【正文】 graphic the main reactor device diagrams, flowcharts and floor plans Key words: Spent pickling solution。全文對設(shè)計方案，設(shè)計原理，反應(yīng)設(shè)備原理，運行操作 事項等做了詳細(xì)的闡述。 本文針對含鐵廢鹽酸資源化利用，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的工藝進(jìn)行分析比較，設(shè)計了一套適合中小型鋼鐵企業(yè)的酸洗廢液資源化工藝流程：蒸發(fā)結(jié)晶法。因而，鹽酸酸洗廢液不可避免地成為了一項環(huán)境和資源問題。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 含鐵廢鹽酸資源化處理工藝設(shè)計 摘要 在鋼鐵生產(chǎn)過程中，為保證鋼材的表面質(zhì)量和活性，對鋼材表面進(jìn)行酸洗是一道必不可少的工序。目前我國大多數(shù)鋼廠采用鹽酸進(jìn)行酸洗。在建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會的大方針下，鹽酸酸洗廢液資源化利用勢在必行。此方法鹽酸回收率高，過程簡單，運行成本低。通過計算確定主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備選型，并對車間布置，高程布置進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，繪制了主反應(yīng)設(shè)備圖，流程圖，平面布置圖等。Evaporationcrystallization。特別是在鋼鐵制造業(yè)中， 鋼鐵熱軋所產(chǎn)生的酸洗廢液一般含有 ~+和 60~250g/L的 Fe2+，由于嚴(yán)重的腐蝕性，已被列入《國家危險廢物名錄》。該類廢液的直接排放不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且造成極大的浪費。 研究意義 隨著現(xiàn)階段國內(nèi)外對各種廢酸處理、回收技術(shù)的不斷探索和完善，廢酸回收資源化利用技術(shù)儼然已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)化設(shè)計的全新高度，將廢酸資源化利用技術(shù)應(yīng)用于各規(guī)模冶金企業(yè)，一直以來都是解決 酸洗廢水環(huán)境污染問題的大勢所趨。因此，一次性投資規(guī)模大，技術(shù)環(huán)節(jié)薄弱成為該項研究的亟待解決的難題。本文旨在從資源節(jié)約、環(huán)境友好的原則出發(fā)，通過一系列系統(tǒng)地資料搜集，整合，研究，對比，設(shè)計，計算等過程科學(xué)地設(shè)計一套可以應(yīng)用于各種規(guī)模生產(chǎn)線的含鐵廢鹽酸資源化處理工 藝。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外不少學(xué)者和研究人員 ,長期以來在尋求酸洗廢液的處理方法和利用途徑上作了大量的工作。經(jīng)處理后所得到主要產(chǎn)物是酸液和不同形態(tài)的鐵的化合物 (氧化鐵、氫氧化鐵和氯化亞鐵 )等 ,其中酸可再使用 ,鐵的化合物根據(jù)其形態(tài)特點和純凈度確定它們的用途 ,最簡單的是作為鐵的原料鹽酸流向鹽酸回收儲罐。 廢鹽酸的常用處理方法有酸鹽分離法和直接焙燒法。由于三價鐵離子水解和氧化鐵晶體長大是復(fù)雜的多項反應(yīng)過程 ,一般難以分離 ,致使采用石灰 (CaO)中和方法處理廢酸會產(chǎn)生大量廢渣 ,造成嚴(yán)重的二次污染。這是一種最徹底= 最直接處理酸洗廢液的方法。實踐證明該方法可以處理任何含鐵量的鹽酸酸洗廢液。雖然采用的具體設(shè)備和工作過程不完全相同，但工作原理相同，它們將廢液的加熱、脫水、亞鐵鹽的氧化和水解、氯化氫氣體的收集及吸收成鹽酸有機(jī)地結(jié)合在一個系統(tǒng)內(nèi)一并完成。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 這兩種工藝形式的設(shè)備組成系統(tǒng)，都有主體設(shè)備、酸貯罐區(qū)和氧化鐵輸送貯存設(shè)備三部分。世界上流化床法鹽酸再生裝置已建成 50 多套，我國武鋼1700mm冷連軋的鹽酸再生工藝就是從西德陶瓷化學(xué)公司 (INCH)引進(jìn)的流化床焙燒工藝機(jī)組。 除了上述兩種方法以外，還有 日木的開米拉依托法、奧托 (OTTO)法、 PORI法及滑動床法等方法。 直接焙燒法原理簡單，而且一般自動化程度都較高，解決了鋼鐵企業(yè)不熟悉化工生產(chǎn)操作的難題，但是由于其要求系統(tǒng)內(nèi)各個程序的控制相互協(xié)調(diào)，而且要求酸洗工序與之密切配合，需要具有較高的設(shè)計、管理和控制水平，同時由于在高溫下鹽酸有強(qiáng)烈的腐蝕性，因此接觸廢液的設(shè)備均需要采用優(yōu)質(zhì)的耐腐蝕材料，造成設(shè)備成本、零部件消耗、維修費用及運行費用都很 高，因此該法更適合于大型企業(yè)采用。 回收鐵鹽 酸洗廢液中含有較高濃度的 Fe2+，如果加入鐵屑使之與酸反應(yīng)，可以進(jìn)一步充分利用具中的酸來提高 Fe2+含量。 7H20晶體。 鹽酸酸洗廢液濃縮處理后可以得到 FeCl2溶液或 FeCl2 4H20晶體的飽和溶液氧化，得 FeC13溶液，可以作為產(chǎn)品出售。也可以用萃取法再生鹽酸后進(jìn)行鐵鹽的回收。 滲析法的投資僅為焙燒法的 1/5左右，正日益引起人們的重視，該技術(shù)的關(guān)鍵是確定離子交換膜的而積，滲析而積可以通過計算獲 得。 近年來發(fā)展起來的納米過濾技術(shù)是介于反滲透和超濾技術(shù)之間的一種新型分離技術(shù)，其具有膜體耐熱、耐酸堿性能好、操作壓力低、集濃縮與透析為一體等特點。 7H20和 20%的 H2SO4 膜的性能、操作技術(shù)以及酸洗廢液的特點是膜分離技術(shù)中的關(guān)鍵，對膜材料及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行深入研究是該技術(shù)廣泛應(yīng)用于實踐的前提條件和主要發(fā)展方向。聚合硫酸鐵的組成為 [Fe2(OH)n(SO4)3n/2]。聚合氯化鐵的組成 [Fe2 (OH)nCl6n]m,為紅褐色透明液體。反應(yīng)的關(guān)鍵要素之一是調(diào)節(jié)三者的濃度及其比例關(guān)系，調(diào)節(jié)的方法依產(chǎn)品及其要求 (如濃度、聚合度等 )、所用氧化劑等條件而定。反應(yīng)溫度一般不高于 90℃。研究表明 :氧化劑的加入量和反應(yīng)溫度是氧化反應(yīng)的主要影響因素 。 制備顏料 目前世界每年大約小號 700800kt 的氧化鐵系顏料，以美國為例，每年小號的 70kt中，鐵紅占 %，鐵黃占 %。 從酸 洗廢液制備氧化鐵顏料的方法總體上可分為干法和濕法兩種 : ① 干法 干法是將固體鐵鹽原料在高溫卜進(jìn)行焙燒或鍛燒，得到氧化鐵紅的固相反應(yīng)。 7H20)為原料而得名。 7H20)脫水為 (FeS04通過控制鍛燒溫度和時間及空氣通入量，可以生產(chǎn)出從淺紅到深紅各種色調(diào)的鐵紅。目前國內(nèi)外幾乎都用氨作中和劑，在回收氧化鐵的同時得到餒鹽，所以也稱作鐵銨法，其工藝原理為 : 4FeS04+O2+8NH3+4H20=2Fe203+4(NH4)2S04 濕法的典型操作工藝如下圖 ： 圖 濕法工藝 廢液調(diào)整包括溶液中鐵鹽含量、溶液酸度、原料配比和反應(yīng)溫度等方而的調(diào)節(jié)。為了加快反應(yīng)速度，可以采取加催化劑的方法加以改進(jìn)，例如加入 NaNO2做催化劑，不加晶種先直接生成鐵黃，也可以再鍛燒成鐵紅。與干法相比，濕法的能耗低、投資少、二次污染小，但操作要求高，條件不易控制。 該方法的工藝過程如下 : ① 配制一定濃度的亞鐵鹽溶液 。 ③ 將 FeOOH粉末在 250℃ 脫水 1h，并在 350℃ 下 用氫氣還原， 2h后出爐，即得超細(xì)金屬磁粉。 H20 = Fe(OH)2+(NH4)2S04，因而產(chǎn)生了唯一的副產(chǎn)物 — 硫酸銨，可以作為化肥直接加以利用，進(jìn)一步達(dá)到了資源化利用的目的。國外研究結(jié)果表明，可以利用微生物 — 硫細(xì)桿菌氧化二價鐵鹽，然后再 水解生成黃銨鐵釩、 Fe0HS04 和αFe203。該方法需要在 NH4存在的條件下才能順利進(jìn)行。 pH = ，游離的硫酸為 mol/L的條件下，被密封在 100 mL不銹鋼容器里， 160℃下，經(jīng)過 18h，然后冷卻。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 然后，經(jīng)過 4步熱分解反應(yīng) (溫度分別為 268 ,394 , 533 , 666℃ )最 終產(chǎn)物為α Fe203。處理過的液體中，剩余的鐵離子的質(zhì)量濃度低至 g/L，而硫酸的濃度已高于原始酸洗用液 ( mol/L)，所以可以直接重新回到酸洗生產(chǎn)線循環(huán)利用。作為排放廢水大戶的鋼鐵、電鍍行業(yè)及其他氯堿行業(yè)，減少廢 水的排放量，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是首要任務(wù)。同時，廢鹽酸電解回用技術(shù)為廢鹽酸資源化利用提供了一種新思路和新方法。 本 課題設(shè)計 從鹽酸酸洗廢液中回收氯化亞鐵晶體和鹽酸的處理系統(tǒng)工作原理主要是根據(jù)氯化氫易于揮發(fā)和易溶于水的特性，以及氯化亞鐵在鹽酸溶液中溶解度的規(guī)律，采用蒸汽加熱蒸發(fā)濃縮工藝，使酸洗廢液中的鹽酸和鐵鹽分離。經(jīng)冷凝后的不凝 HCl 氣體經(jīng)降膜吸收塔 以水作為吸收劑得到較高濃度的鹽酸。 鹽酸本身由氯化氫 (HCl)和水 (H2O)組成 ,濃鹽酸的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 34%。廢鹽酸主要有 HCl、 H2O和 FeCl2三 種物質(zhì)組成。利用 3種物質(zhì)在不同溫度下的物理特性 ,如在 100℃時 ,水能沸騰而形成蒸汽 ,此時 HCl已揮發(fā)成氣體 ,而殘留的氯化亞鐵還遠(yuǎn)未到熔點 ,仍留在被濃縮的母液中 ,從而達(dá)到酸 、鹽分離的目的。鹽酸提濃后對釜液中 氯化亞鐵 采用 冷卻結(jié)晶 法進(jìn)行 結(jié)晶處理并用過濾離心設(shè)備對副產(chǎn)品 FeCl2 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第二章設(shè)計概述 設(shè)計任務(wù) 某小型鋼材廠每天產(chǎn)生酸洗廢液 30t，其中 FeCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)占 18%， HCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)占15%，其它微量雜質(zhì)均可忽略不計。20%以上的濃鹽酸；以及一定量的 FeCl2最終實現(xiàn)工業(yè)酸洗廢液零排 放。 4H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%~15% 20%以上 (預(yù)算 ) 設(shè)計內(nèi)容 負(fù)壓 壓降膜蒸發(fā) 器設(shè)計 降膜蒸發(fā)、 降膜 吸收操作條件的確定 冷凝器 、 降膜吸收器 的設(shè)計 釜液中 FeCl2 “五化”設(shè)計原則，即工程布置一體化、生產(chǎn)裝置露天化、建構(gòu)筑物輕型化、公用工程社會化、引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化。文字說明要清楚、確切，圖紙要正確，避免出現(xiàn)重大設(shè)計錯誤。技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，安全適用，使建設(shè)項目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到先 設(shè)計工藝流程及說明 如課題綜述中擬定設(shè)計方案所述，制定簡要工藝流程如圖 ： 圖 簡要工藝流程 本 設(shè)計從鹽酸酸洗廢液中回收氯化亞鐵晶體和鹽酸的處理系統(tǒng)是這樣實現(xiàn)的： 來自酸洗槽的鹽酸廢酸液，首先進(jìn)入廢液儲液罐中， 預(yù)熱后 通過輸送泵和流量控制裝置計量給 降膜蒸發(fā)器 上料，上料流量通過流量計前后閥門的開口度大小來調(diào)節(jié)，蒸汽熱源的蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器，料液在該蒸發(fā)系統(tǒng)中被循環(huán)加熱。沒有被冷凝的 HCl 氣體進(jìn)入降膜吸收器，大部分部分被吸收成濃鹽酸，另少部分被吸收成稀鹽酸，達(dá)到 20%以上濃鹽酸標(biāo)準(zhǔn)回收用于酸洗。 4H2O），降溫到設(shè)定溫度后，放至過濾離心分離器中實現(xiàn)氯化亞鐵結(jié)晶體與母液的分離，經(jīng)離心甩干的氯化亞鐵結(jié)晶體可直接包裝成商品出售。在回收 FeCl2 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 第三章主要設(shè)備計算及選型 降膜蒸發(fā)器 降膜蒸發(fā)原理 降膜蒸發(fā)是溶液在自身重力和真空誘導(dǎo)及氣流作用下沿管壁成膜狀向下流動，運動過程中與加熱管外壁加熱蒸汽發(fā)生熱交換而蒸發(fā)。在這個過程中，液體和蒸汽是兩相混合運動的，故它是兩相流動的沸騰給熱過程。此極薄的液層受熱發(fā)生相變，吸收的熱量主要是通過液膜的導(dǎo)熱和液膜表面的蒸發(fā)進(jìn)行傳熱，因此又稱為薄膜蒸發(fā)。 W—— 單位時間內(nèi)蒸發(fā)的蒸汽量， kg/h。 水蒸氣總量： W 水 =W－ WHCl=。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 c0—— 原料液在 0℃ 到 T0℃ 間的平均比熱容， KJ/(kg由于絕大部分是液態(tài)水，因此這里取水的比熱容 (kg T0為原料液的進(jìn)料溫度， K； T1為二次蒸汽的溫度， K； QL—— 蒸發(fā)器的熱損失， KJ；這里取 10%Dr 當(dāng)降膜蒸發(fā)器在絕對壓力 80kPa 時，水的沸點為 ℃ ，水的汽化熱 Δ H 水 ＝； 20℃ 時， HCl 的汽化熱 Δ HHCl=,進(jìn)而 95℃ 時 HCl 的汽化熱可由 Waston公式推導(dǎo)得出； Δ Hb2=Δ Hb1(Tc－ T1)(Tc－ T0) 式中： Δ Hb1為 20℃ 時， HCl 的汽化熱 Δ Hb1=； Tc為臨界溫度，查閱有關(guān)文獻(xiàn) Tc＝ ； 則 95℃ 時 Δ HHCl＝ [ ﹙ － 368﹚／﹙ － 293﹚ ] ＝ ＝； 因此 Wr’＝ W 水 Δ H 水 ＋ WHClΔ HHCl＝ ＋ ＝ 1988959KJ； Fc0(T1－ T0)＝ 1250 （ 95－ 20） ＝ 393750KJ 將上述結(jié)果帶入加熱蒸汽消耗量計算式： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 Dr－ 10%Dr=Wr’＋ Fc0(T1－ T0)＝ 1988959KJ＋ 393750KJ＝ 2382709KJ 解得 Dr＝ 2647455KJ 傳熱面計算 蒸發(fā)器所需的傳熱面積 A根據(jù)傳熱速率方程計算： A＝ 式中 Q 為蒸發(fā)器加熱室的傳熱速率，稱為蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，它可以根據(jù)加熱室的熱量衡算求得，則 Q即為加熱蒸汽冷凝放出的熱 量： Q＝ Dr K 為蒸發(fā)器加熱室的傳熱系數(shù)，由化工原理教材中查閱所得，見蒸發(fā)器傳熱系數(shù)表經(jīng)驗表如表 ： 表 蒸發(fā)器的類型 總傳熱系數(shù) W/(m2℃ )。蒸發(fā)器內(nèi)溶液一側(cè)的溫度隨蒸發(fā)器的形式與操作方法而異，對于連續(xù)操作的蒸發(fā)器，溶液側(cè)的溫度只隨位置而異，但對于循環(huán)型蒸發(fā)器，一般差別不大，可取平均值作為定值。在這種理想情況下，加熱室兩側(cè)的溫差可取蒸發(fā)裝置的最大可能溫差 Δ Tmax: Δ Tmax＝ Ts－ TC 根據(jù)本設(shè)計的實際情況考慮， Δ Tm取最大可能溫差 Δ Tmax。 Δ Tm＝ Ts－ TC＝ － 95＝ 將上述各量帶入傳熱速率方 程式中可得： A＝ ＝＝ 16m2 取 20%安全系數(shù)，則 A＝ 16 120%＝ 降膜蒸發(fā)器材質(zhì)及加熱方式確定 材質(zhì)： 考慮到物料的特性，降膜蒸發(fā)器中的管子采用石英玻璃，其他塔內(nèi)件采搪瓷或塑料，塔體外層采用不銹鋼、內(nèi)襯為搪瓷或塑料。傳熱效果好 ?？砂垂に囈笾瞥桑訜峁鼙诳纱蚰伖?，使沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)