工艺流程-环境工程设计方法选择与工艺流程设计方案(ppt 84页)

第四章 方法选择与工艺流程设计 污染治理 系统设计 工艺设计 非工艺设计 土建 电气 控制 动力 采暖 通风 给排水 工艺设 计任务 污染治理 方法选择 物料流向工艺 流程设计 能量变化 设备设计与选择 工艺流程图、车间工段布置图 工艺管道设计：主、辅设备间联通的管道设计 非工艺项目的条件提出 编制概 /预算书 主体设备与辅助设备 间的工艺关系 主要物料 辅助物料 主体设备工艺参数确定 辅助设备选型 流程运行操作条件和控制方式 （ 1）治理方法的选择 治理 方法和工艺路线的选择是所有环 境工程设计最重要的开端，必须对各种治 理方法作全面的分析，进行技术经济比较 ，选择合理的治理方法。 （ 2）工艺流程设计 以 图解的形式表示出整个治理过程的全 貌，即从待处理的废气、废水或固体废 弃物到处理达标排放或实现无害化，需 要经过那些过程和设备，这些设备之间 的关系、衔接以及它们的相对位差如何 ，并对流程图作出叙述等。一般而言， 工艺流程设计开始最早而结束最晚。 （ 3）物料计算 在物料衡算的基础上求出废气、废水 或固体废弃物及它们中的污染物、处理 剂等进、出处理系统的各种物料的质 量、体积和成分等，最后汇总出物料平 衡表或原材料消耗表。 通过物料衡算，设计工作由定性转入 定量阶段，可以正确地进行能量计算、 设备计算和工艺流程设计。 （ 4）能量计算 根据能量衡算确定传入或传出的热量， 加热剂（或燃料）或冷却剂的消耗量， 同时结合设备设计，可算出设备的传热 面积，最后得出能量消耗综合表。能量 计算一般在物料计算后结合设备设计一 起进行。 （ 5）设备设计与选择 通过计算，确定保证达到处理能力和达标排放 的设备结构和尺寸。 对非标准设备必须进行单独 的设计计算，对标准设备则根据计算结果进行选 择。 在某些环境工程设计中（例如湿法烟气脱硫 系统中烟气再加热设备的设计，催化燃烧法处理 有机废气系统中利用燃烧后的高温净化气预热低 温待处理有机废气换热器的设计等），设备的设 计也包括换热面积的大小，因此 “设备设计 ”和 “能 量计算 ”常结合在一起进行。 设备设计的最后结果是得到 “设备示意图 ”和 “ 设备一览表 ”。 （ 6）车间（工段）布置设计 目的是解决厂房、场地的配制与设备的 排列问题。 首先要对车间的各工段、动力间、 机修间、化验室、仓库、办公室等作出 整体布置和厂房轮廓设计；整体布置和 厂房轮廓设计基本就绪后，即可进行设 备的排列与布置工作。车间布置设计常 同建筑及其他非工艺设计项目发生密切 关系，设计工作常是交错进行的。在施 工图设计阶段，尚有设备安装设计。 （ 7）工艺管道设计 大部分工作在施工图设计阶段完成，其 主要内容有：管道设计（包括各种 介 质、管径 计算 、 管道材料、管壁厚度和 选择以及管道的配置等）；管道地沟断 面条件、位置的确定；管道架设方法； 管架、保温设计等。 （ 8）工艺系统的操作条件和控制条件 需要提供两个文件，即 : a）系统检测、控制条件，是自控人 员进行工作的基础；以及， b）统操作条件 /规程，是系统运行的 规范 （ 9）其他非工艺设计项目的考虑 当车间工艺设计基本告一段落后，其他 非工艺设计项目（设备的机械设计、自 动控制、土建、采暖、通风、动力、电 气等）就要着手进行。这些非工艺项目 设计的根据是由工艺设计提供的资料。 因此在进行工艺设计的同时，就要考虑 其他非工艺设计的条件，以使其他非工 艺设计能更好地为治理工艺服务。 （ 10）绘制设计图纸，编制设计说明 书。 图纸包括 PFD图、 PID图、平面布置 图、甚至立面布置图等，还要编制设计 说明书。 （ 11）编制概（预）算书 概算是根据初步设计的内容，大概计算 每项工程项目建设费用的文件，列入初 步设计文件；预算是根据施工图设计内 容，计算每项工程项目建设费用的文件 ，列入施工图设计文件。 治污工艺 选择 原则 合法性 先进性 可靠性 结合实际情况 简洁和简单 安全性 选择方法 收集资料 设备、设施、仪器等的落实 全面比较 治污工艺路线的最终确定 例 1 汽车、家具喷漆，印刷等行业排放出的含苯 系物有机废气的治理，其处理方法有几种可供选择。 实际中，要根据具体的情况来确定处理的工艺路 线，如果排放要求较为严格，可采用几种处理方法联 合使用： 含苯有机废气处理方法对比 处理方 法 处理原理 主要设 备 处理效 果 投资状 况 运行费 用 吸收法 气体在液体中的溶解度 吸收塔 中等 中等 中等 吸附法 吸附剂较大的表面积 吸附塔 良好 较高 较高 催化法 催化剂降低活化能 催化燃 烧塔 良好 较高 高 冷凝法 降低温度达到露点 冷凝器 中等 较高 高 燃烧法 燃烧使有机物氧化 燃烧器 较好 较高 高 电晕法 电晕放电的物化过程 电晕反应 器 良好 中等 较高 生化法 微生物的生命活动 生化反应 器 较好 中等 较低 含苯有机废气处理方法对比（续） 处理方 法 优点 缺点 备注 吸收法 工艺路线较为简单 吸收液处理 处理浓度较高 吸附法 处理效果好 吸附剂再生费用高 处理浓度较低 催化法 处理效果好 运行费用较高 处理浓度较高 冷凝法 能回收有用物质 运行费用高，只适 用高浓度废气 处理浓度较高 燃烧法 工艺简单 运行费用高 处理浓度较高 电晕法 工艺简单、管理方 便 处于实验阶段 生化法 运行费用低、无二 次污染 生物抗冲击能力差 处于实验阶段 例如：汽车、家具、印刷 等行业的有机废气治理的 工艺路线选择： 含苯有机废气处理大致工艺路线 焦碳去除漆皮 水幕 纤维过滤 吸收 预处理 含苯有 机废气 吸附 净化 深度 净化 风机 烟囱 例 2 啤酒生产主要以玉米和大麦为原料，加入啤酒 花和鲜酵母进行酿造而成。其废水主要包括浸麦废水 、糖化废水、废酵母液、洗涤废水和冷却排水等。污 水中的主要成分为糖类和蛋白质，主要水质指标为 COD = 1000 2500 mg/L， BOD = 700 1500mg/L， SS = 300 600mg/L， pH = 5 6，属于中等浓度可生 物降解的有机废水。该废水处理工艺路线有以下几种 选择： 选择说明： 如果废水浓度较大，需要进行多级才能达到 排放标准； 同时有高浓度和低浓度废水时要分别进行处理； 如果场地较小，要选择占地较小的处理工艺。 例 3 城市污水成熟的处理工艺路线是：预处理、一 级处理、二级处理、三级处理 ( 深度处理 )和污泥处理 ，其中的核心部分是二级的生化处理。目前，预处理 都是格栅和沉沙池，原有的二级生化处理是指活性污 泥法，现在由于处理的要求提高，不仅要去除有机污 染物，而且要去除氮和磷等污染物，因此就在活性污 泥法这一成熟的技术上延伸和发展出新技术、新工艺 和新设备，并被开发和推广应用，这些方法有 A B 法、 A2 O法、 SBR法、 ICEAS(改进的 SBR法 )、氧化 沟及酸化水解与耗氧串联处理工艺等。现在我国的城 市污水处理的二级生化处理基本上是采用以上工艺流 程，因此在设计城市污水处理流程时，可采用上述的 处理方法。 例 4 在除尘系统中防止风机噪声时，一种方法是采 用帆布类进行风机进口软连接，另一种是对风机本身 进行加大基础或单独设计基础，即设计减振的措施， 这些都是成熟的技术，在设计中可以采用。 例 5 采用吹脱法处理含氨废水，如果不对吹脱的气 体进行有效的处理，就会把水中的氨转换成空气中的 氨，造成污染物转移，这样并没有达到真正的去除氨 的目的。可用 HCl吸收吹脱气体中的氨，避免污染物的 转移。 避免二次污染物的 产生 ： 例 6 采用燃烧法处理固体废弃物，因固体废弃物中 的成分十分复杂，如果燃烧的温度较低，不仅固体废 弃物中的碳不能完全燃烧，会产生碳的小颗粒，污染 环境，而且有机物燃烧可产生二噁英类物质，这是国 际上公认的致癌物质，所以设计燃烧温度应在 805 以 上，可避免二次污染物的产生。 避免二次污染物的 产生 ： 例 7 采用燃烧法处理有机废气时，由于燃烧 可使排放的烟气温度较高，具有较大的热量， 因此可使排放的烟气经过热交换器，将热量交 换给要进燃烧室的废气，以减少能量的消耗， 其工艺见图： 处理 量较大时选择连续的处理工艺 对于连续生产产生的污染，要处理的量较大时采 用连续的处理工艺较为适宜。 例 8 催化燃烧法处理浓度较高的有机废气时， 在该工艺开始启动 (开车 ) 时，需要进行加电预 热，启动后就可利用有机物自身燃烧产生的热 量进行工作，维持整个系统的稳定。该处理工 艺需要采用连续的处理工艺。 处理 量较小时选择间歇处理工艺 生产规模较小，产生的污染不是连续的，且要处 理的量小 ,时可采用间歇的处理工艺。 例 9 清洗汽车产生的废水是不连续的，考虑处理工艺 应是间歇性的处理工艺。 尽可能 回收有用的 物质 ： 在生产中排放的污染物有些是有回收价值的，在处理时 要充分考虑这些污染物的回收利用，尽量做到能直接利 用收集的污染物，同时要还要考虑以废治废。 例 10 采用以萘为原料的流化床法生产苯酐时，在其热 熔工序中产生含顺酐的有机废气，顺酐被水吸收成为顺 酸水溶液，由于顺酸可异构为反丁烯二酸，其溶解度甚 小，在室温下就可从母液中结晶析出，从而生产了有用 的物质。 考虑 处理能力的配套性和 一致性，且 要有一定操作的 弹性 ： 设计的处理能力一般要略大于实际所需要的处理 量，使处理能力有一定的富余量，以使处理系统能适 应实际的变化。选择设备的处理能力不能过大或过小 ，与实际要基本一致；对易损和易坏的部件采用双套 切换，保证系统能正常运行；一般的配件要选择基本 一样的，如选择法兰的螺丝尽量使整个系统的一致。 工艺 流程 设计 工艺 流程设计的主要任务是设计 各个污染 物处理单元 的具体内容、大小尺寸、顺序 和排列方式，以达到有效处理污染物的目 的 设备大小尺寸等主要依靠工艺计算来完成 设备的组合依据工艺要求来进行设计 物料流向 工艺 流 程设计 能量变化 主体设备与辅助设备 间的工艺关系 主要物料 辅助物料 工艺 流设计 设备工艺参数 ，（主要设 备、辅助设 备、管道） 监测控制方案 ， PID图 操作运行方案 工艺计算 工艺计算常包括物料衡算、能量衡算以及工 艺设备的计算。 物料衡算是设计的基础，能量衡算等其他工 艺计算都必须以物理衡算结果为依据 明确物料衡算范围 明确衡算系统中的化学变化 明确计算对象 选择计算基准 画出物理衡算示意图 能量衡算的作用 确定流体输送机械（泵、压缩机、通风机 ）和其他操作机械（搅拌机、过滤机、粉碎 机等）所需功率 确定各单元过程（如冷却过程等）所需热 量、冷量、及其传递速率 核算能耗 能量衡算时常常需要考虑的能量： 物料带入的能量 过程的热效应 加热设备时所需的热量 加热（冷却剂）带入（走）的能量 物料带出的热量 热损失 如图所示，有一气体洗涤除尘塔（湍球填料），不洁净气体从 塔的底部进入，用离心水泵从槽抽水，送至洗涤塔顶部喷下， 从上往下与气体逆流接触，污水从塔底经过水封排出，经过洗 涤后的气体（净气）从塔的上部引出，已知 ： 1处理干气量 2442.82Nm3/h； 2洗涤塔的操作温度为 35 （塔内平均温度）； 3操作压力为 3100mmH2O（表压），全塔压降为 100mmH2O； 4湍球填料经验操作空塔气速 ws=2.5m/s，喷淋密 度 40m3/m2h； 5塔顶水进口处距地面的距离为 11m，地下水槽液 面距地面 3m； 6地下水槽液面上的压强为 750mmHg； 7泵的效率为 60； 8管道的阻力损失 10mH2O； 求 ： 1洗涤塔 内径； 2 泵的轴功率及电机功率 一、洗涤塔内径的计算 设进塔气体被水蒸气饱和，可由手册查 得 35 的饱和水蒸气分压 pH2O=42.17mmHg p进 =750+3100/13.6=977.94 mmHg p出 =750+3000/13.6=970.59 mmHg p平均 =(977.94+970.59)/2= 974.07 mmHg 则进塔气体中水蒸气量： Nm3/h m3/h m/s 操作状态下的气体量： 塔内径： m 取整， D 0.55 m； 核算实际空塔气速： 二、泵的功率计算 1每小时泵需要输送的液体量： 泵每小时需要输送的液体量可根据喷淋密度而求得。 根据条件，喷淋密度 40m3/m2h；则小时液体用量： W=（ 3.14/4） 0.55240=0.7850.55240 9.5 m3/h 2能量衡算 选择地下水槽的液面 1 1截面为基准面 0 0，列 1 1截面与 2 2截面的能量衡算式（即柏努利方程式）： 式中： z1,z2 单位重量（ 1kg）流体在截面 1 1， 2 2处所具有的 位能，其单位为 m； 单位重量（ 1kg）流体在截面 1 1， 2 2处所具 有的动能，其单位为 m 单位重量（ 1kg）流体在截面 1 1， 2 2处所具 有的 静压能，其单位为 m； p1,p2 分别为 1 1， 2 2截面的压强， kg/m2 流体密度，其单位为 kg/m3 l 泵供给的能量，也称为泵的扬程，其单位为 m； 单位重量流体流动时，因摩擦阻力而消耗的能量，其 单位为 m； 因为， z1 0，所以 z2 11+3=14m； p1 p0=750mmHg (750/735.6)104=1.02104， kg/m2 p2 (750/735.6)104 (3000/1000)1000=1.32104, kg/m2; 1000kg/m3; W10; 为了计算 w2，还必须选择管径。可用经验式近似地估 算管径： 对于 碳钢管，其计算式为： 对于不锈钢管： G 流量， kg/s; 密度， kg/m3; 通常选用碳钢管，则 mm 所以可以选择 40 mm的碳钢管子。 m/s 将有关数据代入衡算式，可得： l=27.23 mH2O; 重量流量 9.51000/3600 2.64 kg/s； 泵的有效功率： P有效 2.6427.23=71.89 Kgm/s 因为， 1kW=102 kgm/s； 所以： P有效 71.89/102 0.705 kW 泵的轴功率 P轴 0.705/0.61=1.16 kW； 电动机功率 P电 KP轴 /传 其中 K为电机的富余系数，其值大于 1； 传 为传动效率，如果电动机与泵直接连接， 传 1，如果用皮 带轮连接，责 传 0.95 1kw 102kgm/s 1Hp 75kgm/s 1kw 1000Nm/s 电动 机富余系数 P轴 (kW) 电动 机的富余系数 50 1.061.08 从表中根据轴功率选出富余系数 1.3，则 电动机功率为： P电 =1.161.3 1.51 kW 取电机为 1.5kW 工艺 流程图 工艺 流程图 带控制点的工艺流程图 管道仪表流程图 方框流程图 工艺方案流程图 方框流程图 ： 进行概念设计时使用的一种流程图， 不进入设计文件 根据方框流程图可以进行物料衡算 工艺方案流程图： 定性地表示物料流程和主要设备工艺关系 工艺方案流程图组成包括 ： 1)流程、 2)图例、 3)设备 一览表 流程：设备示意图、流程管线、流向 箭头、文字注释 图例：管线图例 方框流程图的深入和变体，为设备计算使用 只带有示意性质，不进入设计文件，常在 “技 术方案 ”“投标书 ”一类文件中使用 工艺方案流程图绘制要求： 地平线：细实线 设备：细实线，大致反应设备尺寸，从左到右排 列，留有一定距离以画管线，设备要编号 非主要流程 ：公用水、汽、气、真空、冷却水等 ，采用中 实线，并配上箭头，用文字标明介质名称 流程线相交，一般是细线让粗线 主要流程线：粗实线，并配上箭头，并用文字标 注物料名称，来源、去处 图下方标明图例、设备编号及名称 必要的文字注释 克劳斯提出氨水中和法用于处理焦炉煤气脱除 H2S 带控制点的工艺流程图： 带 控制点的工艺流程图，通常是在工艺流程 方案图确定后、物料衡算、能量衡算、以及 工艺设备计算完成之后进行设计和 绘制。 在初步设计阶段，除了完成工艺计算、确定 工艺流程外，还应确定主要工艺参数的控制 方案，即在定量的工艺流程图上表示出自动 控制的方案，成为带控制点工艺流程图。 带控制点工艺流程图是可用于施工的工艺流 程图，一般由工艺专业技术人员和自控专业 技术人员合作完成，列入初步设计文件。 带控制点的工艺流程图主要 内容包括： 带设备位号、名称和接管口的各种设备示意图 带管道号、规格和阀门等管件以及仪表控制点 （测温、测流量及分析点等）的各种管道流程线 对阀门等管件和仪表控制点图例符号的说明 标题栏注明图名、图号、设计阶段 带控制点工艺流程图中，设备图形的比例一 般采用 1:100，如设备过小或流程较简单可 采用 1:50，如设备过大或流程较复杂可采用 1:200。由于并未完全按比例绘制，故标题 拦中 “比例 ” 一项不于注明。图幅一般采用 A1 图纸，特别复杂的可适当加长，特别简单的 可采用 A2图纸。 图幅：多用长条形，以前常用标准加长；现 一般采用 A1图幅，不再加长；简单的用 A2 图幅 带控制点的工艺流程图： 1）设备 画法： 图形：一般按比例用细实线绘制主要轮廓和 形状特征，有时也要画出具有工艺特征的内 构件，如填料、搅拌器等。内构件可用细虚 线画出。 相对位置：设备或构筑物的高低一般按比例 绘制。低于地面的需画在地平线以下，尽量 符合实际安装情况。 相同设备的画法：一般应全部绘出。只画一 套时，被省略的设备须用细双点线绘出矩形 表示，并在矩形内注明设备名称、位号等。 在工艺流程图中，依物料流程将设备从左至 右展开，标注设备位号 常用 设备 图例 设备的标注 ： 标注内容 ：同一系统中设备位号不能重复 ， 应标 注序号、名称，并主要初步设计与施工图设计的 名称标注应一致。如在施工图设计时，设备有变 化，则应按顺序补充或取消（保留空号） 标注方式 ： 1)设备 的序号、名称应标注在相应设备图形的上 方或 下方，并尽可能正对设备。 序号一般为三、 四位数，第一位通常表示工艺系统序号，后两、 三位为编号，重复设备加脚标。 2)设备内或其近旁，此处只注位号，不注名称 设备位号编法 带控制点的工艺流程图： 2）管道画法 ： 一般应画出治理工艺的所有工艺物料管线及辅助 物料（水、汽、气等）管线、阀门、管件及工艺 参数（温度、压力、流量、液位、物料组成、浓 度等）的测量点，并表示出自动控制的方案。 （ a）线形 主物料管道及大管径管道（ 108mm）用粗实线 （线宽 b=0.9mm左右）表示，辅助管道用中实线 （ b=0.6mm左右）表示，仪表管线则用细虚线或 细实线（ b=0.3mm左右）表示。保温（或冷却） 管线除了按规定线形绘制外，还要画出一小段示 意的保温管。 （ b）交叉与转弯 绘制管道时，要尽量避免穿过设备或管道交叉； 不能避免穿过设备时，应断开管线； 管线交叉时，应辅让主，细让粗，后让先，断开 处间歇要明显。 管道应尽量画成水平或垂直的，转弯处成直角。 图中管道应尽量反映安装中的高低位置，地下管 道应画在地平线以下。 （ c）管道标注 管道号：由物料代号、主项代号和管道分段顺 序号组成。 管道的标注 物料代号： 物料名称 代 号 物料名称 代 号 物料名称 代 号 空气 氨 排污 燃料气 燃料油 高压蒸汽 循环冷却 水回水 A AM BD FG FO HS HW 仪表空气 低压蒸汽 中压蒸汽 天然气 氮 氧 工艺空气 IA LS MS NG N O PA 工艺气体 工艺液体 工艺水 泥浆 软水 真空排放气 放空气 PG PL PW SL SW VE VT 管径： 一律注公称直径。公制管以 mm为单位，只注数字 ，不注单位。如 DN80、 DN150、 DN300 。英 制管径以英寸为单位，需标注英寸的符号，如 1/2 、 4、 12 。对英制加厚管，则在英