生物滴滤塔毕业设计Word文档格式.docx
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逆流传质效果好,但是气体压力损失较大容易造成液泛;
横流运行稳定性好,但是气液垂直分布的方式缩短了气相的停留时间。
2.2.5填料塔的运行条件
主要从塔内环境状况、喷淋液性质、进气条件3个方面分析:
(1)环境状况
包括塔内温度、湿度、pH,这三个变量既由进气与喷淋液的性质控制,又与微生物的代谢活动影响密不可分。
因此对它们的分析以后两方面的解析为主。
(2)喷淋液性质
包括喷淋液成分、水温、流量、喷淋时间和喷淋方式。
(3)进气条件
主要有气体湿度、有机物浓度、空塔气速、停留时间和有机负荷等。
2.3主要研究内容
2.4生物滴滤塔处理甲苯
2.4.1研究处理甲苯气体的意义
甲苯既是目前生物法净气领域着重研究的对象,也是VOCs的一种,给其它种类有机气体的去除方法研究提供了很好的参考。
2.4.2甲苯气体的特性
表2.2我国相关环境标准
标准名称
工业企业设计卫生标准
(TJ36-79)
大气污染物综合排放标准
(GB16297-1996)
内容
车间空气中甲苯的最高容
许浓度100mg/m3
项目
二级要求
三级要求
浓度mg/m3
40
60
最高允许排放速率
(kg/h)
3.6~36
5.5~54
无组织排放监控浓
度限值mg/m3
0.3
2.4.3相关实验结论
(1)菌种的选择有文献资料记载,一般去除甲苯以细菌和真菌为主,其中以下列菌种为最优:
恶
臭假单胞菌,不动杆菌,门多萨假单胞菌,滕黄微球菌,杰氏棒杆菌[12]。
本组进行了菌种的甲苯驯化实验,在通过显微镜观察个体形态时发现,真菌在甲苯驯化过程中全部被筛除,只有细菌保留了下来,这可能与提取的真菌菌种有关。
(2)其它条件的实验摘录
见表2.3
表2.3本文摘录的部分实验资料
实验员及对应文献序号
处理气体
填料
液气比
(L/m3)
反应时间
(S)
表观气速
(m/s)
负荷
(g/m3·
h)
相应浓度(mg/m3)
效率(%)
李清雪
[16]
甲苯
鲍尔环阶梯环
117
0.006
31
1000
87
刘永慧
[10]
堆肥火山灰
28
50
400
100
羌宁[19]
纤维活
性炭
1.4
17
0.06
63.2
300
97.5
续表2.3
实验温度
(℃)
备注
20-30
该实验变量为气相浓度,当其为
400g/m3时,负荷为13g/m3·
h,效率为100%
—
该实验变量为气相浓度,并证明此浓度为最佳运行情况
27-30
该实验变量为液气比,作者指出当液气比过高和过低时均会降低塔的处理能力
从上述三个实验中可以初步得出生物滴滤塔处理能力的参数,如温度宜取为
27-30℃;
最佳气体浓度为400mg/m3;
最佳液气比为1.4L/m3;
填料负荷约为50g/m3·
h;
停留时间不小于28s;
空塔气速在0.01-0.06之间。
值得说明的是,大部分实验的表观气速均在0.01—0.08m/s之间,鉴于实际工程中气体流量大,塔径有限,应根据实际情况选择合适的表观气速。
3生物滴滤塔的设计计算
3.1废气基本条件的确定
本次设计采用某印刷厂的排放工况,具体数据如下所示:
表3.1印刷厂甲苯排放参量
地点
甲苯产量
年工作日
日工作时间
甲苯浓度
成品车间
19t/a
250d
8h
760mg/m3
则排放速率
1910001000
9500g/h,
2508
车间空气量
9500g/h3
312500m;
0.76g/m3
(1)实验结果显示,生物滴滤塔在进气浓度为400mg/m3,停留时间30s时达到最大负荷50g/(m3·
h),因此总空气量
Q总323750m3/h,
0.4g/m3
需额外补充空气量=23750-12500=11250m3/h
(2)空塔气速的选择
总结各篇文献中所作实验发现,污染物的表观气速均在0.01—0.06m/s范围内,可见实际工程中的空塔气速也应取较小值,在气体流量较大的情况下,可以直接从0.06m/s开始取。
填料塔的气速选取一般以液泛气速为准,但是本文计算得到的液泛气速为10m/s,该值的使用意义不大。
本文空塔气速的选择方法是,先假定某一值作为空塔气速,由总气体流量、停留时间计算出理论塔径与填料层高度,比较两者大小使塔外观合理。
在本文的前提条件下,经过反复计算确定空塔气速为0.12m/s,停留时间40s。
3.2滴滤塔主体结构的计算及选型
3.2.1气体净化系统流程
从印刷车间排出的废气先与空气泵挤入的空气在管道混合器中混匀,通入装有清水的洗气池进行洗涤,去除气体中夹杂的固体颗粒并得到润湿,随后从底部进入生物滴滤塔发生生物净化过程;
喷淋管从顶端喷洒营养液,供给微生物代谢所需其它养分,多余的液体经塔底流出,由管道过滤器处理后回流至喷淋液池。
本文设计出的完整工艺流程如下图:
3.2.2生物滴滤塔设计
1)运行条件
进气浓度c=400mg/m3
进气量Q总=23750m3/h=6.6m3/s
停留时间t=40s
空塔气速v=0.12m/s
最大有机负荷ρ=50g/(m3·
h)
最佳液气比L/G=1.4L/m3
2)塔径的求解
生物滴滤塔可视为化学填料塔的一种形式,本文设计时部分计算方法和公式参考了填料塔的设计内容。
填料高h=0.12x40=4.8m,取5m,对于直径在2.5m以上的塔来说,由于h小于6m,
因此填料不用分层。
由空塔气速得到塔径
0.12
4
由于D过大,因此将滴滤塔设置为4个,则D=8.40/4=4.20m,查塔径标准(1m以上间隔200mm可)知塔直径为4200mm。
此时有机负荷为
33
400mg/m36.6m23/s3600s/434.3g/(m3/h),未超过最大负荷值(2.1m)25m
3)滴滤塔零件的选用
1进气管设计
工业输气管道运送物质与适宜气体流速关系如下表
表3.2输气管道内最低气流速度[22]单位m/s
本次设计针对的有机混合气体虽然不含质量较大的固体类物质,但是由于气体流
量大,工作时间有限,因此参考上表选择水平与垂直管道内的气体流速分别为12m/s、10m/s
当水平进气管内气体流速v1=12m/s,管直径
4v1412
d1Q总/46.6/40.42m,即420mm;
气体进口结构要能使气体均匀分布,同时防止液体淹没气体管道。
φ500mm以下
的小塔可使进气管伸到塔的中心位置,管末端斜切成45°
向下,或凹形口向下;
φ1.5m以下的塔,管的末端可做成向下的喇叭形扩大口。
当塔直径大于2.5m,采用上述装置效果较差,这时应采用底部敞开式进口管,管
端封口作为缓冲挡板。
这种形式的装置进气性能好,应用广泛,大直径、高气相负荷时更为适用。
其中一种变体是在中间加上缓冲挡板,仅遮住管道下半部分,气体分为两部分进入塔内,分布更均匀。
本设计采用底部敞开式气体进口管,前部与中间设置挡板控制气体流向分布。
另:
考虑到塔径过大,单根进气管可能会使气体过于集中,不利于大面积扩散,
故在塔内设置两根扩散管,以便于扩大气体分布面积。
扩散管的直径为d扩=d1/2=0.30m,即300mm
进气
出气
图3.2底部敞开式进气管示意图
2填料
填料要有透气率高、质轻、吸收水分性能差、表面粗糙的特点,并有助于处理效率的提高,综合表2.2的内容和李清雪的实验(塑料阶梯环与鲍尔环混合装填,微生物在一天后出现挂膜现象,5天后生物膜包裹填料表面并出现菌胶团),本次设计选用最大直径塑料鲍尔环(规格dxhxσ:
76x76x2.6)、塑料阶梯环填料(规格76x37x3.0)混合乱填。
一般生物过滤器填料压降损失在500—1000Pa/m(大气污染),本设计取600Pa/m,共600x5=3000Pa
3支撑装置
支撑装置满足两个基本条件:
自由截面积不小于填料孔隙率以保证不在支撑装置是发生液泛;
有足够的机械强度。
常用的支撑装置有栅板式、驼峰式、孔管式等,对于散装填料最简单的支撑装置是栅板式支撑。
它由竖立的扁钢条焊接而成,栅条间距为0.6—0.7倍填料直径。
为安装设计简便起见,选用栅板型支撑装置。
取0.65倍填料直径—50mm,高度150mm,一般压降为200Pa[23]。
4进液口设计
a.进液管设计
由进气量求得营养液喷淋量
V总=23750x1.4/1000=33.3m3/h,
每塔喷淋量33.3/4=8.32m3/h;
喷淋频率设置:
每20min喷淋一次,每次喷淋时间2min,故
喷淋速率q=8.32/360=0.023m3/s,设液体在管内流速为1m/s,进液管直径
d2q0.0230.17m,取0.20m,核算水速为0.74m/s。
4v41
b.液体喷淋装置其作用是沿塔截面均匀分布喷淋液,保证填料表面润湿。
一般有管式喷淋器、莲
蓬式喷洒器、盘式淋洒器。
管式喷淋器和莲蓬式喷洒器喷淋范围较小,一般适用于直径在600mm以下的小塔
盘式淋洒器适用于直径800mm以上的塔,分布盘直径为塔径的0.6—0.8倍[23]。
若由塔径选择盘式淋洒器,经过计算确定淋洒器直径3.2m,孔径0.02m的情况下,盘体高60mm,降水速度1m/s。
此时盘体过大不利于进入塔体的喷淋液在盘表面均匀分布,本次设计的滴滤塔不同于普通填料塔的地方在于其塔径大、喷淋液少。
因此设计中拟定使用可旋转式喷水管。
计算如下:
管长L=0.8xD=3.40m,
因为管内流量q'
=q/2,所以管径d'
=d2/2=0.14m,取0.10m
长管每边穿16个孔,为使管子转动,喷淋管材质宜取为PVC等轻便材料,出水流速应在合理范围内尽量大,拟定出水流速5m/s,则
孔径d00.02320.015m,即15mm
165
注:
若水速小无法使水管旋转和水滴雾化,则通过调整喷淋孔的大小实现水雾化和管道旋转的目的。
5除雾装置除雾装置常用的有折板除雾器、填料除雾器、丝网除雾器三种。
折板除雾器是一种结构简单效果明显的除雾装置。
除雾板由(50503)mm的角钢组成,板间横间距为25mm。
压力降一般为50~100pa,能除去的最小雾滴直径为50m。
填料除雾器即在塔顶气体出口前,再通过一层填料以达到分离雾沫的目的。
填料一般为环形,高度根据除沫要求和允许压强来决定。
该装置效率高,但阻力大,占空间也大。
丝网除雾器由一定规格的丝网带卷成盘状,再用支撑板固定。
丝网盘高一般为100-150mm,支撑板自由截面积应大于90%。
它的分离效率高(对大于5m的雾滴,可达98%~99%),阻力较小(小于250pa),重量较轻,所占空间不大。
但不宜用于液滴中含有或溶有固体物质的场合,以免液相蒸发后固体产生堵塞现象。
本设计采用丝网除雾器,高100mm,由于生物滴滤塔的产生的雾滴较少,故而可将其安置于排气口之下,直径略大于排气口,设压降为250Pa。
(4)塔高与压降的计算
填料层以上空间一般取0.8—1.4m,本设计取1.2m;
填料层以下空间一般取1.2—1.5m,本设计取1.5m,进气管距填料层0.5米,底部用于承装未及时排出的喷淋液。
塔总高H=1.2m+5.0m+1.5m=7.7m。
综上所述,塔的总压降为3000+250+200=3450P,a外界大气压为0.1MPa,使气体顺利排出则塔内工作气压至少为0.105MPa。
(5)滴滤塔壁厚计算[24]塔体采用不锈钢材料,壁厚设计过程如下:
一般而言,钢材有压容器计算厚度ptDi
2[]tp
[δ]t:
温度t下钢板的许用应力,MPa;
φ:
焊接接头系数;
全焊接头系数为1.0
Di:
设计圆筒内径,mm;
P:
圆筒计算压力,MPa;
相应的设计厚度δd=δ+C2
C2:
腐蚀裕量,等于年损耗厚度设计使用年限,一般单面腐蚀取3mm;
若[δ]tφ>
100MPa设,计压力p<
0.4MPa时,圆筒壁的计算厚度可以直接按最小厚度δmin确定,不锈钢容器δmin=2mm
查得不锈钢板316L在30℃时许用应力为113MPa,此时[δ]tφ=113MPax
1.0>
100MPa,p=0.105MPa<
0.4MPa,所以设计厚度δd=δ+C2=2mm+3mm=5mm
(6)塔体支座的选用通常立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。
腿式支座是直接焊装在筒体上的支座,构造简单,适用于公称直径小于1600mm、
总高度小于5000mm的小型直立容器;
支承式支座适用于公称直径800—4000mm、总高度小于10m且离地面较近的中型直立容器,安装、操作、维修灵活性大;
耳式支座是一种悬挂式支座,广泛用于反应器及立式换热器等中小型立式设备;
结构高大的塔则广泛采用裙式支座。
针对本设计,选用支承式支座,查阅《支承式支座标准(JB/T4724-1992)》确定支座型号B8,各部分数据为
表3.3B8支承式支座结构数据
适用公称直径DN
高度h
底板
钢管
垫板
地脚螺栓
Dr
支座高度上限hmax
b
1
d2
2
d3
3
d4
d5
规格
4000
510
460
26
426
9
550
18
530
30
M24
2680
1050
图3.3B型支承式支座
(7)尾气不达标的解决办法
排放的尾气中污染物浓度高于国家规定的限值的情况属于意外工况,此时应停止排放尾气,将其全部回流至进气口进行二次处理,同时排查事故原因,尽早使尾气浓度恢复到标准浓度以下。
回流气管可以安装在塔顶,直径应根据塔顶大小进行调整,既保证气体能顺畅排出,又不会占据塔顶过多面积、减少塔顶的稳定性。
目前尚未有针对处理后气体体积的研究计算,在本论文设计中,回流管直径取为200mm
3.3工艺流程其它设备的设计与选用
3.3.1外部气管的设计
对系统中的通风管气体流速采用水平管12m/s,竖直管10m/s
(1)对于车间出气口气量12500m3,水平流速12m/s,管径
d车间Q12500/36000.61m,取0.60米;
同理,竖直管管径0.65米;
4v412
(2)风机接口水平管径d风机=0.60米,竖直管径0.60米;
(3)气流混合管水平管径d总=0.85米,竖直管径0.90米;
(4)对于混合输气管渐减段,应保持气体主管道流速不变,因而第一次分流后管径d气分=d总/2=0.60m,如图所示
4个生物滴滤塔
管道采用法兰连接,材料为焊接钢管;
在进入洗气池之前安置一段管道混合器,使空气与甲苯气体充分混合,管道混合器直径850mm,长度在10m左右
3.3.2外部构筑物的设计
(1)洗气池的设计
洗气池除了给混合气加湿,还要起到一定的缓冲作用,当主管道关闭时,洗气池内应能储存部分管道内残留气体。
设气体在洗气池内停留5s,V气=6.6m3/s×
5s=33m3,
22内部水量占容积的2,V水=332=22m3。
令长宽分别为5m,3m,得到高=22/15=1.5m,设超高为1.0m,总高为2.5m。
洗气池规格为5×
3×
2.5m
为了便于维修,输气总管从池子顶部安装,另备一个井盖(φ700mm)供维修检
查使用;
池子底部安装φ200mm的进出水管,供清水更新时使用;
清水池每两周更新一次。
某公司生产的洗气塔(10002000mm,处理量2800-11000m3/h)压力损失在300-800Pa之间,据此估计洗气池的压力损失为1700Pa
(2)配液池的设计
A、由于喷淋液每20min喷淋一次,喷淋液调配时间充足,因而配液池准备1h液量即可,即33.3m3,取整35m3,设长与宽分别为5m,4m,高为1.8m,另取1m超高,则配液池规格为5×
4×
2.8m。
进出水管设为φ250mm,池内放置一个搅拌器,喷淋液每40min调配一次。
注:
两座水池均为砖混结构
B、与配液池相连的输水总管的计算
出水管直径d出水=d2×
4=0.20×
2=0.40m,流量0.092m3/s
同气体输送管一样,水管第一段分支d水分=d2×
2=0.20×
2=0.28m,取0.30m,流量0.046m3/s
3.3.3容器与管道法兰的选用法兰连接有较高的强度、刚度和严密性,能迅速、多次拆装,成本低廉,适于大批量制造,而且尺寸范围很大,在设备与管道上都能用,常被用于压力容器各部件的连接。
法兰密封面有凸面、凹凸面、全平面、环连接面等形式;
法兰类型有整体法兰、松式法兰、任意式法兰。
考虑到法兰的密封性与耐压性,设备上与管道上采用全平面板式焊接法兰,两者均采用平焊方法与设备连接。
法兰参数如下:
表3.4法兰结构参数
DN
D
D1
D3
d
δ
δ1
数值
4200
4376
4326
4260
114
≤20
查阅《压力容器法兰标准JB4702—92》发现法兰最大标准适用于φ3000的容器,由于目前
工业用容器直径较大,有的制造厂根据经验设计了适合大直径容器的法兰,以上数据采自广州某公司设计的适于φ4200的压力容器的法兰。
图3.5容器法兰图
3.3.4风机与水泵的选型
(1)水泵的计算
配液池
图3.6管路合并图
喷淋管距地面h=8.0m,P2=0.105MPa,V2=V1=0.74m/s;
P1=0.1MPa;
管线的实际布置参考图3.4
a.水力沿程损失h1的计算:
设输水总管长7m,第一段支管长12m,进水管长15m,由海曾-威廉公式
10.670.0931.85210.670.0471.85210.670.0231.852
h71215
11.8524.871.8524.871.8524.87
140.61.8520.404.87140.61.8520.304.87140.61.8520.204.87
=0.19m
Cw:
海曾-威廉系数,焊接管取120,修正后为140.6
b.局部损失h2的计算:
管路内有11个90°
弯头(R/d=1.5),局部损失系数ζ=0.18;
3个三通阀门,局部损失系数ζ=1.67
22
v0.74
h2(110.1831.67)0.20m
22g29.8
所以水头损失ht=h1+h2=0.19+0.20=0.39m
2222
P2v2P1v1
c.水泵扬程Hmax
h(22)(11)ht
g2gg2gt
6
8.0(0.1050.1)1060.39
10009.8
=8.50m
选型时应选择临近计算值并较大的扬程,即9.0m及以上。
考虑到流量与扬程的裕量,需将各参赛乘以安全系数(1.1-1.2),最终确定水泵
Q=1.1V总=1.133.3m3/h=36.6m3/h;
H=1.1Hmax=1.19.0=9.90m
d.与水泵连接的电机的选择计算水泵的有效功率Ne=ρ·
Q·
H/1000电机功率Nm=K·
Ne/(η·
ηi)
Q:
流量单位m3/s,36.6/3600=0.01m3/s
η:
通风机全压效率或水泵工作效率,一般为0.5—0.7,本设计取0.6
ηi:
电机传动效率,由传动方式决定,直联传动为1,联轴器传动为0.98,皮带传动为0.95。
本设计用直联传动,ηi=1
K:
电机安全系数,取值见表3.5。
表3.5电机安全系数
电机功率
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