大气污染课设设计说明书.docx
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大气污染课设设计说明书
编号：
0502010132
“大气污染控制工程”课程设计
题目亚铵法净化含SO2气体工艺
的中和、结晶、分离工段设计
院（系）化学与环境工程学院
专业环境工程
班级环境051
学生姓名卢珊
成绩
2009年1月
一、总论
以车间为单位，对亚铵法净化含SO2气体工艺之中和、结晶、分离的间歇操作工段进行工艺设计，设计深度以初步设计阶段考虑，设计内容为工艺部分，不含辅助设施和公用工程部分。
本工艺用亚铵法净化含SO2气体，吸收液吸收SO2后得到亚硫酸氢铵溶液，该溶液用碳酸氢铵进行中和、结晶、分离后得到亚硫酸铵固体产品，分离母液返回吸收系统。
吸收过程为连续操作；中和、结晶、分离过程为间歇操作（4小时1次）。
设计生产能力为300kg/h亚硫酸铵（年生产328天计）。
二、设计依据
1.主反应式：
NH4HCO3（s）+NH4HSO3（l）→（NH4）2SO3（l）+H2O（l）+CO2↑
2.亚硫酸氢铵溶液：
比重，kg/l
1.3476
组成，g/l
NH4HSO3
（NH4）2SO3
（NH4）2SO4
H2O
613
87
128
519.6
3.分离母液：
比重，kg/l
1.250
组成，g/l
NH4HSO3
（NH4）2SO3
（NH4）2SO4
H2O
87.3
299.0
146.3
717.4
4.亚硫酸铵产品：
组成，w%
（NH4）2SO3•H2O
（NH4）2SO4
H2O
87.05
4.45
8.50
5.碳酸氢铵组成：
组成，w%
NH4HCO3
H2O
95.0
5.0
6.根据生产实践数据，中和、结晶、分离系统在-10℃进行时，各物料间有如下规律：
G溶液/G产品=1.96（重量比）；G母液/G产品=1.277（重量比）
7.研究单位提供的热化学数据如下：
（1）亚硫酸氢铵溶液温度：
29℃；碳酸氢铵温度：
20℃。
（2）比热数据：
比热
cal/g℃
亚硫酸氢铵溶液（l）
分离母液（l）
产品亚铵（s）
碳酸氢铵（s）
CO2（g）
0.500
0.570
0.298
0.390
0.205
（3）生成热数据：
生成热
cal/mol
NH4HSO3（l）
（NH4）2SO3（l）
NH4HCO3（s）
（NH4）2SO4（l）
H2O（l）
CO2（g）
179200
208700
205300
279500
68520
97800
（4）结晶热数据：
（NH4）2SO3（l）+H2O→（NH4）2SO3•H2O（s）+4130cal/mol
（NH4）2SO4（l）→（NH4）2SO4（s）+2.6cal/mol
三、工艺方案的选择和确定
氨-亚硫酸铵法净化烟气中的SO2工艺是以氨吸收SO2,并将吸收后的母液加工成产品亚硫酸铵。
烟气脱硫的副产品亚铵可代替烧碱用于制浆造纸，既可解决烧碱来源紧张问题，又使造纸工业长期感到“头痛”的有害废液（黑液）变成肥料。
该法流程简单，且气氨、氨水和固体碳酸氢铵均可作为氨源。
既可生产液体亚铵，又可以制取固体亚铵。
国内中小硫酸厂多采用此流程。
四、生产流程叙述
按流程图的顺序：
（1）流程位号101-NH4HSO3液体储存槽：
NH4HSO3液体由吸收工段导入，存储量为18批，储存槽为圆柱形，长径比为1：
1。
（2）流程位号102-离心泵。
（3）流程位号103-挂式高位计量槽：
为进入反应器中的NH4HSO3液体定量，计量量为1批，计量槽为圆柱形，长径比为1：
1，内有换热管，传热剂为冷却水。
（4）流程位号104-NH4HCO3固体储存槽：
储存NH4HCO3固体反应物，存储量为18批，储存槽为圆柱形，长径比为1：
1，圆柱形下部接锥斗，与振动料斗相接。
（5）流程位号105-振动给料机：
为进入反应器中的NH4HCO3固体定量，给料量为1批。
（6）流程位号106-搅拌釜式反应器：
反应物NH4HSO3液体和NH4HCO3固体的反应场所，反应量为1批，反应器为圆柱形，长径比为1：
1，其外壁有保温层，以保证反应器内温度为-10℃。
（7）流程位号107-卧式活塞推料离心机：
分离产物（NH4）2SO3与母液，其中产品直接送至包装。
（8）流程位号108-分离母液回收槽：
收集分离母液并返回吸收工段，收集量为18批，回收槽为圆柱形，长径比为1：
1。
（9）流程位号109-离心泵。
五、物料衡算与能量衡算
（一）物料衡算
1.物料衡算示意图：
2.化学方程式：
NH4HCO3（s）+NH4HSO3（l）→（NH4）2SO3（l）+H2O（l）+CO2↑
3.确定计算项目：
x-亚硫酸氢铵溶液用量，kg；y-碳酸氢铵原料用量，kg；
z-母液产量，kg；w-二氧化碳产量，kg。
4.基础数据：
如设计依据。
5.选择计算基准：
以300kg亚硫酸铵产品为计算基准。
6.计算：
（1）x=1.96×300=588kg；Vx=588/1.3476=436.33L
（2）z=1.277×300=383.1kg；Vz=383.1/1.250=306.48L
（3）反应掉的亚硫酸氢铵溶液质量=613Vx-87.3Vz=240.67kg
y=240.67×79/（99×95.0%）=202.2kg
（4）w=240.67×44/99=107kg
7.整理校核：
校核：
反应生成水：
240.67×18/99=43.76kg。
进水：
436.33×519.6×10-3+202.2×5.0%=236.83kg。
出水：
306.48×717.4×10-3+300×8.5%+300×87.05%×18/134=280.45kg。
反应生成水+进水=出水
整理：
进料
出料
kg/h
kg/批
kg/h
kg/批
溶液
588.0
2352.0
母液
383.1
1532.4
碳铵
202.2
808.8
产品
300
1200
—
—
—
CO2
107
428
合计
790.2
3160.8
合计
788.1
3152.4
8.物料流程图：
（二）能量衡算
1.热量衡算示意图：
2.基础数据：
如设计依据。
3.选择计算基准：
（1）物料基准：
以小时量物料为基准。
进料
出料
kg/h
kg/h
溶液
588.0
母液
383.1
碳铵
202.2
产品
300
—
—
CO2
107
合计
790.2
合计
788.1
（2）温度基准：
以0℃为基准。
4.热量计算：
（1）溶液，29℃：
Q1=588.0×0.5×29=8526kcal
（2）碳铵，20℃：
Q2=202.2×0.39×20=1577.2kcal
（3）亚铵结晶：
Q3=300×0.8705/134×4130=8048.9kcal
（4）硫铵结晶：
Q4=300×0.0445/132×2.6=0.263kcal
（5）主反应热：
Qr=208700+68520+97800-179200-205300=-9480kcal
Q5=202.2×0.95/79×（-9480）=-23050.8kcal
（6）氧化热：
n=（300×0.0445-588/1.3476×0.128+383.1/1.250×0.1463）/132=0.0177kmol
Q6=0.0177×（279500-208700）=1253.2kcal
（7）产品，-10℃：
Q7=300×0.298×（-10）=-894kcal
（8）母液，-10℃：
Q8=383.1×0.57×（-10）=-2183.7kcal
（9）CO2，-10℃：
Q9=107.0×0.205×（-10）=-219.4kcal
（10）热损失：
Q10=-23050.8×0.03=-691.5kcal
热量衡算数据：
带入热量（kcal/h）
带出热量（kcal/h）
溶液Q1
8526
产品Q7
-894
碳铵Q2
1577.2
母液Q8
-2183.7
亚铵结晶Q3
8048.9
CO2Q9
-219.4
硫铵结晶Q4
0.263
热损失Q10
-691.5
主反应热Q5
-23050.8
氧化热Q6
1253.2
换热量
343.4
合计
-3645.2
合计
-3988.6
传热剂的选择：
∵换热温度△t=343.4/（0.5×588）=1.2℃，∴可选用冷却水作为传热剂。
5.热量衡算关系图：
六、设备的设计计算和选型
按流程图的顺序：
（1）流程位号101-NH4HSO3液体储存槽：
储存量18批，长径比为1：
1的圆柱形，装料系数为0.9。
V=436.33×4×18×10-3/0.9=34.91m3
d3=4×34.91/3.14=44.47m3
d=h=3.5m
（2）流程位号102-离心泵：
80DX-24型，功率15kW。
（3）流程位号103-挂式高位计量槽：
计量量为1批，长径比为1：
1的圆柱形。
V=436.33×4×10-3=1.75m3
d3=4×1.75/3.14=2.23m3
d=h=1.3m
高位计量槽内的换热管：
换热温度:
△t=343.4/（0.5×588）=1.2℃
设冷水由20℃→22℃，溶液由29℃→27.8℃。
则△tm=（9-5.8）/[ln（9/5.8）]=7.28℃
设蛇管式冷却器总传热系数K=400kcal/（m2h℃），选择规格为φ25×2.5的换热管。
换热面积：
A=Q/（K△tm）=343.4/（400×7.28）=0.12m2
管长：
L=A/πd=0.12/（3.14×20×10-3）=2m
（4）流程位号104-NH4HCO3固体储存槽：
储存量为18批，长径比为1：
1的圆柱形，下接锥斗，装料系数为0.8。
碳铵的比重为1.57kg/L。
V=202.2/1.57×4×18×10-3/0.8=11.60m3
d3=4×11.60/3.14=14.78m3
d=h=2.5m
（5）流程位号105-振动给料机：
给料量为1批。
M=202.2×4=808.8kg
选择GZ1型电磁振动给料机（785×376×545）。
（6）流程位号106-搅拌釜式反应器：
反应量为1批，长径比为1：
1的圆柱形。
令设备的备用系数为1.2，装料系数为0.8。
V=436.33×4×1.2×10-3/0.8=2.62m3
d3=4×2.62/3.14=3.34m3
d=h=1.5m
（7）流程位号107-卧式活塞推料离心机：
由产量300kg/h，选择WH-800型卧式活塞推料离心机（2270×1660×1400）。
（8）流程位号108-分离母液回收槽：
收集量为18批，长径比为1：
1的圆柱形，装料系数为0.9。
V=306.48×4×18×10-3/0.9=24.52m3
d3=4×24.52/3.14=31.24m3
d=h=3.1m
（9）流程位号109-离心泵：
80DX-24型，功率15kW。
七、生产控制分析
控制水平：
手动自动二者兼备。
主要控制点和控制方法：
序号
控制地点
控制项目
控制方法
控制指标
备注
1
吸收工段与101之间
流量
自动
18批流量之内
101附带液位计
2
吸收工段与101之间
温度
手动
29℃
3
101与102之间
压力
自动
与泵指标相符
4
102与103之间
压力
自动
与泵指标相符
5
103
流量
手动
0.6L/h
103附带液位计
6
103
温度
手动
20℃
7
103与106之间
温度
手动
29℃
8
104
温度
手动
20℃
9
106
温度
手动
-10℃
10
108
流量
自动
18批流量之内
108附带液位计
11
108与109之间
压力
自动
与泵指标相符
12
109之后
压力
自动
与泵指标相符
13
109之后
流量
自动
1批流量之内
返回吸收工段
八、原材料与动力消耗
序号
名称
规格
单位
消耗定额
元/t
消耗量
备注
每小时/元
每年/千元
1
亚硫酸氢铵溶液
588.0
kg/h
460
270.48
2129.2
按年生产328天计
2
固体碳铵
202.2
kg/h
650
131.43
1034.6
3
分离母液
383.1
kg/h
350
134.085
1055.5
4
固体亚硫酸铵
300
kg/h
1520
456
3589.6
九、布置说明
本厂房采用室内布置，共设两层。
为了满足工艺流程顺序，保证水平和垂直方向上的连续性，将亚硫酸氢铵液体储存槽、卧式活塞推料离心机、分离母液回收槽置于一楼，且使其轴线重合以减少管道的长度；将挂式高位计量槽、釜式反应器、碳铵固体储存槽及电磁振动给料机置于二楼，且将碳铵固体储存槽及给料机安装在反应器上方，以满足流程需要。
同时，一楼的液体储存槽与二楼的高位计量槽上下相对应，一楼的离心机与二楼的釜式反应器上下相对应。
其中，高位计量槽、釜式反应器及固体储存槽需要支架支撑。
另外，一楼还设置了办公更衣室、化验控制室及储存配电室等必需的生产辅助设施。
十、定员
序
号
部
门
生产人员
辅助人员
技术人员
备
注
人数
职责
人数
职责
人数
职责
1
生技
2
控制流程
1
维修设备
1
化验物料
共4人
2
供销
1
购买原料
1
包装产品
—
—
共2人
3
管理
1
管理厂区
—
—
—
—
共1人
4
监督
1
监督执行
—
—
—
—
共1人
十一、投资概算
1.设备原价：
已知数据：
主要设备价格（千元）
名称
价格
容器
内衬环氧玻璃钢
10m3
2.5/m3-容积
10m3
4.5/m3-容积
内衬不锈钢（中和反应器）
5.5/m3-容积
耐腐蚀塑料泵（带电机）
10kw
2.5
10kw
1.6
离心机（带辅助设备）
150.0
搅拌器（带电机）
1.8
换热铝管
0.6/m2-换热面积
螺旋输送机
2.6
振动料斗
6.0
电葫芦（带全套控制及电机）
10.0
（1）亚硫酸氢铵液体储存槽：
2.5×34.91=87.275千元
（2）换热管：
0.6×0.12=0.072千元
（3）高位计量槽：
4.5×1.75=7.875千元
（4）碳铵固体储存槽：
2.5×11.60=29千元
（5）振动给料机：
6.0千元
（6）釜式反应器及搅拌器：
5.5×2.62+1.8=16.21千元
（7）卧式离心机：
150.0千元
（8）分离母液回收槽：
2.5×24.52=61.3千元
（9）离心泵：
1.6×2=3.2千元
∴设备原价=360.93千元
2.设备工程费：
（1）设备运杂费：
取设备原价的4%，即14.44千元。
（2）安装费：
取设备原价的4%，即14.44千元。
∴设备工程费=设备原价+设备运杂费+安装费=389.81千元
3.总工程投资：
总工程投资包括建筑工程费（15.55%），安装工程费（16.21%），设备工程费为（68.24%）。
（1）总工程投资=389.81/68.24%=571.23千元
（2）建筑工程费=571.23×15.55%=88.83千元
（3）安装工程费=571.23×16.21%=92.60千元
总概算表
工程费用名称
概算价值/千元
第一部分
设备原价
设备运杂费
安装费
合计
设备工程费
360.93
14.44
14.44
389.81
建筑工程费
88.83
安装工程费
92.60
总工程投资
571.23
十二、成本计算
已知数据：
名称
价格
工业用水
5.6元/吨
工业用电
0.75元/度
固体碳铵
650元/吨
固体亚硫酸铵
1520元/吨
亚硫酸氢铵溶液
460元/吨
分离母液
350元/吨
产品包装袋（塑料，一次性使用，包装量25kg）
3.0元/只
1.原材料费：
（1）固体碳铵：
650元/吨
（2）亚硫酸氢铵溶液：
460元/吨
（3）产品包装袋：
3×1000/25=120元/吨
2.动力费用：
（1）冷却水：
5.6元/吨
（2）电费：
离心机（7.5kw）：
0.75×7.5×2=11.25元/h
搅拌器（0.8kw）：
0.75×0.8=0.6元/h
泵（2台，0.8kw/台）：
0.75×0.8×2=1.2元/h
总电费：
（11.25+0.6+1.2）×（1/0.3）=43.5元/吨
3.车间经费：
设设备寿命都为25年，年生产按328天计。
折旧费：
358.31×1000/（25×328×24）=1.82元/h
即1.82×（1/0.3）=6.1元/吨
4.工人工资：
按工人平均工资1500元/（月人）计算，8名员工每年花费144000元，总计支出资18元/h。
则生产一吨产品所需支付工资为18×（1/0.3）=60元/吨。
成本计算表
项目
成本/（元/吨）
分项目
成本/（元/吨）
合计/（元/吨）
总和/（元/吨）
原材料费
固体碳铵
650
1230
1345.2
亚硫酸氢铵溶液
460
产品包装袋
120
动力费用
冷却水
5.6
49.1
电费
43.5
车间经费
—
6.1
6.1
工人工资
—
60
60
十三、效益分析
产品固体亚硫酸铵可作为化肥原料，价值1520元/吨，具有很高的利用价值和广阔的市场需求；当亚铵产品的产量达到将近3300吨时，即生产460天左右，可收回工程及生产成本，此为经济效益。
提高大气质量，有利人体健康，同时提高国民的环境意识，扩大就业机会，促进经济可持续发展，此为社会效益。
符合国家提倡的“变废为宝、废物再利用、循环经济、根本性节能减排”的要求，且副产物完全被利用，无二次污染，此为环境效益。
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