廢水脫氨實用工藝設(shè)計第三組

1、化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院設(shè)計說明書（“化工設(shè)計”課程作業(yè)）題目：廢水脫氨工藝設(shè)計 班級：化工 0708 組長： 博 200711234 組員：于 佳 200711223一琿 200711238胡 迪 200711242梁 微 200711247 指導(dǎo)教師：紀培軍2010年 12月 1日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 工藝設(shè)計基礎(chǔ) 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1設(shè)計依據(jù)21.2裝置組成及名稱 21.3原料、化學(xué)品的性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格2 HYPERLINK l

2、 bookmark8 o Current Document 工藝說明 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.1生產(chǎn)方法、工藝技術(shù)路線及工藝特點 42.2工藝流程說明5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 工藝計算及主要設(shè)備設(shè)計 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.1換熱器熱量衡算以及工藝設(shè)計 6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.2萃取塔物料衡算以及設(shè)備工藝計算 9 HYPERLINK

3、 l bookmark24 o Current Document 3.3汽提塔物料衡算以及設(shè)備工藝設(shè)計15 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4吸收罐物料衡算及設(shè)備工藝設(shè)計18 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 工藝控制條件及自控設(shè)計 21 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 附表和附圖 22 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 參考文獻 25附: 小組分工明細及評分25工藝設(shè)計基礎(chǔ)1.1 設(shè)計依

4、據(jù)設(shè)計項目 ：廢水脫氨工藝設(shè)計產(chǎn)品名稱：脫氨達標廢水及21 %(w/w)濃氨水處理要求 ：脫氨水中氨含量小于 100 mg/L 濃氨水中氨含量大于 21 % ( w/w)處理能力 ：額定處理量 2.5 m 3/h 最大處理量 7.0 m 3/h設(shè)計要求： 1 .工藝可靠操作簡單，操作彈性大設(shè)備投資費用低單位產(chǎn)品能耗盡可能低具體設(shè)計參數(shù)：原料液(廢氨水)中的雜質(zhì)含量：NH3-N:3.0g/LCU2+:250 mg/L原料液溫度：600 C80 C原料液酸堿度：PH值8.09.0氨氮存在于許多工業(yè)廢水中 , 其排進水體尤其是緩慢流動的湖泊、海灣，容易引起藻 類及微生物大量繁殖，形成富營養(yǎng)化污染。目

5、前大多廢水僅僅經(jīng)簡單處理就直接排放，嚴 重污染環(huán)境。 因此，我國對氨氮排放制定了更嚴格的標準， 研究開發(fā)經(jīng)濟高效的脫氨技術(shù)， 也成為工業(yè)排放廢水污染控制工程領(lǐng)域的重點和熱點。裝置組成及其名稱該工藝包含列管式換熱器，轉(zhuǎn)盤萃取塔 , 汽提塔和間歇式反應(yīng)釜。原料、化學(xué)品的性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格序號名稱規(guī)格國家排放標準備注1NH?-N 10mg/L2Cu2250mg/L 2mg/L3LIX984N混合配方萃取劑4CaO調(diào)pH值表1-1原料技術(shù)規(guī)格工藝說明2.1生產(chǎn)方法、工藝技術(shù)路線及工藝特點2.1.1生產(chǎn)方法采用先萃取后吹脫的方法，先利用萃取劑萃取廢水中的銅離子，再應(yīng)用汽提塔將廢水 中的氨吹脫出來，最后吸收濃

6、縮成達標產(chǎn)品一一濃度為大于21%的濃氨水。2.1.2工藝技術(shù)路線的確定（1）脫除銅離子方法的確定廢水脫氨，其主要工藝是如何將廢水中的氨提取并且濃縮成產(chǎn)品需要的高濃度氨水， 但因廢水中含銅離子，且在該溫度和 pH值下，銅離子和氨要形成配合物I血片3兒彳+， 這就給直接脫氨帶來了難度，所以必須優(yōu)先除去銅離子，才能盡可能徹底的脫除氨，且廢 水中含重金屬離子也不能排放，要進行重金屬離子的回收。由于萃取在濕法冶金工藝里應(yīng) 用廣泛，因此，在去除銅離子的工藝上我們采用萃取技術(shù)，應(yīng)用萃取劑LIX984N萃取廢水中的銅離子，然后進入解吸塔對銅離子進行解吸，反萃出銅離子，并對其進行回收，與此 同時萃取劑進行循環(huán)使

7、用。（2）脫氨濃縮工藝的選擇從萃取工藝流出的廢液中只含氨，且 pH值仍為89。由于在該pH值下游離的氨較 少，所以先使用熟石灰（”（期）2）將廢水pH值調(diào)至11,然后進入汽提塔。由于空氣吹 脫法在處理廢水中氨的工藝中最為常見，所以我們采用汽提塔，利用空氣將廢液中的氨吹 脫出來。吹脫出的含氨空氣最后進入吸收罐濃縮。由于常溫下氨氣對水溶解度為700:1,所以采用簡易通入式吸收法，經(jīng)汽提塔處理的含氨空氣直接通入吸收罐中至氨水飽和。（3）萃取劑的選擇采用萃取技術(shù)對廢水中銅離子進行脫除和回收，源于濕法冶金工藝。其常用萃取劑 多為LIX系列有機萃取劑還有其他類型萃取劑，但都多為復(fù)合型配方，其性能各有不同。

8、 在堿性條件下， 萃取劑 LIX984N 能夠打破銅氨絡(luò)合平衡， 在萃取銅離子的同時只帶出極少 量的氨，可忽略不計。除此之外，反萃過程能夠解吸出大量銅而幾乎不損失萃取劑，可以 實現(xiàn)循環(huán)使用，能夠減少萃取劑更換成本， 因此我們選取 LIX984N 作為萃取工序的萃取劑。工藝特點 根據(jù)設(shè)計任務(wù)選取的工藝流程皆能滿足排出液的濃度要求，整體設(shè)計對設(shè)備要求不高，能夠減低設(shè)備投資費用，且操作簡單，操作彈性大，適合工業(yè)處理廢水。除此之外， 對于額外化學(xué)品的消耗量如萃取劑，通過解吸循環(huán)使用，能夠節(jié)約用量從而節(jié)省投資。廢 液開始換熱降溫后，整個工藝流程都在常溫下操作，能耗低。2.2 工藝流程說明 廢液首先進入換

9、熱器進行換熱，然后進入萃取塔進行銅離子的萃取，經(jīng)萃取的廢液進 入液體緩沖罐，調(diào)節(jié) pH 值，攜帶銅離子的萃取劑進入反萃取塔解吸出銅離子。解吸后萃 取劑進入萃取塔循環(huán)使用，解吸出的銅離子進入銅離子回收罐。從緩沖罐出來的廢液進入 汽提塔進行空氣吹脫除氨。待吹脫工序進行完畢后，廢液可排放，攜帶氨氣的空氣進入吸 收罐進行氨的吸收濃縮，使產(chǎn)品達標。工藝計算及主要設(shè)備設(shè)計3.1換熱器熱量衡算以及工藝設(shè)計3.1.1工藝計算常壓下用地下水冷卻5m3/h含氨3g/L的廢水。廢水進口溫度5 = 75C廢水出口溫度冷卻水進口溫度= 15C冷卻水出口溫度5 =(1)物性常數(shù)物性常數(shù)冷卻水(1)廢水定性溫度5弋2550

10、比熱5燈悶代4.1784.178密度P如卅997988粘度#Pti0.886x 1宀0.547x 10 _導(dǎo)熱系數(shù)久呼/(WC )0.6080.648普朗克準數(shù)Pr6.163.54表3-1換熱物料物性常數(shù)熱負荷計算廢水處理量=1.37 kg/s9刖X3600則熱負荷(3)冷卻水用量2866604178 X (3515)Q = G2C2 (t2 - tj = 1.37 x 4.178 x (75 - 25) = 286660 iv3.43 kg/s平均溫度差(片 T2) -(S - 邙In=21.64 C估算傳熱面積與管子根數(shù)列管換熱器水-水系統(tǒng)冷卻操作初選傳熱系數(shù) K=2500 - ；,則所需

11、傳熱面積的估算值為:286660 = 5.3 m2500 x 21.64單程管數(shù)為4 X 3.43r二 io 根1.6 x (IE x 988 x 3,14單程管長為S5,3=8.44 Tn幾如 7 x 0 025 x 314選定換熱器管長l=6m，則管程數(shù)8,44 =1.41 p 6則取.程，則總管數(shù)為n= 2n = 20 |1!3.1.2換熱器的選擇和核算初選換熱器根據(jù)S =5-3m 0根，廠乙查表，選用G273-2-25-7列管換熱器，其實際傳 熱面積為7.3機I有關(guān)參數(shù)如下，見表3-2：公稱直徑用273 mm公稱壓力525 x lO Pa傳熱面積S7.3世管程數(shù)2管數(shù)20管長16rri

12、管子規(guī)格025 X 2mm管心距t32mm管子排列方式正三角形表3-2換熱器參數(shù)（2）管程壓降的計算管程雷諾準數(shù)為亠 dup 0.02 x L6 x 988Re = = 57800“0. 547 x 10 3由于鋼管的絕對粗糙度，又取管程結(jié)垢校正系數(shù)，故得管程壓降為: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）管外給熱系數(shù)叫及K的計算叫的計算為a = 2.O2E/T,由此

13、可算得K值為= 4732.8lt7(mC )K = 23】8.3W7(mC )心園0 1+ * +人“州 ao（5）計算傳熱面積和安全系數(shù) 按傳熱方程計算的傳熱面積為S = = 5+71m2實際傳熱面積為7.3 m2,貝咬全系數(shù)為7,3=1.285,71因為此值在1.11.5圍，所以換熱器選擇合適3.2萃取塔物料衡算以及設(shè)備工藝計算3.2.1設(shè)計條件用萃取劑LIX984N萃取廢水中銅離子的轉(zhuǎn)盤萃取塔，已知條件如下：原料混合液流量 如那血加(即曲如；CU2在水中的初始濃度匚噸=(必旳加；Cu2在水中的最終濃度心1 =亦02煬Cu2在萃取劑中的初始濃度：；萃取塔中的溫度為；當濃度單位以畑伽表示時，

14、本設(shè)計中相間平衡關(guān)系可用公式 5W，其中尬二1.693.2.2設(shè)計計算(1)萃取劑用量由于Cu2的濃度很低，萃取過程中相密度的變化可以忽略。因此，所需Cu2的提取率為rj = l - = 1-蘭空=0,992G 025由相間平衡式和物料衡算可得萃取劑的最小用量:ojnin0*992 x 0.001389 x 25 =玄車命厲1,69 X 025 - 0.005取萃取劑流量為mJ,即叫=00伽佔，約為最小用量的4.4倍，比初始原料 混合液流量大1.6倍。Cu2在LIX984N中的最終濃度為S5戈% = 5 卜(Cw2 - 心 J = 0.002 4- (0.25 -0.002) = 00974切

15、/卅平均液滴尺寸因為LIX984N的用量較大，故用它做分散相。由于Cu2濃度低，計算所需各相的有關(guān) 參數(shù)時，相應(yīng)的取25C的水和LIX984N的性質(zhì)，即：水： = 997肋/n?，% = 0勵” =血|，X 1廠仏；LIX984N :知=920煬/同，滄=38mPaq Ap = 77/m3， = 2 x 10卅網(wǎng)。轉(zhuǎn)盤萃取塔部裝置尺寸取下列關(guān)系：DP 2 Dh 3 h 1A JtD 3 D 4 D 3式中的D Dv 分別為塔徑、轉(zhuǎn)盤直徑和固定環(huán)徑；h為每段高度。取“耳=,且假定段數(shù)N為20，則平均液滴尺寸d為:d = 16.7 x=16 7x (佃4%伽1 嚴=紳沖O.2099979BlO22

16、O(1230DJ咱滬吶伽液泛時各相的總空塔速度液泛時各相的總空塔速度為傀+ W廠(1 - 4狄+ 7 - 4沁野式中,液泛時的滯液率。當分散相與連續(xù)相的體積流量比時，其滯液率為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為LIX984N液滴在水中的自由沉降速度。對大液滴沉降速度的計算可利用下列經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式：如果 2T70|，則Q =認式中 Q = 0.75 + Re/Pl5 ；71 =陽加町；p = pF/(3腫：)；C為相間力。依次代入數(shù)據(jù)

17、可求得：9972 x 0-03413“P = 8.1685 X 訶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則.,所以，故液滴物性速度 aug = 0.485 X 4,16 cm/s液泛時的總空塔速度(叫十) s = (1 -4 x 0398 + 7 x 0.3982-4x 0,3983) X 1.91 = 5.05 x323塔徑與部裝置尺寸最小可能塔徑為4匕+ 哄) 14(000

18、3611 +0.001389)訕17 = J I= 1.12 wt嚴(叫 + 片)$ Q 3.14x5.05 X103圓整塔徑亠4,貝U總空塔速度為(斗+ %) 5 = 4 x (0.0036110.001389)/(122 X 344) =442 Xudr = 2,6因為，則塔的各空塔速度為叫=ufi = 0J19c?n/s ;uH. u(. = 0.123 cm/s各相的總速度約為液泛時各相總速度的87.5%萃取塔部裝置的主要尺寸為(DPDp= D閒=O.e mh =山4 用轉(zhuǎn)自的轉(zhuǎn)速為叫0.2n 0*25 r/sDv 0.8324相接觸比表面積滯液率 可由下式求得:0將空塔速度和特性速度

19、代入上式可得- 2p2 +0.3190.123Til L91 /0319=01.91解此方程可得滯液率相的接解比表面積為6p d6 x 0.2522.03 x 10-3= 745 m2/325萃取塔塔高連續(xù)相的縱向混合系數(shù)為Ee = 0.5 xutJi1 - 1)分散相的縱向混合系數(shù)為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塔中液滴的相對速度和雷諾準數(shù)分別為ud uc 0.3190.123Re =2.03 x 101A3 x 10-2 x 9970.

20、894 x IO-332.4又因為p滬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因為f三:在計算液滴尺寸時，萃取塔的段數(shù)取 20，因此作為萃取塔高度的第一次逼近值取 H = Nh = 20 x0A = &7n，計算分傳質(zhì)系數(shù)。檢 0-984 X 10 3丸=_= 054Schimidt 數(shù)為卩幾 997 x xlQ 9因為Sherwood數(shù)為Sht = 06恥飾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?；旌蠚怏w流量= 145m /niHL，設(shè)計要求濃氨水含量大于21%由已知條件得所需氨水摩爾濃度為2117

22、yNH = = 12. 316mol/L = 12316mol/mJ叫 100997因此，設(shè)計從汽提塔出來的氣體進入吸收罐進行吸收，濃縮。計算得氨氣的摩爾流量為往吸收罐通入清水，氣體從吸收罐下部通入，根據(jù)已知條件得：單位體積達到規(guī)定濃度所需吸收時間t - 12316 mol/m3/15.3B mol min = 800.7 B mi J設(shè)吸收罐體積為V = 14川：有效體積W = 103則吸收所需時間 T = tV* = 800.78 min/m3 X 10m3 = 8008mih從通入氣體到吸收進行8008min后停止通氣，然后進行放液（同時打開與之相聯(lián)的最 終產(chǎn)品罐的閥門），放液結(jié)束后通入

23、新的清水，重復(fù)之前的操作。設(shè)設(shè)吸收罐進液流量和放液流量均為 VriiiiL，有效體積為10卅，丁 排= 10/5 =阿那么，加液排液共需時間應(yīng)Eg342吸收罐主要部分尺寸的確定（1）罐體設(shè)計因為該吸收屬于氣液反應(yīng)，吸收罐采用橢圓罐底，罐的高徑比在12之間，封頭111-6 2:恥，封頭體積：二広131聲。設(shè)匸一，已知，且5心心 m m（罐體總高度為上|,封頭高度旳，罐體高度也，直徑為巧。那么由公式 4上，代入數(shù)據(jù)可得D =II - L06nj，查表圓整得II. II .： : n i0（2）壁厚計算已知公式Pc x Dis =2aY-Pc杳表得設(shè)計壓力 匕二土 1GMP心Dj = 2OOO11H

24、1= 1餡MPm 玉二32oMPat 0二匚 （雙面焊對接接頭，100%僉測），代入數(shù)據(jù)得卩嚴口2,16 X 2000s = = = 17.3_ p 2 x 163 x 1 2.16杳表 q 二 0, Sumi 則C = C - Cz = 1, 8昭取血17.3，故 I -，圓整后取k -煮禍，選用20mn厚的16MnR鋼板作罐體。封頭設(shè)計已知公式并計算得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 貝1.只耐 故二- I打二 匸i-i圓整后取二-工，：工，所以封頭厚度也取厚度 20mm的16Mn

25、R鋼板作罐體附件選取法蘭：根據(jù)公稱直徑2000mm工程壓力0.25MPQ選平焊法蘭甲型，標準號為 JB4701-92, 法蘭材料為Q235-A。夾套：氨氣溶解為放熱反應(yīng)，由于通入水為空氣與氨氣的混合氣，通入時的鼓泡促進罐熱量分布均勻，罐體外夾套通入冷水進行冷卻。排空閥：由于氨氣在混合氣體中摩爾分數(shù)小，氨被溶解后剩余大量空氣，吸收罐頂部有排空閥，防止因通入氣體使罐壓力過大。除此之外，灌頂同時有測壓接管、測溫計4工藝控制條件及自控設(shè)計換 熱：以 C101B 為備用換熱器，在出口檢測溫度調(diào)節(jié)冷卻水流量。液體緩沖：以 F102A 為優(yōu)先存儲，根據(jù)檢測的 PH 調(diào)整堿液進入流量。F103 為備用安全保障

26、儲罐，保證上下游罐體安全。萃 ?。簷z測來流物料流量調(diào)節(jié)萃取液流量。以 E101B 為備用。吹 脫：由前述則為已知濃度的氨溶液，則檢測來流物料流量，出料量，進入空氣量可計算出料濃度，通過調(diào)整空氣流量保證濃度。 在塔體檢測壓力降，與溫度通過調(diào)整空氣流量保證安全。以 E103B 為備用。產(chǎn)品吸收：在罐體設(shè)壓力溫度檢測調(diào)節(jié)進水流量，以 F104B 為備用和安全保障儲罐，在 F104A 設(shè)液位檢測若過高調(diào)整去 F103B 同時若發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不達標則全部流入 F104B 再回流至吹脫工藝。 F105A/B/C/D 為最終產(chǎn)品罐。5.附表和附圖5.1設(shè)備參數(shù)總覽5.1.1換熱設(shè)備參數(shù)一覽流程編號名稱介質(zhì)管程數(shù)溫

27、度(C )壓力流量(m3/h)平均溫差C)熱負荷(kJ/h)傳熱系數(shù)I ME)傳熱面積C(m2)形式進岀計算實際C101A/B冷卻器管廢水7525常壓521.6410319762318.35.717.3列管式管間地下水1535常壓1.6表5-1換熱設(shè)備工藝設(shè)計參數(shù)5.1.2塔設(shè)備參數(shù)一覽(1)萃取塔工藝參數(shù)流程編號名稱介質(zhì)操作溫度(忙)塔頂 壓 力(m3/h)允許空塔速度(m/s)塔徑(m)塔板類型板間距(m)塔板數(shù)塔高(m)廢液萃取劑計算實際計算實際E101A/B轉(zhuǎn) 盤 萃 取 塔廢水萃取劑25常壓5135 05 x It1 1.121.2轉(zhuǎn)盤0.420228.8表5-2萃取塔工藝設(shè)計參數(shù)(2)汽提塔工藝參數(shù)流程編號名稱介質(zhì)操作溫度(吃)壓降(m3/h)塔徑(m)填料類型傳質(zhì)單元高度(m)傳質(zhì)單元數(shù)填料高度(m)廢液萃取劑E103A/B汽提塔廢水空氣25常壓52.40.60625mm包爾