酸洗废气净化系统设计

广州大学市政技术学院
课程设计
课程设计名称：酸洗废气净化系统设计
系部环境工程系
专业环境工程技术
班级 11环境
姓名冯韦华
指导教师戴苗
2013年 06 月 1 日
酸洗废气净化系统课程设计
前言：
随着人口的剧增和城市化的加剧，煤和石油燃烧排放到大气中的二氧化硫越来越多，它在大气中与水蒸气和氧气混合，生成硫酸，形成酸雨。

酸雨被人们称为“空中死神”，它对生态系统的危害已成为举世瞩目的环境问题。

控制大气中二氧化硫的含量无疑是当今正在努力的一个问题。

而酸洗产生的废气中含有大量酸性气体，合理处理废气中的酸性气体是控制大气污染的必要措施。

本设计书由广州大学市政技术学院环境工程系环境工程技术专业戴苗老师指导设计，同时在编写的工程中，得到了广大同学的支持与帮助，在此一并表示衷心的感谢！
由于时间仓促，加之设计者水平有限，设计书中不妥之处在所难免，恳请审阅老师批评指正。

设计者 2013年6月1日
目录
概述
一、确定净化方案
错误!未定义书签。

1．设计目的.......................................... 错误!未定义书签。

2．设计任务.......................................... 错误!未定义书签。

3．设计资料.......................................... 错误!未定义书签。

4．净化方案的选取.................................... 错误!未定义书签。

二、集气罩的设计
错误!未定义书签。

1.集气罩基本参数的确定
错误!未定义书签。

2.集气罩入口风量的确定
错误!未定义书签。

三、填料塔的设计
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1.填料塔参数确定
错误!未定义书签。

（1）拟选用陶瓷鲍尔环填料的规格及相关参数......... 错误!未定义书签。

（2）计算泛点气速uf 错误!未定义书签。

（3）计算操作气速错误!未定义书签。

（4）利用圆整后的塔径重新计算操作气速错误!未定义书签。

（5）校核填料直径与塔体直径的比错误!未定义书签。

（6）校核调料塔的喷淋密度错误!未定义书签。

2.填料层高度确定
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（1）计算填料层高度Z 错误!未定义书签。

（2）计算填料塔床层压降错误!未定义书签。

（3）计算填料塔压降
错误!未定义书签。

四、管网设计
错误!未定义书签。

⒈管道流速、设计流量
错误!未定义书签。

2．净化系统设备及管道布置简图........................ 错误!未定义书签。

3．各管段的断面尺寸和比摩阻.......................... 错误!未定义书签。

管道水力计算表................................... 错误!未定义书签。

4．各管段的局部阻力系数.............................. 错误!未定义书签。

5. 各管段的沿程阻力和局部阻力以及总阻力.............. 错误!未定义书签。

6．对并联管路进行阻力平衡计算：...................... 错误!未定义书签。

（1）汇合点A .................................... 错误!未定义书签。

（2）汇合点B .................................... 错误!未定义书签。

五、动力系统选择
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1. 风机的确定：...................................... 错误!未定义书签。

2. 与风机标定工况计算................................ 错误!未定义书签。

3．动力系统的选择.................................... 错误!未定义书签。

六、参考文献
错误!未定义书签。

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。

酸雨的危害
弱酸性降水，可溶解地壳中的矿物质，供植物吸收。

但如果酸度过高，如pH值低于，就可能对人类及自然生态系统造成危害。

酸雨带来的巨大损失是难以估量的，国外把酸雨称为“空中死神”。

1.1.1酸液对人体的危害
酸雨形成硫酸雾所产生的毒性很大，因为其微粒可侵入肺的深部组织，从而引起肺气肿和肺硬化等疾病而导致死亡。

当空气中含有 mg/m3硫酸雾时，就会使人难受致病。

1.1.2对农作物、植被的危害
受到酸雨侵蚀的农作物，由于叶内叶绿素含量降低，影响其光合作用，引起
叶子枯萎和死亡使产量下降。

荷兰全国54%的森林面积遭酸雨侵害，林木衰弱枯萎。

重庆地区1982年一场pH值达的酸雨使上万亩水稻叶片枯黄，状如火烤，几天后死亡。

1.1.3对土壤、湖泊的危害
酸雨淋溶土壤中的钙、镁、钾等营养元素，抑制有机物的分解和氮的固定，使土壤贫瘠，影响作物生长。

酸雨得不到地表物质的饱和，使得河流、湖泊酸度增高，使水生动植物减少甚至绝迹，成为“死湖”。

在加拿大，酸雨毁灭了万个湖泊，另有4000个也濒临“死亡”。

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。

一、确定净化方案
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．设计资料
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。

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℃。

气象资料
气温：冬季：－6℃
夏季：31℃
大气压力：冬季：；
夏季：
酸洗车间工艺布置图
酸洗车间平面图见图T01，酸洗车间剖面图见图T02。

4．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3144/()(101325)Ga k kmol m h atm latm Pa =⋅⋅= 液相传质系数10.7La k h -=
推荐标准状态下液气比L/G ＝～4 L/m 3。

本次设计取标准状态下液气比L/G=3L/m 3
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。

二、 集气罩的设计
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0d （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0D ，集气罩喇叭口长度2h ，应满足0d ／d ＞,＜0D ／d ＜和H ／d ＜（若影响操作，可适当增大）和2h ／0d ≤3。

如下图所示：
由设计资料知：d=700mm, 取H=450mm 则：
1060m m 4500.87000.8H d D 0=⨯+=+=
集气罩下口面积为ππ220006.125.025.0⨯==D F = 0.88m 2 集气罩下口边高为88.025.025.001⨯==F h = 0.47m
集气罩上口直径拟定为0d =200mm(0d >140) 则集气罩喇叭口长度2
2
.006.12002-=
-=d D h 0.43m 校核：
700
200
0=
d d => <700
1060
0=
h D =< 700
450
=
d H =
2
.043.002=d h =<3 校核结果表明设计参数全部满足设计要求
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=T 1－T 2(K)=100—（—6）=106(K)
==
=4
7.04122π
πd F 0.385 m 2
3600
385
.010698.8360098.825.125.1⨯⨯=∆=F T q = (kJ/s)
()
()=⨯⨯⨯==3
13
1
20385.045.0327.0403.0403.0qHF
Q (m 3/s)
385.088.0'0-=-=F F F = 0.495m 2
取吸气罩入口速度'V =0.8 m/s
495.08.0113.0''0⨯+=+=F V Q Q =0.509 m 3/s （2）夏季 环境温度为31℃，加酸后槽内温度可达100℃
△T=T 1－T 2(K)=100—31=69(K)
==
=4
7.04122π
πd F 0.385 m 2 =⨯⨯=∆=
3600
385
.06998.8360098.825.125.1F T q (kJ/s) ()
()=⨯⨯⨯==3
13
1
20385.045.0191.0403.0403.0qHF
Q (m 3/s)
385.088.0'0-=-=F F F = 0.495m 2
取吸气罩入口速度'V =0.8 m/s
495.08.0094.0''0⨯+=+=F V Q Q =0.414 m 3/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=(m 3/s) 所以，总设计流量为509.033⨯==Q Q V =(m 3/s) 校核管道中风速：π
π2
202.0509
.044⨯==
d Q V = (m/s),符合要求（10~20 m/s ） 上式中 △T ——温差，K T 1——料槽温度, K T 2——环境温度，K q---热量流量，kJ/s F---污染源断面积，m 2 Q 0---热烟气流量, m 3/s
H---集气罩距污染源的垂直距离，m
Q ——最小吸入风量，m 3/s
'F ——集气罩罩口面积与污染面积之差，m 2
'V ——最小吸入速度，~1.0m/s
''F ——集气罩罩口面积m ²
三、 填料塔的设计
1. 填料塔参数确定
（1） 拟选用陶瓷鲍尔环填料的规格及相关参数 填料类型
工
程直径 D N
/mm 外径×高×厚 d ×h ×
δ/mm
比表面
σ/( m 2
/m
3
)
空隙率
ε/% 个
数
n/m 3
干填料因子
φ/ m -1
陶瓷鲍尔环填料 38
38×38×4
150
13400
356
（2） 计算泛点气速uf
本设计采用5%NaOH 溶液为吸收液,。

废气成分：近似空气，标准状态下酸雾含量为3210mg/m 3 ，温度为60℃。

标准状态下取液气比L/G=3L/ m 3
H 2SO 4的摩尔比用42SO H y 表示 %1001000
984
.2221.3y 42SO H ⨯⨯⨯=
=%
()()1.29%073.029%073.012914242=⨯+-⨯=+-=SO H SO H y M y M M 酸空
T=（273+t ）K=273+60=333K
所以:
333
314.81
.293.101⨯⨯==
RT PM G ρ=1.065 kg/ m 3 Qv=1.527m 3/s=5497.2 m 3/h
1000
32.54971000⨯==
G L
Q Q V
L =16.49 m 3/h 065.12.5497'⨯==G V Q G ρ=5854.52 kg/h 105049.16'⨯==L L Q L ρ=17314.5 kg/h
1050
065
.152.58545.17314''⨯
=L G G L ρρ= 查表得
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛L
G
f g u ρρφϕ2
= 2
.01
125
.0L
G L f u g u φϕρρ=
所以2
63
.0065.11050
10003561050
81.9125.0⨯⨯⨯⨯⨯=
f u =1.98m/s
（3） 计算操作气速
m /s 1.584=1.980.8=u 0.8=u f ⨯
计算塔径，并进行圆整 π
π584.1527
.144⨯==
u
Q D V
T =1.2m
（4） 利用圆整后的塔径重新计算操作气速u
ππ2.54972.136004360042
2⨯⨯=
⨯=V Q D u =1.2m/s
%10098
.12.1⨯=f u u =%,处于f u 的50%~70%内，符合要求 （5） 校核填料直径与塔体直径的比（应小于1/8—1/10）
1200
38=D d =<(1/8—1/10),符合要求 （6） 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(m 2·h)】。

要求L 喷>L 喷min ；
L 喷min =最小润湿率×填料比表面积=h)/(m 12m 1500.0823•=⨯
塔截面积 4
2.1422
ππ==D A =1.13m 2 13
.149
.16=
=
A Q L L 喷=14.59m 3/(m 2·h)> L 喷min,符合要求 2. 填料层高度确定
（1） 计算填料层高度Z
由资料可知：标准状态下，酸雾含量为3210mg/m 3；操作情况下，气相传质数3144/()(101325)Ga k kmol m h atm latm Pa =⋅⋅=
液相传质系数 10.7La k h -= 当地冬季大气压为Ps=734 mmHg=
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45mg/m 3 所以
Y 1= y (H2SO4)= %
%10098
104.22045.03
2⨯⨯⨯=
-Y =% e
Y Y OG Y Y dY
N -=⎰1
2
=%%= 3
.101333273
527.186.97⨯⨯⨯==
n S n V S VN P T T Q P Q =1.209 m 3/s /h m 4352.4 36001.2093=⨯
4
.224.4352= 13
.13
.194==
A Q G VN =h m K GN Z Ga OG 16.6144
29
.49.206=⨯==
所以填料高度为6.16m
（2） 计算填料塔床层压降
由上面计算可得横坐标为：
L
G
G L ρρ''=
查表得纵坐标为：
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛L
G
f g u ρρφϕ2
= 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 ’=150mmH 2O/m 处 由于1mmH 2O/m=
所以填料床层压力降为：80665.9150⨯=1471Pa/m
（3） 计算填料塔压降
则该填料塔得压降为: 94.51417'⨯=⨯∆=∆h P P =
四、 管网设计
⒈ 由前面的计算得到管道流速、设计流量分别是 V=(m/s) Q=0.509 m 3/s 则管径 π
π
15.12509
.044⨯==V Q
D 管=0.23m
圆整后D 管=0.2m 所以 ππ
2
2
2.0509
.044⨯==
管D Q
V =(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
2． 净化系统设备及管道布置简图。

3． 根据各管段的风量和选定的流速，确定最不利路线上各管段的断面尺寸和比摩阻
考虑到除酸器及风管漏风，管段6、7的计算风量为
h
05.12
.5497=5772.06m 3/h
管道水力计算表
4．各管段的局部阻力系数
管段1：
集气罩一个：ζ=；
90°弯头一个（R/D=）, ζ= 合流三通（1-3） 根据F 1+F 2≈F 3 α=30°
018
.1509
.032=Q Q = 2
2
3232300220⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D D F F = 查得 ζ13= =++=
管段2：
集气罩一个：ζ=； 90°弯头一个（R/D=）, ζ= 合流三通（2-3）ζ23=。

=++=
管段3：
圆形合流三通（合流3—5）ζ35= 渐扩管一个 α=30°ζ= =+=
管段4：
集气罩一个：ζ=；
90°弯头一个（R/D=）, ζ= 渐扩管一个 α=30°ζ= 圆形合流三通（合流4-5）ζ45= =+++=
管段5：
90°弯头两个（R/D=）, ζ=
=+= 管段6：
渐扩管一个 α=30°ζ= 90°弯头三个（R/D=）, ζ= 渐缩管一个α=45°ζ= ∑+⨯+=1.0317.08.0ζ= 管段7：
渐扩管一个 α=30°ζ=
伞形风帽一个（排风h/D 0=）ζ=
=+=
5.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。

Kt=((273+20)/(273+t))=((273+20)/(273-6))=
Kp=(P/= =
查得材料制作风管的粗糙度表，薄钢板K=~，取K=
管段1：根据管道水力计算表查得Q=0.509m 3/s,v=16m/s,L=4.75m d=220mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×16)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
=++=
则局部压损： 2
16065.12.022
2
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 1=△P L1+Z=+=
管段2：根据管道水力计算表查得Q=0.509m 3/s,v=16m/s,L=2.25m d=220mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×16)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
=++=
则局部压损： 2
16065.189.0222
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 2=△P L1+Z=+=
管段3：根据管道水力计算表查得Q=1.018m 3/s,v=15m/s,L=1m d=300mm,Rm=m 因此： Kr=(Kv)=×15)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=1*= 各管件局部压损系数为：
=+=
则局部压损： 2
15065.183.022
2
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 3=△P L1+Z=+=
管段4：根据管道水力计算表查得Q=0.509m 3/s,v=16m/s,L=3.75m d=220mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×16)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
=+++（）=
则局部压损： 2
16065.105.122
2
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 4=△P L1+Z=+=
管段5：根据管道水力计算表查得Q=1.527m 3/s,v=14m/s,L=8.15m d=350mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×14)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
=+=
则局部压损： 2
14065.134.0222
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 5=△P L1+Z=+=
管段6：根据管道水力计算表查得Q=1.6035m 3/s,v=12m/s,L=8.00m d=400mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×12)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
1.0317.08.0+⨯+=∑ζ=
则局部压损： 2
12065.141.122
2
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 6=△P L1+Z=+=
管段7：根据管道水力计算表查得Q=1.6035m 3/s,v=12m/s,L=8.00m d=400mm,Rm=m
因此： Kr=(Kv)=×12)=
校正后， Rm=Kt ·Kp ·Kr ·R m =×××=m 则摩擦压力损失为 △P L1=L ·Rm=×= 各管件局部压损系数为：
=+=
则局部压损： 2
12065.195.122
2
⨯⨯==u Z ρς= 则该管段总压损为：△P 7=△P L1+Z=+=
6．对并联管路进行阻力平衡计算： （1）汇合点A △P 1= Pa △P 2=
05
.16426
.11705.164212-=∆∆-∆P P P =% > 10%
为使管段1、2达到阻力平衡，改变管段1的管径，增大其阻力
调整后的阻力：225
.0'111'1⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛∆∆=P P D D =225
.005.16426.117220⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯=204mm
取200mm ，其对应阻力：225
.01
''120022026.117⎪
⎭
⎫
⎝⎛⨯=∆p Pa=
%10%4.81
.17905
.1641.1792''12<=-=∆∆-∆p p p
此时处于平衡状态，故最终1管段的管径取200mm ，其对应阻力为。

（2）汇合点B △P 3= △P 4=
52
.21429
.11152.214434-=∆∆-∆P P P =%>10%
为使管段3、4达到阻力平衡，改变管段3的管径，增大其阻力
调整后的阻力：225
.0'333'
3
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛∆∆=P P D D =225
.052.21429.111300⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯=259mm
取250mm ，其对应阻力：'
'3p ∆=225
.0125030029.111⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯Pa=
%10%5.224
.25052
.21424.250''3
4
''3<=-=
∆∆-∆p p p
此时处于平衡状态，故最终3管段的管径取250mm ，其对应阻力为。

7.计算系统的总阻力
()=+=∆∑Z l R p m ++++++= 五、 动力系统选择 1. 风机的确定：
（1）风机风量'Q=78
.
6637
06
.
5772
15
.1
15
.1=
⨯
=
⨯Q m3/h 式中'Q——风机总风量，m3
Q——系统计算风量，m3
K
1——风量修正系数，k
1
=（2）风机风压
Pr=82
.
1434
68
.
1247
15
.1
15
.1=
⨯
=
∆
⨯P Pa
式中 Pr——系统压降，Pa
△P——系统计算压降Pa
K
2——压降修正系数,K
2
=与风机标定工况计算''P
∆=
'
ρ
ρ
P
∆=
()
273
60
273
68
.
1247+
⨯
= Pa
式中''P
∆——实际工况下系统压降,Pa
ρ——风机标定时的气体密度.Kg/m3
ρ——实际工况下气体密度Kg/m3
3．动力系统的选择
依据进入风机风量'Q和实际工况下系统压强''P
∆，选择型高压离心通风机，当转数n=1450r/min时，Q=7144 m3/h，P=3231Pa,配套电机为Y160L-4，功率=15KW。

六、参考文献
《通风管道设计手册》
《大气污染控制与设备运行》
《9-19、9-26型高压离心通风机说明书》
21。