摘 要

某化工厂在生产过程中，需要添加浓硫酸酸洗进行处理。加酸时，大量的有毒硫酸雾产生，并挥发进入工作车间，工人的身体健康收到严重的威胁。现设计酸雾处理装置，以改善车间环境，保证工人的健康，使排放的废气达到国家标准。

化学吸收法是将废气中的气态污染物同液体进行充分的接触，使气态污染物由气相转入液相，从而净化气体的一种方法。其中碱液吸收法更加适合本次设计。这种方法的优点包括压降较低；耐腐蚀；传质效率高等，并且由于其构筑物采用吸收塔设计，后期可以通过加减塔板数量来改变传质效率，灵活性较强。碱液吸收法采用5%NaOH溶液在填料塔中吸收净化酸雾，这是一种酸碱中和吸收方法。反应式为：

SO₂ 2NaOH→NaSO₃ H₂O

本设计通过对集气罩、填料塔等构筑物的设计计算，以及对管网布置和阻力的计算，完成了对化工厂酸洗硫酸烟雾的处理并实现了废气的清洁排放。已知化工厂初始废气酸雾含量为6000 mg/m³，通过处理，酸雾含量被净化到低于国家标准，可以正常排放。

关键词：硫酸烟雾；净化；碱液吸收；工艺设计

Abstract

A chemical plant in the production process, the need to add concentrated sulfuric acid pickling for treatment. Adding acid, there is a large number of steam, acid mist and harmful gas generation, the workshop environment and workers health caused serious harm. Acid Mist Treatment device is designed to improve the workshop environment, to ensure the health of workers, so that emissions to meet national standards.

The chemical absorption method is a method of making full contact of gaseous pollutant in exhaust gas with liquid, so that gaseous pollutant can be transferred from gas phase to liquid phase to purify gas. The method of alkali absorption is more suitable for this design. The advantages of this method include low pressure drop, corrosion resistance, high mass transfer efficiency, and because of the design of absorber tower, the latter can change the mass transfer efficiency by adding and reducing the number of trays, and the flexibility is stronger. The alkali absorption method adopts 5%naoh solution to absorb the acid mist in the packed column, which is a method of acid-base neutralization and absorption. The reaction is:

SO₂ 2NaOH→NaSO₃ H₂O

This design through the design and calculation of the gas collector, packing tower and so on, and the calculation of the pipe network layout and the resistance, complete the treatment of the acid pickling fume of chemical plant and realize the clean discharge of the waste gas. It is known that the initial waste gas acid mist content of chemical plant is 6000 mg/m³, through treatment, acid mist content is purified to below national standard, can discharge normally.

Keywords: sulfuric acid smog; Purification; Alkali absorption; Process design

目 录

第1章 绪论 - 1 -

1.1 项目背景 - 1 -

1.2 设计目的和意义 - 1 -

第2章 酸洗硫酸雾净化装置设计 - 2 -

2.1基础资料 - 2 -

2.2 工艺原理 - 2 -

2.3设计方案的比较和确定 - 2 -

2.4 处理单元的设计计算 - 3 -

2.4.1集气罩的设计计算 - 3 -

2.4.2集气罩入风口的计算 - 5 -

2.4.3填料塔的设计 - 6 -

2.4.4填料塔有关附件的选择 - 12 -

2.4.5加料搅拌池和储液池的设计计算 - 13 -

2.4.6液池的设计计算 - 14 -

2.4.7水泵的选取 - 15 -

2.4.8管网的设计及系统阻力计算 - 15 -

2.4.9 系统阻力计算 - 17 -

2.4.10 节点压力平衡计算 - 20 -

2.4.11 总压力损失 - 21 -

2.4.12烟囱设计高度 - 23 -

总结 - 26 -

参考文献 - 27 -

致谢 - 28 -

第1章 绪论

化工厂利用酸溶液去除钢铁表面上的氧化皮和锈蚀物的方法称为酸洗。是清洁金属表面的一种方法。通常与预膜一起进行。

在工业酸洗的过程中，通过利用酸的腐蚀性来清洗金属表面的氧化物，工厂可以得到相对纯净的金属产品。酸洗常用的酸既包括硫酸、磷酸等无机酸，也包括柠檬酸等有机酸。酸性物质不仅可以溶解金属表面的氧化膜，许多酸对于金属设备本身也具有一定的腐蚀作用，从而导致设备的快速老化。酸与金属反应生成的氢气同样会对金属设备造成不同程度的损伤，严重时甚至会威胁工人的健康^[1]。酸洗中排放出的酸雾是雾状的酸性小液滴，更容易被吸入，并危害健康。于是，对于化工厂酸洗硫酸烟雾的处理很有必要。

1.1 项目背景

从烟雾处理的国际形势来看，国外不管从技术上还是应用上都比较先进。不论是硫化物，氮氧化物，还是有毒有害物质的排放浓度都可以保持一个较低的标准。其根本原因在于国外对污染源头的监管和治理非常完善，使得污染可以被合理控制。

而放眼国内，原料质量良莠不齐，无法有效的从源头控制污染。不过在后期的尾气处理过程中，我国对于硫化物的处理比较成熟。硫酸酸雾治理是控制大气硫化物污染的一个重要部分，硫酸酸雾造成酸污染会引起酸雨等自然灾害，严重影响人们生活。我国在早年曾经有过酸雨和化工厂酸中毒的事件发生，近年来，随着化工业的蓬勃发展，酸雾治理也是刻不容缓。

1.2 设计目的和意义

酸雾的排放可以导致大气酸化，大气酸化中酸雾的贡献仅次于化石燃料燃烧。酸雾腐蚀性强、毒性大。相同浓度的硫酸雾的毒性甚至比SO₂高出十倍之多^[2]。

公共场所中的酸雾排放会严重危害工人的身体健康，溢入大气环境又可以导致严重的酸沉降。工厂中酸雾外溢会腐蚀厂区的各种设备和仪器。酸雾对人们生活的危害是巨大的，对于化工厂酸雾的治理是有意义并且有必要的，不仅仅是为了减少设备损耗以降低工厂的经济损失，更是为了保护我们身边的环境，真正的实现绿色、无害的工业生产。

第2章 酸洗硫酸雾净化装置设计

2.1基础资料

某化工厂在生产过程中，需要添加浓硫酸酸洗进行处理。加酸时，大量的有毒硫酸雾产生，并挥发进入工作车间，工人的身体健康收到严重的威胁。现设计酸雾处理装置，以改善车间环境，保证工人的健康，使排放的废气达到国家标准。

标准状态下酸雾含量为6000mg/m³，温度为80℃。废气组成类似于空气，密度大于空气，酸雾颗粒小于水雾颗粒。

2.2 工艺原理

酸雾是指一种雾态的酸性物质，硫酸雾、磷酸雾、铬酸雾都是比较常见的酸雾类型。其中，工业酸洗和稀硫酸浓缩过程中产生主要硫酸雾；磷酸生产过程中主要产生磷酸雾，而电镀镀铬则是铬酸雾的主要来源。同时二氧化硫等硫氧化物和其他酸性物质在有水雾、飘尘存在时也生成酸雾。酸雾的危害性极大，对人体健康、植物、器物和材料及大气能见度皆有重要影响，而且它的影响比二氧化硫更严重^[3]。

治理酸雾可采用丝网过滤法、水溶液吸收法、碱液吸收法等，本次设计采用碱液吸收法，通过使气体通过 5%NaOH吸收塔达到净化酸雾的目的，这是一种酸碱中和吸收方法。反应式为：

SO₂ 2NaOH→NaSO₃ H₂O

2.3设计方案的比较和确定

不同酸雾的组成成分不同，性质也有所不同，针对其使用的净化方法也不同。其中，物理净化法和化学净化法在实际应用中被普遍使用。离心法、吸附-解吸法、过滤法是较为常见的物理净化法；而催化法、中和法、氯化法、燃烧法是较常见的化学净化法。以下列出了几种不同的酸雾的净化方法。

2.3.1除雾器

在酸雾治理工程中，除雾器是一种合适并常见的处理方法。常用除雾设备分为折流式、文丘里、离心式除雾器。不同的情况下选择的除雾器有所不同，一般酸雾类型的不同，以及实际情况的不同，会根据实际情况选择不同类型的除雾器。

丝网除雾器是靠细丝编织的，气体流过丝网达到过滤除雾作用，分离效率可以达到90％，并且由于其结构简单，购买方便所以应用广泛。但是由于其结构特点决定了这种除雾器无法应对固体杂质含量高的废气。设备堵塞是丝网除雾器的一个重要缺点，也是设备老化和更换的主要原因。折流式除雾器的折流板包括两块折流板，它们是构成一个通道的壁，在通道的每个拐弯处装有一个贮器，收集并排出液体^[4]。气体中的小液滴随着气流方向改变，离心力将液滴打在通道壁上。通道壁上的液滴逐渐聚集成液膜，在气流下进入贮器，从而达到气液分离的目的。

离心式除雾器是一个螺旋结构的设备。气体从外端进入，沿着螺旋管道向中心聚集，在流动的过程中，气体流速逐渐增加。在设备中心，流速达到最大，在巨大的离心力作用下，设备对气体喷水，吸附气体中的细小液滴，并使聚集到一定程度的大液珠打在设备壁上，再由气流作用下带离设备。离心式除雾器相对其他类型除雾器，几乎不会造成设备堵塞，简单的结构也是它的一个重要优势。在颗粒杂质多的酸雾废气中，离心式除雾器是一个十分不错的选择。

2.3.2液体吸收法

液体吸收法，是一种通过选用吸收液来吸收废气中的污染物的净化方法。在液体吸收法中，气态污染物被吸收液吸收，由气相转入液相，最终通过废液的排出达到净化气体的目的。比较普遍的吸收液就是水或者碱液。吸收液的选用会直接影响气体净化的效率。对于水来说，其优势在于成本较低。但对所吸收的废气有一定要求。水溶液吸收需要废气中的污染物在低蒸气压下对于水溶液溶解度足够大，也要求粘度低、冰点低，以免吸收液在塔内凝固而造成损失^[5]。

理想吸收液的选择是一个复杂的过程，找到一种绝对理想的吸收液是十分困难，在实际操作中吸收液的选择需要按照实际情况来确定。本次设计选用5%NaOH溶液的碱液吸收法。这种方法吸收净化硫酸烟雾，与水溶液吸收法相比，由于硫酸雾在碱液中溶解度较大，所以选用碱液吸收法效果较好。但是这种方法成本相对较高。 这是碱液吸收的特点。吸收塔作为吸收法的主要构筑物，优缺点如下

其优点有：①去除有害气体的同时去除颗粒物；②如果想提高传质效率，只需增加填料高度或增加板块数量，不需另加设备；③可达到较高的传质效率；④设备占地少，投资低；⑤压降低；⑥可用于玻璃纤维塑料制作，耐腐蚀。

缺点有：①可能形成水污染：②净化后的气体中有大量的液滴需收集处理；③维护费用高等^[6]。

2.4 处理单元的设计计算

2.4.1集气罩的设计计算

（1）集气罩结构形式的确定

浓硫酸酸洗过程中，可以将废气加热到一个十分高的温度，由于污染源是热源，废气温度高于室温，所以集气罩设计成上部吸收。

（2）确定基本参数

图2-1集气罩的结构图

由材料知污染源的特征尺寸d=900mm，取d₀=250mm。

污染源的横断面积为

热源上方集气罩设计为低悬罩。低悬罩相对高悬罩可以有效减少气体流失，从而减少有害气体对于车间的污染。并且，低悬罩相对更加经济，更适合本次设计。 时为高悬罩， 时为低悬罩，。设计为低悬罩，取H=500mm。

集气罩罩口直径：

下口面积：

取顶端口900

集气罩高度：

集气罩喇叭高度为：

验算：

验算结果符合条件，所取数据可行。

2.4.2集气罩入风口计算

集气罩负责接收初始废气，其接收流量等于气体源排出流量和诱导气流的总和。诱导气流流量的确定由经验系数决定^[7]。热射流高度时，近似认为热射流的横断面积和流量不变，热射流烟气流量计算公式：

（2-1）

式中，Q₀为热射流烟气流量，单位为m³/s；A是污染源水平面断面投影面积，单位为m²；H是罩口与热源平面垂直距离，单位为m；q是热量流率kJ/s。

热量流率计算公式：

（2-2）

式中，△T为废气空气的温差，℃。

排风量计算公式：

。 （2-3）

式中， F^’为污染源横断面积与下口面积的差；V^’为集气罩的最小吸入速度，取0.7m/s；Q₀为热烟气流量，m³/s。

通过观察上式可知，影响集气罩排风量的因素包括酸雾废气和室温的温差。由于室温随季节周期性变化，需要评估室温对集气罩排风量的影响。如基础资料中所列举的，车间夏季室温39℃，冬季为5℃。冬季与夏季温差很大，对排风量影响较大，必须分别进行计算，计算过程如下：

1. 冬季：温差△T=75℃

代入得：

1. 夏季：温差△T=41℃

很明显，在下面计算中只需要以为排风量即可，于是。

检验过程如下：

通过公式来计算流速，已知在风管中，流速需要被保持在10至20m/s。

冬季：

夏季：

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