： 所有计算结果在应用于实际设计时，必须考虑适当的安全系数（裕量）。

这份清单涵盖了VOC废气处理中最重要的基础计算公式。掌握这些公式是理解和设计处理系统的基础，但务必结合具体工艺、设备类型和实际工况进行深入分析和应用。