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
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
Because the discharge of the acid fog can turn into acid
rain .we focus on controlling reducing the discharge of the acid fog and flue gas emission reduction projects deacidification . The paper is based on exhaust gas generated by pickling tank for
example. Designed to handle its exhaust gas purification system, so that the gas is purified to meet emission standards. During the design process, the point is design of packed tower. Packed bed reactor always uses counter-current operation, with good operating flexibility, simple structure, resistant to corrosion, etc., are widely used in purification system of gas with chemical
reaction , which suits for absorbent process of the controlling in liquid film, such an water absorption of chlorine and alkali
sulfuric acid and water absorption to absorb oxygen. it
introduces device materials and we are economic analysis of
device. After selecting, the design of total cost is about 34000 yuan.
Key words: waste gas purification, acid mist, packed tower,
project, picking bath
目录
摘要 ..................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... I I 目录 ................................................................................................................... I II 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 . ............................................................... - 18 -
2.4.1管道布置的原则 . ................................................................ - 18 -
2.4.2 管径的确定 . ....................................................................... - 18 -
2.4.3 风机与电机 . ....................................................................... - 21 -
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 -
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（acid mist），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 m ，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
⑪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。
⑫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]
1.3酸雾的处理方法
⑪ 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。
⑫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1000 mg/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
⑪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。
⑫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℃。
⑬该地区的气象资料
表2.1 气象资料
⑭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 700mm 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。
⑮ 排放污染物的净化系统流程图
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
⑪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。
⑫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。
⑬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。
⑪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d 0（圆形为直径，矩形为
短边）、污染源的特征尺寸d （同上）、排气罩距污染源的垂
直距离H 、排气罩口的特征尺寸D 0（同上）[3]
d 0 /d ＞0.2 1.0＜D 0/d ＜2.0
H /d ＜0.7（影响操作可适当增大）
③伞形罩的顶角易大于或等于90︒，但最大不宜超过120︒。 ⑫设计
由设计资料可知：d =700mm ；
由图2可知：酸洗槽的高度H 1=1000mm
所以 取H =0. 4m ，α=90︒； H ≈0. 57
则排气罩口的特征尺寸
D 0=d +0. 5H =700+0. 5⨯400=900mm [3]
D 0900=≈1. 28700验证 d （符合要求）
D 1F 0=π0=3. 14⨯0. 92⨯=0. 636m 2
44罩下口面积 2
0. F 0=0. 2m 罩下口边高 h 1=
为满足d 0 /d ＞0.2；则取d 0=200mm
d 0=0. 29>0. 2d 验证： （符合要求）
h 2=900-200=350mm =0. 35m 2 集气罩净高
h 20. 35==1. 75
2.2.3排气罩入口风量的设计
⑪温差的确定 ∆T =T 1-T 2 (K)
式中 ∆T —温差，K ；
T 1-料槽温度，K ；
T 2-环境温度，K 。
⑫热量流率的确定
q =8. 98∆T 1. 25F /3600
式中 q -热量流率，kj /s ；
F -污染源断面积，m 2。
⑬热烟气流量的确定
Q 0=0. 403qHF 2()
式中 H -集气罩距污染源的垂直距离，
m 。
⑭最小吸入风量
Q =Q 0+υ'F '
式中 Q —最小吸入风量，m 3/s；
υ'-最小吸入速度，0.5~1.0m/s；
F '-集气罩罩口面积与污染源断面积
之差m 2。
其中 F '=F 0-F
F 0-集气罩罩口面积，m 2。
⑮数据计算
冬季（－6℃）：
-(-6) =10(6K ) 温差 ∆T =100
污染源断面积
D 2
F =π⨯=3. 14⨯0. 25⨯0. 72=0. 385(m 2) 4
1. 25q =8. 98⨯106⨯0. 385/3600=0. 327(kJ /s ) 热量流率
23Q =0. 403⨯(0. 327⨯0. 4⨯0. 385) =0. 108(m /s ) 0热烟气流量
2'F =0. 636-0. 385=0. 251(m ) 罩口面积与污染源断面积之差
3Q =0. 108+1. 0⨯0. 251=0. 359(m /s ) 最小吸入风量
夏季（31℃）
温差 ∆T =100-31=69(K )
D 2
F =π⨯=3. 14⨯0. 25⨯0. 72=0. 38(5m 2) 4污染源断面积
1. 25q =8. 98⨯69⨯0. 385/3600=0. 191(kJ /s ) 热量流率
23Q =0. 403⨯(0. 191⨯0. 4⨯0. 385) =0. 090(m /s ) 0热烟气流
2'F =0. 636-0. 385=0. 251(m ) 罩口面积与污染源断面积之差
3Q =0. 090+1. 0⨯0. 25=10. 34(1m /s ) 最小吸入风量
料槽内加酸后的温度可达到100℃，并取υ'=1. 0(m /s )
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：
v =Q 0=A 0. 359=11. 43(m /s ) 20. 23. 14⨯4 （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]。
⑪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]。
⑫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]。
⑬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。 ⑭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k G a =144kmol /(m 3⋅h ⋅atm )
液相传质系数k La =0. 7h -1
（其中1atm=101325Pa）
推荐气液比为 L /G =2. 5~4L /m 3
反应原理 H 2SO 4+2NaOH =Na 2SO 4+2H 2O 则b =2a
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
⑪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 ）50⨯50⨯4. 5； 23a =93(m /m ) ； 比表面积 33) ； 孔隙率 ε=0. 81(m /m
3ρ=457kg /m 堆积密度 p ； 30/m ) ； 个数 n =600(1
-1φ=205m 填料因子 。
3④取气液比 L /G =3L /m 。
2.3.4 各项数据的计算
⑪泛点气速u f
L W L /M L =G W G /M m
式中 M L -NaOH 的相对分子质量，即水的相对分子
质量，18；
M G -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 W L M ⋅L 18=L =⨯3=1. 86 W G M m ⋅G 29. 051
⎛ρG ρ⎝L ⎫⎪⎪⎭0. 5W 所以得L W G ⎛1. 06⎫=1. 86⨯ ⎪⎝1000⎭0. 5=0. 0606
式中 ρG -在60℃下的干空气密度，1.06kg/m3；
ρL -水的密度，1000kg/m3。
u f φ⎛ρG 查埃克特斯通关联图可知 g ⎝ρL
2⎫0. 2⎪⎪μL =0. 16⎭
吸收液体的粘度可以近似按水的粘度（20℃）
μL =1⨯10-3Pa ∙s
液体密度校正系数 ψ=
2ρ水=1 ρL u f ⨯205⎛1. 06⎫0. 2 所以带入数据 ⎪⨯1=0. 169. 8⎝1000⎭
得 u f =2. 688m /s
⑫操作气速u
u =(0. 6~0. 9)u f
所以取 u =0. 8u f =0. 8⨯2. 688=2. 150m /s
⑬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：
V G =3Q =3⨯0. 359=1. 077m 3/s 填料塔塔径： D =4V G 4⨯1. 077==0. 79(9m ) πu 3. 14⨯2. 150
取圆整 D =0. 8m
⑭利用圆整后的塔径重新计算操作气速u
0. 8=4⨯1. 077 3. 14⨯u
得 u =2. 14(m /s )
⑮校核调料直径与塔体直径之比
d 50111==
⑯填料塔的喷淋密度
对于d ≤75mm 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(L W )min 为0. 08m 3/(m ⋅h ) ；
对于d ≥75mm 的填料(L W )min 取0. 12m 3/(m ⋅h ) 。
喷淋密度L '=L W ⋅a
(L ')min =(L W )min a =0. 08⨯93=7. 44m 3/m 2⋅h ()
2.3.5 填料层高度的确定
⑪ 填料层高度
由设计可知 气相传质系数k G a =144kmol /(m 3⋅h ⋅atm ) 液相传质系数k La =0. 7h -1
当地大气压：
734p ==0. 966(atm ) =0. 966⨯101325=97879. 95pa 760
（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
m 3. 21⨯22. 4⨯10-3=7. 34⨯10-4y 2=y =⨯22. 4=M 98
排出塔的气体中污染物体积含量
y 1=0. 045⨯22. 4⨯10-3=1. 03⨯10-5 98
则入塔气体中污染物的分压
P A 2=P y 2=0. 966⨯0. 000734=0. 000709atm =71. 8Pa
出塔气体中污染物的分压
P A 1=P y 1=0. 966⨯1. 03⨯10-5=0. 99⨯10-5atm =1. 001Pa
吸收液中活性组分的临界浓度
C BK =b k Ga 144p A =2⨯p A =411. 428p A k La 0. 7
填料塔液相进口的临界浓度
C BK 1=411. 428p A =411. 428⨯0. 99⨯10-5=0. 0040(kmol 7/m 3)
填料塔液相出口的临界浓度
C BK 2=41. 142p 8A =41. 142⨯80. 0007=009. 292k m o /m l 3
液相进口处活性组分的浓度
51C B 1=⨯10-3⨯⨯1000=1. 25(kmol /m 3) -340100⨯10
液相总浓度 C T =1000=55. 556kmol /m 3 18()()
由物料平衡式可知（对于瞬间快速反应的吸收过程）
p A -p A 1=Lp (c B 1-c B 2) bGc T
所以可得
-bC T p A 2-p A 1
p C B 2-C B 1()=L G
即 -)=3 2⨯55. 556⨯(0. 000709-0. 0000099
0. 966⨯C B 2-1. 25得 C B 2=1. 223kmol /m 3
C BK 1
则60℃时气体的摩尔体积
由PV =nRT 则有V 1V 2 =T 1T 2
22. 4V = V =27. 32(3L /mol ) 273273+60
气体的摩尔流率：
G =⨯3600=1. 077/27. 323⨯3600=282kmol /(m 2⋅h ) πD 23. 14⨯0. 82/4V G []
液体的摩尔流率：
L =3⨯282=846kmol /m 2⋅h =846⨯18=15228kg /(m 2⋅h )
则实际的喷淋密度 L '=
L h 1522832
(==30. 31m /m . h )22 0. 785D 0. 785⨯1000⨯0. 8
[()]
（符合）
填料塔床层高：
0. 000709dp G P A 2dp A 282A
h =⎰==8. 66m ⎰p P A 1k Ga p A 0. 966⨯1440. 0000099p A
⑫ 填料塔床层压降的计算
u f φ⎛ρG
g ⎝ρL
2
⎫0. 22. 142⨯2051. 060. 2
⎪⨯⨯1=0. 1⎪μL =9. 811000⎭
由于前面的设计中，查埃克特通用关联图知，其横坐标
∆p '
=100⨯9. 81pa /m 为0.06，查埃克特通用关联图可知Z
则填料层床压降：∆p =100⨯9. 81⨯8. 66=84954. 5pa
2.3.6 填料塔附属内件的选择
⑪填料支承装置：扁钢条。
⑫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。
⑬液体再分布器：再分布的距离，
对于拉西环h 0=(2. 5~3) D 则h 0=3⨯0. 8=2. 4mm ⑭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。 ⑮排液装置。
⑯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
⑪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。
⑫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。
⑬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。
⑭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。
⑮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。
⑯水平管道应该设置的有一定坡度，防止积尘等。
⑰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。
⑱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
⑪管径的计算 ：D =
4Q
πv
式中 D -管道直径，m ； Q -体积流量，m 3/s； v -管内流体的平均流速，m/s。 ⑫系统管道布置图（见附图）
D =
对于管3、5、7、10
4⨯0. 359
=0. 2m =200mm
3. 14⨯11. 43
对于管8 D =0. 281m 取D=280mm 矫正的v =11. 67m /s 对于管11D =0. 343m 取D=360mm 矫正的v =10. 6m /s
4为90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 6、9为直角三通 ξ=1. 5
6与8、9与11之间 渐扩管ξ=0. 8 α=30︒
12、14 、16 90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 19、21 、23 90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 ⑬风管的摩擦阻力 ①沿程损失 ∆p m =
λv 2ρ
D ⋅2
l =R m ⋅l
式中l —管道长度m ； D—管道直径，mm ；
3
ρ—废气密度，kg/m；λ—摩擦阻力系数
R m =
λv 2ρ
D ⋅2
即为比摩阻，Pa/m（可查表得）
'
当温度不为20℃ 需要进行修正 则R m =R m ⋅K t
'
式中R m -不同温度下实际的单位长度摩擦阻力，
Pa/m;
R m -按20℃查得的单位长度摩擦阻力，Pa/m； K t -摩擦阻力温度修正系数。查得0.9 2
v ρ
②局部损失∆p =ξ 式中
2
ξ-局部阻力系数
③密度的计算
)+98⨯0. 000734=29. 051 净化前 M m =29⨯(1-0. 000734
ρ=
pMm 13. 6⨯9. 81⨯0. 734⨯29. 051
==1. 028kg /m 3 RT 8. 314⨯273+60净化后 M m =29⨯1-0. 99⨯10-5+98⨯0. 99⨯10-5=29
()
ρ=
pMm 13. 6⨯9. 81⨯0. 734⨯29==1. 16kg 6/m 3
RT 8. 314⨯273+20
系统的总阻力为：∆p =85420Pa
2.4.3 风机与电机
⑪选择风机的注意事项
根据输送气体性质确定风机类型；根据所需风量、风压或选定的风机类型，确定风机的机号；考虑到管道可能漏风，有些阻力计算不够完善，选用风机的风量和风压大于通风系统计算的风量和风压。
⑫风机的选择：风量 Q 0=K Q Q 风压 ∆p o =K p ∆p
式中 Q 0、∆p 0-选择风机用的风量、风压；
Q 、∆p -通风系统计算的风量、风压；
K Q -风量附加安全系数，一般管道取1~1.1，除尘系统取1.1~1.15
K p -风压附加安全系数，一般管道取1.1~1.15，除尘系统取1.15~1.2
则
Q 0=K Q Q =1⨯0. 359⨯3=1. 077m 3/s ∆p o =1. 1⨯85420=93962pa ⑬选用风机型号：
表2.3 风机型号
⑭选择电机应注意的问题：
必须满足生产机械的要求；按技术经济合理原则选择电机的电压、电机类型和结构形式，以保证运行可靠；有适当的备用余量，负荷率一般取0.8~0.9；其结构必须满足使用场所的环境。
⑮所需电机功率 N e =
Q 0∆p 0K
360⨯0100η10η2
式中 Q 0-风机的总风量，m 3/h；
∆p 0-风机的风压，Pa ；
K —电动机备用系数，对于通风机，电动机功率为2~5kw时取1.2；大于5kw 时取1.3；对于引风机取1.3；
η1-通风机分压效率，可从通风机样本中查得，一般为0.5~0.7；
η2-机械传动效率，对于联动传动为1；联轴器直联传动为0.98；三角皮带传动（滚动轴承）为0.95。
N e =
1. 077⨯3600⨯93962⨯1. 2
=173. 5(kW )
3600⨯1000⨯0. 7⨯1
2.4.4 烟囱的选取
由于经过净化装置后的烟气已经达到排放标准，所以选择的烟囱的高度为15m ，其材料为砖块，并在内衬耐酸泥胶[8]。
3经济分析
3.1设备的经济性
设备的经济性是选择设备的综合指标。它不仅要考虑设备的投资费用，其中自制设备包括研究、设计、制造费用等，外购设备则包括购置费、运输费、安装费和试调费，同时还要考察设备在整个寿命期间内的使用费，包括维修费、保险费、能源消耗费等。设备的成套性可以节约投资费用和节省外汇。总费用最少，有能完成规定的任务，这样的设备综合效益好，其经济性最佳[7]。
3.2各设备经济性分析
⑪排气罩的价格
选用玻璃钢集气罩，100元/个。则总价为300元。 ⑫填料塔的价格
采用由美源洁环保科技有限公司的填料塔，为30000元。 根据设计的数据，选择的技术参数如下：
净化塔：Φ800mm ； 过滤方式：逆水洗中和过滤； 外型尺寸：立式（根据场地设计）；材质：工程级PP 。
⑬ 管道的价格
表3.1 各管道价格
注：直管选用的为FRPP 管材，18米/元。总价为596.5元。 ⑭风机与电机
电机为Y90S-4级1.1千瓦电机：320元；风机：2800元 ⑮烟囱：58元/件 ⑯总额
Sum=300+30000+596.5+320+2800=34074.5元
总结
酸雾是酸雨的来源之一，形成酸雨之后，会给人类的生产、生活和活动带来很多危害。会破坏人体的皮肤、粘膜和肺部组织，会酸化土壤，从而造成巨大的经济损失。对于酸雾处理，已经有了酸雾吸收塔或者酸雾吸收剂。
在本设计中设计的净化系统首先是收集废气的集气罩，其次是主体工艺——填料塔，最后就是风机、管道安排和烟囱。 根据厂区的安排，设计了三个集气罩，再将三个集气罩收集的废气聚集到一起集中处理。集气罩选用的是口径为900mm 伞形罩，在污染源上方0.4m 处收集废气。
其次是对净化系统的设计。根据废气的性质，本设计中选择了填料塔作为净化废气的设备，采用5%的NaOH 为吸收液。根据具体的要求和设计指导书，从而选择了陶瓷拉西环作为填料。为了使净化后的气体直接达到排放标准，则所需填料层高度经过计算为8.66m 。最后根据其流量、风量等选择风机和电机。由于设计时，已经考虑到经过填料塔后的气体达到排放标准，所以在此的设计的烟囱高度满足最低要求即可。
该设计中的废气性质很特别，具有腐蚀性，会腐蚀设备和管道，从而在设备的选取上要特别注意，必须要对设备进行防腐的处理，或者选择设备的材料应具有防腐蚀性。经过网上的查询和筛选，最终敲定了FRPP 材质的直管，玻璃钢的集气罩等，总成本为34074.5元。
在设计净化系统中仍然存在着许多问题。由于废气直接从填料塔出来之后，就达到了排放标准，使得填料层高度偏高，这使得成本也会偏高，安装的难度增加，管道的铺设没有那么美观，简洁。
致谢
本论文是在导师李源老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的工作作风是我顺利的完成了我的毕业论文。不仅树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的。在此，向导师宝石崇高的敬意和衷心的感谢！
感谢四年来陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的意见和建议，有了他们的支持、鼓励和陪伴，使我度过了一个充实的大学生活。
酸洗废气系统设计
参考文献
[1] 何强，井文涌，王翊亭．《环境学导论》[M]．清华大学出版社；2004．
[2] 蒋文举．《大气污染控制工程》[M]．高等教育出版社；2006．
[3] 刘天齐．《三废处理工程技术手册：废气卷》[M]．化学工业出版社；1999．
[4] 《大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）》[S]
[5] 牛建刚，牛荻涛，周浩爽．《酸雨的危害及其防治综述》
[J]．灾害学，2008，04期：P1，P3，P4，P5．
[6] 韩容哲．《酸雾处理新途径》[J]．环境工程，1989，05期：P1．
[7]参考文献为网页：设备选择工作执行标准．http://www.chinabaike.com/t/9715/2013/0926/1627949.html．
[8]参考文献为网页：我国大气污染物排放标准对烟囱高度规定．http://wenku.baidu.com/view/585a6c56f01dc281e53af08e.htm．
[9]晏莱，周三平．《现代填料塔技术发展现状与展望》[J]． 化工设备技术，2007，03期：P1．
[10]计建炳，谭天恩．《板式塔的进展》[J]．化工时刊，2000，01期：P1．
[11]六院《塔设计资料》编写组．《填料塔设计（一）》[J]．化学工程．1972．01期：P7．
- 27 -
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
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
Because the discharge of the acid fog can turn into acid
rain .we focus on controlling reducing the discharge of the acid fog and flue gas emission reduction projects deacidification . The paper is based on exhaust gas generated by pickling tank for
example. Designed to handle its exhaust gas purification system, so that the gas is purified to meet emission standards. During the design process, the point is design of packed tower. Packed bed reactor always uses counter-current operation, with good operating flexibility, simple structure, resistant to corrosion, etc., are widely used in purification system of gas with chemical
reaction , which suits for absorbent process of the controlling in liquid film, such an water absorption of chlorine and alkali
sulfuric acid and water absorption to absorb oxygen. it
introduces device materials and we are economic analysis of
device. After selecting, the design of total cost is about 34000 yuan.
Key words: waste gas purification, acid mist, packed tower,
project, picking bath
目录
摘要 ..................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... I I 目录 ................................................................................................................... I II 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 . ............................................................... - 18 -
2.4.1管道布置的原则 . ................................................................ - 18 -
2.4.2 管径的确定 . ....................................................................... - 18 -
2.4.3 风机与电机 . ....................................................................... - 21 -
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 -
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（acid mist），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 m ，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
⑪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。
⑫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]
1.3酸雾的处理方法
⑪ 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。
⑫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1000 mg/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
⑪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。
⑫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℃。
⑬该地区的气象资料
表2.1 气象资料
⑭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 700mm 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。
⑮ 排放污染物的净化系统流程图
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
⑪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。
⑫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。
⑬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。
⑪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d 0（圆形为直径，矩形为
短边）、污染源的特征尺寸d （同上）、排气罩距污染源的垂
直距离H 、排气罩口的特征尺寸D 0（同上）[3]
d 0 /d ＞0.2 1.0＜D 0/d ＜2.0
H /d ＜0.7（影响操作可适当增大）
③伞形罩的顶角易大于或等于90︒，但最大不宜超过120︒。 ⑫设计
由设计资料可知：d =700mm ；
由图2可知：酸洗槽的高度H 1=1000mm
所以 取H =0. 4m ，α=90︒； H ≈0. 57
则排气罩口的特征尺寸
D 0=d +0. 5H =700+0. 5⨯400=900mm [3]
D 0900=≈1. 28700验证 d （符合要求）
D 1F 0=π0=3. 14⨯0. 92⨯=0. 636m 2
44罩下口面积 2
0. F 0=0. 2m 罩下口边高 h 1=
为满足d 0 /d ＞0.2；则取d 0=200mm
d 0=0. 29>0. 2d 验证： （符合要求）
h 2=900-200=350mm =0. 35m 2 集气罩净高
h 20. 35==1. 75
2.2.3排气罩入口风量的设计
⑪温差的确定 ∆T =T 1-T 2 (K)
式中 ∆T —温差，K ；
T 1-料槽温度，K ；
T 2-环境温度，K 。
⑫热量流率的确定
q =8. 98∆T 1. 25F /3600
式中 q -热量流率，kj /s ；
F -污染源断面积，m 2。
⑬热烟气流量的确定
Q 0=0. 403qHF 2()
式中 H -集气罩距污染源的垂直距离，
m 。
⑭最小吸入风量
Q =Q 0+υ'F '
式中 Q —最小吸入风量，m 3/s；
υ'-最小吸入速度，0.5~1.0m/s；
F '-集气罩罩口面积与污染源断面积
之差m 2。
其中 F '=F 0-F
F 0-集气罩罩口面积，m 2。
⑮数据计算
冬季（－6℃）：
-(-6) =10(6K ) 温差 ∆T =100
污染源断面积
D 2
F =π⨯=3. 14⨯0. 25⨯0. 72=0. 385(m 2) 4
1. 25q =8. 98⨯106⨯0. 385/3600=0. 327(kJ /s ) 热量流率
23Q =0. 403⨯(0. 327⨯0. 4⨯0. 385) =0. 108(m /s ) 0热烟气流量
2'F =0. 636-0. 385=0. 251(m ) 罩口面积与污染源断面积之差
3Q =0. 108+1. 0⨯0. 251=0. 359(m /s ) 最小吸入风量
夏季（31℃）
温差 ∆T =100-31=69(K )
D 2
F =π⨯=3. 14⨯0. 25⨯0. 72=0. 38(5m 2) 4污染源断面积
1. 25q =8. 98⨯69⨯0. 385/3600=0. 191(kJ /s ) 热量流率
23Q =0. 403⨯(0. 191⨯0. 4⨯0. 385) =0. 090(m /s ) 0热烟气流
2'F =0. 636-0. 385=0. 251(m ) 罩口面积与污染源断面积之差
3Q =0. 090+1. 0⨯0. 25=10. 34(1m /s ) 最小吸入风量
料槽内加酸后的温度可达到100℃，并取υ'=1. 0(m /s )
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：
v =Q 0=A 0. 359=11. 43(m /s ) 20. 23. 14⨯4 （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]。
⑪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]。
⑫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]。
⑬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。 ⑭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k G a =144kmol /(m 3⋅h ⋅atm )
液相传质系数k La =0. 7h -1
（其中1atm=101325Pa）
推荐气液比为 L /G =2. 5~4L /m 3
反应原理 H 2SO 4+2NaOH =Na 2SO 4+2H 2O 则b =2a
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
⑪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 ）50⨯50⨯4. 5； 23a =93(m /m ) ； 比表面积 33) ； 孔隙率 ε=0. 81(m /m
3ρ=457kg /m 堆积密度 p ； 30/m ) ； 个数 n =600(1
-1φ=205m 填料因子 。
3④取气液比 L /G =3L /m 。
2.3.4 各项数据的计算
⑪泛点气速u f
L W L /M L =G W G /M m
式中 M L -NaOH 的相对分子质量，即水的相对分子
质量，18；
M G -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 W L M ⋅L 18=L =⨯3=1. 86 W G M m ⋅G 29. 051
⎛ρG ρ⎝L ⎫⎪⎪⎭0. 5W 所以得L W G ⎛1. 06⎫=1. 86⨯ ⎪⎝1000⎭0. 5=0. 0606
式中 ρG -在60℃下的干空气密度，1.06kg/m3；
ρL -水的密度，1000kg/m3。
u f φ⎛ρG 查埃克特斯通关联图可知 g ⎝ρL
2⎫0. 2⎪⎪μL =0. 16⎭
吸收液体的粘度可以近似按水的粘度（20℃）
μL =1⨯10-3Pa ∙s
液体密度校正系数 ψ=
2ρ水=1 ρL u f ⨯205⎛1. 06⎫0. 2 所以带入数据 ⎪⨯1=0. 169. 8⎝1000⎭
得 u f =2. 688m /s
⑫操作气速u
u =(0. 6~0. 9)u f
所以取 u =0. 8u f =0. 8⨯2. 688=2. 150m /s
⑬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：
V G =3Q =3⨯0. 359=1. 077m 3/s 填料塔塔径： D =4V G 4⨯1. 077==0. 79(9m ) πu 3. 14⨯2. 150
取圆整 D =0. 8m
⑭利用圆整后的塔径重新计算操作气速u
0. 8=4⨯1. 077 3. 14⨯u
得 u =2. 14(m /s )
⑮校核调料直径与塔体直径之比
d 50111==
⑯填料塔的喷淋密度
对于d ≤75mm 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(L W )min 为0. 08m 3/(m ⋅h ) ；
对于d ≥75mm 的填料(L W )min 取0. 12m 3/(m ⋅h ) 。
喷淋密度L '=L W ⋅a
(L ')min =(L W )min a =0. 08⨯93=7. 44m 3/m 2⋅h ()
2.3.5 填料层高度的确定
⑪ 填料层高度
由设计可知 气相传质系数k G a =144kmol /(m 3⋅h ⋅atm ) 液相传质系数k La =0. 7h -1
当地大气压：
734p ==0. 966(atm ) =0. 966⨯101325=97879. 95pa 760
（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
m 3. 21⨯22. 4⨯10-3=7. 34⨯10-4y 2=y =⨯22. 4=M 98
排出塔的气体中污染物体积含量
y 1=0. 045⨯22. 4⨯10-3=1. 03⨯10-5 98
则入塔气体中污染物的分压
P A 2=P y 2=0. 966⨯0. 000734=0. 000709atm =71. 8Pa
出塔气体中污染物的分压
P A 1=P y 1=0. 966⨯1. 03⨯10-5=0. 99⨯10-5atm =1. 001Pa
吸收液中活性组分的临界浓度
C BK =b k Ga 144p A =2⨯p A =411. 428p A k La 0. 7
填料塔液相进口的临界浓度
C BK 1=411. 428p A =411. 428⨯0. 99⨯10-5=0. 0040(kmol 7/m 3)
填料塔液相出口的临界浓度
C BK 2=41. 142p 8A =41. 142⨯80. 0007=009. 292k m o /m l 3
液相进口处活性组分的浓度
51C B 1=⨯10-3⨯⨯1000=1. 25(kmol /m 3) -340100⨯10
液相总浓度 C T =1000=55. 556kmol /m 3 18()()
由物料平衡式可知（对于瞬间快速反应的吸收过程）
p A -p A 1=Lp (c B 1-c B 2) bGc T
所以可得
-bC T p A 2-p A 1
p C B 2-C B 1()=L G
即 -)=3 2⨯55. 556⨯(0. 000709-0. 0000099
0. 966⨯C B 2-1. 25得 C B 2=1. 223kmol /m 3
C BK 1
则60℃时气体的摩尔体积
由PV =nRT 则有V 1V 2 =T 1T 2
22. 4V = V =27. 32(3L /mol ) 273273+60
气体的摩尔流率：
G =⨯3600=1. 077/27. 323⨯3600=282kmol /(m 2⋅h ) πD 23. 14⨯0. 82/4V G []
液体的摩尔流率：
L =3⨯282=846kmol /m 2⋅h =846⨯18=15228kg /(m 2⋅h )
则实际的喷淋密度 L '=
L h 1522832
(==30. 31m /m . h )22 0. 785D 0. 785⨯1000⨯0. 8
[()]
（符合）
填料塔床层高：
0. 000709dp G P A 2dp A 282A
h =⎰==8. 66m ⎰p P A 1k Ga p A 0. 966⨯1440. 0000099p A
⑫ 填料塔床层压降的计算
u f φ⎛ρG
g ⎝ρL
2
⎫0. 22. 142⨯2051. 060. 2
⎪⨯⨯1=0. 1⎪μL =9. 811000⎭
由于前面的设计中，查埃克特通用关联图知，其横坐标
∆p '
=100⨯9. 81pa /m 为0.06，查埃克特通用关联图可知Z
则填料层床压降：∆p =100⨯9. 81⨯8. 66=84954. 5pa
2.3.6 填料塔附属内件的选择
⑪填料支承装置：扁钢条。
⑫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。
⑬液体再分布器：再分布的距离，
对于拉西环h 0=(2. 5~3) D 则h 0=3⨯0. 8=2. 4mm ⑭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。 ⑮排液装置。
⑯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
⑪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。
⑫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。
⑬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。
⑭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。
⑮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。
⑯水平管道应该设置的有一定坡度，防止积尘等。
⑰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。
⑱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
⑪管径的计算 ：D =
4Q
πv
式中 D -管道直径，m ； Q -体积流量，m 3/s； v -管内流体的平均流速，m/s。 ⑫系统管道布置图（见附图）
D =
对于管3、5、7、10
4⨯0. 359
=0. 2m =200mm
3. 14⨯11. 43
对于管8 D =0. 281m 取D=280mm 矫正的v =11. 67m /s 对于管11D =0. 343m 取D=360mm 矫正的v =10. 6m /s
4为90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 6、9为直角三通 ξ=1. 5
6与8、9与11之间 渐扩管ξ=0. 8 α=30︒
12、14 、16 90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 19、21 、23 90°圆形弯头 ξ=0. 24 五中节二端节 ⑬风管的摩擦阻力 ①沿程损失 ∆p m =
λv 2ρ
D ⋅2
l =R m ⋅l
式中l —管道长度m ； D—管道直径，mm ；
3
ρ—废气密度，kg/m；λ—摩擦阻力系数
R m =
λv 2ρ
D ⋅2
即为比摩阻，Pa/m（可查表得）
'
当温度不为20℃ 需要进行修正 则R m =R m ⋅K t
'
式中R m -不同温度下实际的单位长度摩擦阻力，
Pa/m;
R m -按20℃查得的单位长度摩擦阻力，Pa/m； K t -摩擦阻力温度修正系数。查得0.9 2
v ρ
②局部损失∆p =ξ 式中
2
ξ-局部阻力系数
③密度的计算
)+98⨯0. 000734=29. 051 净化前 M m =29⨯(1-0. 000734
ρ=
pMm 13. 6⨯9. 81⨯0. 734⨯29. 051
==1. 028kg /m 3 RT 8. 314⨯273+60净化后 M m =29⨯1-0. 99⨯10-5+98⨯0. 99⨯10-5=29
()
ρ=
pMm 13. 6⨯9. 81⨯0. 734⨯29==1. 16kg 6/m 3
RT 8. 314⨯273+20
系统的总阻力为：∆p =85420Pa
2.4.3 风机与电机
⑪选择风机的注意事项
根据输送气体性质确定风机类型；根据所需风量、风压或选定的风机类型，确定风机的机号；考虑到管道可能漏风，有些阻力计算不够完善，选用风机的风量和风压大于通风系统计算的风量和风压。
⑫风机的选择：风量 Q 0=K Q Q 风压 ∆p o =K p ∆p
式中 Q 0、∆p 0-选择风机用的风量、风压；
Q 、∆p -通风系统计算的风量、风压；
K Q -风量附加安全系数，一般管道取1~1.1，除尘系统取1.1~1.15
K p -风压附加安全系数，一般管道取1.1~1.15，除尘系统取1.15~1.2
则
Q 0=K Q Q =1⨯0. 359⨯3=1. 077m 3/s ∆p o =1. 1⨯85420=93962pa ⑬选用风机型号：
表2.3 风机型号
⑭选择电机应注意的问题：
必须满足生产机械的要求；按技术经济合理原则选择电机的电压、电机类型和结构形式，以保证运行可靠；有适当的备用余量，负荷率一般取0.8~0.9；其结构必须满足使用场所的环境。
⑮所需电机功率 N e =
Q 0∆p 0K
360⨯0100η10η2
式中 Q 0-风机的总风量，m 3/h；
∆p 0-风机的风压，Pa ；
K —电动机备用系数，对于通风机，电动机功率为2~5kw时取1.2；大于5kw 时取1.3；对于引风机取1.3；
η1-通风机分压效率，可从通风机样本中查得，一般为0.5~0.7；
η2-机械传动效率，对于联动传动为1；联轴器直联传动为0.98；三角皮带传动（滚动轴承）为0.95。
N e =
1. 077⨯3600⨯93962⨯1. 2
=173. 5(kW )
3600⨯1000⨯0. 7⨯1
2.4.4 烟囱的选取
由于经过净化装置后的烟气已经达到排放标准，所以选择的烟囱的高度为15m ，其材料为砖块，并在内衬耐酸泥胶[8]。
3经济分析
3.1设备的经济性
设备的经济性是选择设备的综合指标。它不仅要考虑设备的投资费用，其中自制设备包括研究、设计、制造费用等，外购设备则包括购置费、运输费、安装费和试调费，同时还要考察设备在整个寿命期间内的使用费，包括维修费、保险费、能源消耗费等。设备的成套性可以节约投资费用和节省外汇。总费用最少，有能完成规定的任务，这样的设备综合效益好，其经济性最佳[7]。
3.2各设备经济性分析
⑪排气罩的价格
选用玻璃钢集气罩，100元/个。则总价为300元。 ⑫填料塔的价格
采用由美源洁环保科技有限公司的填料塔，为30000元。 根据设计的数据，选择的技术参数如下：
净化塔：Φ800mm ； 过滤方式：逆水洗中和过滤； 外型尺寸：立式（根据场地设计）；材质：工程级PP 。
⑬ 管道的价格
表3.1 各管道价格
注：直管选用的为FRPP 管材，18米/元。总价为596.5元。 ⑭风机与电机
电机为Y90S-4级1.1千瓦电机：320元；风机：2800元 ⑮烟囱：58元/件 ⑯总额
Sum=300+30000+596.5+320+2800=34074.5元
总结
酸雾是酸雨的来源之一，形成酸雨之后，会给人类的生产、生活和活动带来很多危害。会破坏人体的皮肤、粘膜和肺部组织，会酸化土壤，从而造成巨大的经济损失。对于酸雾处理，已经有了酸雾吸收塔或者酸雾吸收剂。
在本设计中设计的净化系统首先是收集废气的集气罩，其次是主体工艺——填料塔，最后就是风机、管道安排和烟囱。 根据厂区的安排，设计了三个集气罩，再将三个集气罩收集的废气聚集到一起集中处理。集气罩选用的是口径为900mm 伞形罩，在污染源上方0.4m 处收集废气。
其次是对净化系统的设计。根据废气的性质，本设计中选择了填料塔作为净化废气的设备，采用5%的NaOH 为吸收液。根据具体的要求和设计指导书，从而选择了陶瓷拉西环作为填料。为了使净化后的气体直接达到排放标准，则所需填料层高度经过计算为8.66m 。最后根据其流量、风量等选择风机和电机。由于设计时，已经考虑到经过填料塔后的气体达到排放标准，所以在此的设计的烟囱高度满足最低要求即可。
该设计中的废气性质很特别，具有腐蚀性，会腐蚀设备和管道，从而在设备的选取上要特别注意，必须要对设备进行防腐的处理，或者选择设备的材料应具有防腐蚀性。经过网上的查询和筛选，最终敲定了FRPP 材质的直管，玻璃钢的集气罩等，总成本为34074.5元。
在设计净化系统中仍然存在着许多问题。由于废气直接从填料塔出来之后，就达到了排放标准，使得填料层高度偏高，这使得成本也会偏高，安装的难度增加，管道的铺设没有那么美观，简洁。
致谢
本论文是在导师李源老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的工作作风是我顺利的完成了我的毕业论文。不仅树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的。在此，向导师宝石崇高的敬意和衷心的感谢！
感谢四年来陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的意见和建议，有了他们的支持、鼓励和陪伴，使我度过了一个充实的大学生活。
酸洗废气系统设计
参考文献
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[2] 蒋文举．《大气污染控制工程》[M]．高等教育出版社；2006．
[3] 刘天齐．《三废处理工程技术手册：废气卷》[M]．化学工业出版社；1999．
[4] 《大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）》[S]
[5] 牛建刚，牛荻涛，周浩爽．《酸雨的危害及其防治综述》
[J]．灾害学，2008，04期：P1，P3，P4，P5．
[6] 韩容哲．《酸雾处理新途径》[J]．环境工程，1989，05期：P1．
[7]参考文献为网页：设备选择工作执行标准．http://www.chinabaike.com/t/9715/2013/0926/1627949.html．
[8]参考文献为网页：我国大气污染物排放标准对烟囱高度规定．http://wenku.baidu.com/view/585a6c56f01dc281e53af08e.htm．
[9]晏莱，周三平．《现代填料塔技术发展现状与展望》[J]． 化工设备技术，2007，03期：P1．
[10]计建炳，谭天恩．《板式塔的进展》[J]．化工时刊，2000，01期：P1．
[11]六院《塔设计资料》编写组．《填料塔设计（一）》[J]．化学工程．1972．01期：P7．
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