酸洗废气系统设计.doc
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成都理工大学工程技术学院毕业论文
酸洗废气净化系统设计
作者姓名:
向春艳
专业名称:
环境工程
指导教师:
李源讲师
酸洗废气系统设计
摘要
酸雾的排放会形成酸雨,因此对于酸雾的减排控制和烟气的脱酸工程受到关注。
本论文是以酸洗槽所产生的废气为例,设计处理其废气的净化系统,从而使净化后的气体达到排放标准。
在进行设计过程中,其重点为填料塔的设计。
填料床反应器一般为逆流操作,具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点,广泛地用于带有化学反应的气体的净化过程,适合液膜控制的吸收过程,如水吸收氯气、碱吸收硫酸和水吸收氧气等。
对设备的选取也进行经济分析,经过选取后,该设计的总成本大约为34000元。
关键词:
废气净化酸雾填料塔设计酸洗槽
Abstract
Becausethedischargeoftheacidfogcanturnintoacidrain.wefocusoncontrollingreducingthedischargeoftheacidfogandfluegasemissionreductionprojectsdeacidification.Thepaperisbasedonexhaustgasgeneratedbypicklingtankforexample.Designedtohandleitsexhaustgaspurificationsystem,sothatthegasispurifiedtomeetemissionstandards.Duringthedesignprocess,thepointisdesignofpackedtower.Packedbedreactoralwaysusescounter-currentoperation,withgoodoperatingflexibility,simplestructure,resistanttocorrosion,etc.,arewidelyusedinpurificationsystemofgaswithchemicalreaction,whichsuitsforabsorbentprocessofthecontrollinginliquidfilm,suchanwaterabsorptionofchlorineandalkalisulfuricacidandwaterabsorptiontoabsorboxygen.itintroducesdevicematerialsandweareeconomicanalysisofdevice.Afterselecting,thedesignoftotalcostisabout34000yuan.
Keywords:
wastegaspurification,acidmist,packedtower,project,pickingbath
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
前言 -1-
1酸雾 -2-
1.1酸雾的性质 -2-
1.2酸雾的成因与来源 -2-
1.3酸雾的处理方法[3] -2-
2工艺设计 -4-
2.1工厂的概况 -4-
2.2排气罩的设计 -5-
2.2.1排气罩的作用 -5-
2.2.2排气罩的结构尺寸设计 -6-
2.2.3排气罩入口风量的设计 -8-
2.3净化系统的设计 -10-
2.3.1吸收塔的概述[2] -10-
2.3.2净化方案的确定 -11-
2.3.3填料塔的设计 -12-
2.3.4各项数据的计算 -13-
2.3.5填料层高度的确定 -15-
2.3.6填料塔附属内件的选择 -17-
2.4管网、风机与烟囱设计 -17-
2.4.1管道布置的原则 -17-
2.4.2管径的确定 -18-
2.4.3风机与电机 -20-
2.4.4烟囱的选取 -22-
3经济分析 -23-
3.1设备的经济性 -23-
3.2各设备经济性分析 -23-
总结 -25-
致谢 -26-
参考文献 -27-
-27-
前言
在现代的工业生、生活中,酸雾主要来源于化工、机械制造、冶金等用酸过程中,像是制酸、酸洗、电镀中。
酸雾的排放会导致酸雨[1]。
酸雨又对人们和建筑有危害。
若对于排放的酸雾不加以处理净化,将会对人类造成巨大危害和惨重的经济损失。
像是酸雨会使湖泊变成酸性,使建筑结构、桥梁、水坝、动力和通信电缆等材料的腐蚀,能严重损害古迹。
酸雾会损害身体健康。
盐酸或者硫酸挥发产生的气体具有强烈刺激性,会使人体中毒等,所以对于酸雾的处理是很有必要的[5]。
对于现代处理酸雾的工艺中有两大类,一类是物理法,如超高压静电抑制、双边槽吸风法;二类是化学法,如喷碱中和法、缓蚀剂抑制法[6]。
在本设计中,采用的是化学法来处理废气。
考虑到要处理的废气与二氧化硫的性质有相似的地方,所以采用的是填料塔作为净化装置,填料塔是上面进吸收液下方进废气,这样能使气体和吸收液的充分接触,净化效率也很高。
采用碱性溶液为吸收剂,利用酸碱中和的原理,从而达到净化废气的目的,同时还可以给废气进行降温处理。
于此同时,还需要对管道和集气罩进行防腐处理。
在本设计中,将风机置于净化系统后,这样可以避免风机被腐蚀。
1酸雾
1.1酸雾的性质
酸雾(acidmist),一般是指雾状的酸性物质,在空气中的酸雾的颗粒很小,可以说比水雾的颗粒还要小,比烟的湿度要高。
其粒径为0.1~10,是介于烟气和水雾之间的物质,其腐蚀性较强[3]。
酸雾包含了硫酸、硝酸、盐酸、甲酸和乙酸等[3]。
1.2酸雾的成因与来源
⑴酸雾的成因[3]:
酸液表面蒸发后,酸性分子进入空气中,然后与空气中的水分形成雾滴;或者是酸溶液中发生化学反应形成气泡上浮到页面后爆破,将液体带出。
⑵城市中的酸雾来源[3]:
①卤化氢溶于水形成氢卤酸,挥发成酸雾;②二氧化硫与水汽结合形成酸雾;③易被水吸收的三氧化硫,在高温下,与水蒸气形成酸雾。
详细如下表所见
表1.1生成酸雾的物质[3]
名称
形态及气味
其他性质
氯化氢
无色气体,有刺激性气味
与水蒸气生产盐酸雾
盐酸
无色成微黄色液体
浓盐酸在常温下挥发成酸雾
氯气
黄绿色,有刺激性气体
挥发与水蒸气作用形成白色酸雾
三氧化硫
无色固体,有刺激性气味
有强氧化作用,会发到空气中与水蒸气生产硫酸雾
硫酸
无色,无嗅油状液体
340℃时分解放出SO3
二氧化氮
红褐色气体,有刺激性气味
与空气中的水蒸气形成硝酸雾
硝酸
无色或微黄色液体,刺激性气味
浓硝酸挥发成硝酸雾
1.3酸雾的处理方法
⑴液体吸收法[3]
液体吸收法一般包括水洗法和碱液中和法。
碱液吸收常选用的吸收剂包括有10%Na2CO3、4%~6%NaOH和NH3等的水溶液。
其采用净化处理设备主要有洗涤塔、泡沫塔、填料塔、斜孔板塔、等。
其主要净化废气的原理是使气、液充分接触,然后酸碱发生中和反应,从而使酸性物质得到去除。
液体吸收法的优点有设备投资较低,工艺较简单。
但是其缺点是耗能耗水量大、运行费用高;然后是容易带来二次污染;其次是在北方的冬天容易因为气温过低而结冰,导致设备无法正常运行;最后因为硝酸雾中含有不易溶于水的NO,因此液体吸收法对硝酸雾的净化效率往往比较低。
⑵固体吸附法[3]
常用的吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶、含氨煤泥等。
北京工业大学研制成功一种可以治理多种酸雾的吸附剂——SDG吸附剂[3],它可以净化硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、醋酸、磷酸等各种酸雾,尤其适用于浓度小于1000mg/m3的间歇排放的酸洗操作场所。
其主要技术指标是:
硝酸的去除率为93%~99%;盐酸的除去率为93%~99%;硫酸的去除率93%~99%[3]。
2工艺设计
2.1工厂的概况
⑴工艺特点:
酸洗槽中间断加酸,加酸后槽内温度可达到100℃以上。
⑵废气特点
①废气成分:
近似空气,标准状态下酸雾含量为3210mg/m3;
②废气温度:
60℃。
⑶该地区的气象资料
表2.1气象资料
内容季节
夏季
冬季
气温(℃)
31
-6
大气压力(mmHg)
718(95.72×103Pa)
734(97.86×103Pa)
⑷酸洗车间工艺布置图
图2.1酸洗车间平面图
图2.2酸洗厂剖面图
注:
酸洗时,工人将预先装入金刚砂的圆筒形料槽,沿酸洗槽方向的轨迹推入酸洗槽位置后,想料槽中加入浓硫酸,并不断搅拌。
酸洗完后,将料槽推出卸料;重新推入一筒新料进行酸洗。
烟囱
风机
净化系统
⑸排放污染物的净化系统流程图
废气
集气罩
图2.3净化系统流程图
排放出来的酸性气体和酸雾被集气罩吸收后,有风机将废气引致酸雾吸收塔中进行进化处理。
净化设备的原理就是让碱性物质与废气充分接触,发生酸碱中和的反应,从而达到除去酸性物质的目的,从而使排放出来的废气符合排放标准。
2.2排气罩的设计
2.2.1排气罩的作用
⑴排气罩
是烟气净化系统中的收集装置,可将粉尘及气体污染源导入净化系统,同时防止其向生产车间及大气扩散,造成污染。
可直接安装在污染源的上部、侧方或下方。
⑵排气罩的分类[2]
①密闭型:
罩子把污染物局部或整体密闭起来,使污染物的扩散被限制在一根很小的密闭空间内,同时从罩内排出一定量的空气,使罩内保持一定的负压,罩外的空气经罩上的缝隙流入罩内,以防止污染物外逸。
其特点是所需排气量最小,控制效果最好,而且不受横向气流的干扰。
②包围型:
属于半密闭型。
不受周围气流的影响,对人体健康有一定的保护作用。
把生产有害气体的工艺操作放在罩内进行,人在罩外操作。
如化学实验室的通风柜就是此类排气罩的典型代表。
一般电子厂、仪器厂、制药厂、食品厂使用此类的排气罩较多。
③捕集型:
当工艺条件限制,污染源设备较大,无法进行密闭时,只能在污染源附近设置排气罩。
如伞形罩就是典型的代表。
对散热的设备采用伞形罩最为有利,多位于污染源上方,为了能尽量捕集所散发的有害气体,必须是伞形罩的底部尺寸大于污染物的发生源。
④诱导型:
排气罩对污染物进行侧方诱导,让污染物沿侧向排出。
但是需要较大的排风量。
⑶设计排气罩满足的要求[2]
①了解工艺设备的结构和使用操作特点,在不妨碍生产操作以及生产过程的观察、不妨碍设备检修的情况下,确定排气罩的形式和位置。
②研究并了解有害物的特点的散发情况,以最少的风量尽可能充分完善地收集所散发的有害物,而且需要的捕集装置少、阻力小。
③在任何情况下,被排出去的气体都不应通过人的呼吸区。
④所使用的材料要求来源广、价格低廉、易于加工制作,如排除有腐蚀性的气体,设备材料应防腐。
2.2.2排气罩的结构尺寸设计
由综上所述要求,对于该设计中,选取的为伞形罩形式,由于处理的气体具有腐蚀性,应该对排气罩采取防腐处理。
⑴排气罩的结构示意图
集气罩(图2.4)
①排气罩的罩口尺寸不应小于罩子所在未知的污染物扩散的断面面积[3]。
②排气罩连接风管的特征尺寸(圆形为直径,矩形为短边)、污染源的特征尺寸(同上)、排气罩距污染源的垂直距离、排气罩口的特征尺寸(同上)[3]
/>0.21.0</<2.0
/<0.7(影响操作可适当增大)
③伞形罩的顶角易大于或等于,但最大不宜超过。
⑵设计
由设计资料可知:
;
由图2可知:
酸洗槽的高度
所以取,;
验证:
(符合要求)
则排气罩口的特征尺寸
[3]
验证(符合要求)
罩下口面积
罩下口边高
为满足/>0.2;则取
验证:
(符合要求)
集气罩净高
验证:
(符合要求)
2.2.3排气罩入口风量的设计
⑴温差的确定(K)
式中—温差,K;
料槽温度,K;
环境温度,K。
⑵热量流率的确定
式中热量流率,;
污染源断面积,m2。
⑶热烟气流量的确定
式中集气罩距污染源的垂直距离,m。
⑷最小吸入风量
式中最小吸入风量,m3/s;
最小吸入速度,0.5~1.0m/s;
集气罩罩口面积与污染源断面积之差m2。
其中
集气罩罩口面积,m2。
⑸数据计算
冬季(-6℃):
温差
污染源断面积
热量流率
热烟气流量
罩口面积与污染源断面积之差
最小吸入风量
夏季(31℃)
温差
污染源断面积
热量流率
热烟气流
罩口面积与污染源断面积之差
最小吸入风量
料槽内加酸后的温度可达到100℃,并取
所以由上计算比较可知,冬季的排风量大于夏季排风量,应该以冬季的排风量来计算。
校核管道中的风速:
(符合要求)
2.3净化系统的设计
2.3.1吸收塔的概述
一般地,将吸收塔分为两大类:
填料塔与板式塔。
填料塔属于微分接触逆流操作,塔内以填料作为气液接触的基本构件。
板式塔属于逐级接触逆流操作,塔内以塔板作为气液接触的基本构件[2]。
⑴填料塔
塔内填充适当高度的填料,以增加两种流体间的接触表面。
例如应用于气体吸收时,液体由塔的上部通过分布器进入,沿填料表面下降。
气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上,与液体密切接触而相互作用。
结构较简单,检修比较方便。
填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。
塔内件主要包括以下几个部分:
液体分布装置、填料压紧装置、填料支撑装置、液体收集再分布及进出料装置、气体进料及分布装置等。
近年来,人们进行了大量的研究,取得了突破性的进展,目前应用的规模填料最大直径可达14~20m[9]。
⑵板式塔
由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。
广泛应用于精馏和吸收,有些类型(如筛板塔)也用于萃取,还可作为反应器用于气液相反应过程。
操作时(以气液系统为例),液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出;气体在压力差推动下,自下而上依次穿过各层塔板,至塔顶排出。
每块塔板上保持着一定深度的液层,气体通过塔板分散到液层中去,进行相际接触传质。
板式塔已有100多年的发展历史。
长期以来,人们围绕高效、大通量、宽弹性、低降压的宗旨,开发了不少于80种的各类型塔板[10]。
⑶对塔设备的要求[3]
①生产能力大,即单位塔截面积的处理量要大;
②分离效率高,即达到规定分离要求的塔高要低;
③操作稳定,弹性大,即允许气体或液体负荷在相当的范围内变化,而不致在操作上发生困难并引起分离效率降低过多;
④对气体阻力小,即气体通过每层塔板或单位高度填料层的压降要小;
⑤结构简单、易于加工制造、塔的造价低、安装和维修方便。
⑷塔型选择原则[3]
①物料系统易起泡沫,宜用填料塔。
因为在板式塔中易造成严重的雾沫夹带,甚至泛塔,影响分离效率。
②有悬浮面体和残渣的物料,或易结垢的物料,宜用板式塔中大孔径筛板塔、十字架型浮阀和泡罩塔。
填料塔将会发生阻塞,又很难清理。
③高粘性物料宜用填料塔。
在板式塔中鼓泡传质效果太差。
④具有腐蚀性的介质宜选用填料塔,因为它易用耐腐蚀材料制作,也可选用板式塔中结构简单的无溢流筛板塔。
⑤对于处理过程中有热量放出或须加入热量的系统,宜采用板式塔。
⑥传质速率由气相控制,宜用填料塔,因为在填料塔中气相的湍动,液相分散为膜状流动。
若传质速率由液相控制,宜采用板式塔,因为在板式塔中液相在湍动,气相分散为气泡。
⑦当处理系统的气液比小时,宜用板式塔。
⑧操作弹性要求较大时,宜采用浮阀塔、泡罩塔等。
⑨伴有化学反应的吸收过程,采用板式塔较适宜。
⑩气相处理量大的系统宜采用板式塔,小则填料塔适宜。
因为板式塔价廉,小塔这填料塔便宜,一般塔径小于800mm宜采用填料塔。
2.3.2净化方案的确定
由综上要求所述,对于处理具有腐蚀性的气体,净化设备采用填料床反应器,进行气液逆流操作,采用的5%NaOH吸收液(参数近似取水的物理参数)。
混合气体由塔底进入,自下而上穿过填料层,从塔顶排除;吸收液由塔顶通过液体分布器均匀喷淋到填料层中,沿填料表面向下流动,直至塔底排除塔外。
在操作情况下可知:
气相传质
液相传质系数
(其中1atm=101325Pa)
推荐气液比为
反应原理则
最终排放的气体的浓度,其酸雾的最高允许排放浓度为45mg/m3[4]。
运用的工具图:
通用关联图,可以比较清楚地显示出压降与泛点、填料因子、气液比等参数的关系[11]。
2.3.3填料塔的设计
⑴填料的参数选取
①填料的基本要求:
要有较大的比表面积、较高的孔隙率和制造填料的材料应保证有足够的机械强度,不易破碎,重量轻,耐腐蚀,价廉易得。
②填料种类
拉西环填料:
在塔内的填充方式有乱堆和整砌两种。
乱推填料装卸方便,但气体阻力较大。
一般直径在50mm一下的填料都采用乱堆的方式;在直径为50mm以上的填料可采用整砌的方式。
拉西环可用陶瓷、金属、塑料等材料制成。
鲍尔环:
为拉西环的改进产品。
填料的孔隙率与比表面积并没有增加,但堆成层后气、液流通舒畅,有利于气、液进入环内,使气体阻力大为降低,液体分布也有所改善。
常采用金属、塑料制造。
阶梯环:
为鲍尔环的进一步改进,其特点是环高仅为直径的5/8,孔隙率大,而且填料个体之间呈点接触,可是液膜不断更新,压降小。
才用金属盒塑料制造。
鞍形填料:
一种敏开型填料,包括弧鞍和矩鞍,多用陶瓷制成。
金属鞍环是以矩鞍为基体冲压制成类似鲍尔环的环形填料。
③填料的规格选取:
采用陶瓷拉西环,乱堆方式。
其中尺寸(mm);
比表面积;
孔隙率;
堆积密度;
个数;
填料因子。
④取气液比。
2.3.4各项数据的计算
⑴泛点气速
式中NaOH的相对分子质量,即水的相对分子质量,18;
废气的相对分子质量,即空气的相对分子质量,29.051。
所以可得
所以得
式中在60℃下的干空气密度,1.06kg/m3;
水的密度,1000kg/m3。
查埃克特斯通关联图可知
吸收液体的粘度可以近似按水的粘度(20℃)
液体密度校正系数
所以带入数据
得
⑵操作气速
所以取
⑶塔径的设计
因为该工厂中的酸洗槽有三个,则需要三个集气罩进行收集,要集中处理这三个集气罩的排气量,所以填料塔中的混合气体体积流量为:
填料塔塔径:
取圆整
⑷利用圆整后的塔径重新计算操作气速
得
⑸校核调料直径与塔体直径之比
<()符合要求
⑹填料塔的喷淋密度
对于的环形填料和板距50mm以内的栅板填料,填料的最小润湿速率为;
对于的填料取。
喷淋密度
2.3.5填料层高度的确定
⑴填料层高度
由设计可知气相传质系数
液相传质系数
当地大气压:
(注:
1标准大气压=760mm汞柱;1atm=101325Pa)
进去塔的气体中污染物体积含量
排出塔的气体中污染物体积含量
则入塔气体中污染物的分压
出塔气体中污染物的分压
吸收液中活性组分的临界浓度
填料塔液相进口的临界浓度
填料塔液相出口的临界浓度
液相进口处活性组分的浓度
液相总浓度
由物料平衡式可知(对于瞬间快速反应的吸收过程)
所以可得
即
得
所以塔中反应为界面反应。
则60℃时气体的摩尔体积
由则有
气体的摩尔流率:
液体的摩尔流率:
则实际的喷淋密度
(符合)
填料塔床层高:
⑵填料塔床层压降的计算
由于前面的设计中,查埃克特通用关联图知,其横坐标为0.06,查埃克特通用关联图可知
则填料层床压降:
2.3.6填料塔附属内件的选择
⑴填料支承装置:
扁钢条。
⑵液体分布装置:
多孔盘管式,其管底钻有2~4排直径为3~6mm的小孔,孔的总截面积大致与进液管的截面积相等。
⑶液体再分布器:
再分布的距离,
对于拉西环则mm
⑷气体分布器:
由于D大于500mm,则管的末端制成向下的喇叭形扩大口。
⑸排液装置。
⑹气体出口装置:
丝网除雾器。
2.4管网、风机与烟囱设计
2.4.1管道布置的原则
⑴布置管道时应对所有的管线全部考虑,统一布置,应少占有用空间,而且安装、操作和检修要方便。
⑵考虑气体的性质。
可以把几个排气罩集中成一个系统进行排放。
⑶管道的布置应该顺直减少阻力。
且管道的敷设应该尽量明装,不宜明装时采用暗装。
⑷管道应该尽量集中成列,沿着墙或者柱子敷设,对于管径大的和需要保温的管道应该与墙靠近。
⑸当输送剧毒物的风管不允许是正压,该风管也是不允许穿过其他房间的。
⑹水平管道应该设置的有一定坡度,防止积尘等。
⑺在管道的设计中药考虑方便施工,与此同时又要保证严密不漏。
⑻确定了排入大气的排气口位置是,应当考虑开出气体对周围环境的影响。
2.4.2管径的确定
⑴管径的计算:
式中管道直径,m;体积流量,m3/s;
管内流体的平均流速,m/s。
⑵系统管道布置图(见附图)
对于管3、5、7、10
对于管8取D=280mm矫正的
对于管11取D=360mm矫正的
4为90°圆形弯头五中节二端节
6、9为直角三通
6与8、9与11之间渐扩管
12、14、1690°圆形弯头五中节二端节
19、21、2390°圆形弯头五中节二端节
⑶风管的摩擦阻力
①沿程损失
式中l—管道长度m;D—管道直径,mm;
—废气密度,kg/m3;—摩擦阻力系数
即为比摩阻,Pa/m(可查表得)
当温度不为20℃需要进行修正则
式中不同温度下实际的单位长度摩擦阻力,Pa/m;
按20℃查得的单位长度摩擦阻力,Pa/m;
摩擦阻力温度修正系数。
查得0.9
②局部损失式中
局部阻力系数
③密度的计算
净化前
净化后
表2.2各管压力损失
编号
长度(m)/管件
沿程(Pa)
局部(Pa)
3、7、
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