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北京化工大学
化学工程学院
设计说明书
(
“化工设计”课程作业)
题目:废水脱氨工艺设计
班级:化工
0708
组长:张
博
200711234
组员:于
佳
200711223
陈一珲
200711238
胡
迪
200711242
梁
微
200711247
指导教师:纪培军
p>
2010
年
12
月
1
日
北京化工大学
化工设计说明书
目
录
1.
工艺
设计基础……………………………………
2
1.1
设计依据??????????????????
2
1.2
装置组成及名称???????????????
2
1.3
原料、化学品的性质及技术规格???????
?
2
2.
工艺说明…………………
………………………
4
2.1
p>
生产方法、工艺技术路线及工艺特点??????
4
2.2
工艺流程说明??????
??????????
5
3.
工艺
计算及主要设备设计……………………
6
3.1
换热器热量衡算以及工艺设计?????????
6
3.2
萃取塔物料衡算以及设备工艺计算???????
9
3.3
汽提塔物料衡算以及设备工艺设计???????
15
3.4
吸收罐物料衡算及设备工艺设计????????
18
4
.工艺控制条件及自控设计……………………
21
5
.附表和附图……………………………………
22
参考文献…………………………………………
25
附
:
小组分
工明细及评分……………………
25
1
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1.
工艺设计基础
1.1
设计依据
设计项目
:废水脱氨工艺设计
产品名称
:脱氨达标废水
及
21 %
(
w/w
)浓氨水
处理要求
:脱氨水中氨含量小于
100
mg/L
浓氨水中氨含量大于
21 %
(
w/w
)
处理能力
:额定处理量
2.5
m
3
/h
最大处理量
7.0
m
3
/h
设计要求:
1.
工艺可靠
2.
操作简单,操作弹性大
3.
设备投资费用低
4.
单位产品能耗尽可能低
具体设计参数:
原料液(废氨水)中的杂质含量:
NH
3
-N:
3.0
g/L
C
U
: 250 mg/L
原料液温度
:
60
o
C
~
80
o
C
原料液酸碱度:
PH
值
8.0
~
9.0
氨氮存在于许多工业废水中
,
其排进水体尤其是缓慢流动的湖
泊、海湾,容易引起藻
类及微生物大量繁殖,形成富营养化污染。目前大多废水仅仅经简
单处理就直接排放,严
重污染环境。
因此,
我国对氨氮排放制定了更严格的标准,
研究开发经济高效的脱氨技术,
也成为工业排放废水污染控制工程领域的重点和热点。
2+
1.2
装置组成及其名称
该工艺包含列管式换热器,转盘萃取塔
,
汽提塔和
间歇式反应釜。
1.3
原料、化学品的性质及技术规格
2
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序号
1
2
3
4
名称
Cu
2
?<
/p>
规格
混合配方
表
1-1
原料技术规格
国家排放标准
备注
萃取剂
调
pH
值
LIX984N
CaO
3
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2.
工艺说明
2.1
生产方法、工艺技术路线及工艺特点
2.1.1
生产方法
采用先萃取后吹脱的方法,先利用萃取剂萃取废水中的铜离子,再应用汽提塔将废水
中的
氨吹脱出来,最后吸收浓缩成达标产品——浓度为大于
21%
的
浓氨水。
2.1.2
工艺技术路线的确定
(
1
)脱除
铜离子方法的确定
废水脱氨,其主要工艺是如何将废水中的氨
提取并且浓缩成产品需要的高浓度氨水,
但因废水中含铜离子,且在该温度和
pH
值下,铜离子和氨要形成配合物
,
这就给直接脱氨带来了难度,所以必须优先除去铜离子,才能尽可能彻底的脱除氨,且废< p>
水中含重金属离子也不能排放,要进行重金属离子的回收。由于萃取在湿法冶金工艺里应< p>
用广泛,
因此,
在去除铜离子的工艺上我们采用萃
取技术,
应用萃取剂
LIX984N
萃
取废水
中的铜离子,然后进入解吸塔对铜离子进行解吸,反萃出铜离子,并对其进行回收
,与此
同时萃取剂进行循环使用。
(
2
)脱氨浓缩工艺的选择
从萃取工艺流出的废液中只含氨,且
pH
值仍为
8~9
。由于在该
pH
值下游离的氨较
少,所以先使用熟石灰(
)将废水
pH
值调至
11<
/p>
,然后进入汽提塔。由于空气吹
脱法在处理废水中氨的工艺中最为
常见,所以我们采用汽提塔,利用空气将废液中的氨吹
脱出来。吹脱出的含氨空气最后进
入吸收罐浓缩。由于常温下氨气对水溶解度为
700:1
,
p>
所以采用简易通入式吸收法,经汽提塔处理的含氨空气直接通入吸收罐中至氨水饱和。
(
3
)萃取剂的选择
采用萃
取技术对废水中铜离子进行脱除和回收,源于湿法冶金工艺。其常用萃取剂
多为
LIX
系列有机萃取剂还有其他类型萃取剂,但都多为复合型配方,其性
能各有不同。
在碱性条件下,
萃取剂
L
IX984N
能够打破铜氨络合平衡,
在萃取铜离子的同时只带
出极少
4
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量的氨,可忽略不计
。除此之外,反萃过程能够解吸出大量铜而几乎不损失萃取剂,可以
实现循环使用,
p>
能够减少萃取剂更换成本,
因此我们选取
L
IX984N
作为萃取工序的萃取剂。
2.1.3
工艺特点
根据设计任务选取的工艺流程皆能满足排出液的浓度要求,整体设计对设备要求不
高,能
够减低设备投资费用,且操作简单,操作弹性大,适合工业处理废水。除此之外,
对于额
外化学品的消耗量如萃取剂,通过解吸循环使用,能够节约用量从而节省投资。废
液开始
换热降温后,整个工艺流程都在常温下操作,能耗低。
2.2
工艺流程说明
废液首先进入换热器进行换热,然后进入萃取塔进行铜离子的萃取,经萃取的废液进
入液体缓冲罐,调节
pH
值,携带铜离子的萃取剂进入反萃
取塔解吸出铜离子。解吸后萃
取剂进入萃取塔循环使用,解吸出的铜离子进入铜离子回收
罐。从缓冲罐出来的废液进入
汽提塔进行空气吹脱除氨。待吹脱工序进行完毕后,废液可
排放,携带氨气的空气进入吸
收罐进行氨的吸收浓缩,使产品达标。
5
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3
.工艺计算及主要设备设计
3.1
换热器热量衡算以及工艺设计
3.1.1
工艺计算
常压下用地下水冷却
5m
?
/h
含氨
3g/L
的废水。
废水进口温度
废水出口温度
冷却水进口温度
冷却水出口温度
(
1
)物性常数
物性常数
定性温度
比热
密度
粘度
导热系数
普朗克准数
Pr
冷却水
(1)
25
4.178
997
0.886
0.608
6.16
表
3-1
换热物料物性常数
废水
(2)
50
4.178
988
0.547
0.648
3.54
(
2
)热负
荷计算
废水处理量
则热负荷
(
3
)冷却
水用量
(
4
)平均温度差
6
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(
5
)估算
传热面积与管子根数
列管换热器水
-
水系统冷却操作初选传热系数
K=2500
估算值为:
单程管数为
单程管长为
,则所需传热面积的
选定换热器管长
l=6m
,则管程数
则取
程,则总管数为
3.1.2
换热器的选择和核算
(
1
)初选换热器
根据
传热面积为
7.3
公称直径
传热面积
S
管
数
管子规格
管子排列方式
正三角形
表
3-2
换热器参数
,
,
查表,选用
G273-2-25-7
列管换热器,其实际
,有关参数如下,见表
3-2
:
7.3
公称压力
管
程
数
管
长
管
心
距
7
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(
< br>2
)管程压降的计算
管程雷诺准数为
< br>由于钢
管的
绝对
粗糙
度
,又取管程结垢校正系数
,故
< br>,查
与
及
的关系
图,得
,故得管程压降为:
所以,压降满足要求。
(
3
)计算管内给热系数
因为
,而且
,故
(
4
)管外
给热系数
为
及
K
的计算
由此可算得
K
值为
(
5
)计算传热面积和安全系数
按传热方程计算的传热面积为
实际传热面积为
因为此值在
1.1~1.5
范围内,所以换热器选择合适。
,则安全系数为
8
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3.2
萃取塔物料衡算以及设备工艺计算
3.2.1
设计条件
用萃取剂
LIX984N
萃取废水中铜离子的转盘萃取塔
,
已知条件如下:
原料混合液流量
Cu
Cu
Cu
2
?
(即
;
;
)
;
在水中
的初始浓度
在水中的最终浓度
在萃取剂中的初始浓度
;
2
?
2
?
;
萃取塔中的温度为
当浓度单位以
3.2.2
设计计算
(
1
)萃取
剂用量
由于
Cu
率为
2
?
表示时,本设计中相间平衡关系可
用公式
,其中
。
的浓度很低,萃取过程中相密度的变化可以忽略。因此,所需
Cu
< br>2
?
的提取
由相间平衡式和物料衡算可得萃取剂的最小用量:
取萃取剂流量为
料混合液流量大
p>
1.6
倍。
Cu
2
?
,即
,约
为最小用量的
4.4
倍,比初始原
在<
/p>
LIX984N
中的最终浓度为
(
2
p>
)平均液滴尺寸
因为
LIX984N
的用量较大,
故用它做分散相。
由于
Cu
参数时,相应的取
25
℃的水和
LIX984N
的性质
,即:
水:
2
?
浓度低,
计算所需各相的有关<
/p>
,
,
9
,
;
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LIX984N
p>
:
,
,
。
转盘萃取塔内部装置尺寸取下列关系:
式中的
取
分
别为塔径、转盘直径和固定环内径;
h
为每段高度。
,
且假定段数
p>
N
为
20
,则平均
液滴尺寸
d
为:
(
3
p>
)液泛时各相的总空塔速度
液泛时各相的总空塔速度为
式中,
——
液泛时的滞液率。
时,其滞液率为
当分散相与连续相的体积流量比
u<
/p>
T
——
液滴的特性速度,且
,
其中
u
0
为
p>
LIX984N
液滴在水中的自由沉降速度。对大液滴沉降速度的计
算可利用下列经验关
联式:
如果
如果
式中
为相间张力。
依次代入数据可求得:
10
,则
,则
;
;
;
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则
,
所以
液泛时的总空塔速度
3.2.3
塔径与内部装置尺寸
最小可能塔径为
,故液滴物性速度
圆整塔径
,则总空塔速度为
因为
,则塔的各空塔速度为
各相的总速度约为液泛时各相总速度的
87.5%
。
萃取塔内部装置的主要尺寸为
转自的转速为
3.2.4
相接触比表面积
滞液率
可由下式求得:
将空塔速度和特性速度代入上式可得
11
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< br>解此方程可得滞液率
相的接解比表面积为
3.2.5
萃取塔塔高
连续相的纵向混合系数为
即
分散相的纵向混合系数为
即
塔中液滴的相对速度和雷诺准数分别为
又因为
所以
因为
在计算液滴尺寸时,萃取塔的段数
取
20
,因此作为萃取塔高度的第一次逼近值取
12