大气课程设计.docx

1、大气课程设计前言几百年来，人类创造了历史上最为辉煌灿烂的物质文明和精神文明，但与此同时，人类也面临着非常尴尬且极其危险的局面，全球气候变暖，水资源匮乏，土地沙漠化以及生态物质的消亡等等。人类赖以繁衍生息的地球正在逐渐失去她原有的美丽和富饶。环境问题将是21世纪摆在人类面前最为严重的挑战之一，保护环境刻不容缓。大气污染随着社会经济的发展，城市化和工业化的加速，越来越严重，特别是当今以煤和石油为主要能源的构架，煤的燃烧产生大量的温室气体、二氧化硫、颗粒物等，它们不仅会造成严重的大气污染，而且将直接威胁人类的健康乃至生命。西欧，美国，日本等工业发达国家大气污染事件日趋增多，本世纪50-60年代成为公

2、害的泛滥时期，世界上由大气污染引起的公害事件接连发生，例如：英国伦敦烟雾事件，日本四日市哮喘事件，美国洛杉矶烟雾事件，印度博帕尔毒气泄漏事件等等，不仅严重地危害居民健康，甚至造成数百人，数千人的死亡。本课程设计是设计一套关于处理浓硫酸在酸洗金刚砂时产生的酸雾和有害气体的装置系统。人如果吸入大量硫酸蒸汽，会损害上呼吸道以至肺部组织，严重时会失去知觉。与硫酸长期接触会引起皮肤炎症，经常吸入硫酸蒸气或酸雾会引起呼吸道或支气道管炎，还有长期吸入硫酸蒸气会引起牙齿的酸蚀症，先是失去珐琅质的光泽，继而露出象牙质，而造成缺损，表面变黑。所以对硫酸烟雾的处理非常有必要。该课程设计包括酸雾的收集装置，废气的处理

3、装置等过程的设计。本课程设计在设计阶段参考了许多相关资料，但由于设计时间较短，难免有一些不足之处，恳请读者和老师批评指出。第二组2011年6月目 录第一章 概述1.1 气态污染物11.2金刚砂生产工艺特点31.3金刚砂产生废气的成分以及特点3第二章 说明书42.1确定净化方案42.2集气罩的设计42.2.1集气罩基本参数的确定42.2.2集气罩入口风量的确定42.3填料塔的设计52.3.1填料塔参数的确定52.3.2填料层高度确定62.3.3填料塔附件选择72.3.4填料塔总压降72.4管网设计72.4.1风速和管径的确定72.4.2系统布置流程图82.4.3阻力计算82.5风机及电机的选择1

4、02.5.1安全系数修正102.5.2动力系统的选择102.6附属构件选择102.6.1管道支架102.6.2补偿器102.7设计图纸102.8参考文献11第一章 概述11 气态污染物 1、气态污染物的分类 气体状态污染物是指以分子状态存在的污染物，简称为气态污染物。气态污染物种类很多包括无机物和有机物两种，但大部分为无机气体。 无机气态有硫化物（SO2、SO3、H2S等）、含氮化合物（NO、NO2、NH3等）、卤化物（Cl2、HCL、HF、SiF4等）、碳化合物（CO、CO2等）以及臭氧等。 有机气态污染物则有碳氢化合物（烃、芳烃、稠环烃等）、含氧有机物（醛、酮、酚等）、含氮有机物9芳青胺类

5、化合物、腈等）、含硫有机物（流醇、噻吩、二硫化碳等）、含氯有机物（氯代烃、氯醇、有机氯农药等）等。 直接从污染源排出的污染物称为一次污染，一次污染物与空气中原有成分或几种污染物之间发生一系列化学或光化反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物，称为二次污染物。在大气污染中受到普遍重视的二次污染物主要有硫酸雾（Sulfuroussmog），光化学烟雾(Photochemicalsmog)如酸雨（PH5.6）的大气降雨。 硫酸烟雾是空气中的二氧化硫等含硫化合物在有雾、重金属尘或氮氧化合物存在的情况下，发生一系列化学反应而生成的硫酸盐气溶胶，光化学烟雾则是在太阳光照下化学反应而生成的淡蓝色烟雾，其主

6、要成分是臭氧、过氧乙酰基硝酸脂（PAN）、醛类以及酮类等。2、气态污染物的危害 空气中二氧化硫的主要危害是刺激和腐蚀呼吸道黏膜，引起炎症和气道阻力增加，继续不断作用会导致慢性鼻咽炎，慢性气管炎等。根据世界卫生组织资料，居民长期接触接近年平均浓度超过100mg/m3的烟尘和二氧化硫；短期接触日平均浓度超过250mg/m3的烟尘和二氧化硫，能促使呼吸系统疾病加重，患者病情恶化。 大气中二氧化硫可被氧化成硫酸雾，随飘尘直接进入肺泡。它的危害作用比二氧化硫大10倍。由二氧化硫排放引起的酸雨污染范围不断扩大，已由80年代初的西南局部地区，扩展至西南，华中，华南和华东的大部分地区，目前年均降水PH值低于5

7、.6的地区已占全国面积的40%左右。酸雨和二氧化硫污染危害居民健康，腐蚀建筑材料，破坏生态系统，造成了巨大经济损失每年多达200多亿元，已成为制约社会经济发展的重要因素之一。酸雨目前已经酿成公害。 从近几年城市大气环境质量监测结果来看，虽然煤烟型大气污染源的治理取得了显著的效果，但城市大气环境整体质量却没有得到明显的改善，有些指标的监测结果还呈递增趋势，说明大气污染源的结构在发生变化。监测分析表明，机动车辆排气型污染已代替煤烟型污染，成为城市主要大气污染源，并且这一趋势还将继续发展。汽车尾气对大城市大气环境也造成了严重的污染，现在大气中有害物浓度是1987年的十几倍，主要污染物是：一氧化碳、二

8、氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物、碳氢化合物，苯并（a）芘和铅等。尤其是含有较高浓度的苯并（a）芘和铅。苯并（a）芘在体内是强烈的致癌物质。铅影响造血功能和神经功能，特别是影响婴幼儿、儿童和青少年神经和智能的发育。碳氢化物、氮氧化合物、醛类等污染物，在阳光紫外线作用下相互作用，可以生成光化学烟雾，使毒性加剧。从以上的分析和实际情况来看，汽车尾气对环境造成了严重的污染，危害居民健康，尤其对老人、婴幼儿、心肺疾病患者以及交通警察的身体健康危害更大。 有一些气体列如CO、氟氧烃类等，过去并不视为大气器污染物加以控制，近年来的研究发现，它们在全球气候变化产生重大影响，氟氧烃类气体破坏臭氧层，过多的CO则

9、使大气温度升高，因此现在有也作为大气污染物限制排放。 3、气体污染物的净化 气态污染物的净化方法有吸收净化法，吸附净化法，催化净化法，燃烧净化法，冷凝净化法，生物净化法，电子束照射净化法和膜分离法等。吸收净化法：是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者其中某一种或多种组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，达到将有害物从废气中分离出来，净化废气的目的的一种方法。 吸收的基本理论：当采用某种液体处理气体混合物时，在气-液相的接触过程中，气体混合物中的不同组分在同一种液体中的溶解度不同，气体中的一种或数种溶解度大的的组分将进入到液相中，从而使气相中各组分相对浓度发生了改变，即混合气体得到

10、分离净化，这个过程称为吸收。1.2 金刚砂生产工艺特点 金刚砂的学名叫碳化硅，外观黑色，略有金属光泽，化学性质比硅砂稳定，因为硬度很高，所以在工业上常用作研磨材料。金刚砂的生产过程需要家浓硫酸酸洗处理，加酸的时候有大量蒸汽、酸雾以及有害气体生成。 1.3 金刚砂产生废气的成分以及特点1、 密度近似空气。具有刺激性，并对设备以及建筑具有强烈发腐蚀性。 3、 扩散性。酸洗槽以上散发的气体具有相对分子量小，溶解性好，不易被颗粒吸附等特点，因此扩散性较强，能与空气任意比混合。4、 阵发性。酸槽里酸雾的散发，除正常液面散发外，还因水蒸汽爆胀而使酸雾具有阵发性的特点。人如果吸入大量硫酸蒸汽，会损害上呼吸道

11、以至肺部组织，严重时会失去知觉。与硫酸长期接触会引起皮肤炎症，经常吸入硫酸蒸气或酸雾会引起呼吸道或支气道管炎，还有长期吸入硫酸蒸气会引起牙齿的酸蚀症，先是失去珐琅质的光泽，继而露出象牙质，而造成缺损，表面变黑。 第二章 说明书2.1确定净化方案 此次设计拟采用5%NaOH溶液（逆流）吸收净化硫酸烟雾。2.2集气罩的设计2.2.1集气罩基本参数的确定由设计资料知：d=700mm，H=1000mm，取H=550mm，=90则D0=d+0.9H=700+0.9550=1195（mm） 圆整D0=1200mm罩下口面积为F0=0.253.141.22=1.130(m2) 罩下口边高为h1=0.25=0

12、.25=0.27(m) 罩上口直径拟定为d0=240mm 则罩净高为校核 和基本符合要求。2.2.2集气罩入口风量的确定（1）冬季 环境温度为-6，槽料内加酸后温度可达100，取吸气罩入口速度集气罩排风量（1）夏季 环境温度为31，槽料内加酸后温度可达100，集气罩排风量由于冬季排风量大于夏季排风量，应以冬季排风量来计算。校核管道中风速：，符合要求2.3填料塔的设计2.3.1填料塔参数的确定（1）填料的规格及相关参数 本设计拟选用50504.5规格陶瓷鲍尔环填料（乱堆）。 填料参数为：=130m-1, 1=110m2/m3(2) 计算泛点气速本设计采用质量分数为5%的NaOH为吸收液（参数近似

13、取水的参数）。取液气比=3.5因=，即=3.5=2.169所以()0.5=2.169()0.5=0.0695查埃克特通用关联图知 ()L0.2=0.168吸收液温度为20，L=1mPas =1可得 uf=3.512(m/s)(3)计算操作气速u 操作气速为 u=0.7uf=0.73.512=2.5(m/s)(4)计算塔径 由于集中处理三个集气罩的排气量，则填料塔中的混合气体体积流量为 VG=3Q=30.710=2.130(m3/s)填料塔塔径： D=1.042(m)圆整D=1.1m(5)利用圆整后的塔径重新计算操作气速u。 U=2.47(m/s)(6)校核填料直径与塔体直径的比 =50/110

14、0=0.041L喷min，符合要求。2.3.2填料层高度确定（1）填料层高度的计算 由设计资料知 kGa=144kmol/(m3hatm)(1atm=101325Pa)，kLa=0.7h-1 当地大气压p=734/760=0.966(atm)=97879.95Pa入塔气体中污染物体积含量 y2=y=0.000686出塔气体中污染物体积含量 y1=22.40.001=0.0000594则入塔气体中污染物的分压 pA2=py2=0.9660.000686=0.000663atm=67.1Pa出塔气体中污染物的分压 pA1=py1=0.9660.0000594=0.0000574atm=5.8Pa吸

15、收液中活性组分的临界浓度GKP=bpA=2pA=411.429pA填料塔液相进口的临界浓度 CKP1=411.429pA1=411.4290.0000574=0.0236(kmol/m3)填料塔液相出口的临界浓度 CKP2=411.429pA2=411.4290.000663=0.273(kmol/m3)液相进口处活性组分的浓度 CB1=1.25(kmol/m3)液相总浓度 CT=1000/18=55.556(kmol/m3)由物料平衡式知(pApA1)= (CB2CB1)得 = 即 =3.5 得CB2=1.230kmol/m3因CKP1CB1，CKP2CB2，所以塔中反应为界面反应。求90时

16、气体的摩尔体积V因V0/T0=V/T，则22.4/273=V/(273+90)，得V=29.785(L/mol)气体的摩尔流率：G=271kmol/(m2h)液体的摩尔流率：L=3.5271=948.5kmol/(m2h)=17073kg/(m2h)填料塔床层高：h= =4.77(2)填料塔床层压降的计算()L0.2=()10.2=0.083查埃克特通用关联图知：由于前已计算横坐标为0.0695，查埃克特通用关联图可知 p=850(Pa/m)填料塔床层压降：p=8504.77=4055(Pa)2.3.3填料塔附件选择（1）选用斜口气体分布器，进口管直径340mm，进口风速15.70m/s，阻力

17、约500Pa（2）选用栅板支承板，阻力约200Pa；（3）选用多孔盘管式液体分布器，阻力约50Pa；（4）选用液封排液装置；（5）选用折板除雾器，出口管直径200mm，阻力约100Pa。2.3.4填料塔总压降 p=4055500+200+50+100=4905（Pa）2.4管网设计2.4.1风速和管径的确定保证管内风速在的范围内，本设计选用15.70m/s左右，保证较小的压力损失，并以此标准选择管径，圆整后复核风速。管径以400mm为主，只是在填料塔进口位置选用300mm管径。2.4.2系统布置流程图2.4.3阻力计算由设计资料知，混合气体中污染物浓度为2900mg/m3 ,混合气体温度为10

18、0，冬季大气压力为734mmHg(97858.35Pa)混合气体中污染物体积分数：y=2.90/9822.410-3=6.6310-4 混合气体平均分子量：Mm=M1(1-y)+M2y=29(1-0.000663)+980.000663=29.046（g/mol）混合气体密度： 系统各部分阻力计算见下页表。表 NaOH溶液（逆流）吸收法净化硫酸烟雾系统阻力计算表管 段编 号流量/m3 s-1直径/mm动压/Pa局部阻力损失部分沿程阻力损失部分总阻力/Pa备注局部阻力系数局部阻力系数总和局部阻力损失/Pa沿程阻力系数长度/m沿程阻力损失/Pa1-2-30.710240127集气罩0.110.76

19、9650.100.5131.9128.4两条支管相差4.4%90弯头：0.232.25插班阀：0.10三通：0.324-5-30.710240127集气罩0.110.94119.40.100.3113.6123.045弯头：0.14插班阀：0.10三通：0.593-61.42032016090弯头：0.230.6197.60.0711.0115.3112.9p=128.4+112.9=241.3三通：0.380.477-8-60.710240127集气罩0.111.632070.100.5112.8219.8两条支管相差0.2%90弯头（2个）：0.460.40插班阀：0.100.20245弯

20、头：0.14三通：0.824-3-92.13038018190弯头（2个）：0.460.4683.30.0590.8652.3135.6p=243.3+135.6=378.93.6710.869-102.139吸收塔4905p=378.9+4905=5283.910-112.13038018190弯头（3个）：0.690.791430.0590.8274.5217.5p=528.39+217.5=5501.46.642软连接：0.100.21312-132.343380237天圆地方：0.100.1023.70.0590.365.354.735501.4+54.73=5556.73500370

21、.60.622203.373.732.5风机及电机的选择2.5.1安全系数修正风机总风量： 风机总风压，并与风机标定工况换算。2.5.2动力系统的选择查风机目录可选用9-26No5A查风机目录可选用Y160M2-2，功率15kW2.6附属构件选择2.6.1管道支架（1） 在不影响生产的情况下，集气罩附近现场安装吊架（垂直负荷500kg，水平负荷0kg）3个；（2） 在风机进口处现场安装支架（垂直负荷1000kg，水平负荷100kg）各1个；（3） 在填料塔距地面7m处四角拉线固定，并安装适当的操作平台；（4） 在烟囱距地面35m处四角拉线固定。2.6.2补偿器由于管道较短，且温差不大，可不选用

22、管道补偿器。2.7设计图纸见CAD图纸。2.8参考文献1 郝吉明，马广大，王书肖主编. 大气污染控制工程(第三版). 北京：高等教育出版社，20102郭东明编著. 硫氮污染防治工程技术极其应用. 北京：化学工业出版社，20013 郭东明编著.脱硫工程技术与设备. 北京：化学工业出版社，20074曾光明，袁兴中，李彩亭等编著. 环境工程设计与运行案例. 北京：化学工业出版社，20045 何争光主编. 大气污染控制工程及应用实例. 北京：化学工业出版社，20046 季学李，羌宁主编. 空气污染控制工程. 北京：化学工业出版社，20057 陈敏恒，潘鹤林，齐鸣斋主编. 化工原理. 上海：华东理工大学出版社，20088 郑铭主编. 环保设备. 北京：化学工业出版社，200610 黄学敏，张承中主编. 大气污染控制工程实践教程. 北京：化学工业出版社，2003