丙烯腈废水处理工段的初步设计

齐 齐 哈 尔 大 学 毕业设计（论文） 题 目 年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计 学 院 化学与化学工程学院 专业班级 化工 084 班 学生姓名 指导教师 成 绩 2012 年 5 月 23 日 摘 要 本设计完成了年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计。首先，说明书简单介 绍了产品丙烯腈的意义与作用以及在国内外的发展现状。近年来随着丙烯腈在国内外 需求量的攀升，极大的推动了丙烯腈的生产，但是，在丙烯腈生产过程中的污染问题 也在日益凸显，尤其是在丙烯腈的合成和精制车间,将会产生大量含有氢氰酸、低聚物 以及氰化物的高浓度有毒物质的废水，根据废水中有毒物质的沸点不同，在工艺选择 上，通过查阅相关资料和文献，确定了用四效蒸发生物降解法对有毒物质进行浓缩 和降解。根据以往生产资料作为车间设计的经验数据，对工艺进行了大量的计算，包 括物料衡算、热量衡算；并对主要的设备进行了 Aspen 模拟和计算选型。最后用 AutoCAD 绘制了带控制点的工艺流程图、主要设备图、以及用手绘制车间平立面布置 图。 关键词：丙烯腈；废水；有毒物质；Aspen；工艺路线 Abstract In the design, the preliminary design of the eighty thousand tons/year acrylonitrile wastewater treatment section was completed. First of all, the significance and functions of acrylonitrile and the development of the situation at home and abroad were introduced. In recent years, acrylonitrile rise in the domestic and foreign, Promote the production of acrylonitrile. At the same time, Pollution problems are also becoming increasingly prominent in the production of acrylonitrile process. Especially in the synthesis and purification workshop of acrylonitrile. In the process will produce a large number of toxic substances wastewater such as hydrogen cyanide and acetonitrile. According to the difference of boiling point of toxic substances in the waste water. In the technology choice, Through the access relevant information and literature. Toxic substances concentrate and degradate with four- effect evaporation-the biodegradation, Based on the previous information, the plant design was designed by empirical data, he content of the process, Including material balance and heat balance. And the major equipment was simulated by Aspen and calculated selection. Last draw the main equipment figure with Auto CAD and flow chart with control point plan and the process of the workshop layout was drawn by hand. Key words: Acrylonitrile; Wastewater; Toxic substances; Aspen; Process route 目 录 摘 要.I Abstract II 第 1 章 总论.1 1.1 概述.1 1.1.1 产品的意义与作用1 1.1.2 国内外的现状及发展前景1 1.1.3 产品的性质和特点2 1.1.4 生产方法的概述2 1.1.5 处理工艺概述3 1.2 设计依据.4 1.3 厂址选择.5 1.3.1 厂址选择的重要性5 1.3.2 厂址选择的基本要求5 1.3.3 本次厂址选择6 1.4 设计规模与生产制度.7 1.4.1 设计规模7 1.4.2 生产制度7 1.5 原料及产品规格 8 1.5.1 主要原料规格及技术指标8 1.5.2 产品规格8 1.6 经济核算表 8 第 2 章 工艺设计与计算.10 2.1 工艺原理.10 2.2 工艺路线的选择.10 2.3 工艺流程简述.11 2.3.1 工艺流程示意图12 2.3.2 工艺流程简述12 2.4 工艺参数.12 2.5 物料衡算.13 2.5.1 物料衡算的意义与作用13 2.5.2 物料衡算的方法与步骤13 2.5.3 物料衡算14 2.5.3 物料衡算表22 2.6 热量衡算.22 2.6.1 热量衡算的意义22 2.6.2 热量衡算及所需媒介的量23 2.6.3 蒸发器的传热面积24 2.6.4 热量衡算表25 2.7 Aspen 模拟 .26 第 3 章 设备选型.31 3.1 选型的原则.31 3.1.1 技术性评价原则31 3.1.2 经济性评价原则31 3.2 关键设备.32 3.2.1 加热室32 3.2.2 分离室直径与高度的确定34 3.2.3 蒸发器接管设计35 3.3 其它设备的选型 40 第 4 章 设备一览表.46 第 5 章 车间设备布置设计.48 5.1 车间布置设计的原则.48 5.1.1 车间设备布置的原则48 5.1.2 车间设备平面布置原则49 5.1.3 车间设备立面布置原则49 5.2 车间设备布置.49 第 6 章 自动控制.51 6.1 主要的控制原理.51 6.2 自控水平与控制点.51 第 7 章 安全和环境保护.53 7.1 三废产生情况.53 7.2 三废处理原则.53 第 8 章 公用工程.55 8.1 供水.55 8.2 供电.55 8.3 供暖.56 8.4 通风.56 结束语.57 参考文献.58 致 谢.60 第 1 章 总 论 1.1 概述 1.1.1 产品的意义与作用 丙烯腈( AN) 为无色有毒液体，并且还是重要的有机化工原料，广泛应用于合成 化学、合成纤维和合成橡胶等许多工业领域1。所以丙烯腈在人民经济生活和有机合成 工业中用途特别广泛，它能与水部分互溶，空气和其蒸气极易形成爆炸性混合物。除 此之外，丙烯腈还具有良好的耐寒性、耐油性、耐磨性。并且在大多数化学溶剂中， 在热和阳光的作用下，性能比较稳定。目前在我国丙烯腈的生产能力约为106万吨年， 但是需求量却已经突破百万吨，虽然在全国范围内丙烯腈产量在不断上升，但是今年 国内供应丙烯腈仍然存在缺口。但是在丙烯腈的生产过程中，将会产生大量的有毒物 质，这些有毒物质是石化行业中最常见的环境污染物，曾有报道指出在香烟、饮水和 部分食品包装过程中检查出丙烯腈2。由于丙烯腈废水本身有毒有害并且还具有难降解 的特性, 所以很难用传统的生物方法和物化方法将其进行合理有效的处理。目前含腈 (或氰)废水的处理在国内外已经倍受关注。 主要作用：首先丙烯腈可用来生产纤维腈纶（即合成聚丙烯纤维） 、丁二烯、苯 乙烯塑料（ABS） 、丙烯腈和丙烯酰胺（即丙烯腈水解产物） 。其次丙烯腈醇解能制 得丙烯酸酯等。再次丙烯腈在过氧甲酰（引发剂）的作用下还可以聚合生成高分子 有机化合物聚丙烯腈。然后由聚丙烯腈制成的纤维腈纶质地比较柔软，与羊毛相 类似，所以可称为“人造羊毛”，它具有强度高、保温性好、比重轻、耐酸、耐日光和 耐大多数溶剂。丙烯腈还能与丁二烯共聚，合成的丁腈橡胶具有优良的耐寒、耐油、 耐溶剂等特性，并且丁腈橡胶还是现代工业最重要的橡胶，它的应用十分广泛。最 后丙烯腈还是医药、染料等行业的重要有机原料。 1.1.2 国内外的现状及发展前景 目前世界上丙烯腈的生产主要集中在西欧、美国以及日本等地区。近年来丙烯腈 的世界产能和需求量在不断增加。 现阶段丙烯腈在我国的主要消费领域是腈纶纤维，约占整个需求量的55%；其次 是丙烯酰胺、ABS / SAN 树脂和丁腈橡胶。表1-1列出中国历年丙烯腈供需状况。由表 可知目前我国丙烯腈的需求与现有生产能力之间仍有一定的差距，所以丙烯腈在我国 仍有较大的需求。 表1-1 中国历年丙烯腈供需状况 项目20032004200520062011 产能48.764.673.480.0101.3 产量42.051.860.471.293.1 净进口26.031.038.131.831.6 表观消费量68.081.298.5103.0124.7 进口依存度%38.237.438.730.925.3 目前就国外丙烯腈的消费情况来看，西欧和美国的丙烯腈市场发展相对缓慢，亚 洲（不含日本）丙烯腈总消费量的比例是增长最快的地区，受当地需求的拉动，这一 地区丙烯腈的产量也在迅速增长，预计未来几年丙烯腈装置开工率状态将会一直持续 到新能源的投用。在这样的情况下，生产丙烯腈企业的最大难题是如何除去高浓度、 剧毒的有机废水，并且可将废水中的物质可以循环使用，对环境不能造成污染。经计 算可知，在丙烯腈的生产过程中，几乎每生成 1t 丙烯腈就将会产生约 1.5t 废水。所以 丙烯腈废水的处理已经引起了国内外学者的高度关注3。 1.1.3 产品的性质和特点 丙烯腈为辛辣气味且极易挥发的的无色透明液体，微臭、味甜4。能溶于水、乙醇、 乙醚、苯、四氯化碳、和丙酮等有机溶剂，与水能形成共沸混合物。有腐蚀性、易挥 发。在氧存在下，遇光和热能进行聚合并且易燃，遇高温、火种、氧化剂等有燃烧和 爆炸的危险，纯品极易自聚，尤其是暴露在可见光或缺氧的情况下，更易聚合，并且 在浓碱的存在下能完全聚合。空气与其蒸气容易形成爆炸性混合物，遇高热、明火容 易引起燃烧，并产生有毒气体。与强酸、强碱、氧化剂、溴、胺类剧烈反应。在高温 的火场下，能发生聚合并且放热，可使容器破裂。 丙烯腈别名：氰基乙烯，分子量：53.06，化学式：C3H3N，密度：0.806g/cm3， 沸点：77.3，熔点：-82，自燃点：48l，闪点：-1.1（开杯） ，折射率：1.388， 爆炸极限（25）为 3.05%17.0%0.5%（体积） 。蒸气压（20）为 11.07kPa。粘度 （25）为 0.34mPas。 1.1.4 生产方法的概述 以氨氧、丙烯和空气中的氧为原料合成丙烯腈，主要副产物为氢氰酸、丙烯醛、 乙腈、CO 和 CO2。 2C3H3+2NH3+3O22C3H3N+2H2O 生产过程为，原料气体以氨丙烯空气=1.151.010.5(mol)的比例从底部进入 流化床反应器，此时需要的压力为 63.74kPa，反应的温度 440。反应用钒铝氧氮化物 为催化剂，反应过程中用软水循环进行回收，产生高压蒸汽。反应后的气体经冷却后， 洗涤、吸收、分离、精制后得到高纯度产品，这种方法具有原料易得、产品成本低、 工艺过程简单等优点。目前该方法是国内外主要的生产丙烯腈方法。但现在存在一个 全国范围内丙烯腈原料紧缺的问题5。 1.1.5 处理工艺概述 根据现有各种工艺进行比较。目前，对于处理丙烯腈废水极为重要的一点是选择 一条既节能减排，又减少经济投入、能够提高效率的工艺路线。通过各个方面进行比 较，综合考虑工艺路线的经济性和环保性，我们选择了四效蒸发和生物降解处理法相 结合的工艺路线。一方面能在浓缩废水的同时提高分离洁净水的纯度，另一方面还能 避免因焚烧法所带来的种种不利。根据丙烯腈的性质和特点，我们采用多效蒸发。多 效蒸发是蒸发的一种：在生产的过程中，蒸发大量的水分必然需要消耗更多的加热蒸 汽。在多效蒸发过程中可将前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，这样可以 节省热源的消耗。同样蒸发时要求后一效的溶液的沸点和操作压强均较前一效的低， 因此引入前一效的二次蒸汽可作为后一效的加热介质，以上就是多效蒸发的操作原理6。 对于蒸发器主要是从效数、顺逆流和循环方式这三方面进行选择。 （1）效数 从理论上来讲，蒸发器的效数越多，蒸汽被循环利用的次数也就越多，如果蒸汽 的消耗量越低，那么产品的成本将会下降，生产运转费也将降低。但如果反过来，蒸 发器的效数越多，随着蒸发器的增加，投资费用也会相应增加，从而提高了产品成本 与折旧费。通过查阅化工原理第三版下册附录 3.2，所以理论上消耗蒸汽用量与效 数的关系见表 2-4。 表 1-1 蒸发单位水量所需消耗的蒸汽量 效数单效双效三效四效五效 (D：W)/min1.10.57 注：(D 为加热蒸发消耗量(kg)，W 为蒸发水量(kg) 沸点升高越大，则有效温差越小，所以采用的效数也就相应的减少。查阅有关数 据可知，丙烯腈废水的主要成分有丙烯腈、丙烯醛、乙腈等，它们的沸点都低于 100 （77.3、53、81.5） ，因此选择了四效蒸发器。 （2）流程 顺流操作时，后一效蒸发室的压强比前一效低，废水在效间通过小功率的泵进行 输送。后效蒸发室的温度较效低，当前效溶液进入后效，会闪蒸出一部分蒸汽，所以 将消耗少量的生蒸汽。但是顺流流程时后效的温度低、浓度高、传热速率小、粘度增 高。逆操作时与顺流操作恰好相反，后效温度低、浓度高，从而各效的传热速率比较 接近，但所需蒸汽消耗多，离心泵的功率大，并且逆流对材质要求比较高7。通过以上 比较，所以本次工艺采用顺流路线。 （3）循环方式 I、II、III、IV 分别是一效、二效、三效、四效的二次蒸汽 图1-1 四效顺流式蒸发器 由于丙烯腈的密度：0.806g/cm3，氢氰酸的密度0.69 g/cm3，乙腈的密度为0.79 g/cm3，所以根据溶液的密度不同，本次工艺采用中央循环管式蒸发器。根据以上三个 方面的考虑，本文采用了四效顺流式中央循环管式蒸发器(图1-1)。在运行过程中严格 遵守蒸汽温度和蒸汽压力等工艺参数。物料、二次蒸汽、蒸汽以及冷凝水相接触的部 件都采用不锈钢进行生产。该设备主要有第一、二、三、四效蒸发器、真空泵、冷凝 器还有储罐所组成。主要技术参数：蒸发温度：第一效1252，第二效1122，第 三效902，第四效602；压力：第一效为0.137MPa，第二效为0.062MPa；第三效 为-0.013MPa；第四效为-0.088MPa。最后通过第四效蒸发器蒸出的水蒸气冷却后进行 检测，然后进行中和处理，当PH在68之间可排入净化水池进行循环使用，最后浓缩 后的废水通入生物降解池。 1.2 设计依据 本次设计以齐齐哈尔大学化学与化学工程学院化学工程与工艺专业下达的具体任 务书为依据，根据开题报告，提出设计的方案，确定本工段的设计原理，同时根据合 理的除杂方法、确定工艺流程、对该工段进行物料衡算和热量衡算以及蒸发器的计算 和选型、对车间的设备进行合理的布置，最后对整个工段进行供电、供水、供暖、通 风和环境保护的初步设计等。本设计的题目为年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步 设计，除去丙烯腈废水中杂质的主要产品符合 GB338-92 的标准，年产时间为 330 天， 年处理能力为 8 万吨。参照GB-设计制图标准等相关国家标准，以及化工设计 、 化工原理 、 化工设备手册 、 化工过程设备机械基础 、 化工专业英语和化 工工艺计算等图书资料进行设计。 1.3 厂址选择 1.3.1 厂址选择的重要性 工厂的地理位置对于整个企业的存亡有相当大的影响。对于化工厂来说，大部分 化学物质都具有易爆、易燃、有毒等特征，对人民的生命安全以及当地的环境有很大 的威胁，所以对于工厂地理位置的选择是非常重要的。为了能让企业更稳定的发展， 并且得到更多的效益，就必须在源头上降低对人们的威胁。 首先，化工企业的厂址选选择取决于诸多因素。如自然环境和社会环境。因为厂 址选择是整个项目在建设前期需要考虑的一项重要的工作环节，所以要认真收集建厂 地区的基础资料，进行多次的讨论，比较。选定经济合理、符合环境并且交通安全的 建设方案。 其次，厂址选择一定要符合当地地区的总体规划和布局，必须能够节约用地，尽 量少占耕地。选定的厂区用地面积还应该满足运输要求和生产工艺， 最后，选择一个能满足要求的理想厂址。还需要对工厂的有效占地面积作出一个 初步的估算。同时还需要考虑预留扩建用地。所以需要的厂址一定要足够的宽敞。以 备职工宿舍、职工停车场所、运出或运进原材料的运输设施以及将要等待装卸或储存 的货车等多方面的需要。 所以确定化工厂的厂址时更需要从多方面、多角度、多方案进行综合的和全面性 考虑，最终确定一个能够符合国家规定的各项要求、物流顺畅、工业布局合理、技术 经济成熟的厂址选择方案。 1.3.2 厂址选择的基本要求 选择建厂地区的基本要求(1) 在城镇水源的下游； (2) 厂区吃春季风向最小频率 的上风侧;(3) 靠近水质良好和水源充足的地方；(4)当地的自然环境，如湿地、高温、 雷击，这些对除杂都将产生不良影响;(5) 要有良好的工程地质条件；如：工厂不能建 在软地基和地下有溶洞的地方;(6) 尽量少占耕地，并且要适当的节约用地；(7)对于工 厂要留有扩建的场地；(8)必须留有污水、污泥的排放或利用的空间和设备；(9) 厂区 不受地质条件的影响，要有良好的排水和供水条件；(10) 有方便的交通、水电和运输 等条件。 选择建厂用地的基本要求(1)必须要靠近水源，保证供水的连续性，同时还要符合 生产对水量、水质、水温的要求；(2) 通过考察和了解地下水对设备是否有侵蚀的可能， 还需要考虑地质灾害的影响，如泥石流、滑坡、溶洞等；(3) 厂区用地面积应满足运输 要求和厂房的布局，并预留扩建用地；(4)考虑留有三废（废水、废渣、废气）处理的 场地；(5) 根据物料性质、工厂运货量、运输距离、外部运输条件等综合因素合理确定 原料和成品的运输方式。 选择建厂城镇的基本要求(1) 化工企业的厂址要符合当地城镇规划建设；(2) 能够 保证工厂生产时所需劳动力的数量和工资水平等；(3) 工资水平必须能够达到一定的国 家标准；(4) 职工居住和生活的场所，环境应该达标；(5) 要同相邻企业和当地政府展 开良好的生产协作，同时还能够为本厂的科技、生活福利等提供有效的信息。 1.3.3 本次厂址选择 青岛市化工工业园位于平度市新河镇胶莱河以东，辛沙公路以北，大莱龙铁路以 南的盐碱滩区域，总规划面积 3 平方公里，集中配套完善基础设施，工业用地达到道 路、供电、通讯、供排水、排污处理和场地平整“五通一平”。园区功能规划以承接青 岛市区“退市进郊”的各类化工企业为主体，配备相应的商贸、生活、娱乐等设施，建 成功能完善、环境优美、具有特色的工业园区。 首先，区位优势明显。园区所在地新河镇位于平度西北部，地处青岛、烟台、潍 坊三市交界处，东、南濒临黄海，北接渤海，是连接山东半岛与内陆腹地的咽喉和半 岛制造业基地的中心地带，市场辐射能力强。 其次，交通运输便利。园区交通发达，威乌（山东威海内蒙古乌海）高速、青 银高速两条高速公路在园区交汇，并设有出入口；206 国道、大莱龙铁路贯穿园区，是 连接青岛、潍坊、烟台的交通枢纽。距离青岛国际空港 130 公里，青岛海港 150 公里， 莱州海港 40 公里，潍坊火车站 50 公里，大莱龙铁路挥埠站 5 公里，交通运输极为便 利。 再次，水资源丰富。园区所在地新河镇西靠胶莱河，东临泽河，全镇水域面积 1380 公 顷，支流 20 余条，大型储水闸 2 座，最大储水量 1600 万立方米，为引黄济烟工程配 套拟建的双友水库，蓄水量达 450 万立方米，地下卤水储量约 3000 万吨，周边地区有 10 万亩盐场，地下水和地表水资源丰富。距莱州湾 20 公里，可通过胶莱河引入丰富的 海水资源。 同时，生态环保优势突出。园区所在地新河镇地处胶莱河的入海口地带，距离莱 州湾仅有 20 公里，拥有 20000 多亩可利用的盐碱滩地，地势平坦开阔，非常适宜承接 各类化工企业。利用盐碱滩地集中建立化工工业园，既可以为化工企业各类污染物的 及时处理和排放提供充足的空间，便于控制污染，又有利于化工企业充分利用当地丰 富的海水、卤水、铁矿石等资源，实现对盐碱滩资源的综合开发利用，可取得较好的 社会经济效益。 最后，人力资源丰富。平度市有 134 万人口，是全国基础教育先进市和职业教育 先进市，职业教育全国领先。与德国赛德尔教育基金会联合办学已有十多年，成功引 进实践了全国唯一的“双元制”职业教育模式，成果丰硕。全市劳动力的存量和近郊输 出量在青岛市各县市区中位居第一位，农村劳动力 40 万人，每年接受全国各地的大专 院校毕业生 2500 多人，职业学校毕业生 4000 余人，劳动力素质较高。 1.4 设计规模与生产制度 1.4.1 设计规模 来自合成和精制车间的丙烯腈废水，作为一种工业废水，又因其含有丙烯腈及其 聚合物，含氰物质对于人畜有高毒性。因此利用四效蒸发器对其进行浓缩，分理出含 毒物质低于国家标准的处理水，并将浓缩后的含氰废水输送到生物降解池，经过处理 和生物降解作用使之得以转化为可用化合物。从而达到将丙烯腈废水净化处理的目的。 其中生产能力为年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计，年消耗 2.166 万吨蒸汽。 废水处理装置设计运行时间为 333 天，生产车间采用两层闭式设计，其中但层楼高为 6m，总跨度为 30m，宽为 6m，废水车间占地面积为 180m2。 1.4.2 生产制度 丙烯腈废水处理车间的工作时间为 333 天，按一天 24 小时，需要年工作日为 8000h，每班工作时间为法定工作日 8 小时，因此设备年运转 7992h，生产口号为“安全 生产，保质保量”。并且车间要实行“四班三倒”的工作制度，按各工段操作情况进行人 员分配设置，见表 1-2 所示。 表 1-2 人员组成 人员名称人数倒班制 车间主任18 小时工作制 班长4四班三倒制 蒸发车间岗位工人4四班三倒制 水处理及检测岗位工人8四班三倒制 生化降解岗位工人8四班三倒制 技术工人38 小时工作日 临时工人若干8 小时工作日 外线岗位工人 设备维修人员 6 2 8 小时工作日 8 小时工作日 在职工人共计 36 人，临时工人若干。车间主任白天在车间主持工作。 1.5 原料及产品规格 1.5.1 主要原料规格及技术指标 表 1-3 丙烯腈废水规格 组成 %wt 乙腈3.271 氢氰酸0.148 丙烯腈0.304 含氰化合物渣滓2.463 轻有机物1.735 水71.627 硫酸铵20.452 合计100 1.5.2 产品规格 表 1-4 产品的规格8 组成%wt 乙腈 氢氰酸 丙烯腈 含氰化合物渣滓 110-6 轻有机物110-2 水 NH3 硫酸铵 99.99 1.6 经济核算表 在工厂进行投产之间，需要对技术方案进行选择，综合考虑确定评价指标，预测 大概费用，明确费用去向，进而选择最优方案。力求在生产过程中用廉价易得的设备 和原料，本次工艺的目的是使废液中的杂质达到国家标准进行排放，从而能够降低对 环境的污染，要力争以最小的成本得到最满意的评价效果。 本次设计对年产 8 万吨丙烯腈废水装置的建厂指标进行了估算，在职工人共计 34 人，其废液中杂质的指标公用工程需用量如下表： 表 1-6 主要技术经济指标综合表 序号指标名称计算单位设计指标成本/万元 1生产规模t/a80000 2车间定员人36108 3蒸汽耗量 kg/h2707.274.5 4冷凝水耗量 kg/h655.263.2 5设备数量及投资台1014.44 6车间建筑面积 m2201.6 第 2 章 工艺设计与计算 2.1 工艺原理 丙烯腈废水工艺的主要设备是蒸发器，如图 1-1 所示。因为在生产丙烯腈的过程 中将会产生大量的有毒废水，其中废水的主要成分有氰化物、丙烯腈、乙腈、丙烯醛 和低聚物等高浓度的有机废水。该工艺流程选择四效顺流蒸发器，主要是将二次蒸汽 引入到另一个操作压力相对较低的蒸发器作为加热热源，根据废水中杂质的性质以及 蒸发过程中料液的温度，所以本次设计采用的主要设备是中央循环管式顺流蒸发器， 该设备的优点是传热效果好，主要是将丙烯腈废水浓缩后送至生物降解池，在此过程 中产生的冷凝水一部分送至加热装置，成为外加蒸汽，另一部分泠凝水送至净化水池， 其中影响废水中有毒物质的主要操作参数是蒸汽的进料温度控制，如果选择低温进料， 此时一次蒸汽的消耗量增大，主要原因是由相当大的一部分蒸汽用于预热物料，查阅 有关数据得知，丙烯腈废水主要成分中丙烯腈、丙烯醛、乙腈等的沸点都低于 100 （77.3、53、81.5） ，所以当蒸汽的温度过高时，将会使废水中的有机物蒸发出 来，所以将蒸汽的温度设定为 1389。 2.2 工艺路线的选择 在丙烯腈合成过程将产生大量的工业废水，同时丙烯腈废水又具有独特的地方： 含有多种有机化合物、并且化合物是又剧毒，废水的 COD 浓度也过高、水质相对比较 复杂外，还含有少量的丙烯腈（AN）以及聚合物，同时由于低聚物的分子量相对较高， 丙烯腈（AN）又难于生物降解而去除，所以采用常规的生物法是很难使废水中的物质 达标，同时还考虑到丙烯腈有毒，直接将其送至生物降解池也比较困难。所以目前必 须要选用一条合适的工艺路线。 目前关于丙烯腈中污水的治理方法较多，其中最具有代表性的是四效生物降解、 加压水解、焚烧法以及湿式催化氧化法，根据丙烯腈废水中杂质的特征、性质以及处 理要求外，还需要考虑废水处理中关于能源消耗和经济投入等因素，结合已有的成熟 处理废水方法，进行新型、高效、低能且二次污染少的工艺该进，所以本次工艺采用 四效蒸发生物降解法去除丙烯腈中的废水杂质10。下面就丙烯腈废水处理的方法以 及实际工业废水的治理现状进行评述。 表 2-1 工艺路线的比较 优点缺点 蒸汽能够循环利用，耗能少，冷却 水还能继续使用。投资少。四效生物降解 加压水解 利用丙烯腈废水在高温反应后进行 加压可以被碱分解，去除废水中的 有毒物质，投资较少。 加压水解的主要产物之一是氨氮，过 程中使氨氮生化出来的水难以达标。 焚烧法 湿式催化氧化法 将含有高浓度废水在高温下进行氧 化分解，生成水和二氧化碳，是一 种环境友好型的处理方法。 能将废水中的有机物及含有 N、S 等的毒性物质氧化成 C02、N02、S02、H20，能够达到净 化处理废水的目的。 由于废水中还含有多种组分，焚烧后 的烟气遇冷会产生结垢、腐蚀和堵塞 锅炉等问题。 设备材质要求高、投资大。并且反应 过程中硝酸铜催化剂带来了关于重金 属的污染问题。 2.3 工艺流程简述 2.3.1 工艺流程示意图 图 2-1 丙烯腈废水的工艺流程 2.3.2 工艺流程简述 将反应及回收废水汇集于废水回收储罐，由丙烯腈废水储罐将 10t/h 废水送至第一 效蒸发器 E101，此时蒸发器内的温度控制在 125，压力为 0.137 MPa，一效蒸发器来 的蒸发送至加热装置，为这个流程提供外加蒸汽，同时一效塔釜液由泵打人二效蒸发 器，塔顶的二次蒸汽进入二效蒸发器 E102;二效蒸发器所需热量由一效燕发器顶部的热 量提供，二效燕发器出来的冷凝液进人三效蒸发器;三效蒸发器所需的热量由二效蒸发 器的燕汽提供;三效蒸发器残液进人四效蒸发器，四效蒸发器所需的热量由三效蒸发器 的蒸汽提供。另外，二效、三效、四效的温度分别为 112、90、60;压力(表压)分 别为 0.06 MPa,-0.013 MPa,-0.08 MPa;由四效蒸发器出来的蒸汽进入冷凝器 E105，冷凝 器中的冷凝水送至净化水池，进行达标测试，合格之后就用于工业用水，这样可以节 约水源，冷凝器中的一部分蒸汽与四效蒸发器塔釜的残液分别由真空泵和离心泵打入 V201 储罐，最后将储罐中的浓缩液送至生物降解池。 2.4 工艺参数 表 2-2 各蒸发器工艺参数 单元一效蒸发器二效蒸发器三效蒸发器四效蒸发器 压力 pi/kPa13762-13-88 温度 Ti/1251129060 2.5 物料衡算 2.5.1 物料衡算的意义与作用 在工艺设计和计算中，物料衡算是在 该工段流程确定之后才开始进行的。目 的是通过根据原料与产品之间的 相互比例关系，计算原料的消耗量 以及生产过程 蒸汽的消耗量，溶液出口的质量分数。 从而为热量衡算 以及设备的选型和计算打 下基础11。 在丙烯腈的废水处理过程中，物料衡算对于控制生产有着非常重要的指导意义， 并且在实际的除污过程中，物料衡算可以帮助找出改进措施，提高废水中有毒物质的 排放量，同时，物料衡算还能检验整个过程的完善程度，对工艺设计工作也有重要的 指导作用，首先，需要建立一个新的车间或单元操作，对其设备进行物料衡算，这是 设计计算的第一步，同时也是整个设计的基础，在这个基础上可以进行热量衡算和主 要设备的工艺计算，这样就可以确定设备选型和工艺尺寸。在进行物料衡算时，必须 确定物料衡算的体系。然后根据质量守恒定律可知，对某一个特定的体系，输入体系 的全部物料衡算量等于输出全部物料量与体系内的积累量之和。 2.5.2 物料衡算的方法与步骤 四效蒸发工艺计算是根据物料衡算和热量衡算以及传热速率方程来确定。工艺计 算的主要项目有：加热蒸气的消耗量、各效蒸发量的质量分数以及各效的传热面积。 计算的参数有：原料液的流量、温度和组成，末效完成液的组成，加热蒸气的压强和 温度以及冷凝器中的真空度和温度等12。 在四效蒸发中，效数越多，未知量也就越多。同时四效蒸发的计算要比单效蒸发 复杂的多，查阅有关资料，可知生物降解池的最大降解能力为 80%，所以，四效蒸发 的计算步骤如下： （1）根据本次工艺的要求以及溶液的性质，确定四效蒸发的操作条件（如加热蒸气压 强及温度和冷凝器的压强及温度） 、蒸发器的形式和流程。 （2）根据原料液的流量以及实际生产的经验数据，计算总的蒸发量。 （3）根据实际经验得知蒸汽的温度和压力以及气化潜热。 （4）根据公式，计算加热蒸汽消耗量 1 01111 iii iiiii ii rTT WDFCWCW C rr 和各效蒸发水量13。 2.5.3 物料衡算 按 80 000 吨/年丙烯腈废水的量，年工作日以 333 天计，则： 80 000 吨=8.0107 kg 333 天=333248 000 h 10 000 kg/h 7 8.0 10 = 8000 总产品量F 1、料液的总蒸发量W = w1+ w2+ w3+ w4+ w5 (2-1) 0 x =3.271%+0.148%+3.271%+2.463%+1.735% =7.921% 式中 w1 乙腈的质量分数； w2氢氰酸的质量分数； w3丙烯腈的质量分数； w4聚合物残渣的质量分数； w5轻有机物的质量分数； (2-2) 04 ()FxFW x 0 4 (1) x WF x 式中 F原料液的处理量；kg/h W总蒸发量；kg/h 料液初始质量分数； 0 x 第四效蒸发器出口浓缩液预计达到的质量分数为 80%； 4 x 代入式(2-1)计算总蒸发量: kg/h 0 4 7.921 110000 19009.875 80 x WF x 而 kg/h 1234 9009.875WWWWW 式中 W1第一效蒸发器蒸发的水分的质量分数； W2第二效蒸发器蒸发的水分的质量分数； W3第三效蒸发器蒸发的水分的质量分数； W4第四效蒸发器蒸发的水分的质量分数； 2、各效溶液沸点和有效温度差的确定 各效的二次蒸汽压使用经验公式进行估算，其中最简便的估算方法是设各效间的 压强降相等，则总压强差为： i P MPa (2-3) 0 0.2120.0880.3 k PPP 式中 各效加热蒸汽压强与二次蒸汽加热之差，MPaP P0选定加热蒸汽压强，MPa Pk末效冷凝器中的操作压强，MPa MPa i 0.3 0.075 44 P P 所以第 i 效的二次蒸汽压强 Pi为： i0 i i PPP 一效 MPa 10 0.2120.0750.137 i PPP 二效 MPa 20 20.21220.0750.062 i PPP 三效 MPa 30 30.2123 0.0750.013 i PPP 四效 MPa 40 40.21240.0750.088 i PPP 由各效的二次蒸汽压强从（化工原理第三版上册附录 8.9 查得相应的二次蒸汽温度 和汽化潜热列与表 2-3 表 2-3 不同压力下各效蒸汽温度和气化潜热 各效第一效第二效第三效第四效 二次蒸汽压强 Pi/(MPa)（表压）0.1370.062-0.013-0.088 二次蒸汽温度 Ti/() (即下一效加热蒸汽温度) 1251129060 二次蒸汽的汽化潜热(即下一效) 加热蒸汽的 ri（kJ/kg） 2192.82230.72283.12355.1 多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算： (2-4) )( 1K TTt 式中 有效总温度差，为各效有效温度差之和，。 t 第一效加热蒸气的温度，。1 T 冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，。K T 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，。 其中 (2-5) 式中 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失， 由于蒸发器溶液的静压强而引起的温度差损失， 由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失， 3、各效料液沸点和温差损失 各效中由于溶液蒸汽的压降、液柱静压及流动阻力所造成的温差损失、 i t i t 均可按下述方法进行估算。 i t (1)流动阻力所造成的温差损失 i t 在多效蒸发中，二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽的压力稍有降低， 温度也相应降低。的计算繁琐，一般取二次蒸汽温度下降为 0.51.0。 i t 故：=0.5，=0.7，=0.8，=1.0 1 t 2 t 3 t 4 t 因此：3.0。 i t 由各效流动阻力所造成的温差损失，可得到相应各效二次蒸汽的温度，进而从手 册中可查得相应的水蒸汽的压力和汽化潜热等参数，见表 2-4。 表 2-4 二次蒸汽的物性参数 效数1234冷凝器 加热蒸汽温度 Ti/138124.5110.88850 流阻温差/1 二次蒸汽压力 pi/kPa2381638813 二次蒸汽温度 Ti/1251129060 二次蒸汽的汽化潜热 ri/kJ/kg2198.22230.72283.12355.1 (2)液柱静压所造成的温差损失 i t 由于蒸发器的加热管内积有一定高度的液层，所以其液层内截面上的压力高于液 体表面压力，因此液层内溶液的沸点也高于液面的沸点，从而两者之间存在温差，即 ， i t (2-6) ppmi ttt 式中 与平均压力相对应的水的沸点，其中（ 为液 pm t m p2/glppml 层深度，取值为，为液体密度） ；m6 与二次蒸汽压力相对应的水的沸点，其中为二次蒸汽压力。 p t p p 由各效二次蒸汽的温度，可得到相应各效饱和液的密度和溶液平均压力，进而从 手册中可查得相应溶液平均压力下水的沸点等参数，见表 2-5。 表 2-5 二次蒸汽的物性参数 (3)溶液蒸汽压降所造成的温差损失 i t 对于不挥发性溶液，由于溶质分子阻碍了溶剂的汽化，使溶剂蒸汽压下降，溶液 沸点上升，并将大于二次蒸汽温度，则溶液蒸汽压降所造成的温差损失为 i t (2-7) iBii Ttt 式中 溶液的沸点， Bi t 二次蒸汽的饱和温度， i T 的计算方法很多，常用的是杜林法则。当缺乏数据时，可用下式估算。 i t (2-8) aiiiaii trTtft 2 )273(0162 . 0 根据各效料液质量浓度，查得 i x ai t ；0 . 1 1 a t5 . 1 2 a t5 . 2 3 a t7 4 a t 代入式(2-10)计算； 2 1 0.0162(125273) 1.01.2 2192.8 t ； 2 2 0.0162(112273) 1.51.6 2230.7 t ； 2 3 0.0162(112273) 2.52.3 2283.1 t ； 2 4 0.0162(60273) 75.3 2355.1 t 总温差损失45.4 iiii tttt 效数1234 二次蒸汽压力 pi，kPa238124.5110.888 二次蒸汽温度 Ti，1251129060 饱和液密度 ，kg/m31000101010501100 静降压温差ti，34520 总有效温差1385045.442.6 i t (4) 各效料液沸点 溶液的沸点与溶液的种类、浓度和压力有关。 (2-9) iiii ttTt 故 1111 1251.23129.2tTtt 2222 1121.64116.6tTtt 3333 902.3597.3tTtt 4444 605.32085.3tTtt 各效物料沸点值见表 2-6。 表 2-6 物料沸点 效数1234 物料沸点 ti，121.4106.680.544.9 各效有效温差，其中； i t iii tTt 111 125 121.43.6tTt 222 112106.65.4tTt 333 9080.59.5tTt 444 6044.915.1tTt 4、加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量 第 i 效的蒸发量 Wi的计算式为 (2-10)( 1 12100 i ii pwipwpwp i ii ii r tt CWCWCWCF r rD W 式中 第 效加热的蒸汽量，kg/h，当无额外蒸汽引出时，； i Di 1 ii WD ，第 效加热的蒸汽、二次蒸汽的汽化潜热，且； i r i r ikgkJ 1 ii rr ，分别为第 效和第效物料的沸点， i t 1i ti1i 为第 效的热利用系数，取， i i 1234 0.96 表 2-7 单位蒸汽的消耗量 效数单效双效三效四效五效 (DW)/min 1.10.57 由 (2-11)0.3 D W 式中 D=D1加热蒸汽的消耗量，kg/h 得： D1=2707.2 kg/h 原料液的比热，水的比热，计算中所 p0 C4.316()kJkg K4.262() pw CkJkg K 需的参数见表 2-8。 表 2-8 物性参数 效数一效二效三效四效冷凝器 蒸汽压力 pi，MPa（表压）0.1370.06-0.028-0.080 蒸汽温度 Ti，125112906050 蒸汽的气化潜热 ri，kJ/kg2192.82230.72283.12355.12355.1 二次蒸汽的气化潜热 ri，kJ/kg2230.72283.12355.1 一效： 1 101 110 11 () p D rtt WFC rr 2707.22192.8(100004.316)(138125) 0.96 2230.7 =2754 kg/h 二效： 2 212 2201 22 () ppw D rtt WFCWC rr 27542230.7(100004.31627544.262)(125 112) 0.96 2283.1 =2754 kg/h 三效： 3 323 33012 33 () ppwpw D rtt WFCWCW C rr 28692283.1(100004.31627544.26227544.262)(11290) 0.96 2355.1 =2854.8 kg/h 四效: kg/h (2-5) 1234 9009.875WWWWW 可得: kg/h 4 655.2W 5、各效料液质量浓度 由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的质量浓度。 i x 因为，其中kg/h，各效物料的蒸发量 0i ()