固体氯化钡酸化工段工艺方案.doc

学校代码： 10128学 号： 本科毕业设计说明书题 目：固体氯化钡酸化工段工艺设计学生姓名： 李 敏学 院：化工学院系 别：化学工程系专 业：化学工程与工艺班 级： 指导教师：李铁云 教授二 一 二 年 一 月摘要我国冶金和金属加工行业每年有大量酸洗废液排放，该酸洗废液是冶金和金属加工行业进行钢铁表面除锈时氧化铁溶于盐酸产生的废液，其主要含有氯化亚铁和少量游离酸。用该酸洗废液代替盐酸直接浸取毒重石可制备氯化钡，不仅可以降低其生产成本，同时也为酸洗废液的综合利用提供了一条较好的出路。氯化钡是重要的化工原料，是制备其它钡盐和其它材料的主要中间原料，主要应用于制造钡盐、鞣革、颜料、染料、化学试剂、羊毛染色助剂、金属淬火加工、人造丝的消光剂、锅炉水的处理、防止陶瓷制品褪色、制取金属钡及钡炸药、农药、化工等领域。我国氯化钡的生产能力为10万吨左右，氯化钡的生产厂家主要集中天津、河北、河南、重庆、四川、山东、山西、浙江、江苏。我国是主要的出口国，具有垄断世界市场的能力，产品主要销往国内和东南亚国家。本文设计了生产固体氯化钡的酸化工段，利用的方法是以毒重石为原料，采取盐酸酸化、烧碱中和的工艺。设计过程中先进行原料以及生产方案的选择，之后进行物料衡算和热量衡算；再根据物料衡算的结果以及工艺流程画出物料流程图；接着绘制工艺管道及仪表流程图；根据设备选型的结果和流程图绘出设备布置图和立面图；最后完成首页图和设备一览表。关键词：氯化钡；毒重石；物料衡算AbstractBarium chloride was an important chemical raw materials，the preparation of others is the main Barium salt and other raw materials and intermediate，mainly used in manufacturing Barium salt，tanning，pigment，dyestuff，chemical reagent，wool dyeing auxiliaries，metal processing，rayon quenching the wave-ray agents，boiler water treatment，prevent ceramics fade，making metal barium and barium explosives，pesticides，chemical industry，etcBarium chloride production capacity in China is 10 million tons，Barium chloride manufacturer mainly concentrated in Tianjin，Hebei，Henan，Chongqing，Sichuan，Shandong，Shanxi，Zhejiang，JiangsuOur country is the main exporters in the world market，the ability，the monopoly products are mainly sold to domestic and southeast Asian countries.This paper designs the production of solid Barium chloride，using the acidification section method based on poison for raw material，adopts the stone，caustic soda acid neutralization processThe design process for raw material and production plan selection，after material and heat balance，According to the results of the material and process flow chart，draw materials，Then rendering process piping and flow chart meters，According to the results of the equipment selection and flow chart drawing equipment layout and elevationKeywords： Barium chloride；Poison stone；Material目录引言无机盐工业是化学工业的一个组成部门，具有品种多、用途广、生产方法多样等特点。目前，全世界生产的无机盐品种约为1300种左右。而有些无机盐产品，由于生产规模大，已发展成为独立的工业部门，如硫酸与硝酸工业、制碱工业和化肥工业等。氯化钡属于无机盐工业中产品的一种，我国钡矿资源丰富, 据预测资源总储量要超过10亿吨，而且钡矿品位较高，钡矿储量和产量目前均居世界首位，是发展钡盐产品的有利条件。目前生产氯化钡基本上都采用盐酸酸化法，原料多采用毒重石与重晶石。利用毒重石生产氯化钡是新的工艺路线，许多科研单位和企业做了大量的研究开发工作，目前已工业化生产。产品品质全部可以达到GB1617-89标准一等品水平， 成本要低于传统的盐酸硫化钡法，也没有H2S污染问题。利用毒重石生产氧化钡的工艺技术路线有极强的市场竞争能力，今后将迅速发展起来，成为生产氯化钡最普遍的方法。第1章 总论1.1 说明书1.1.1 设计依据本次设计依据内蒙古工业大学化工学院下达的毕业设计任务书进行设计。1.1.2 设计指导思想1、 贯彻执行国家基本建设的方针政策，使设计做到切合实际，技术先进，经济合理，安全适用。2 、贯彻“五化”一体化、露天化、轻型化、社会化、国产化）的措施和结果。1.1.3 设计范围本次设计的是生产氯化钡的酸化工段，生产装置主要有浸取器、酸化罐、中和器、板框过滤机和吸收塔。辅助设备主要有手推车、原料计量螺旋、斗式提升机、加料斗、沉降槽、风机和泵。主要过程包括浸取、酸化、中和、沉降、过滤和吸收。1.1.4 建设规模及产品方案1.1.4.1 建设规模本次设计的生产能力为20kt/a的氯化钡。1.1.4.2 产品方案本次设计生产出的产品应符合GB/T 1616-2002，其要求如下表：表1-1 GB/T 1616-2002要求表工程指标类类优等品一等品合格品氯化钡的质量分数 99.599.098.097.0锶的质量分数 0.050.450.90钙的质量分数 0.0300.0360.090硫化物的质量分数 0.0020.0030.008铁的质量分数 0.0010.0010.0030.02水不溶物的质量分数0.050.050.100.20钠的质量分数 0.101.1.5 主要原材料的规格及其消耗量和来源1.1.5.1 原材料的规格原料采用毒重石，用31%盐酸酸化、30%的烧碱中和。毒重石组成及含量为：表1-2 毒重石的含量及组成表组成BaCO3CaCO3MgCO3SrCO3BaSO4Fe2O3酸不溶物含量 %68.0020.003.040.801.501.005.661.1.5.2 原料消耗量经过物料衡算，毒重石每小时的消耗量为：3043kg。1.1.5.3 原料的来源毒重石从从四川进行采购，然后运输到厂地，盐酸与烧碱都从当地购买。1.1.6 生产方法及全厂总流程1.1.6.1 生产方法生产方法采用盐酸酸化、烧碱中和。此方法目前已工业化生产，产品品质全部可以达到GB/T 1616-2002标准一等品水平，成本要低于传统的盐酸硫化钡法，也没有H2S污染问题。利用毒重石生产氧化钡的工艺技术路线有极强的市场竞争能力，今后将迅速发展起来。1.1.6.2 全厂总流程先将采购来的毒重石经粉碎机粉碎，然后把一定粒度的钡矿粉放入水中进行浸泡，然后将浸泡好的料浆经料浆泵打入到酸化罐，并定时的加入一定量一定浓度的盐酸，在一定的搅拌条件下，发生酸化反应。酸化后在中和器中进行中和反应，除去镁离子和铁离子。中和后将中和液送入沉降槽，除去大的颗粒物质，将上清液送入板框压滤机进行过滤，将得到的滤液送到蒸发结晶工段进行蒸发结晶，得到最后的产品。该法中粉末状矿粉与盐酸反应迅速，产生大量气泡，因此要掌握好盐酸的浓度和添加速度。其流程框图为： 原料沉降吸收过滤浸取酸化中和结晶蒸发图1-1 氯化钡酸化工段工艺流程框1.2 厂址简况厂区选择建在阿拉善经济开发区位于阿拉善盟东端，地处阿拉善左旗乌斯太镇境内，东临黄河，西倚贺兰山，南接宁夏回族自治区石嘴山市，北连乌海市，规划面积123.84平方公里，建成面积20平方公里，总人口3万人。开发区成立于1997年8月，先后被自治区列为全区乡镇企业东西合作示范区、高载能工业园区，被国家农业部列为全国乡镇企业东西合作示范区。2002年1月9日，被自治区人民政府正式批准为自治区级开发区。2004年8月经自治区人民政府批准，更名为乌斯太经济技术开发区。2006年4月正式通过国家审核更名为阿拉善经济开发区。阿拉善开发区交通条件便捷，是阿拉善盟煤、盐、铁、碱等资源输出的必经之地，具有优越的区位条件。地处宁蒙交界地段的阿拉善经济开发区作为阿拉善盟的“窗口”，南接石嘴山、北连乌海、面向黄河、背靠贺兰山，包兰铁路从开发区东缘通过，乌吉铁路由开发区直达左旗工业重镇吉兰泰。110国道和丹东拉萨高速公路在开发区东边南北向通过，乌海巴彦浩特一级公路从开发区穿过，为“五路”交汇之处。距乌海机场40公里，距银川机场120公里，距贺兰山机场110公里，可高速直达。开发区距乌海西火车站2公里，距石嘴山火车站20公里。开发区北部的乌达矿务局五虎山等煤田、西部贺兰山一带矿产资源富集充足，得天独厚，分布广、品位高、易开采，周边现已探明矿种 50种，矿产地284处，其中大型矿床12处，中型矿床20处，已探明煤储量20亿吨，其中焦煤4亿吨，无烟煤6亿吨左右，电煤10亿吨左右；盐储量3.8亿吨；芒硝储量3870万吨；硅石储量50多亿吨。还有丰富的石膏、石灰岩、铁、铜、金、白云岩等矿产储量可观，配置条件好，发展工业潜力大。水资源充足，有黄河水和地下水可供使用，能够满足开发区工业和生活用水需要。土地资源丰富，已开发不足30%，未开发面积70%，均为荒漠地，开发建设成本较低。开发区内基础设施较为完善，市政道路、集中供水系统、供暖、排污管网、邮电、通信等覆盖开发区。区内电力基础条件非常优越，能够为工业用电提供充分的保障。现已建成110千伏、220千伏、500千伏3个变电站 。开发区距海渤湾电厂和石嘴山电厂分别为17公里和18公里，是乌达至石嘴山，乌达至巴彦浩特高压输电线路的必经之地。1.3工程水文地质条件和气象资料地形呈南高北低状平均海拔900-1400M，地貌类型有沙漠戈壁、山地、低山丘陵、湖盆、起伏滩地等，土壤受地貌及生物气候条件影响。具有明显的地带性分布特征，由东南向西北依次分布有灰钙土、灰漠土、灰棕漠土。在湖盆和低洼地区有盐碱土和沼泽土。地处亚洲大陆腹地，为内陆高原，远离海洋，周围群山环抱，形成典型的大陆性气候。干旱少雨，风大沙多，冬寒夏热，四季气候特征明显，昼夜温差大。年均气温摄氏6-85，1月平均气温-9-14。极端最低气温-364； 7月平均气温22-264，极端最高气温417。年平均无霜期130-165天。由于受东南季风影响，雨季多集中在七、八、九月。降雨量从东南部的200多毫M，向西北部递减至40毫M以下；而蒸发量则由东南部的2 400毫M向西北部递增到4 200毫M。年日照时数达2 600 - 3 500小时，年太阳总辐射量147-165千卡千方厘M。多西北风，平均风速每秒29-5M，年均风日70天左右。第2章 化工工艺及系统2.1 概述2.1.1 装置设计规模，装置组成与各工序名称本次设计氯化钡的酸化工段，处理量为18kt/a氯化钡。主要由浸取、酸化、中和、沉降、过滤和吸收组成。装置有浸取器、酸化罐、中和器、板框过滤机吸收塔、手推车、原料计量螺旋、斗式提升机、加料斗、沉降槽、风机和泵。2.1.2 生产方法、流程特点生产方法采用盐酸酸化、烧碱中和。此方法的工艺流程清晰简单，在流程图上一目了然，便于读图。2.1.3 生产制度年操作日为300天，一班为8小时，4小时生产一次产品。2.2 原材料及产品的技术规格2.2.1 原材料的技术规格原材料的技术规格为：表2-1 原材料的技术规格表序号名称规格标准备注1毒重石中低品位2盐酸31%3烧碱30%2.2.2产品的技术规格产品的技术规格为：表2-2产品的技术规格表序号名称规格标准备注1固体氯化钡18.28%2固体氯化钙5.65%3固体氯化锶0.22%4固体氯化钠1.64%5水74.21%2.3 生产流程简述酸化的主反应为：BaCO3 + 2HCl = BaCl2 + H2O + CO2副反应为： CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + H2O + CO2SrCO3 + 2HCl = SrCl2 + H2O + CO2Fe2O3 + 6HCl = FeCl3 +3 H2O氯化钡的酸化工段的生产属于间歇操作，4小时为一个周期，一班为8个小时，一班出两次产品。生产流程为：将来自堆场的毒重石粉用手推车推到计量螺旋上，计量螺旋将4个小时的原料处理量经斗式提升机送到浸取器顶部的原料斗，原料斗经过电机振动将矿粉送到浸取器里，同时将来自水槽的清水按毒重石粉的1.5倍从顶部送入浸取器，在浸取器内通过搅拌把毒重石粉溶解在水里。溶解后用螺杆泵将料浆打到酸化罐的上部，同时也缓慢的加入31%的盐酸，通过搅拌让料浆与盐酸充分反应。此过程温度不宜过高，因为温度越高，气体的挥发就越严重，原料的损失也会越严重，同时应将pH控制在3左右。反应生成的二氧化碳进入吸收塔，用水进行吸收，吸收完的部分送到酸储槽中，没吸收的部分被风机送入烟囱。酸化液用螺杆泵打入中和器的下部，30%的烧碱从顶部进入中和器，经过搅拌使反应充分，沉淀出铁离子与镁离子。在反应中应控制好pH值，使其达到8。反应后再用螺杆泵将中和液打入沉降槽进行沉降，大的颗粒会沉在容器底部，上清液用液下泵送入板框过滤机上部，清水也从上部进入过滤机，过滤完将滤饼取出用小车送到堆场，滤液则从过滤机右下部被压出，送到蒸发工段。第三章 氯化钡酸化工段物热衡算3.1 氯化钡酸化工段物料衡算3.1.1原材料原料选择毒重石，其组成及含量如表3-1所示：表3-1 毒重石的含量及组成表组成BaCO3CaCO3MgCO3SrCO3BaSO4Fe2O3酸不溶物含量 %68.0020.003.040.801.501.005.66酸化选择31%的盐酸，中和选择30%的氢氧化钠溶液。3.1.2 酸化原料处理量为：18kt/a；年工作日为：300；原料利用率为：98%；以矿粉的1.5倍的水润洗矿粉。则每小时的原料处理量为： + 14.6 = 3043kg/h BaCO3的摩尔质量；197g/mol； 的摩尔质量；244g/mol。以每小时3043kg的矿粉为基准进行计算，润湿需水量为4565kg。酸化反应的主反应化学方程式为：BaCO3 + 2HCl = BaCl2 + H2O + CO2此方程式中各物质的摩尔质量如表3-2所示：表3-2 方程式中各物质的摩尔质量表名称BaCO3HClBaCl2H2OCO2摩尔质量g/mol19736.52081844消耗BaCO3的质量为：=30430.680.98 = 2027.855kg 3-1） 反应消耗或产生的某物质的质量 反应的碳酸钡的质量 反应消耗或产生的某物质的分子量 碳酸钡的分子量消耗HCl的质量为： = 751.439kg生成BaCl2的质量为： =2141.085 kg生成H2O的质量为： =185.286 kg生成CO2的质量为： = 452.922 kg副反应为：1）CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2此方程式中各物质的摩尔质量如表3-3所示：表3-3 方程式中各物质的摩尔质量表名称CaCO3HClCaCl2H2OCO2摩尔质量g/mol10036.51111844消耗CaCO3的质量为： = 30430.20.98= 596.428kg 3-2） 反应消耗或产生的某物质的质量 反应的碳酸钙的质量 反应消耗或产生的某物质的分子量 碳酸钙的分子量消耗HCl的质量为： = 435.392kg生成CaCl2的质量为： = 662.035kg生成H2O的质量为： = 107.357kg生成CO2的质量为： = 262.42kg2）MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + H2O + CO2此方程式中各物质的摩尔质量如表3-4所示：表3-4 方程式中各物质的摩尔质量表名称MgCO3HClMgCl2H2OCO2摩尔质量g/mol8436.5951844消耗MgCO3的质量为： = 30400.03040.98 = 90.657kg 3-3） 反应消耗或产生的某物质的质量 反应的碳酸镁的质量 反应消耗或产生的某物质的分子量 碳酸镁的分子量消耗HCl的质量为： =78.785kg生成MgCl2的质量为： =102.529kg生成H2O的质量为： =19.427kg生成CO2的质量为： = 47.487kg3）SrCO3 + 2HCl = SrCl2 + H2O + CO2此方程式中各物质的摩尔质量如表3-5所示：表3-5 方程式中各物质的摩尔质量表名称SrCO3HClSrCl2H2OCO2摩尔质量g/mol14736.51581844消耗SrCO3的质量为： = 30430.0080.98 = 23.857kg 3-4） 反应消耗或产生的某物质的质量 反应的碳酸锶的质量 反应消耗或产生的某物质的分子量 碳酸锶的分子量消耗HCl的质量为： = 11.847kg生成SrCl2的质量为： = 25.642kg生成H2O的质量为： = 2.921kg生成CO2的质量为： = 7.141kg4）Fe2O3 + 6HCl = FeCl3 +3 H2O 此方程式中各物质的摩尔质量如表3-6所示：表3-6方程式中各物质的摩尔质量表名称Fe2O3HClFeCl3H2O摩尔质量g/mol16036.5162.518消耗Fe2O3的质量为： = 30430.010.98 = 29.821kg 3-5） 反应消耗或产生的某物质的质量 反应的氧化铁的质量 反应消耗或产生的某物质的分子量 氧化铁的分子量消耗HCl的质量为： = 40.817kg生成FeCl3的质量为： = 60.574kg生成H2O的质量为： = 10.065kg原料的利用量为：304310.0150.0566）0.98 = 2768.62kg反应消耗HCl的量：751.439435.32978.78511.84740.817 = 1318.28kg反应消耗盐酸的量为：生成CO2的量为：生成H2O的质量为：185.286+107.357+19.427+2.921+10.065=325.056kg kgH2O的质量为：30431.5+4252.52580.69+325.055=7823.7978kg酸化反应后溶液的质量为：2768.188+4252.5258+4564.5-769.98=10815.234kg ；浓度为20%时的比热容为：0.7605cal/(g。由下式计算19.80%的BaCl2溶液的比热容： = 解得：c = 0.7628cal/(g由热量衡算得到酸化后的温度为67.90，入口温度为25。某温度下的密度计算式为： = 1180.9g/lBaCl2溶液的体积为： = 9156.916L调pH到3，假设调pH所需要的盐酸体积不计，则氢离子的浓度为：0.001mol/l, 氢离子物质的量为：0.0019156.9164=9.157mol所以HCl得物质的量也为9.157 mol,HCl的质量为：9.15736.5=334.230g调PH消耗盐酸的量为：334.1940.31=1078.045g=1.078kg消耗盐酸的总量为：4252.52+1.078=4253.598kg酸化后BaCl2 溶液的总量为：10816.16+1.078=10817.238kg杂质的量为：硫酸钡：50.7kg；酸不溶物：127.23kg；碳酸钡：45.968kg；碳酸钙：13.52kg；碳酸镁：2.055kg；碳酸锶：0.541kg；氧化铁：0.474kg。酸化的物料平衡表如下：表3-7 酸化物料平衡表物料进料 kg/h出料 kg/hBaCO32069.2441.385CaCO3608.612.172MgCO392.511.85SrCO324.3440.487BaSO445.64545.645Fe2O330.430.609HCl1333.4451333.445盐酸4253.6水8632.9498724.376BaCl22141.085CaCl2662.035MgCl2102.529SrCl225.642FeCl360.574CO2769.978总计13222.3913222.393.1.3 中和中和工段将pH调到8，中和的反应方程式为：MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH2 + 2NaCl此方程式中各物质的摩尔质量如表3-8所示：表3-8 方程式中各物质的摩尔质量表名称MgCl2NaOHMg(OH2NaCl摩尔质量g/mol95405858.5 2的质量为： = 62.595kg生成NaCl的质量为： = 126.273kg3 + 3NaCl此方程式中各物质的摩尔质量如表3-9所示：表3-9 方程式中各物质的摩尔质量表名称FeCl3NaOHFe(OH3NaCl摩尔质量g/mol162.54010758.5 3的质量为： = 39.886kg生成NaCl的质量为： = 65.42kg反应消耗NaOH的质量为：消耗NaOH溶液的质量为：131.072/0.31=422.813kg30%NaOH溶液的密度为如下表：表3-10 30%NaOH溶液密度表温度 1015182030密度 g/ml1.33401.32900.32900.32791.3217用试差法求出25时30%NaOH溶液的密度为1.3248g/ml。将调pH 调到3。中和所需NaOH溶液的体积为：= 319159.325ml中和后溶液的体积为： 9159.25+ 319152.325/1000 = 9478.402L调PH后溶液中的物质的量为： 9478.402=9.478mol调PH消耗NaOH的物质的量为： 9.1599.478=9.1591mol调PH消耗NaOH的质量为： 10.17140=406.838g调PH消耗NaOH的物质的量为 366.36/0.3=1221.2g总消耗NaOH溶液的量为： 422.813+1221.2/1000=424.034kg中和后溶液总量为： 10817.238+424.03462.497139.886=11138.789kg中和后的质量分数为。中和后杂质的量为：硫酸钡： 45.645kg酸不溶物： 172.234kg碳酸钡： 41.385kg碳酸钙： 12.172kg碳酸镁。 1.85kg碳酸锶： 0.487kg氧化铁： 0.609kg氢氧化铁： 39.886kg氢氧化镁。 62.597kg列出中和物料平衡表，如下：表311 中和物料平衡表 物料 进料kg/h 出料kg/h 41.355 41.385 12.172 12.172 1.85 1.85 0.487 0.487 45.645 45.645 0.609 0.609 酸不溶物 172.234 172.234 水 9065.029 9065.437 NaCl 191.693 2141.085 2141.085 662.035 662.035 25.642 25.642 102.529 _ 60.574 _ _ 39.886 _ 62.597 NaOH 131.072 - 总计 13325.645 13325.6453.1.4 过滤过滤损失为0.003，洗水量占滤液体积比为0.1，一洗水量占0.06，二洗水量占0.04.过滤液的质量为：酸化反应后溶液的质量+调PH消耗盐酸的质量+总消耗NaOH溶液的量生成的质量生成的质量）*1-过滤损失）=12018.45+1078.045/1000+424.034-62.597-39.886）10.003）=11172.308kg氯化钡溶液的密度为：1200.7g/l 则进入吸收塔惰性气体的摩尔流量为V=19.841-0.02）=17.81 kmol/h进塔气体中HCL的组成为：出塔气体中HCL的组成为：进塔洗液中HCL的组成为由平衡关系经画图计算可得：。则，。吸收液组成可根据全塔物料衡算式求出，即3.2 氯化钡酸化工段热量衡算3.2.1 酸化