大气课程设计

广州大学市政技术学院课程设计指导书毕业设计名称：酸洗废气净化系统设计系部环境工程系专业环境工程治理技术班级12环管1姓名指导教师2014年06月20日目录概述一、确定净化方案51.1气态污染物处理技术方法技术计较51.2净化方案的选取5二、集气罩的设计62.1.集气罩基本参数的确定62.2集气罩入口风量的确定...7三、填料塔的设计91.填料塔参数确定92.填料层高度确定113.填料塔附件选择12四、管网设计..12⒈管道流速、设计流量122．净化系统设备及管道布置简图123．各管段的局部阻力计算134.各管段沿程阻力和局部阻力及总阻力145．对并联管路进行阻力平衡计算176.计算系统的总阻力17五、动力系统选择171.风机的确定：17与风机标定工况计算173．动力系统的选择17六、参考文献概述：我国的能源结构以煤为主，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。随着经济的快速发展，我国因燃煤排放的二氧化硫急剧增加，所造成的酸雨污染已经到了十分严重的程度，必须引起密切关注。1.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。2.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。3.酸洗废气的危害目前，大气污染已经成为全球问题，而大气污染主要是人类活动造成的，大气污染物对人体健康、植物、器物和材料，及大气能见度和气候皆有重要影响。由于该厂生产用金刚砂，经过湿式研磨后，经浓硫酸酸洗处理。加酸时，有大量蒸汽，酸雾和其他有害气体产生，对人体及环境产生极大的危害。特别是SO2、硫酸和硫酸烟雾，以及产生的酸雨等危害更加严重。以下是SO2等酸性气体对人类以及环境的影响。4.酸洗废气对人体的危害污染物侵入人体主要通过表面接触、食入含污染物的食物和水、吸入被污染的空气，对人体健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。该厂用浓硫酸进行酸洗过程中，会有SO2产生，资料表明：SO2在空气中的浓度达到（0.3~1.0）×10-6时，人们就会问到它的气味。包括人类在内的各种动物，对SO2反应都会表现为支气管收缩，这可从气管阻力稍有增加判断出来。一般认为，空气中的SO2浓度在0.5×10-6以上，对人体健康已有潜在性影响，（1~3）×10-6时多数人受到刺激，10×10-6时加剧，个别人还会出现支气管痉挛。与颗粒物和水分结合的硫氧化物是对人类健康影响非常严重的公害。当大气中的SO2氧化成酸雨和硫酸烟雾时即使其浓度只相当于SO2的1/10，其刺激和危害也将更加显著。据动物实验表明，硫酸烟雾引起的生理反应要比单一SO2气体强4~20倍。5.酸洗废气对植物的危害污染物对植物的伤害，通常发生在叶子结构，因为叶子含有整棵植物的构造机理。最常遇到的毒害植物的气体就有SO2。大气中含SO2过高，对叶子的危害首先是对叶肉的海绵状软组织部分，其次是对栅栏细胞部分。侵蚀开始时，叶子出现水浸透现象，干燥后，受影响的叶面部分呈漂白色或乳白色。如果SO2的浓度为（0.3~0.5）×10-6，并持续几天后，就会对敏感性植物产生慢性危害。SO2直接进入气孔，叶肉中的植物细胞时期转化为亚硫酸盐，再转化成硫酸盐。当SO2过量的存在时，植物细胞就不能尽快地吧亚硫酸盐转化为硫酸盐，并开始破坏细胞结构。6.酸洗气体对器物的影响对器物的损害主要包括玷污性损害和化学性损害两个方面，化学性损害是指由于污染物的化学作用，使器物和材料腐蚀或损坏。大气中SO2的及其生成的酸雾、酸滴等，能使金属表面产生严重的腐蚀，使纺织品、纸品、皮革制品等腐蚀磨损，是金属涂料变质，降低其保护效果。造成金属腐蚀最为有害的污染物一般是SO2。7.酸洗气体对大气能见度和气候的影响大气污染最常见的后果之一是大气能见度的降低。SO2和其他气态含硫化合物在大气中以较大的反应速度生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子，对能见度有潜在影响。大气污染对能见度的长期影响相对较小，但是对气候产生的大规模影响，则其结果肯定是极为严重的。SO2等排放产生的酸雨，对环境更是造成极大的危害。8.设计规范烟气排放达标,整套设备运行经济合理,占地面积较小。执行标准是:《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）。9.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。3.设计资料3.1工艺特点间断加酸，加酸后槽内温度可达100℃以上3.2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℃。3.3气象资料气温：冬季：－6℃夏季：31℃大气压力：冬季734mmHg（97.86kPa）夏季718mmHg（95.72kPa）3.4酸洗车间工艺布置图（参见图4-1-1）说明：酸洗时，工人将预先装入金刚砂的Ф800mm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。确定净化方案1.1气态污染物处理技术方法比较1.1.1吸收（洗涤）法溶剂吸收法采用低挥发性或不挥发性溶剂对废气进行吸收，再利用废气分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。吸收的效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。吸收剂必须对去除的废气有较大的溶解性，同时，如果需回收有用的组分，则回收组分不得和其他组分互溶。吸收剂再吸收的运行条件下，必须具有较好的化学稳定性及无毒无害；吸收剂摩尔质量要尽可能低，以使它的吸收能力最大化。适用于气态污染物浓度较高、温度较低和压力较高的场合。分析该厂废气，适合设计要求，可采用吸收法。11.2冷凝法冷凝法利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压的这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸汽状态下的污染物冷凝并与废气分离。适用于废气体积分数在10-2以上的有机蒸汽，不适合处理低浓度的有机气体，分析该厂废气，该方法运行成本高，所以本设计不采用冷凝法。1.1.3吸附法吸附法是当废气与多孔性固体接触时，利用固体表面存在的未平衡的分子吸引力或化学键作用力，把废气组分吸附在固体表面的方法。适用于处理高流量，低污染物浓度的污染物，但吸附剂的成本高，不适合本设计。1.1.4燃烧法燃烧法是将有害气体、整齐、液体、货烟尘转化为无害物质的过程。只适用于净化那些可燃的或在高温情况下可以分解的有害物质，具有局限性，所以该设计不采用燃烧法。1.2方案选择本次课程设计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。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。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。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。 集气罩的设计2.1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。由设计资料知：d=800mm，H′=1000mm,如图1-1所示，依据式（2-1）至式（2-5）计算如下。取H=400mm,=90°则D0=d＋0.8H=800＋0.8×400=1120(mm)罩下口面积为F0=0.25=0.25××3.14=0.98(㎡)罩下口边高为h1=0.25=0.25×=0.247（m）罩上口直径拟定为=200（mm）则罩净高为=（m）校核>0.21.0<<2.0<0.7≤3，基本符合要求。2.2集气罩入口风量的确定排风量的确定分两种情况：一种是运行中的集气罩是否符合设计要求，可用现场测定的方法来确定；另一种是在工程设计中，为了达到设计目的，通过计算来确定集气罩的排风量。(1)冬季环境气温为-6ºＣ，料槽内加酸后温度可达100C，△T=T1－T2(K)=100—（—6）=106(K)式中△T——温差，K;T1——料槽温度,K;T2——环境温度，K;其中q热量流量，kJ/s;F污染源断面积，m2。热烟气流量Q0为：H集气罩距污染源的垂直距离，m集气罩最小吸入风量：取吸气罩入口速度'V=0.6m/s:Q——最小吸入风量，m3/s;F’——集气罩罩口面积与污染面积之差，m2V’——最小吸入速度，0.5~1.0m/s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)式中△T——温差，K;T1——料槽温度,K;T2——环境温度，K;其中q热量流量，kJ/s;F污染源断面积，m2。热烟气流量Q0为：H集气罩距污染源的垂直距离，m集气罩最小吸入风量：取吸气罩入口速度'V=0.6m/s:Q——最小吸入风量，m3/s;F’——集气罩罩口面积与污染面积之差，m2V’——最小吸入速度，0.5~1.0m/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=0.442(m3/s)总设计流量校核管道中风速：（m/s)，符合要求（10~20m/s）三．填料塔的设计3.1填料塔参数的确定有资料可知：操作条件下，气相分传质系数kGa＝144kmol/(m3·h·atm)液相分传质系数kLa＝0.7h－1推荐标准状态下液气比L/G＝2.5～4L/m3填料塔常用的规整填料，由于分离效率高，空隙率大，持液量小因而操作压降小等方面的特点，应用越来越广泛，而好的填料如果没有一个好的液体分布器，也达不到很好的汽液分布效果。(1)填料的规格及相关参数本设计拟采用50×48×1.8规格的塑料鲍尔环填料（乱堆）填料参数为：（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，温度为60℃。取液气比的摩尔比用表示 所以：查埃克特通用关联图知可得：计算操作气速u计算塔径，并进行圆整填料塔径：圆整后D=0.8m。(查资料的塔径规格通常为偶数如800mm，1000mm，1200mm，1400mm等）利用圆整后的塔径重新计算操作气速u。校核填料直径与塔体直径比<(1/8—1/10)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)]塔截面积>，符合要求3.2填料层高度确定（1）填料层高度由设计资料知：气相传质系数液相传质系数当地大气压：734mmHg=97.86kPa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45所以=3780所以填料高度为10m计算填料塔床层压降由上面计算可得横坐标为：纵坐标计算得：在填料塔泛点气速通用关联图中，根据横、纵坐标值定出塔的工作点。其位置在处由于所以填料床层压力降为：150×9.80665=1471Pa/m计算填料塔压降该填料塔得压降为：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16.96m/s，阻力约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。管网设计风速和管径的确定保证管道内风速在10~20m／s的范围内，以保证较小的压力损失，并以此为标准选择管径，圆整后复核风速。本设计选用14.07m/s左右。则管径圆整后复合风速：在10~20m/s的范围内，符合净化系统设备及管道布置简图。3．各管段的局部阻力计算管段1：集气罩一个：ζ=0.11；90°弯头一个（R/D=1.5）,ζ=0.17合流三通（1-3）根据F1+F2≈F3α=30°查得ζ13=-0.08管段2：集气罩一个：ζ=0.11；90°弯头一个（R/D=1.5）,ζ=0.17合流三通（2-3）ζ23=0.61。管段3：圆形合流三通（合流3—5）ζ35=0.03渐扩管一个α=30°ζ=0.8管段4：集气罩一个：ζ=0.11；90°弯头一个（R/D=1.5）,ζ=0.17渐扩管一个α=30°ζ=0.8圆形合流三通（合流4-5）ζ45=-0.03管段5：90°弯头两个（R/D=1.5）,ζ=0.17管:段6：渐扩管一个α=30°ζ=0.890°弯头三个（R/D=1.5）,ζ=0.17渐缩管一个α=45°ζ=0.1管段7：渐扩管一个α=30°ζ=0.8伞形风帽一个（排风h/D0=0.5）ζ=1.154.各管段的沿程阻力和局部阻力以及总阻力的计算。并将结果列于水力计算表中。查得材料制作风管的粗糙度表，薄钢板K=0.15~0.18，取K=0.15管段1：根据Q=0.442m3/s,v=14.07m/s,L=10m，查得，d=220mm,Rm=12.5Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为△PL1=L·Rm=10×25.4=254Pa各管件局部压损系数为：则局部压损：则该管段总压损为：△P1=△PL1+Z=254+23=277Pa管段2：根据Q=0.442m3/s,v=14.07m/s,L=5m，查得，d=220mm,Rm=12.5Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为△PL2=L·Rm=5×25.4=127Pa各管件局部压损系数为：则局部压损：则该管段总压损为：△P2=△PL2+Z=127+93.8=220.8Pa管段3：根据Q=0.884m3/s,v=13m/s,L=8.5m，查得，d=300mm,Rm=6.8Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为△PL3=L·Rm=9×8.4=75.6Pa各管件局部压损系数为：则局部压损：则该管段总压损为：△P3=△PL3+Z=75.6+74.69=150.29Pa管段4：根据Q=0.442m3/s,v=14.07m/s,L=3m，查得，d=220mm,Rm=12.5Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为△PL4=L·Rm=3×15.7=47.1Pa各管件局部压损系数为：则局部压损：则该管段总压损为：△P4=△PL4+Z=47.1+110.7=157.8Pa管段5：根据Q=1.326m3/s,v=12m/s,L=1m，查得，d=600mm,Rm=2.5Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为△PL5=L·Rm=1×3.04=3.04Pa各管件局部压损系数为：则局部压损：则该管段总压损为：△P5=△PL5+Z=3.04+26.07=29.11Pa管段6：根据Q=1.6035m3/s,v=12m/s,L=8m，查得，d=400mm,Rm=3.8Pa/m因此：校正，则摩擦压力损失为