1、南昌航空大學(xué) 固體廢物處理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱：水壓式沼氣池設(shè)計(jì) 學(xué)院：環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 專業(yè)：環(huán)境工程 班級： 100222姓名：劉亞麗目錄1 概 論21.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容 21.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 21.1.2 水壓式沼氣池設(shè)計(jì)任務(wù) 21.1.3 課程設(shè)計(jì)原則 31.1.4 工程設(shè)計(jì)范圍 31.2 項(xiàng)目的背景及建設(shè)的必要性 31.3 沼氣的基本知識 31.4 水壓式沼氣池基本知識 31.4.1水壓式沼氣池的特點(diǎn) 31.4.2沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵 42 厭氧發(fā)酵工藝流程說明43 沼氣池體部分的設(shè)計(jì)計(jì)算53.1 發(fā)酵原料 53.1.1 沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量 錯誤！未定義書簽。3.1.2

2、原料的碳氮比 錯誤！未定義書簽。3.2 沼氣池體部分設(shè)計(jì)計(jì)算 53.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 53.2.2 發(fā)酵間的設(shè)計(jì) 63.2.3 水壓間的設(shè)計(jì) 94 配套設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算 104.1 換熱器的計(jì)算 104.2 吸收塔的計(jì)算 12參考文獻(xiàn) 141.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容1.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)基礎(chǔ)資料，設(shè)計(jì)一個方案，對農(nóng)業(yè)固體廢物畜禽糞便和秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，溫 度低的時(shí)候?qū)υ线M(jìn)行換熱，使進(jìn)口溫度滿足中溫厭氧發(fā)酵，出口氣體吸收其中的硫化氫， 沼氣經(jīng)凈化之后達(dá)到惡臭污染物控制標(biāo)準(zhǔn) （ GB14554-93 ）中二級新擴(kuò)改建標(biāo)準(zhǔn)。控制標(biāo) 準(zhǔn)如表 1 所示：表 1 惡臭污染物廠界標(biāo)準(zhǔn)值序號控制項(xiàng)目單位一

3、級二級三級新擴(kuò)改建現(xiàn)有新擴(kuò)改建現(xiàn)有1氨mg/m31.01.52.04.05.02三甲胺mg/m30.050.080.150.450.803硫化氫mg/m30.030.060.100.320.604甲硫醇mg/m30.0040.0070.0100.0200.0355甲硫醚mg/m30.030.070.150.551.106二甲二硫mg/m30.030.060.130.420.717二硫化碳mg/m32.03.05.08.0108苯乙烯mg/m33.05.07.014199臭氣濃度無量綱1020306070沼氣中的臭氣主要為 H2S，而 H2S 的含量為 0.034%，經(jīng)過吸收塔的吸收后就可以達(dá)到

4、 排放標(biāo)準(zhǔn)。1.1.2 水壓式沼氣池設(shè)計(jì)任務(wù)（ 1）設(shè)計(jì)題目 水壓式沼氣池設(shè)計(jì)（2）主要設(shè)計(jì)任務(wù) 水壓式沼氣池尺寸設(shè)計(jì)：沼氣池主體容積、高度、直徑、水壓間容積、高度、直徑。 配套設(shè)施：換熱器的傳熱面積、管長、管徑、標(biāo)準(zhǔn)換熱器選型；吸收塔填料層高度、 塔徑、總壓力等。換熱器和吸收塔采用間歇式操作，一次厭氧發(fā)酵時(shí)間為 30 天，比較冷的月份分兩個 區(qū)間，從 1 月份到 3 月份，從 10月份到 1 月份是比較冷的時(shí)間，所以需要用到換熱器；產(chǎn) 生的氣體要經(jīng)過吸收才能達(dá)到惡臭污染物控制標(biāo)準(zhǔn) ，所以要用到吸收塔。（3）設(shè)計(jì)目的 鞏固已學(xué)過的與環(huán)境工程有關(guān)的專業(yè)知識，特別是厭氧發(fā)酵章節(jié)； 領(lǐng)會國家關(guān)于環(huán)境

5、保護(hù)的方針、政策和法規(guī)，初步樹立正確的環(huán)境保護(hù)指導(dǎo)思想； 綜合運(yùn)用所學(xué)知識，通過課程設(shè)計(jì)規(guī)定的任務(wù)，培養(yǎng)全面考慮和解決問題的能力； 提高計(jì)算、制圖等方面的基本技能；提高運(yùn)用文獻(xiàn)、技術(shù)資料和工具書的能力。（4）基礎(chǔ)資料地基允許承載力 8t/m2，地下水位在地面下 5-6m ，水壓間有效容積是日產(chǎn)氣量的 50%，裝置內(nèi)最大氣壓極限 800kPa，裝置內(nèi)正常工作氣壓 784kPa，活載荷 200kg/m21.1.3 課程設(shè)計(jì)原則（1）在總體技術(shù)路線上要符合我國生活垃圾處理的技術(shù)政策，水壓式沼氣池要符合無 害化的總目標(biāo)。（2）配套換熱器和吸收塔，保證水壓式沼氣池的溫度比較恒定且能有效回收沼氣中的 二氧

6、化碳。（3）根據(jù)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)承受能力，盡可能為國家節(jié)省建設(shè)資金。1.1.4 工程設(shè)計(jì)范圍工程設(shè)計(jì)范圍為工藝部分設(shè)計(jì)計(jì)算。1.2 項(xiàng)目的背景及建設(shè)的必要性 隨著生活水平的提高和集約式農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)村固體廢物中畜禽糞便和秸稈的產(chǎn)生量 越來越大， 不及時(shí)有效的處理將造成農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的破壞。 利用普通使用的水壓式沼氣池進(jìn) 行處理，既可以有效利用資源，又可以產(chǎn)生新的清潔能源 沼氣，還可以消除環(huán)境污染。 水壓式沼氣池存在能耗低、 占地面積不大、 處理效果好的優(yōu)點(diǎn)， 但是也存在隨季節(jié)溫度變化 工作不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的過程中需要克服該問題。1.3 沼氣的基本知識（1）沼氣及其產(chǎn)生過程 沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧環(huán)

7、境中， 在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發(fā) 酵作用，產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發(fā)現(xiàn)的，所以人 們叫它沼氣。沼氣含有多種氣體，主要成分是甲烷（CH4）。沼氣細(xì)菌分解有機(jī)物，產(chǎn)生沼氣的過程，叫沼氣發(fā)酵。根據(jù)沼氣發(fā)酵過程中各類細(xì)菌的作用，沼氣細(xì)菌可以分為兩大類。 第一類細(xì)菌叫做分解菌， 它的作用是將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡單的有機(jī)物和二氧化碳（ CO2）等 。它們當(dāng)中有專門分解纖維素的， 叫纖維分解菌；有專門分解蛋白質(zhì)的， 叫蛋白分解菌； 有專門分解脂肪的， 叫脂肪分解菌； 第二類細(xì)菌叫含甲烷細(xì)菌，通常叫甲烷菌，它的作用是 把簡單的有機(jī)物及二氧化碳氧化或還原

8、成甲烷。因此， 有機(jī)物變成沼氣的過程， 就好比工廠里生產(chǎn)一種產(chǎn)品的兩道工序： 首先是分解細(xì)菌將糞便、 秸稈、 雜草等復(fù)雜的有機(jī)物加工成半 成品 結(jié)構(gòu)簡單的化合物； 再就是在甲烷細(xì)菌的作用下， 將簡單的化合物加工成產(chǎn)品 即生成甲烷。（2）沼氣的成分 沼氣是一種混合氣體，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫（H2S）、氮及其他一些成分。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重?zé)N等氣體；不可 燃成分包括二氧化碳、 氮和氨等氣體。 在沼氣成分中甲烷含量為 55% 70%、二氧化碳含量 為 28% 44%、硫化氫平均含量為 0.034%。（3）沼氣的理化性質(zhì) 沼氣是一種無色、有味、有毒

9、、有臭的氣體，它的主要成分甲烷在常溫下是一種無色、 無味 、無臭 、無毒的氣體。甲烷分子式是 CH4，是一個碳原子與四個氫原子所結(jié)合的簡單 碳?xì)浠衔?。甲烷對空氣的重量比?.54，比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少，在20、0.1 千帕?xí)r， 100 單位體積的水，只能溶解 3 個單位體積的甲烷。甲烷是簡單的有機(jī)化合物，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。燃燒時(shí)呈藍(lán)色火焰，最高溫度可達(dá)1400 左右。純甲烷每立方米發(fā)熱量為 36.8 千焦。沼氣每立方米的發(fā)熱量約 23.4 千焦，相 當(dāng)于 0.55 千克柴油或 0.8 千克煤炭充分燃燒后放出的熱量。從熱效率分析，每立方米沼氣 所能利用的熱量，相當(dāng)于燃燒 3.03 千

10、克煤所能利用的熱量。1.4 水壓式沼氣池基本知識1.4.1 水壓式沼氣池的特點(diǎn)水壓沼氣池是一種埋設(shè)在地下的立式圓筒形發(fā)酵池，池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體，主要結(jié)構(gòu)包括加料管、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管幾個部分。圓筒形結(jié)構(gòu)沼氣池的受力性能好，比相同容積的長方形池表面積小20%左右，池內(nèi)無死角，容易密封，有利于甲烷菌的活動，以發(fā)揮甲烷菌的產(chǎn)氣作用。水壓式沼氣池的工作原理是：產(chǎn)氣時(shí)，沼氣壓料液使水壓箱內(nèi)液面壓高；用氣時(shí)， 料液 壓沼氣供氣。 產(chǎn)氣、 用氣循環(huán)工作， 依靠水壓箱內(nèi)料液的自動升降， 使氣室的氣壓自動調(diào)節(jié)。（1）水壓式沼氣池型有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 池體結(jié)構(gòu)受力性能良好， 而且充分利用土壤的承

11、載能力， 所以省工省料， 成本比較低。 適于裝填多種發(fā)酵原料，特別是大量的作物秸稈，對農(nóng)村積肥十分有利。為便于經(jīng)常進(jìn)料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時(shí)都能打掃進(jìn)池。沼氣池周圍都與土壤接觸，對池體保溫有一定的作用。（2）水壓式沼氣池型也存在一些缺點(diǎn)，主要是：由于氣壓反復(fù)變化，而且一般在416 千帕（即 40160 厘米水柱）壓力之間變化。這對池體強(qiáng)度和燈具、灶具燃燒效率的穩(wěn)定與提高都有不利的影響。 由于沒有攪拌裝置，池內(nèi)浮渣容易結(jié)殼，又難于破碎，所以發(fā)酵原料的利用率不高， 池容產(chǎn)氣率（即每立方米池容積一晝夜的產(chǎn)氣量）偏低，一般產(chǎn)氣率每天僅為0.15 米 3/米 3左右。 由于活動蓋直徑不

12、能加大， 對發(fā)酵原料以秸稈為主的沼氣池來說， 大出料工作比較困 難。因此，出料的時(shí)候最好采用出料機(jī)械。1.4.2 沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵發(fā)酵溫度維持在 30 35，此發(fā)酵工藝有機(jī)物消化速度較快，產(chǎn)氣率高，與高溫發(fā)酵 相比，所需熱量要少得多。 從能量回收的角度， 該工藝被認(rèn)為是一種較理想的發(fā)酵工藝類型。 目前世界各國的大、中型沼氣工程普遍采用此工藝。有機(jī)物厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、 產(chǎn)甲烷三個階段 （如圖 1 所示）。各階段各有其獨(dú) 特的微生物類群起作用。 液化階段起作用的細(xì)菌稱為發(fā)酵細(xì)菌， 包括纖維素分解菌、 脂肪分 解菌、 蛋白質(zhì)水解菌。 產(chǎn)酸階段起作用的細(xì)菌是醋酸分解菌。 這兩個階段起作

13、用的細(xì)菌稱為 不產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷階段起作用的細(xì)菌是甲烷細(xì)菌。圖 1 厭氧發(fā)酵三階段2 厭氧發(fā)酵工藝流程說明所設(shè)沼氣池采用厭氧發(fā)酵工藝流程。工藝流程圖如圖 2 所示，采用中溫厭氧發(fā)酵， 發(fā)酵時(shí)間為 30 天，也就是說 30 天進(jìn)行 次大換料。 一月到三月、 十月到一月溫度比較低， 這段時(shí)間對原料要進(jìn)行換熱處理。產(chǎn)生的 沼氣要經(jīng)過吸收塔吸收才能用，才能達(dá)到排放要求。圖 2 厭氧發(fā)酵工藝流程3 沼氣池體部分的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 發(fā)酵原料發(fā)酵原料：所設(shè)計(jì)的沼氣池所用的農(nóng)業(yè)固體廢物主要有豬糞和秸稈兩種，其年產(chǎn)量為3000 噸，因?yàn)樵谀戏?，所以秸稈為稻草?厭氧發(fā)酵的適宜碳氮比為 20：130：1，碳氮比達(dá)

14、35：1 時(shí)產(chǎn)氣量明顯下降，本沼氣 池選用的碳氮比為 25： 1。為使發(fā)酵過程有一個較高的產(chǎn)氣量，可將貧氮原料與富氮原料適當(dāng)配合成為具有適宜 碳氮比的混合原料。Cx混合原料碳氮比 kNx式中： K 混合原料的碳氮比C、 N 分別為原料中碳、氮含量， %x 原料的重量， kg 采用一次性進(jìn)料，一次性出料的方式，豬糞和稻草的月產(chǎn)量為250 噸，查羋振明固體廢棄物的處理與處置表 97得稻草中 C1為 42%、N1為 0.63%；豬糞中 C2為 7.8%、 N 2 為 0.6% 。設(shè)稻草有 x kg，豬糞則為（ 250-x） kg42%x 7.8% 250 xk 250.63%x 0.6% 250 x

15、求出 x=53.8 噸一次性投加的稻草為 53.8噸，豬糞為 196.2 噸。水壓式沼氣池的容積比較小， 對于每月 250 噸的原料無法全部容納， 因此分十個沼氣池同時(shí)作業(yè)， 每個池子一次性投加的稻草為 5.38 噸，豬糞為 19.62 噸。采用每 30 天投料一次， 30 天進(jìn)行一次大換料。3.2 沼氣池體部分設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)（ 1）氣壓： 0.1Mpa（即一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）為宜。（ 2）池容產(chǎn)氣率： 池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容一晝夜的產(chǎn)氣量，單位為 m3 沼氣/（m3池容 .d）。目前， 我國農(nóng)村沼氣池一般為常溫發(fā)酵， 在設(shè)計(jì)沼氣池時(shí)， 參照試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)和生產(chǎn) 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采

16、用產(chǎn)氣率標(biāo)準(zhǔn)為： 在溫度變化幅度為 1028，發(fā)酵料液中的干物質(zhì)含量為 6 10時(shí)，每天每立方米發(fā)酵料液產(chǎn)氣量為0.1 0.3m3，夏季產(chǎn)氣旺盛，冬季較差。我國通常采用的池容產(chǎn)氣率包括 0.15、0.2、0.25和 0.3 幾種，本設(shè)計(jì)取池容產(chǎn)氣率為 0.2。（3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內(nèi)的最大沼氣貯存量。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的最大貯 氣量以 12 小時(shí)產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。（4）池容： 池容系指發(fā)酵間的容積， 農(nóng)村家用水壓式沼氣池的池容積有4、6、8、10m3等幾種，現(xiàn)采用的集中式沼氣池容積比較大， 。（ 5）投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般

17、在 8595%為宜。3.2.2 發(fā)酵間的設(shè)計(jì)（ 1）確定池容 V稻草和豬糞的年產(chǎn)量為 3000噸，月產(chǎn)量為 250噸。因?yàn)榱弦旱暮食^ 90%，取 95%， 所以沼氣池的容積 V 可以定為 250 =5000（m 3） ，每個沼氣池的容積為 500m3。1 0.95（2）確定貯氣量貯氣量 =池容產(chǎn)氣率 池容 0.5=0.2 5000 0.5=500 m3，這是每月產(chǎn)生的總沼氣量，每個 沼氣池產(chǎn)生的沼氣通過管道連接在一起，進(jìn)入吸收塔進(jìn)行后續(xù)處理。（3）計(jì)算圓筒形發(fā)酵間容積：圓筒形發(fā)酵間由池蓋、池身、池底組成（如圖 3 所示），三個部分的容積計(jì)算公式如下：f22 r2f23圖 3 沼氣池發(fā)酵間

18、的組成2 2 2f1V1 f13R2f12f12r1116 1111322V2f2 3R2 f226式中： V1、V2、V3 分別為池蓋容積、池底容積、池身容積f1、f2 分別為池蓋矢高、池底矢高r1池蓋曲率半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為r2 池底曲率半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為21f2 R2 f22 ；R 池體內(nèi)徑H 池身高度 圓周率，取 3.14 綜合圓形沼氣池的內(nèi)力結(jié)構(gòu)計(jì)算，材料用量計(jì)算和施工、管理、 f 1 f f1 = 1 ，池底失跨比 f2D 5 D般認(rèn)為池蓋矢跨比1 和池身高8使用技術(shù)等各種因素，D 時(shí)沼氣池的尺寸比較合2.5理。V1D8DD36 5 2R= D 代入上面各式得： 22

19、0.0827D30.0501D3D 0.314D323 2 2.53 3 3 3V= V 1+V 2+V 3=0.0827D 3+0.0501D 3+0.3142D 3=0.447D3 3VD=0.447D 3 V 500 10.38(m)0.447 0.44710.382.076( m)510.38f21.2975( m)810.38=4.152( m)2.5D 10.38R5.1(9 m)221 2 2r1 5.192 2.0762 7.526( m)2 2.0761 2 2r2 5.192 1.29752 11.029( m)2 2 1.2975說明：沼氣池的總高為 7.52m，因?yàn)榈叵?/p>

20、水位在地面下 5-6m。假設(shè)在地面下 6m，為了避免污 染地下水，所以可設(shè)沼氣池的地下埋深為 5m，在地面以上的部分為 2.52m。確定進(jìn)出料管的安裝位置： 水壓式沼氣池進(jìn)出料管的的水平位置， 一般都確定在發(fā)酵間直徑的兩端。（4）進(jìn)出料管的垂直位置一般確定在發(fā)酵間的最低液面設(shè)計(jì)高度處。該位置的計(jì)算方 法如下： 計(jì)算死氣箱拱的矢高：即池蓋拱頂點(diǎn)到發(fā)酵間的最高液面OO 位置的距離，如圖 4所示。其中，死氣箱拱的矢高 f 死可按下式計(jì)算f 死=h1+h2+h3式中： h1池蓋拱頂點(diǎn)到活動蓋下邊緣平面的距離（計(jì)算過程略去），對 260cm 直徑的活動蓋，該值在 40 60cm 之間，取 50cmh2

21、導(dǎo)氣管下露出長度，一般取 12 20cm，取 15cmh3 導(dǎo)氣管下口到 OO 液面距離，一般取 80 120cm，取 100cmf 死=50+15+100=165cm=1.65m圖 4 死氣箱的矢高1、活動蓋2、導(dǎo)氣管3、蓄水圈4、死氣箱5、固定拱蓋 計(jì)算死氣箱的容積 V 死2f 死V死 = f死2 r1 死3式中： V 死、f 死、r1分別為死氣箱容積、死氣箱的矢高、池高曲率半徑2 1.65V死 3.14 1.652 7.526 - 59.6V V死 100%V3m3 求投料率：根據(jù)死氣箱容積，可計(jì)算出沼氣池投料率，投料率式中： V、V 死 分別為沼氣池容積和死氣箱容積，500 3.9投料

22、率 = 100%=98.22%500 計(jì)算最大貯氣量 V 貯3V 貯=池容 池容產(chǎn)氣率 0.5=500 0.2 0.5=50m3 計(jì)算氣箱總?cè)莘e V 氣V 氣 =V 死+V 貯式中： V 氣、V 死、V 貯 分別為沼氣池氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有效氣箱容積（最大貯氣量）V 氣= 59.6+50=109.6m 3計(jì)算池蓋容積 V 1 V1= f1 3R2 f126式中： V1、f1、R 分別為池蓋容積、池蓋矢高和池體內(nèi)徑2.076 2 2 3 3V1 3.14 3 5.192 2.0762 92.5m3 109.6m3 6因此 A A 液面位置在池身內(nèi)計(jì)算發(fā)酵間最低液面位 A A對于一般的沼氣

23、池來說， V 氣均大于 V1，也就是說 A A 液面位置在圓筒形池身范圍內(nèi)， 此時(shí)，要確定進(jìn)出料管的安裝位置，應(yīng)按下式先算出氣箱在圓筒形池身部分的容積 V 筒 V 筒=V 氣 -V 1由于 V 筒=R2h 筒，因此 h筒 = V筒2R2式中： h 筒 圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度R 圓筒形池身半徑A A 液面位在池蓋與池身交接平面以下 h 筒的位置上， 這個位置就是進(jìn)出料 管的安裝位置。V 筒=109.6 -92.5=17.1 m317.1h筒2 0.2m筒 3.14 5.1923.2.3 水壓間的設(shè)計(jì)水壓間的設(shè)計(jì)包括確定以下三個尺寸：（ 1）水壓間的底面標(biāo)高， 此標(biāo)高應(yīng)確定在發(fā)酵間開始工作狀態(tài)

24、時(shí)的液面位置OO 水平。（ 2）水壓間的高度 H：此高度應(yīng)等于發(fā)酵間最大液位下降值H1與水壓間液面最大上升值 H2之和，即 H=H 1+H2（ 3）水壓間容積：此容積等于池內(nèi)最大貯氣量。 水壓間的計(jì)算如下：設(shè)計(jì)參數(shù)3最大投料量 V max=90% 500=450m3 儲氣系數(shù) KG=0.533產(chǎn)氣率 K= 0.2m 3/（ m3d）3總?cè)莘e V=500 m 3直徑 D=10.38 （m） 池蓋曲率半徑 r1=7.526 （m） 矢高 f1=2.076（ m） 設(shè)計(jì)計(jì)算 a.集氣間體積 V0 （m3），儲氣量 V G（m3）3V 0=V-V max=500-450=50 （m ）3VG= Vma

25、xKKG=450 0.2 0.5=45（m3） b.根據(jù) VW=V G，就可求出水壓間的直徑 DW。假設(shè) hw=2m 則DW4VGhw4 455. 3m53. 14 24 配套設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 換熱器的計(jì)算因?yàn)榱弦汉食^ 90%，可以把料液當(dāng)水看待。料液從5升至 35，熱水從 75 降至 45，逆流流動。每月的原料液一次性進(jìn)入換熱器，加熱后再進(jìn)入沼氣池進(jìn)行中溫發(fā) 酵，每個沼氣池配一臺換熱器，則原料液流量為500m3/月，換熱時(shí)間為 5h，則原料液的流量為 105 kg/h 。（1）計(jì)算熱負(fù)荷（不計(jì)熱損失）及熱水用量105Q qm1C p 1 t2 t14.183 103 35 5 3.

26、48 106W3.48 106qm2Cp2 T1T254.179 103 74 45 27.8kg/s 105kg/hm1 p1 2 1 36002）平均溫度差t 1=75-35=40 ； t2=45-5=40 因?yàn)?t1 = 40 =10.8t2t135 5T1t175 5可行， tm= t 逆=0.88 40=35.2（ 3）估算傳熱面積 A 估Q 3.48 106選總傳熱系數(shù) K 估=1200W/ （ m2.K）， A估82.39m2估 K 估 tm 1200 35.2（4）試選型號 因?yàn)樵弦褐泻袘腋∥镔|(zhì)，長期在換熱器中流動，會有部分沉積，造成換熱管堵塞， 增大污垢熱阻， 必須經(jīng)常清

27、洗換熱器。殼程中有旋流擋板，易造成懸浮顆粒沉降， 而管程則 易于清洗，所以熱水走殼程，料液走管程。管內(nèi)料液的流速選取 u1=2m/s選取傳熱管 25mm2.5mm，其內(nèi)徑 d1=0.02m ，外徑 d2=0.025m 估算單程管子根數(shù)為qm1n23600d12 u1410523600 998.2 0.785 0.022 244.3，取 45 根根據(jù)傳熱面積 A 估估算管子長度10L=23.3mA估= 82.39d2 n 3.14 0.025 45若用 4 管程，則每管程的管長選用 L=6000mm由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)初選浮頭式換熱器型號為 BES600-2.5-90-6/25-4I管總數(shù) N=18

28、8 根，每管程的管數(shù) n=188 =47 根，管中心距 t=32mm，正方形錯列。殼體4內(nèi)徑 D=600mm ，折流擋板間距 h=200mm ，故折流板擋板數(shù) NB= L -1= 6 -1=29 塊。傳熱 h 0.2面積 A 選 =86.9m2（ 5）校核總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù) 15qm1105管內(nèi)料液流速= 3600 1 = 3600 9928.21.89m/sd2 n 0.785 0.022 47d1 n4Re1=d1 u1 10.02 1.89 998.21.004 10 337581.6Pr1= cp1 1 = 4.183 103 1.004 10 3 7 1 0.5991 0.8

29、 0.31=0.023 1 R 0e1.8 P0r 1.3 =0.023d10.5990.0237581.6) 0.8 70.4=6832.26W/m 2.K殼程對流傳熱系數(shù)殼程流通截面積 S=hd（ 1- d0 ）= 0.2 t250.6 (1-)=0.0263m232qm227.8熱水的流速 u2=2 S 983.1 0.02631.1m/ s正方形排列的當(dāng)量直徑de=4 (td02)224 (0.0322 0.785 0.0252)3.14 0.0250.027mRe2de2 u20.027 983.1 1.1469.9 10 662136.81Nu2 Pr2 3( 2 )w0.14=1

30、63，Pr2=cp24.179 103 469.9 10 60.6592.9811熱水被冷卻，?。? ） 0.14 =0.95w2 1 2 -0.14 0.659 3 22=163 2 Pr2 3（ 2 ）-0.14=163（2.98） 30.95=2626.9 W/m 2.Kde r2 w 0.027 總傳熱系數(shù)2取污垢熱阻 Rd1= Rd 2=0.0002m 2.K/W ，碳鋼的熱導(dǎo)率=45W/ （m.K）1 1 b d1d1d1=+Rd1+1 +Rd2 1 + 1K 1 dmd22 d21 0.0025 20 20 20= +0.0002+ +0.0002 +6832 .26 45 22

31、.5 25 2626.9 25 =0.0008592K=1164.1 W/m 2.K 傳熱面積A= Q = 3.48 10 =84.9m 2 與原估計(jì)值基本相符 K tm 1164.1 35.2A選 86.9選 =1.02 ，即傳熱面積有 2%的裕量，符合要求A 84.94.2 吸收塔的計(jì)算（ 1）傳質(zhì)推動力的計(jì)算在溫度 t=35，總壓 0.2Mpa 下，含有 H2S 0.034%（摩爾分?jǐn)?shù)）的沼氣與清水接觸，吸 收其中的 H2S。相同條件下，氣體密度之比等于氣體相對分子質(zhì)量之比?？諝馄骄肿恿渴?9，硫化氫是 34，所以硫化氫密度比空氣的大。 35時(shí)空氣的密度是 1.15kg/m 3，則 H

32、2S 的密度是 1.34 kg/m 3，吸收后 H2S 的必須小于 0.06mg/m3，即 4.48 10-8，吸收率要達(dá)到 99.99%以上。一般 硫化氫的濃度超過 0.02%時(shí)可引起人頭痛、乏力、失明、胃腸道病等癥狀。超過0.1%時(shí)，可很快致人死亡。 從實(shí)際情況考慮， 只要 H2S的摩爾分?jǐn)?shù)低于 0.02%即可， 所以本設(shè)計(jì)要求 吸收率達(dá)到 98%，即出口混合氣體中 H2S 的摩爾分?jǐn)?shù)是 0.00068%。從化工原理表 5-1 查得 H2S 水溶液的亨利系數(shù) E=68.6Mpa ，總壓 P=0.2Mpa ，相平衡常數(shù) m= E = 68.6 343 p 0.2Y1y10.034% 0.03

33、4%1 1 y1 1 0.034%98% 1 Y2 ,Y2 Y1 1 98% 0.00068%Y1X2 0,Y2 mX2 0Y2 Y2 0.00068%（2）吸收劑（水溶液）用量的計(jì)算12設(shè)計(jì)參數(shù)由沼氣池出來的沼氣用水溶液去除其中的H2S，每月沼氣產(chǎn)量為 500m3， 0.5h 處理完，則混合氣體的流量 1000m3/h，沼氣的溫度為 35，其中的二氧化碳、甲烷等氣體可視為惰 性氣體，性質(zhì)認(rèn)為與空氣相同。吸收劑用量為最小用量的 1.1 倍，已知操作壓力為 2 個標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓。設(shè)計(jì)計(jì)算惰性氣體流量為1000 273G 1 0.034% 39.55kmol /h22.4 273 35LY1 Y2 0.