废水脱氨工艺设计第三组概要

北京化工大学 化工设计说明书北京化工大学 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：张 博 组员：于 佳 陈一珲 胡 迪 梁 微 指导教师：纪培军2010年12月1日 目 录1.工艺设计基础 21.1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 22.工艺说明 42.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点 42.2工艺流程说明 53.工艺计算及主要设备设计63.1 换热器热量衡算以及工艺设计 63.2 萃取塔物料衡算以及设备工艺计算 93.3 汽提塔物料衡算以及设备工艺设计153.4 吸收罐物料衡算及设备工艺设计184工艺控制条件及自控设计215附表和附图22参考文献 25附:小组分工明细及评分 251.工艺设计基础1.1设计依据 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 m3/h最大处理量 7.0 m3/h设计要求：1.工艺可靠 2.操作简单，操作弹性大 3.设备投资费用低 4.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: 3.0 g/L CU2+: 250 mg/L原料液温度： 60 o C 80 o C 原料液酸碱度： PH 值8.0 9.0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。 1.2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。 1.3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1NH3-N3g/L100mg/L2250mg/L2mg/L3LIX984N混合配方萃取剂4CaO调pH值表1-1 原料技术规格2. 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，最后吸收浓缩成达标产品浓度为大于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Cu(NH3)n2+，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（Ca(OH)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。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。2.1.3 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。3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5m/h含氨3g/L的废水。废水进口温度t1=75废水出口温度t2=25冷却水进口温度T1=15冷却水出口温度T2=35（1）物性常数物性常数冷却水(1)废水(2)定性温度tm 2550 比热Cp kJ/kg4.1784.178 密度 kg/m997988粘度 Pas0.88610-30.54710-3 导热系数 W/(m )0.6080.648普朗克准数Pr6.163.54表3-1 换热物料物性常数（2）热负荷计算废水处理量G2=5=1.37 kg/s则热负荷Q=G2C2t2-t1=1.374.17875-25= w（3）冷却水用量G1=QC1T2-T1=.178(35-15)=3.43 kg/s （4）平均温度差tm=(t1-T2)-(t2-T1)lnt1-T2t2-T1=21.64 （5）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 W/(m )，则所需传热面积的估算值为：S=QKtm=21.64=5.3 m2单程管数为n=4G1u1di2 =43.431.60.0229883.14=10 根单程管长为l=Snd0=5.370.0253.14=8.44 m选定换热器管长l=6m，则管程数Np=8.446=1.41 则取Np=2程，则总管数为n=2n=20 根3.1.2 换热器的选择和核算（1）初选换热器根据S=5.3 m2，n=20 根，Np=2，查表，选用G273-2-25-7列管换热器，其实际传热面积为7.3 m2，有关参数如下，见表3-2：公称直径DN273mm公称压力PN25105Pa传热面积S7.3 m2管 程 数Np2管 数n20管 长 l6m管子规格252mm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Re=du=0.021.69880.54710-3=57800由于钢管的绝对粗糙度=0.15mm，故/d=0.0075，查与Re及/d的关系图，得=0.038，又取管程结垢校正系数Ft=1.5，故得管程压降为： p=ld+3FtNpu22=0.03860.02+31.529881.622=8251.8Pa10000，而且l/d=6/0.02=30050，故i=0.023dRe0.8(Pr)0.4=0.0230.6480.02.83.540.4=7969.1W/(m )（4）管外给热系数o及K的计算o的计算为o=2.0232lnG2=4732.8W/(m )由此可算得K值为K=1d0idi+d0dm+1o=2318.3W/(m )（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=QKtm=5.71m2实际传热面积为7.3m2，则安全系数为7.35.71=1.28因为此值在1.11.5范围内，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Vw=0.m3/s （即5m3/h）；在水中的初始浓度Cw,2=0.25kg/m3；在水中的最终浓度Cw,1=0.002kg/m3；在萃取剂中的初始浓度Co,1=0.002kg/m3；萃取塔中的温度为25；当浓度单位以kg/m3表示时，本设计中相间平衡关系可用公式Co=mCw，其中m=1.69。3.2.2 设计计算（1）萃取剂用量由于的浓度很低，萃取过程中相密度的变化可以忽略。因此，所需的提取率为=1-Cw,1Cw,2=1-0.0020.25=0.992由相间平衡式和物料衡算可得萃取剂的最小用量：Vo,min=VwCw,21.69Cw,2-Co,1=0.9920.0.251.690.25-0.005=2.97m3/h取萃取剂流量为13m3/h，即Vo=0.m3/s，约为最小用量的4.4倍，比初始原料混合液流量大1.6倍。在LIX984N中的最终浓度为Co,2=Co,1+VwVoCw,2-Cw,1=0.002+5130.25-0.002=0.0974kg/m3（2）平均液滴尺寸因为LIX984N的用量较大，故用它做分散相。由于浓度低，计算所需各相的有关参数时，相应的取25的水和LIX984N的性质，即：水：c=997kg/m3，c=0.894mPas，=0.0341N/m，Dc=1.0510-9m2/s ；LIX984N： d=920kg/m3，d=3.8mPas，=77kg/m3，Dd=210-9m2/s 。转盘萃取塔内部装置尺寸取下列关系：DpD=23 ; DhD=34 ; hD=13 ;式中的D，Dp ，Dh分别为塔径、转盘直径和固定环内径；h为每段高度。取nDp=0.2m/s , 且假定段数N为20，则平均液滴尺寸d为：d=16.7c0.30.5nDp0.9c0.8g0.2N0.23=16.7(0.89410-3)0.3(0.0341)0.50.20.99970.89.810.2200.23=2.03mm（3）液泛时各相的总空塔速度液泛时各相的总空塔速度为（uc+ud）s=(1-4s+7s2-4s3)uT式中，s液泛时的滞液率。当分散相与连续相的体积流量比b=VdVc=135=2.6时，其滞液率为s=b2+8b-3b4(1-b)=2.62+82.6-32.64(1-2.6)=0.398液滴的特性速度，且uT=u0 ,其中=Dh+DPDDh-DD2+hD20.5=0.485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=(0.75T)0.78如果 T70，则Q=(22T)0.42式中 Q=0.75+Re/P0.15 ； T=4gd2P0.15/(3) ； P=c23/(gc4) ； 为相间张力。依次代入数据可求得：P=99720.9.810.=8.16851010T=4779.810.8.168510100.1530.0341=5.2742Q=(0.755.2742)0.78=2.923则Re=du0cc=94.1632 , 所以u0=4.16cm/s ，故液滴物性速度uT=u0=0.4854.16=1.91 cm/s液泛时的总空塔速度（uc+ud）s=1-40.398+70.3982-40.39831.91=5.0510-3m/s3.2.3 塔径与内部装置尺寸最小可能塔径为Dmin=4(Vd+Vc)(ud+uc)s=4(0.+0.)3.145.0510-3=1.12 m圆整塔径D=1.2m，则总空塔速度为（uc+ud）s=4(0.+0.)/(1.223.14)=4.4210-3m/s因为uduc=2.6，则塔的各空塔速度为u0=ud=0.319cm/s ;uw=uc=0.123 cm/s各相的总速度约为液泛时各相总速度的87.5%。萃取塔内部装置的主要尺寸为Dp=DDpD=0.8 mDh=DDhD=0.9 mh=DhD=0.4 m转自的转速为n=nDpDp=0.20.8=0.25 r/s3.2.4 相接触比表面积滞液率可由下式求得：3-22+1+uduT-ucuT-uduT=0将空塔速度和特性速度代入上式可得3-22+1+0.3191.91-0.1231.91-0.3191.91=0解此方程可得滞液率=0.252 相的接解比表面积为a=6d=60.2522.0310-3=745 m2/m33.2.5 萃取塔塔高连续相的纵向混合系数为Ec=0.5uch1-+0.09(DpD)2(DhD)2-(DpD)2nDph即Ew=Ec=0.50.12310-20.41-0.252+0.09(23)2342-2320.20.4=7.0710-4m2/s分散相的纵向混合系数为Ed=0.5udh+0.09(DpD)2(DhD)2-(DpD)2nDph即Eo=Ed=0.50.31910-20.40.252+0.09(23)2342-2320.20.4=29.110-4m2/s塔中液滴的相对速度和雷诺准数分别为ut=ud+uc1-=0.3190.252+0.1231-0.252=1.43 cm/sRe=dutcc=2.0310-31.4310-29970.89410-3=32.4又因为P=c23gc4=99720.9.810.=8.16851010所以T=4gd2P0.153=4779.810.8.168510100.1530.0341=5.2742因为T=5.274270，所以液滴不振动。 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=200.4=8 m，计算分传质系数。Schimidt数为 Scc=ccDc=0.98410-39971.0510-9=854因为Sherwood数为Shc=0.6Re0.5Scc0.5=0.632.40.58540.5=99.8故kw=kc=ShcDcd=99.81.0510-92.0310-3=0.51610-4 m/s=Hud=0.25280.31910-2=632 sFod=4Ddd2=4210-9632(2.0310-3)2=1.227Scd=ddDd=3.810-3920210-9=2065We=cut2d=997(1.4310-2)22.0310-30.0341=0.0121Shd=31.4Fod-0.34Scd-0.125We0.37=31.41.227-0.342065-0.1250.01210.37=2.203故ko=kd=ShdDdd=2.203210-92.0310-3=0.021710-4 m/s水相传质系数为Kw=1kw+1mko-1=(10.51610-4+11.690.0217410-4)-1=0.34310-5 m/s水相传质单元高度为Hox=uwKwa=0.12310-20.34310-5745=0.481 m对萃取过程，传质单元数为Nox=mVo/VwmVoVw-1lnmCw,2+m0-C0,2mCw,1+m0-C0,1对所研究的过程中，mVoVw=1.69135=4.39 ； m0=0 ，所以Nox=4.394.39-1ln1.690.25-0.09741.690.002-0.002=7.07因此当两相均为理想置换状态时，塔操作区的高度H=NoxHox=7.070.481=3.4 m。为了确定包括纵向混合的塔高，用逐次逼近法求出传质单元的表观高度。首先，求两相中纵向混合彼克列准数。Pe0=u0HE0=0.31910-2829.110-4=8.77Pew=uwHEw=0.12310-287.0710-4=13.9表现的传质单元高度可按下式计算Hox=Hox+Ewuwfw+VwmV0E0u0f0Hoy=mV0VwHox彼克列系数f0和fw按下式计算f0=1-1-exp(-Pe0)Pe0-1-(1-VwmV0)E0u0Hoxfw=1-1-exp(-Pew)Pew-1+(1-VwmV0)EwuwHox在逐次逼近时，忽略上式中的右边第二项，则得f0=1-1-exp(-8.77)8.77-1=1.129fw=1-1-exp(-13.9)13.9-1=1.08求得传质单元表观高度的逼近值为 Hox=Hox+Ewuwfw+VwmV0E0u0f0=0.481+7.0710-40.12310-21.08+51.691329.110-40.31910-21.129=1.197 m当取Hox=Hox时，相应的塔高为H=NoxHox=7.071.197=8.46 m因为转盘之间的距离h=0.4 m，所以这样高的塔应有塔盘数为N=Hh=8.460.4=21.15 块圆整塔盘数为22块，则传质区的高度H=220.4=8.8 m在计算液滴尺寸之初曾取塔德段数为20，若用N=22，则得到的平均液滴直径为1.98mm，与N=20时所得到的d值相差2.5%，这个误差在精度范围之内。因此，再重新计算萃取塔内液滴尺寸及其余各流体动力参数是没什么意义的，而且与塔高有关的分散相分传质系数基本上也不会改变。3.2.6 澄清区尺寸在转盘萃取塔中，操作区和澄清区的直径一般相同。澄清区LIX984N液滴凝聚所需时间为 S,C=1.32105cdHd0.18gd20.32=1.321050.89410-32.0310-30.03418.82.0310-30.18779.812.0310-320.03410.32=14.74 s上澄清区的体积为VS,C=2VdS,C0.8=20.14.740.8=0.14 m3故上澄清区的高度为HS,C=4VS,CD2=40.143.141.22=0.13 m在该萃取塔中，装盘区是发生强烈的液体运动的操作区。强烈运动的液体进入澄清区，使澄清区成为两部分，即澄清区本体和中间稳定区。前者进行相得分离，后者为澄清创造较好的条件。它的高度一般不小于塔径。据此，取沉降区总高度为为1.2m，上下两澄清区高度相同，均为1.2m。3.2.7 反萃取设计 萃取剂经萃取塔流出后进入反萃取塔,反萃出铜离子。由于反萃取时所需要的温度压力等各项控制条件未知，所以无法进行反萃取塔的核算。3.3 汽提塔物料衡算以及设备工艺设计 3.3.1 氨汽提空气需要量萃取工段流出料液流量为5m3/h，温度为25，pH=11。拟将其中NH3-N浓度由3g/L降至0.1g/L。其中，25时，氨的亨利常数H=0.75atm，且进入汽提塔底的空气中不含任何形态的氨。下式中各符号说明见表3-3：符号LG物性液体负荷率气体负荷率气体 密度液体 密度填料填充系数液体动力粘度NH3-N的摩尔分数NH3-N的物质的量水的物质的量单位kg/m2skg/m2skg/m3kg/m3N/m2smolmol表3-3 汽提塔部分符号说明（1）进出汽提塔液体中NH3-N摩尔分数依据公式xB=nBnA+nB可求得进出塔NH3-N的摩尔分数：C0=+317=3.17610-3mol NH3/mol水Ce=0.+0.117=0.10610-3mol NH3/mol水（2）离开汽提塔空气中NH3-N摩尔分数H=(0.75atm)(mol NH3/mol空气)（mol NH3/mol水)=（0.75atm）(mol水mol空气) ye=HPTC0=0.75atm1.0atm(mol水mol空气)3.17610-3mol NH3/mol水=2.38210-3mol NH3/mol空气（3）计算气-液比 因为GL=PTHC0-CC0=C0-C ye故GL=3.176-0.1062.382(mol空气mol水）=1.3(mol空气mol水）（4）空气和水的用量对于25空气 V空=1.324.1=31.33 L对于25水 V水=118997=0.018 L则气液比为GL=31.330.018=1741L/L=1741m3/m3（5）理想条件下所需空气总量需要空气量=17415m3/h60min/h=145m3/min3.3.2 汽提塔直径和高度的计算汽提塔内填料采用25mm包尔环填料。假设填充系数为50，气体系数为3，压降为200(N/m2)/m，则氨的KL=0.0125s-1。（1）汽提系数为3时的横纵坐标值S=GLHPT=0.75Gmol空气Lmol水28.8gmol空气mol水18g=1.2G gL g=1.2G kgL kg故算得L G =31.2 kg/kg=2.5则L G (GL-G)0.5L G GL0.5=2.51.5=0.087因此查图得得到纵坐标值为0.04。（2）利用纵坐标值求负荷率G=(纵坐标值)(G)(L-G)（Cf）（L）0.10.5=0.41.204(997-1.204)500.0010.10.5=1.38 kg/m2s则L=2.5G=2.51.38=3.45 kg/m2s（3）求汽提塔直径D=43.145997.80.5=0.606 m（4）求传质单元高度和传质单元数HTU=LKLA=5.01250.60623.144=0.385 mNTU=ss-1lnC0Ces-1+1 s=33-1ln30.13-1+1 3=4.52（5）汽提塔内填料高度已知传质单元数和传质单元高度，则可求填料高度为z=HTUNTU=0.3854.52=1.74 m3.4 吸收罐物料衡算及设备工艺设计3.4.1吸收流程的计算及设计已知从汽提塔出来的氨气为2.38210-3mol氨/mol空气，计算得氨气摩尔分数yNH3=2.37610-3。混合气体流量G=145m3/min，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yNH3=12.316mol/L=12316mol/m3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VNH3=72.52.37610-3=0.3445m3 /min=15.38mol/min。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：单位体积内达到规定浓度所需吸收时间t=12316 mol/m3/15.38 mol/min =800.78min/m3设吸收罐体积为V=14m3,有效体积V=10m3则吸收所需时间T=tV=800.78 min/m310m3=8008min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5m3/min，有效体积为10m3，T排=T加=10/5=2min那么，加液排液共需时间T4min。3.4.2 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H1=0.25D，封头体积：V=0.131D3。设H/D=2，已知V=14m3，且H2=H-H1=2D-0.25D=1.75D（罐体总高度为H,封头高度H1，罐体高度H2，直径为D）。那么由公式V=4D3H2+0.131D3，代入数据可得D=2.01m，H=4.06m，查表圆整得D=2000mm,H=4000mm。（2） 壁厚计算已知公式s=PcDi2t-Pc查表得设计压力Pc=2.16MPa，Di=2000mm，t =163MPa，s=325MPa，=1.0（双面焊对接接头，100%检测），代入数据得s=PcDi2t-Pc=2.16200021631-2.16=17.3取C2=1mm，查表C1=0.8mm，则C=C1+C2=1.8mm，故17.3+C=17.3+1.8=19.1mm，圆整后取s=20mm，选用20mm厚的16MnR钢板作罐体。（3） 封头设计已知公式并计算得s=PcDi2t-0.5Pc=2.16200021631-0.52.16=17.34mm取C2=1mm，查表C1=0.8mm，则C=C1+C2=1.8mm，故17.34+C=17.34+1.8=19.14mm，圆整后取s=20mm，所以封头厚度也取厚度20mm的16MnR钢板作罐体。（4）附件选取法兰：根据公称直径2000mm，工程压力0.25MPa，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，由于通入水内为空气与氨气的混合气，通入时的鼓泡促进罐内热量分布均匀，罐体外夹套内通入冷水进行冷却。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内压力过大。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度()压力流量 （m/h）平均 温差（）热负荷（kJ/h）传热系数 （W/(m)）传热面积（m2）形式进出计算实际C101A/B冷却器管内废水7525常压521.642318.35.717.3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