废水脱氨实用工艺设计第三组

1、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： 博 200711234 组员：于 佳 200711223一珲 200711238胡 迪 200711242梁 微 200711247 指导教师：纪培军2010年 12月 1日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 工艺设计基础 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1设计依据21.2装置组成及名称 21.3原料、化学品的性质及技术规格2 HYPERLINK l

2、 bookmark8 o Current Document 工艺说明 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点 42.2工艺流程说明5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 工艺计算及主要设备设计 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.1换热器热量衡算以及工艺设计 6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.2萃取塔物料衡算以及设备工艺计算 9 HYPERLINK

3、 l bookmark24 o Current Document 3.3汽提塔物料衡算以及设备工艺设计15 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4吸收罐物料衡算及设备工艺设计18 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 工艺控制条件及自控设计 21 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 附表和附图 22 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 参考文献 25附: 小组分工明细及评分25工艺设计基础1.1 设计依

4、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 .工艺可靠操作简单，操作弹性大设备投资费用低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：NH3-N:3.0g/LCU2+:250 mg/L原料液温度：600 C80 C原料液酸碱度：PH值8.09.0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

5、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。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。原料、化学品的性质及技术规格序号名称规格国家排放标准备注1NH?-N 10mg/L2Cu2250mg/L 2mg/L3LIX984N混合配方萃取剂4CaO调pH值表1-1原料技术规格工艺说明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

6、缩成达标产品一一浓度为大于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I血片3儿彳+， 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 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 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

7、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89。由于在该pH值下游离的氨较 少，所以先使用熟石灰（”（期）2）将废水pH值调至11,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,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。

8、 在碱性条件下， 萃取剂 LIX984N 能够打破铜氨络合平衡， 在萃取铜离子的同时只带出极少 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，能够减少萃取剂更换成本， 因此我们选取 LIX984N 作为萃取工序的萃取剂。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

9、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。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5m3/h含氨3g/L的废水。废水进口温度5 = 75C废水出口温度冷却水进口温度= 15C冷却水出口温度5 =(1)物性常数物性常数冷却水(1)废水定性温度5弋2550

10、比热5灯闷代4.1784.178密度P如卅997988粘度#Pti0.886x 1宀0.547x 10 _导热系数久呼/(WC )0.6080.648普朗克准数Pr6.163.54表3-1换热物料物性常数热负荷计算废水处理量=1.37 kg/s9刖X3600则热负荷(3)冷却水用量2866604178 X (3515)Q = G2C2 (t2 - tj = 1.37 x 4.178 x (75 - 25) = 286660 iv3.43 kg/s平均温度差(片 T2) -(S - 邙In=21.64 C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 - ；,则所需

11、传热面积的估算值为:286660 = 5.3 m2500 x 21.64单程管数为4 X 3.43r二 io 根1.6 x (IE x 988 x 3,14单程管长为S5,3=8.44 Tn几如 7 x 0 025 x 314选定换热器管长l=6m，则管程数8,44 =1.41 p 6则取.程，则总管数为n= 2n = 20 |1!3.1.2换热器的选择和核算初选换热器根据S =5-3m 0根，厂乙查表，选用G273-2-25-7列管换热器，其实际传 热面积为7.3机I有关参数如下，见表3-2：公称直径用273 mm公称压力525 x lO Pa传热面积S7.3世管程数2管数20管长16rri

12、管子规格025 X 2mm管心距t32mm管子排列方式正三角形表3-2换热器参数（2）管程压降的计算管程雷诺准数为亠 dup 0.02 x L6 x 988Re = = 57800“0. 547 x 10 3由于钢管的绝对粗糙度，又取管程结垢校正系数，故得管程压降为:1,5+ 3 | x L5 x 2 x0.02988 X=8251-8PU 10000|，而且”d = 6/0.02 = 300 50|，故at = 0,023(/?t?) a(Pr)04 = 0,023 x x 57800E x 3540,4 = 7969.1)（4）管外给热系数叫及K的计算叫的计算为a = 2.O2E/T,由此

13、可算得K值为= 4732.8lt7(mC )K = 23】8.3W7(mC )心园0 1+ * +人“州 ao（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S = = 5+71m2实际传热面积为7.3 m2,贝咬全系数为7,3=1.285,71因为此值在1.11.5围，所以换热器选择合适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 如那血加(即曲如；CU2在水中的初始浓度匚吨=(必旳加；Cu2在水中的最终浓度心1 =亦02炀Cu2在萃取剂中的初始浓度：；萃取塔中的温度为；当浓度单位以畑伽表示时，

14、本设计中相间平衡关系可用公式 5W，其中尬二1.693.2.2设计计算(1)萃取剂用量由于Cu2的浓度很低，萃取过程中相密度的变化可以忽略。因此，所需Cu2的提取率为rj = l - = 1-兰空=0,992G 025由相间平衡式和物料衡算可得萃取剂的最小用量:ojnin0*992 x 0.001389 x 25 =玄車命厲1,69 X 025 - 0.005取萃取剂流量为mJ,即叫=00伽佔，约为最小用量的4.4倍，比初始原料 混合液流量大1.6倍。Cu2在LIX984N中的最终浓度为S5戈% = 5 卜(Cw2 - 心 J = 0.002 4- (0.25 -0.002) = 00974切

15、/卅平均液滴尺寸因为LIX984N的用量较大，故用它做分散相。由于Cu2浓度低，计算所需各相的有关 参数时，相应的取25C的水和LIX984N的性质，即：水： = 997肋/n?，% = 0励” =血|，X 1厂仏；LIX984N :知=920炀/同，沧=38mPaq Ap = 77/m3， = 2 x 10卅网。转盘萃取塔部装置尺寸取下列关系：DP 2 Dh 3 h 1A JtD 3 D 4 D 3式中的D Dv 分别为塔径、转盘直径和固定环径；h为每段高度。取“耳=,且假定段数N为20，则平均液滴尺寸d为:d = 16.7 x=16 7x (佃4%伽1 严=绅沖O.2099979BlO22

16、O(1230DJ咱沪吶伽液泛时各相的总空塔速度液泛时各相的总空塔速度为傀+ W厂(1 - 4狄+ 7 - 4沁野式中,液泛时的滞液率。当分散相与连续相的体积流量比时，其滞液率为Jbz + 8方一Sb J2.62 + 8 X 2.6 -3 x 2.6=0.3984(1 -Z?)4 x (1-2,6)Ut液滴的特性速度，且，其中Dh + Dpl(DhD十05 = 0.485uo为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 2T70|，则Q =认式中 Q = 0.75 + Re/Pl5 ；71 =阳加町；p = pF/(3肿：)；C为相间力。依次代入数据

17、可求得：9972 x 0-03413“P = 8.1685 X 诃77 X 9.81 X O.OOOB944-f8.1685 X IO10)0157 = 4 x 77 x 9.81 x 0.002032 x = 5.27423 x 0.0341Q = (0,75 X 5.2742)78 = 2.923Re = 941632则.,所以，故液滴物性速度 aug = 0.485 X 4,16 cm/s液泛时的总空塔速度(叫十) s = (1 -4 x 0398 + 7 x 0.3982-4x 0,3983) X 1.91 = 5.05 x323塔径与部装置尺寸最小可能塔径为4匕+ 哄) 14(000

18、3611 +0.001389)讪17 = J I= 1.12 wt严(叫 + 片)$ Q 3.14x5.05 X103圆整塔径亠4,贝U总空塔速度为(斗+ %) 5 = 4 x (0.0036110.001389)/(122 X 344) =442 Xudr = 2,6因为，则塔的各空塔速度为叫=ufi = 0J19c?n/s ;uH. u(. = 0.123 cm/s各相的总速度约为液泛时各相总速度的87.5%萃取塔部装置的主要尺寸为(DPDp= D閒=O.e mh =山4 用转自的转速为叫0.2n 0*25 r/sDv 0.8324相接触比表面积滞液率 可由下式求得:0将空塔速度和特性速度

19、代入上式可得- 2p2 +0.3190.123Til L91 /0319=01.91解此方程可得滞液率相的接解比表面积为6p d6 x 0.2522.03 x 10-3= 745 m2/325萃取塔塔高连续相的纵向混合系数为Ee = 0.5 xutJi1 - 1)分散相的纵向混合系数为u.hD.t Dh DnEi - 0.5 x + 0.09()?()2打劈DDD戸即=耳=05 x 回9*0.4 o og0.2522x 07 x 0+4 二 291 x 10Sn2/5塔中液滴的相对速度和雷诺准数分别为ud uc 0.3190.123Re =2.03 x 101A3 x 10-2 x 9970.

20、894 x IO-332.4又因为p沪p -=炕山如= 81685 xlol077 x 9.81 x 0.0008944所以3a=4 X 77 x 981 x 0.00203 2 x(8.1685 x 10H,l(J15=5,27423 x 0.0341因为f三: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 H = Nh = 20 x0A = &7n，计算分传质系数。检 0-984 X 10 3丸=_= 054Schimidt 数为卩几 997 x xlQ 9因为Sherwood数为Sht = 06恥饰S：=0.6 x 32415 X 8S40 5 = 99.8故

21、DeL05 x 10_k=k= Sh = 99.8 x= ().516 x 104 m/s2,03 x 10 3pH 0.252 x 0t = 632 sD.319 x 10 _27.07 x 10-4.4 x 2 x 109 x 632F()d = = L227d2(2.03x10 于甩3.8 x W3= 一 - = 2065920 x 2 x 10P圧d 997 x (1.43 x 10-2)2 x 2.03 X IO-3We = 0.0121ju = 2,37召)103 / - I3。混合气体流量= 145m /niHL，设计要求浓氨水含量大于21%由已知条件得所需氨水摩尔浓度为2117

22、yNH = = 12. 316mol/L = 12316mol/mJ叫 100997因此，设计从汽提塔出来的气体进入吸收罐进行吸收，浓缩。计算得氨气的摩尔流量为往吸收罐通入清水，气体从吸收罐下部通入，根据已知条件得：单位体积达到规定浓度所需吸收时间t - 12316 mol/m3/15.3B mol min = 800.7 B mi J设吸收罐体积为V = 14川：有效体积W = 103则吸收所需时间 T = tV* = 800.78 min/m3 X 10m3 = 8008mih从通入气体到吸收进行8008min后停止通气，然后进行放液（同时打开与之相联的最 终产品罐的阀门），放液结束后通入

23、新的清水，重复之前的操作。设设吸收罐进液流量和放液流量均为 VriiiiL，有效体积为10卅，丁 排= 10/5 =阿那么，加液排液共需时间应Eg342吸收罐主要部分尺寸的确定（1）罐体设计因为该吸收属于气液反应，吸收罐采用椭圆罐底，罐的高径比在12之间，封头111-6 2:恥，封头体积：二広131声。设匸一，已知，且5心心 m m（罐体总高度为上|,封头高度旳，罐体高度也，直径为巧。那么由公式 4上，代入数据可得D =II - L06nj，查表圆整得II. II .： : n i0（2）壁厚计算已知公式Pc x Dis =2aY-Pc杳表得设计压力 匕二土 1GMP心Dj = 2OOO11H

24、1= 1餡MPm 玉二32oMPat 0二匚 （双面焊对接接头，100%佥测），代入数据得卩严口2,16 X 2000s = = = 17.3_ p 2 x 163 x 1 2.16杳表 q 二 0, Sumi 则C = C - Cz = 1, 8昭取血17.3，故 I -，圆整后取k -煮祸，选用20mn厚的16MnR钢板作罐体。封头设计已知公式并计算得Pc x Di2.16 x 20002 打F-0.5&2 x 163 x 1 - 0,5 X 2+16)J，31qmm 杳表J 二0. 8mn 贝1.只耐 故二- I打二 匸i-i圆整后取二-工，：工，所以封头厚度也取厚度 20mm的16Mn

25、R钢板作罐体附件选取法兰：根据公称直径2000mm工程压力0.25MPQ选平焊法兰甲型，标准号为 JB4701-92, 法兰材料为Q235-A。夹套：氨气溶解为放热反应，由于通入水为空气与氨气的混合气，通入时的鼓泡促进罐热量分布均匀，罐体外夹套通入冷水进行冷却。排空阀：由于氨气在混合气体中摩尔分数小，氨被溶解后剩余大量空气，吸收罐顶部有排空阀，防止因通入气体使罐压力过大。除此之外，灌顶同时有测压接管、测温计4工艺控制条件及自控设计换 热：以 C101B 为备用换热器，在出口检测温度调节冷却水流量。液体缓冲：以 F102A 为优先存储，根据检测的 PH 调整碱液进入流量。F103 为备用安全保障

26、储罐，保证上下游罐体安全。萃 取：检测来流物料流量调节萃取液流量。以 E101B 为备用。吹 脱：由前述则为已知浓度的氨溶液，则检测来流物料流量，出料量，进入空气量可计算出料浓度，通过调整空气流量保证浓度。 在塔体检测压力降，与温度通过调整空气流量保证安全。以 E103B 为备用。产品吸收：在罐体设压力温度检测调节进水流量，以 F104B 为备用和安全保障储罐，在 F104A 设液位检测若过高调整去 F103B 同时若发现产品不达标则全部流入 F104B 再回流至吹脱工艺。 F105A/B/C/D 为最终产品罐。5.附表和附图5.1设备参数总览5.1.1换热设备参数一览流程编号名称介质管程数温

27、度(C )压力流量(m3/h)平均温差C)热负荷(kJ/h)传热系数I ME)传热面积C(m2)形式进岀计算实际C101A/B冷却器管废水7525常压521.6410319762318.35.717.3列管式管间地下水1535常压1.6表5-1换热设备工艺设计参数5.1.2塔设备参数一览(1)萃取塔工艺参数流程编号名称介质操作温度(忙)塔顶 压 力(m3/h)允许空塔速度(m/s)塔径(m)塔板类型板间距(m)塔板数塔高(m)废液萃取剂计算实际计算实际E101A/B转 盘 萃 取 塔废水萃取剂25常压5135 05 x It1 1.121.2转盘0.420228.8表5-2萃取塔工艺设计参数(2)汽提塔工艺参数流程编号名称介质操作温度(吃)压降(m3/h)塔径(m)填料类型传质单元高度(m)传质单元数填料高度(m)废液萃取剂E103A/B汽提塔废水空气25常压52.40.60625mm包尔