酸洗废气净化设计.docx

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酸洗废气净化设计

环境工程专业课程设计

设计题目：

酸洗废气净化系统设计

学院：

化学化工学院

专业：

环境工程

学号：

201110540617

学生姓名：

姜莉

指导教师：

李友平

化学化工学院环境工程教研室制

2015年1月15日

酸洗废气净化系统设计

1.概述

中国是世界第一产煤大国，煤炭产量占全世界的37%。

作为中国的主要能源，且煤炭在全国能源消费总量中所占比例均在65%以上，并且在未来相当长的时期内，中国能源消费结构仍将保持煤炭占据主导地位的状况。

大量煤炭的燃烧导致二氧化碳、氮氧化物、粉尘等环境污染物的排放量逐年增大。

因此，我国因燃煤排放的二氧化硫急剧增加，酸雨也呈蔓延之势，是继欧洲、北美之后世界第三大重酸雨区。

1.1酸雨的危害

任何一种物质在环境中过量，都会造成多方面的危害。

酸雨的危害包括对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。

1.1.1酸雨对人体的危害

酸雨对人体健康的危害主要有两方面，一是直接危害，二是间接危害。

酸雨通过它的形成物质二氧化硫和二氧化氮直接刺激皮肤,眼角膜和呼吸道粘膜对酸类十分敏感，酸雨或酸雾对这些器官有明显刺激作用，会引起呼吸方面的疾病，导致红眼病和支气管炎,咳嗽不止,尚可诱发肺病,它的微粒还可以侵入肺的深层组织，引起肺水肿、肺硬化甚至癌变。

酸雨可使儿童免疫力下降,易感染慢性咽炎和支气管哮喘,致使老人眼睛、呼吸道患病率增加。

其次，酸雨对人体健康产生间接影响。

酸雨使土壤中的有害金属被冲刷带入河流、湖泊,一方面使饮用水水源被污染;另一方面,这些有毒的重金属如汞、铅、镉会在鱼类机体中沉积,人类因食用而受害，可诱发癌症和老年痴呆症，再次，酸雨使农田土壤酸化，使本来固定在土壤矿化物中的有害重金属,如汞、镉、铅等再溶出,继而为粮食，蔬菜吸收和富集,人类摄取后,因中毒而得病。

1.1.2酸雨对生态系统的危害

可对植物叶片造成直接的损害，使叶片失绿变黄并开始脱落。

叶片与酸雨接触的时间越长，受到的损害越严重。

且酸雨使土壤酸化，酸化土壤游离出来的金属离子随水分运动进入湖泊又影响到淡水生态系统。

1.1.3酸雨对建筑设施的危害

酸雨能使非金属建筑材料（混凝土、砂浆和灰砂砖）表面硬化水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而建筑物损坏。

建筑材料变脏,变黑,影响城市市容质量和城市景观。

公园中的许多雕刻及许多古代建筑物都容易被子酸雨腐蚀，改变其原有的容貌。

1.2酸洗废气的处理

利用吸收塔处理废气已经是控制大气污染的有效控制方法。

与传统的板式塔相比,填料塔具有生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大、持液量小等优点。

特别是在20世纪70年代,由于新型填料、新型塔内件的开发应用和基础理论研究的不断深入,使填料塔的放大效应取得了实质性的突破,填料塔在化工企业得到了很好的应用。

2．设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。

培养利用已学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力，绘图能力，以及正确使用设计手册及相关资料的能力。

3．设计任务

某厂生产用金刚砂，经湿式研磨后，需加浓硫酸酸洗处理。

加酸时，有大量蒸汽、酸雾及有害气体生成，对车间环境及工人身体健康造成严重危害。

为此，需要对酸洗产生的废气进行治理，以改善车间的环境及工人的操作条件。

要求设计的净化系统效果好、操作方便、投资省，并且达到排放标准。

4．设计资料

4.1酸洗工艺特点

酸洗时，工人将预先装入金刚砂的φ700mm的圆筒形料槽，沿酸洗槽前方的轨道，推入酸洗槽位置后，向料槽中加入浓硫酸，并不断搅拌。

酸洗完后，将料槽推出卸料；重新装入一筒新料进行酸洗。

故酸洗为间断操作，加酸后槽内温度可达100℃以上。

4.2废气特点

废气成分：

近似空气，标准状态下酸雾含量为3210mg/m3；

废气温度：

60℃。

4.3气象资料

气温：

冬季：

－6℃

夏季：

31℃

大气压力：

冬季：

97.86kPa；

夏季：

95.72kPa

5．净化方案的选取

一般的局部排气净化系统的基本组成为：

集气罩、风管、净化设备、引风机、烟囱。

1）集气罩：

集气罩是用以捕集污染气流的。

其性能对净化系统的技术经济指标有直接影响。

由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同，集气罩的形式是多种多样的。

2）风管：

在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。

3）净化设备：

为了让防止大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准时，必须采用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排入大气。

即为该系统中的填料吸收塔。

4）通风机：

通风机是系统中气体流动的动力设备。

为了防止通风机的磨损和腐蚀，通常把风机设在净化设备之后。

5）烟囱：

烟囱是净化系统的排气装置。

由于净化后的烟气中仍含有一定量的污染物，这些污染物在大气中扩散、稀释、悬浮或沉降到地面。

为了保证污染物的地面浓度不超过环境空气质量标准，烟囱必须具有一定高度。

由设计资料可知，产生的废气主要包括蒸汽、酸雾及有害气体。

采用液体吸收法进行净化。

可采用可采用5％NaOH溶液在填料塔中吸收硫酸烟雾。

操作情况下，气相传质系数

液相传质系数

推荐标准状态下液气比L/G＝2.5～4L/m3。

该排气净化系统如图1所示，包括酸洗废气集气罩、风管、填料塔、引风机、烟囱。

图1酸洗废气处理工艺流程

依据的标准：

《工业企业卫生设计标准》TJ36—1979

《大气污染物排放标准》GB16297-1996

《烟囱设计规范》GB50051-2002

《钢结构设计规范》GB50017-2003

6．集气罩

6.1集气罩选择

空气污染物在车间的扩散机理是污染物依附于气流运动而扩散的。

对于生产过程散发到车间空气中的污染物，只要控制住室内二次气流的运动，就可以控制污染物的扩散和飞扬，从而达到改善车间内外空气环境质量的目的。

局部排气通风方式，就是在局部污染源设置集气罩，将污染气流捕集起来并经净化装置净化后排至室外。

这是控制车间污染最常用、最有效的方法。

按罩口气流流动方式可将集气罩分为两大类：

吸气式集气罩和吹吸式集气罩。

利用吸气气流捕集污染空气的集气罩成为吸气式集气罩，而吹吸式集气罩则是利用吹吸气流来控制污染物扩散的装置。

按集气罩与污染源的相对位置及合适范围，还可将吸气式集气罩分为密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。

根据资料中生产工艺可知宜采用外部集气罩中的上部集气罩。

6.2集气罩排风量确定

本设计中采用控制速度法的方法来计算集气罩的排风量。

控制速度法：

从污染源散发出的污染物具有一定的扩散速度，该速度随污染物扩散而逐渐减少。

所谓控制速度系指在罩口前污染物扩散方向的任一点上均能使污染物随吸入气流罩内捕集所比武的最小吸气速度。

吸气气流有效作用范围内的最远带你成为控制点。

控制点距罩口的距离成为控制距离。

根据工艺设备及操作要求，由于为φ700mm的圆筒形，确定集气罩形状为φ900mm的圆形，根据控制要求安排罩口几何中心与控制点的距离为500mm。

设定控制速度为0.8m/s。

具体计算如下：

7.确定净化方案

此次课程设计要求采用液体吸收法进行净化。

采用5%NaOH溶液在填料塔中吸收净化硫酸烟雾。

操作情况下，气相传质系数

液相传质系数

标准状态下液气比L/G=3L/m3

8．集气罩的设计

8.1集气罩基本参数的确定

集气罩的罩口尺寸应小于罩子所在污染位置的污染物扩散的断面积。

如果设集气罩连接风管的特征尺寸为

（圆形为直径，方形为短边），污染源的特征尺寸为d，集气罩距污染源的垂直距离H，集气罩口的特征尺寸为

，集气罩喇叭口长度

，应满足

／d＞0.2,1.0＜

／d＜2.0和H／d＜0.7（若影响操作，可适当增大）和

／

≤3。

如下图所示：

由设计资料知：

d=700mm,

取H=480mm

则

=d+0.8H=700+0.8*480=1084mm

集气罩下口面积为F0=0.25Πd02=0.25*3.14*1.12=1.1304m2

集气罩下口边高为h1=0.25

=0.25*

=0.2658m

集气罩上口直径拟定为

=220mm（

>140）

则集气罩喇叭口长度

=（

-d0）/2=（1.2-0.22）/2=0.49m

校核

/d=220/700=0.3143>0.2

1.0<

/d=1084/700=1.5486<2.0

H/d=480/700=0.6857<0.7

/

=0.5/0.22=2.3<3

基本符合要求

8.2集气罩入口风量的确定

（1）冬季环境温度为－6℃，加酸后槽内温度可达100℃

△T=T1－T2（K）=100－（—6）=106（K）

F=0.25πd2=0.25*3.14*0.72=0.3846m2

q=8.98ΔT1.25F/3600=8.98*106*1.25*0.3846/3600=0.3263（kJ/s）

Q0=0.403（qHF2）1/3=0.403*（0.3263*0.48*0.3846）1/3=0.117（m3/s）

F’=F0-F=1.1304-0.3846=0.7458m2

取吸气罩入口速度V’=0.7m/s

Q=Q0+V，*F，=0.117+0.7*0.7458=0.6391m3/s

（2）夏季环境温度为31℃，加酸后槽内温度可达100℃

△T=T1－T2（K）=100－31=69（K）

F=0.25πd2=0.25*3.14*0.72=0.3846m2

q=8.98ΔT1.25F/3600=8.98*69*1.25*0.3846/3600=0.1908（kJ/s）

Q0=0.403（qHF2）1/3=0.403*（0.1908*0.5*0.38462）1/3=0.0974（m3/s）

F，=F0-F=1.1304-0.3846=0.7458m2

取吸气罩入口速度V，=0.7m/s

Q=Q0+V，*F，=0.0974+0.7*0.7458=0.6195m3/s

由于冬季排风量大于夏季排风量，应以冬季排风量来计算，Q=0.6391（m3/s）

所以，总设计流量为QV=3Q=3*0.6391=1.9173（m3/s）

校核管道中风速：

V=4Q/（πd02）=4*0.6391/（3.14*0.222）=16.82（m/s）,符合要求（10-20m/s）

式中△T——温差，K;

T1——料槽温度,K;

T2——环境温度，K;

q---热量流量，kJ/s;

F---污染源断面积，m2。

Q0---热烟气流量,m3/s

H---集气罩距污染源的垂直距离，m。

Q——最小吸入风量，m3/s;

F，——集气罩罩口面积与污染面积之差，m2

V’——最小吸入速度，0.5-1.0m/s

F，，——集气罩罩口面积m²

9.填料塔的设计

9.1填料塔参数确定

9.1.1拟选用填料的规格及相关参数

阶梯环是对鲍尔环填料的进一步改进。

其结构特点是环高不仅为直径的5/8，且一端有向外翻的喇叭口，这种填料孔隙率大，而且填料个体间呈点接触，可使液膜不断更新，具有压降小和传质效率高的特点。

阶梯环多用金属和塑料制造，但金属价格昂贵且易腐蚀，因此在此设计中原则塑料阶梯环。

填料类型

工程直径D/mm

堆积密度

p/（kg/m3）

外径×高×厚d×h×

/mm

比表面

/（m2/m3）

空隙率

/%

个数n1/m3

干填料因子

/m-1

塑料阶梯环（乱堆）

25

97.8

25*12.5*1.4

223

0.90

81500

172

9.1.2计算泛点气速uf

本设计采用5%NaOH溶液为吸收液（参数近似取水的参数）,废气成分：

近似空气，标准状态下酸雾含量为3210mg/m3，废弃温度为60℃，标准状态下取液气比L/G=3L/m3。

。

H2SO4的摩尔比用y（H2SO4）表示

y（H2SO4）=[3.21*22.4/（98*1000）]*100%=0.073%

Mm=M空（1-y（H2SO4））+M酸*y（H2SO4）=29*（1-0.073%）+98*0.073%=29.1

Ts=（273+t）K=273+60=333K

所以：

G=P*Mm/（RT）=101.3*29.1/（8.314*333）=1.065kg/m3

Qv=1.9173m3/s=6902.28m3/h

QL=Qv*（L/G）/1000=6902.28*3/1000=20.71m3/h

G,=Qv*

G=6902.28*1.065=7350.93kg/h

L’=QL*

=20.71*1055=21849.05kg/h

=21849.05/7350.93*（1.065/1055）0.5=0.0944

查表得

=0.145

=（0.145*9.81*1055/（172*（1000/1055）*1.065*1.00.2）0.5

=2.94m/s

所以

uf=

=2.94m/s

（1）计算操作气速

[（0.6-0.9）uf],设系数为0.8

u=0.8uf=0.8*2.94=2.352m/s

（2）计算塔径D，并进行圆整

D塔=（4Qv/（πu））0.5=（4*2.2374/（3.14*2.352））0.5=1.1008m

圆整D=1.2m

（3）利用圆整后的塔径重新计算操作气速u

u=4Qv/（πD2）=4*1.9173/（3.14*1.22）=1.70m/s

u/uf=1.70/2.94=0.578,处于uf的50%-70%内，符合要求

（4）校核填料直径与塔体直径的比（应小于1/8—1/10）

d/D=25/1200=0.021<（1/8—1/10）,符合要求

（5）校核调料塔的喷淋密度[当填料d<75mm时，填料的最小润湿率为0.08m3/（m2·h）]。

要求L喷>L喷min；

L喷min=最小润湿率×填料比表面积=0.08*223=17.84m3/（m2·h）

塔截面积A=π*D2/4=3.14*1.22/4=1.13m2

L喷=QL/A=20.71/1.13=18.33m3/（m2·h）>L喷min,符合要求

9.2填料层高度确定

（1）计算填料层高度Z的计算

由资料可知：

标准状态下，酸雾含量为3210mg/m3；操作情况下，气相传质系数

液相传质系数

当地大气压为Ps1=734mmHg=97.86kPa（冬季），Ps1=718mmHg=95.72kPa（夏季）。

当地大气压应以冬季的为主，即Ps=Ps1=734mmHg=97.86kPa,Ts=60+273=333K

查大气污染物综合排放标准，硫酸烟雾最高允许排放浓度为70mg/m3

所以：

Y1=y（H2SO4）=0.073%

Y2=0.07*22.4*10-3/98=0.0016%

=ln0.073%-ln0.0016%

=3.82

QvN=Ps*Qv*Tn/（Ts*Pn）=97.86*1.9173*273/（333*101.3）=1.52m3/s

=1.52*3600=5466.47m3/h

=5466.47/22.4=244.04kmol

G=QvN*

=244.04*1.065=259.9kmol

Z=G*

/

=259.9*3.82/144=6.88m

所以填料层高度为6.88m

（2）计算填料塔床层压降

由上面计算可得横坐标为：

查表得：

纵坐标计算得：

=64.8%2*0.145=0.061

在填料塔泛点速度通用关联图中，根据横、纵坐标值定出塔的工作点。

其位置在△p’=55mmH2O/m处，由于1mmH2O/m=9.80665Pa，所以填料床层压力降为：

55mmH2O/m=55*9.80665=539.37Pa/m

（3）计算填料塔压降

则该填料塔得压降为:

△p=△p，*h=539.37*6.14=3312Pa

（4）液体分布器的选型

高效液体分布器的设计要求：

在设计填料塔时，通常假设气相和液相沿塔截面是均匀分布的，但大量试验表明，液体在填料层内不是呈均匀的柱塞流状态，而是由壁流、沟流等横向流动，这种不均匀的分布会降低塔的分离性能。

造成液体不均匀分布的因素很多，除了填料本身固有的对液体的分散特性外，液体分布器则是影响液体分布的关键因素之一。

液体在塔截面上的分布点不可能是无限的。

对于小孔式分布点，常希望孔数越多越好。

这样可提高均匀分布程度，但对于一定的液体流量，孔数越多，则孔径越小。

孔径过小必然对固体杂质敏感，孔易被堵塞，孔数多反而造成分布不均匀，孔径的下限应视物料中固体颗粒情况而定。

填料塔的操作弹性往往不是由填料性能决定，而是由液体分布器的操作弹性决定。

连续操作的填料塔，液体回流量或喷淋量比较稳定。

通用型液体分布器的操作弹性一般为30%-100%，完全可以满足操作塔的要求。

对于分批精馏塔，在1个操作周期中回流比有大幅变动。

多用途塔的被分离物系经常变换，回流比或喷淋量变化也很大。

这种场合下液体分布器的操作弹性很高，需要进行特殊设计，否则塔的性能会时好时坏。

对于大多数物系，填料塔的效率除与填料本身的特性有关外，与液体均匀程度也有很大关系。

除采用高效填料外，还必须有结构合理的塔内件，特别是性能良好的液体分布器。

良好的液体分布器应具备下列特点：

液体分布均匀，气相通过的自由截面大，阻力小，操作弹性大，不易堵塞，不易造成雾沫夹带和泡沫，制造容易，安装方面。

就液体分布的推动力来讲，液体分布可分为压力型和重力型2大类。

液体分布器的选型：

该吸收塔气相负荷大，液相负荷小，可选用槽式液体分布器。

槽式液体分布器是一种新型高效液体分布器，其质量高低对填料塔的操作影响很大，设计时应该按实际结论及理论公式进行详细分析，充分发挥其布液均匀，操作弹性大的优点，以改善填料塔的操作性能。

安分布点集合均匀和流量均匀的严责，进行布点设计。

结果为二级槽设计5道，在槽侧面开孔，槽宽度为100mm，槽高100mm，中心距200mm，给分布嗲采用三角形排列，实际设计不点数为n=50点，每根液槽上的不夜店个数依次为3和4、5和6、7和7、6和5、4和3，同一侧两布液点间的距离为150mm。

10.管网设计

10.1风速和管径的确定

为保证管道内风速在10~20m／s的范围内，以保证较小的压力，并以此为标准选择管径。

由前面计算得到管道流速、设计流量分别是

流量：

Q=0.6391（m3/s）

风速：

V=16.82（m/s）,

则D管=（4Q/（πV））0.5=（4*0.6391/（3.14*16.82））0.5=0.220007043m

圆整后D管=0.230m

所以V=4Q/（D管2π）=4*0.6391/（0.2302*3.14）=15.39（m/s）

在10~20m／s的范围内,符合

根据一般通风系统中常用空气流速，利用薄钢板为风管材料

10.2进行净化系统设备及管道布置，并绘制出布置简图（看CAD图）

10.3各管段的局部阻力计算

管段1：

根据：

Q=0.6391（m3/s），V=16.82（m/s）,查《环保设备设计手册》中的圆形风管单位长度摩擦距离线算图可得d=225mm,Rm0=12Pa/m。

Kt=（（273+20）/（273+t））0.825=（（273+20）/（273-6））0.825=1.08

Kp=（P/101.3）0.9=（97.86/101.3）0.9=0.97

查各种材料制作风管的粗糙度表，薄钢板K=0.15~0.18，取K=0.15

Kr=（Kv）0.25=（0.15×14.32）0.25=1.21

校正后，Rm=Kt·Kp·Kr·Rm0=1.08×0.97×1.21×12=15.2Pa/m

则摩擦压力损失为△PL1=L·Rm=3×15.2=45.6Pa

各管件局部压损系数（查手册）为：

集气罩1：

；90°弯头（R/D=1.0）,

；合流三通（1-3），

0.2。

=0.11+0.26+0.2=0.57

则局部压损：

=0.57*1.065*14.322/2=62.2Pa

则该管段总压损为：

△P1=△PL1+Z=45.6+62.2=107.8Pa

管段2：

根据Q=0.569m3/s,v=14.32m/s,查图可得d=225mm,Rm0=12Pa/m,修正后Rm=15.2Pa/m

则摩擦压力损失为△PL2=L·Rm=0.5×15.2=7.6Pa

集气罩2：

;合流三通（2-3），

0.2。

=0.11+0.2=0.31

则局部压损：

=0.31*1.065*14.322/2=33.9Pa

则该管段总压损为：

△P2=△PL2+Z=7.6+33.9=41.5Pa

管段3：

根据Q=1.138m3/s,v=28.64m/s,查图可得d=225mm,Rm0=44Pa/m,

Kr=（Kv）0.25=（0.15×28.64）0.25=1.44

修正后Rm=Kt·Kp·Kr·Rm0=1.08×0.97×1.44x44=66.4Pa/m

则摩擦压力损失为△PL3=L·Rm=2.5×66.4=166Pa

合流三通（3-5），

-0.05。

则局部压损：

=-0.05*1.065*28.642/2=-21.8Pa

则该管段总压损为：

△P3=△PL3+Z=166-21.8=144.2Pa

管段4：

根据Q=0.569m3/s,v=14.32m/s,查图可得d=225mm,Rm0=12Pa/m,修正后Rm=15.2Pa/m

则摩擦压力损失为△PL4=L·Rm=0.5×15.2=7.6Pa

集气罩3：

;合流三通（2-3），

0.2。

=0.11+0.2=0.31

则局部压损：

=0.31*1.065*14.322/2=33.9Pa

则该管段总压损为：

△P4=△PL4+Z=7.6+33.9=41.5Pa

管段5：

根据Q=1.707m3/s,v=42.96m/s,查图可得d=250mm,Rm0=90Pa/m

Kr=（Kv）0.25=（0.15×42.96）0.25=1.59

修正后Rm=Kt·Kp·Kr·Rm0=1.08×0.97×1.59x90=149.9Pa/m

则摩擦压力损失为△PL5=L·Rm=7×149.9=1049.3Pa

3个90°弯头（R/D=1.0）,

;入口渐扩管，

0.04；

=3*0.26+0.04=0.82

则局部压损：

=0.82*1.065*42.962/2=805.9Pa

则该管段总压损为：

△P5=△PL5+Z=1049.3+805.9=1855.2Pa

管段6：

根据Q=1.792m3/s,v=45.11m/s,查图可得d=250mm,Rm0=90Pa/m,修正后Rm=149.9Pa/m

则摩擦压力损失为△PL6=L·Rm=9×149.9=1349.1Pa

3个90°弯头（R/D=1.0）,

;入口渐扩管，

0.04；入口渐缩管，

0.10

=3*0.26+0.04+0.10=0.92

则局部压损：

=0.92*1.065*45.112/2=996.9Pa

则该管段