环境工程设计-方法选择与工艺流程设计 PPT课件

第四章方法选择与工艺流程设计 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 17 18 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 19 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 2500mg 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 20 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 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 17mmHgp进 750 3100 13 6 977 94mmHgp出 750 3000 13 6 970 59mmHgp平均 977 94 970 59 2 974 07mmHg则进塔气体中水蒸气量 39 Nm3 h m3 h m s 操作状态下的气体量 塔内径 m 取整 D 0 55m 核算实际空塔气速 40 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 0 552 40 0 785 0 552 40 9 5m3 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 41 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 42 因为 z1 0 所以z2 11 3 14 m p1 p0 750mmHg 750 735 6 104 1 02 104 kg m2p2 750 735 6 104 3000 1000 1000 1 32 104 kg m2 1000kg m3 W1 0 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 43 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40mm的碳钢管子 44 m s 将有关数据代入衡算式 可得 l 27 23mH2O 重量流量9 5 1000 3600 2 64kg s 泵的有效功率 P有效 2 64 27 23 71 89Kg m s因为 1kW 102kg m s 所以 P有效 71 89 102 0 705kW泵的轴功率P轴 0 705 0 61 1 16kW 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 s1Hp 75kgm s1kw 1000Nm s 45 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 16 1 3 1 51kW取电机为1 5kW 46 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 47 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 48 49 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 50 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 51 52 克劳斯提出氨水中和法用于处理焦炉煤气脱除H2S 53 54 55 56 57 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 58 59 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 60 61 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 62 63 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 64 常用设备图例 65 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 66 设备位号编法 67 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 68 69 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