年产8万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计_毕业设计论文

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ABSTRACTINTHEDESIGN,THEPRELIMINARYDESIGNOFTHEEIGHTYTHOUSANDTONS/YEARACRYLONITRILEWASTEWATERTREATMENTSECTIONWASCOMPLETEDFIRSTOFALL,THESIGNIFICANCEANDFUNCTIONSOFACRYLONITRILEANDTHEDEVELOPMENTOFTHESITUATIONATHOMEANDABROADWEREINTRODUCEDINRECENTYEARS,ACRYLONITRILERISEINTHEDOMESTICANDFOREIGN,PROMOTETHEPRODUCTIONOFACRYLONITRILEATTHESAMETIME,POLLUTIONPROBLEMSAREALSOBECOMINGINCREASINGLYPROMINENTINTHEPRODUCTIONOFACRYLONITRILEPROCESSESPECIALLYINTHESYNTHESISANDPURIFICATIONWORKSHOPOFACRYLONITRILEINTHEPROCESSWILLPRODUCEALARGENUMBEROFTOXICSUBSTANCESWASTEWATERSUCHASHYDROGENCYANIDEANDACETONITRILEACCORDINGTOTHEDIFFERENCEOFBOILINGPOINTOFTOXICSUBSTANCESINTHEWASTEWATERINTHETECHNOLOGYCHOICE,THROUGHTHEACCESSRELEVANTINFORMATIONANDLITERATURETOXICSUBSTANCESCONCENTRATEANDDEGRADATEWITHFOUREFFECTEVAPORATIONTHEBIODEGRADATION,BASEDONTHEPREVIOUSINFORMATION,THEPLANTDESIGNWASDESIGNEDBYEMPIRICALDATA,HECONTENTOFTHEPROCESS,INCLUDINGMATERIALBALANCEANDHEATBALANCEANDTHEMAJOREQUIPMENTWASSIMULATEDBYASPENANDCALCULATEDSELECTIONLASTDRAWTHEMAINEQUIPMENTFIGUREWITHAUTOCADANDFLOWCHARTWITHCONTROLPOINTPLANANDTHEPROCESSOFTHEWORKSHOPLAYOUTWASDRAWNBYHANDKEYWORDSACRYLONITRILEWASTEWATERTOXICSUBSTANCESASPENPROCESSROUTE目录摘要IABSTRACTII第1章总论111概述1111产品的意义与作用1112国内外的现状及发展前景1113产品的性质和特点2114生产方法的概述2115处理工艺概述312设计依据413厂址选择5131厂址选择的重要性5132厂址选择的基本要求5133本次厂址选择614设计规模与生产制度7141设计规模7142生产制度715原料及产品规格8151主要原料规格及技术指标8152产品规格816经济核算表8第2章工艺设计与计算1021工艺原理1022工艺路线的选择1023工艺流程简述11231工艺流程示意图12232工艺流程简述1224工艺参数1225物料衡算13251物料衡算的意义与作用13252物料衡算的方法与步骤13253物料衡算14253物料衡算表2226热量衡算22261热量衡算的意义22262热量衡算及所需媒介的量23263蒸发器的传热面积24264热量衡算表2527ASPEN模拟26第3章设备选型3131选型的原则31311技术性评价原则31312经济性评价原则3132关键设备32321加热室32322分离室直径与高度的确定34323蒸发器接管设计3533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4851车间布置设计的原则48511车间设备布置的原则48512车间设备平面布置原则49513车间设备立面布置原则4952车间设备布置49第6章自动控制5161主要的控制原理5162自控水平与控制点51第7章安全和环境保护5371三废产生情况5372三废处理原则53第8章公用工程5581供水5582供电5583供暖5684通风56结束语57参考文献58致谢60第1章总论11概述111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。112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11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11中国历年丙烯腈供需状况项目20032004200520062011产能4876467348001013产量420518604712931净进口260310381318316表观消费量68081298510301247进口依存度382374387309253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15T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。113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5306，化学式C3H3N，密度0806G/CM3，沸点773，熔点82，自燃点48L，闪点11（开杯），折射率1388，爆炸极限（25）为30517005（体积）。蒸气压（20）为1107KPA。粘度（25）为034MPAS。114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。2C3H32NH33O22C3H3N2H2O生产过程为，原料气体以氨丙烯空气11510105MOL的比例从底部进入流化床反应器，此时需要的压力为6374KPA，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。115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32，所以理论上消耗蒸汽用量与效数的关系见表24。表11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DW/MIN110570403027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（773、53、815），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11四效顺流式蒸发器由于丙烯腈的密度0806G/CM3，氢氰酸的密度069G/CM3，乙腈的密度为079G/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11。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0137MPA，第二效为0062MPA；第三效为0013MPA；第四效为0088MPA。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。12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GB33892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。13厂址选择131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。132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。133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。14设计规模与生产制度141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2166万吨蒸汽。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。142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12所示。表12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628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。15原料及产品规格151主要原料规格及技术指标表13丙烯腈废水规格组成WT乙腈3271氢氰酸0148丙烯腈0304含氰化合物渣滓2463轻有机物1735水71627硫酸铵20452合计100152产品规格表14产品的规格8组成WT乙腈氢氰酸丙烯腈含氰化合物渣滓1106轻有机物1102水NH3硫酸铵999916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16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/A800002车间定员人361083蒸汽耗量KG/H270727454冷凝水耗量KG/H65526325设备数量及投资台1014446车间建筑面积M22016604800第2章工艺设计与计算21工艺原理丙烯腈废水工艺的主要设备是蒸发器，如图11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（773、53、815），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。22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21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。23工艺流程简述231工艺流程示意图图21丙烯腈废水的工艺流程232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0137MPA，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006MPA,0013MPA,008MPA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。24工艺参数表22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/KPA137621388温度TI/125112906025物料衡算251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。252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1011IIIIIRTWDFCWCR和各效蒸发水量13。253物料衡算按80000吨/年丙烯腈废水的量，年工作日以333天计，则80000吨80107KG333天333248000H10000KG/H7801总产品量F1、料液的总蒸发量WW1W2W3W4W5210X327101483271246317357921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；2204FXWX041式中F原料液的处理量；KG/HW总蒸发量；KG/H料液初始质量分数；0X第四效蒸发器出口浓缩液预计达到的质量分数为80；4代入式21计算总蒸发量KG/H047921108758XF而KG/H1235W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IPMPA23021083KP式中各效加热蒸汽压强与二次蒸汽加热之差，MPAP0选定加热蒸汽压强，MPAPK末效冷凝器中的操作压强，MPAMPAI30754所以第I效的二次蒸汽压强PI为I0I一效MPA12107513IP二效MPA2062I三效MPA30I四效MPA40214758I由各效的二次蒸汽压强从（化工原理第三版上册附录89查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与表23表23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）0137006200130088二次蒸汽温度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）21928223072283123551多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算241KTT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，。1T冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，。K总的温度差损失，为各效温度差损失之和，。其中25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、ITI均可按下述方法进行估算。IT1流动阻力所造成的温差损失IT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0510。IT故05，07，08，101T23T4T因此30。I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24。表24二次蒸汽的物性参数效数1234冷凝器加热蒸汽温度TI/138124511088850流阻温差/0507081二次蒸汽压力PI/KPA2381638813二次蒸汽温度TI/1251129060二次蒸汽的汽化潜热RI/KJ/KG219822230722831235512液柱静压所造成的温差损失IT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，IT26PMITT式中与平均压力相对应的水的沸点，其中（为液PMT2/GLPM层深度，取值为，为液体密度）；6与二次蒸汽压力相对应的水的沸点，其中为二次蒸汽压力。PTP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25。表25二次蒸汽的物性参数3溶液蒸汽压降所造成的温差损失IT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IT27IBITT式中溶液的沸点，BIT二次蒸汽的饱和温度，IT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。IT28AIIIAIITRTTF273016根据各效料液质量浓度，查得IXAIT；1AT52523AT74AT代入式210计算；10671098T；221356T；230678T；2412355T总温差损失4IIIITTTT效数1234二次蒸汽压力PI，KPA2381245110888二次蒸汽温度TI，1251129060饱和液密度，KG/M31000101010501100静降压温差TI，34520总有效温差13850426IT4各效料液沸点溶液的沸点与溶液的种类、浓度和压力有关。29IIIITTT故112513292264TT33907T445328TT各效物料沸点值见表26。表26物料沸点效数1234物料沸点TI，12141066805449各效有效温差，其中；IIITTT112543620TT3398T44615TT4、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21011210IPWIPWPPIIRTCWCFRD式中第效加热的蒸汽量，KG/H，当无额外蒸汽引出时，；I1IIWD，第效加热的蒸汽、二次蒸汽的汽化潜热，且；IRIKGJIR，分别为第效和第效物料的沸点，IT1II1I为第效的热利用系数，取，I234096表27单位蒸汽的消耗量效数单效双效三效四效五效DW/MIN110570403027由21103DW式中DD1加热蒸汽的消耗量，KG/H得D127072KG/H原料液的比热，水的比热，计算中所P0C436KJGK426PWCKJGK需的参数见表28。表28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）013700600280080蒸汽温度TI，125112906050蒸汽的气化潜热RI，KJ/KG2192822307228312355123551二次蒸汽的气化潜热RI，KJ/KG223072283123551一效1011PDRTWFCR27984361825096272754KG/H二效21220PPWDRTWFCWR75434367542615209682754KG/H三效323301PPWPDRTWFCWR28691436754675426190628548KG/H四效KG/H25123490875W可得KG/H4652W5、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。IX因为，其中KG/H，各效物料的蒸发量0IIXF10F07921值见表29。IW表29物料的蒸发量效数1234蒸发量WI，KG/H27542754285486552一效01FXX则110792154二效02XWX则21276072F三效03XX则031231091482545四效0FXWX则0412340710228465286、冷凝器的物料衡算（热损失为8）421MPWQWRQCTQ损653486KW8Q损KG/H2146209477MPWQCT损253物料衡算表表210物料衡算表各设备进料量KG/H二次蒸汽（KG/H）出口液体量KG/H出口质量分数（WT）一效蒸发器11042754724610928二效蒸发器72462754449217616三效蒸发器4492285481637248184四效蒸发器16372655298280冷凝器6552生物降解池98226热量衡算261热量衡算的意义热量衡算是为了确定设备的热负荷并且根据热负荷的大小以及蒸发器的传热面积，能进一步来确定蒸发器中所需的管子数。除此之外，对于蒸发装置的设计中，根据已知的或是查得的相关数据求得未知的物料量和设备需要加入或是移出的热量，同时计算出来的热负荷也是用来确定加热剂或冷却剂用量的依据在蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般可用于将溶液加热至沸点，此时废水中的水分蒸发为蒸汽，全部引入后一效作为加热蒸汽，同时，蒸发器的生产能力是与蒸发器的传热速率成正比关系。在工业生产过程中，蒸发大量的水分就必须消耗大量的加热蒸汽，为了减少加热蒸汽的消耗量，可采用多效蒸发操作。并且在实际的生产过程中,根据需要也可对已经投产蒸发装置进行热量衡算，以此来寻找能量利用的薄弱环节，制定节能措施，对于提供蒸发器的生产能力和生产强度提供可靠的依据14。262热量衡算及所需媒介的量D加热蒸汽的消耗量,KG/HH加热蒸汽的质量焓,J/KGH0料液的质量焓，J/KGH完成液的质量焓，J/KGL蒸发器的热损失，W蒸发器的热流量，WT冷凝水的饱和温度，KT蒸发器的操作压力下水的饱和温度，KT完成液的温度，KT0料液的温度，KCP完成夜的定压热容，J/KGKCPW水的定压热容，J/KGK一效1101LQDRWFCTQ27098KJ/H653二效22012LQDRWFCTQ7543KJ/H61三效330123LQDRWFCTQ27548KJ/H61四效4401234LQDRWFCWCTQ2853KJ/H671冷凝器KJ/H4QWR67235160263蒸发器的传热面积任意一效的传热速率方程为（）26IISTKIITTT式中QI第I效的传热速率，WKI第I效的传热系数，W/（M2）第I效的传热温度差，ITSI第I效的传热面积，M2在四效蒸发中，为了便于生产和安装，往往使用各效传热面积都相等的蒸发器；所以S1S2S3S4S。所以各效蒸发器的总传热系数K11400WM2K1；K21300WM2K1；K3800WM2K1；K4650WM2K1Q1D1R10752219281649106WM214910875STQ2W1R20765223071706106WM262170109325QSTKQ3W2R30765228311747106WM23438019TQ4W3R40793235511868106WM24585QSTK误差为005MINAX9810271误差在允许范围内，符合设计标准。264热量衡算表表211热量衡算表各设备热负荷Q（KJ/H）加热或冷却介质的用量W（KG/H）传热面积（M2）一效蒸发器593610627072982二效蒸发器61431061009三效蒸发器6288106993四效蒸发器6723106958冷凝器15111061695104生物降解池27ASPEN模拟根据化工过程模拟软件ASPEN对废水工段进行全流程模拟首先根据要求选择合适的模块，并且进行物料流股的连接，同时输入各组分名称。图22全流程模拟1、第一效蒸发器模拟对于第一效蒸发器的模拟，首先需要输入进料流股信息及模块参数，进料温度95，操作压力0237MPA，进料量为10000KG/H，运行的结果见图23。图23运行结果第一效蒸发器模拟结果如下图24和图25图24第一效蒸发器模拟结果表图25第一效蒸发器模拟结果表2、第二效蒸发器模拟物料经过离心泵打入二效蒸发器，输入进料流股信息及模块参数，进料温度95，操作压力0237MPA，进料量为10000KG/H，运行的结果见图26。图26第二效蒸发器模拟第二效蒸发器模拟结果如下图27和图28图27第二效蒸发器模拟结果表图28第二效蒸发器模拟结果表3、第三效蒸发器模拟物料经过离心泵打入三效蒸发器，输入进料流股信息及模块参数，进料温度95，操作压力0237MPA，进料量为10000KG/H，运行的结果见图29。图29第三效蒸发器模拟第三效蒸发器模拟结果如下图210和图211图210第三效蒸发器模拟结果表图211第三效蒸发器模拟结果表4、第四效蒸发器模拟物料经过离心泵打入四效蒸发器，输入进料流股信息及模块参数，进料温度95，操作压力0237MPA，进料量为10000KG/H，运行的结果见图212。图212第四效蒸发器模拟第四效蒸发器模拟结果如下图213和图214图213第三效蒸发器模拟结果表图214第三效蒸发器模拟结果表针对本流程工段的设计，对该工段进行了全流程ASPENPLUS模拟，各设备的操作参数与工艺要求相符，模拟过程可行，最终模拟结果如下表223所示表223最终模拟结果设备进料量（KG/H）二次蒸汽KG/H出口液体量KG/H一效蒸发器1000022869497713051二效蒸发器771305120524145660638三效蒸发器566063828558472804790四效蒸发器28047901866395938405模拟结果与计算基本相符，但也存在细微的出处，分析其原因，这主要是所查物性参数与软件自身参数不同所造成的，但这不会对结果产生太大影响。第3章设备选型31选型的原则在进行设备选型时应考虑到1、溶液的组成；2、溶液的性质；3、废水的处理量和蒸发量；4、溶液的初始浓度和完成液的终点浓度；5、溶液的黏度随蒸发过程中的变化情况；6、物料的热稳定性；7、在选择蒸发器的时候还需要考虑技术条件以及操作条件还有操作费用等因素，根据所选工艺条件，本次设计采用四效中央循环管式蒸发器。蒸发的主体设备是蒸发器，蒸发器主要由加热室和蒸发室组成。这次设计选择中央循环管式蒸发器，又称标准式蒸发器，这种蒸发器在化学工业上应用比较广泛。其结构和原理是，下部的加热室是由垂直管束构成，中间是一根较大直径的中央循环管，由于密度差的作用，中央循环管内的废水平均密度大，但其余加热管内的废水平均密度小，废水在循环流动的过程中强化了表面传热系数，从而达到蒸发的目的。其次是蒸发的辅助设备，包括使废水中的杂质进一步分离的分离器，二次蒸气全部冷凝的冷凝器和使物料加热至沸点的预热器以及减压操作时所需要的真空装置15。311技术性评价原则确定蒸发器设备在技术上是否可行，还需考虑下列因素1工艺性。根据物料的特性以及工艺要求，选择合适的设备以及蒸发方法。2安全性。在选择设备和生产过程中理应特别慎重，因为设备的安全性和工人的安全对于企业的生产和效益等方面有非常大的关系。3操作性。应选择费用较低、操作性容易的设备。4可靠性。应选择能及时排除溶液在蒸发过程中析出的晶体。5可维修性。应选择检修和清洗方便且寿命较长的设备。6环保性。应选择设备的噪音和振动频率控制在国家所规定的标准范围内。7节能性。对于废水，应选用有毒物排放控制在规定的范围。312经济性评价原则购买一台蒸发器设备不仅需要具有先进的技术，还需考虑经济上的合理性。对于购买设备所花费的全部费用时，要力争以最小的成本得到最满意的评价效果。另外在购买设备时要提出多个备选方案，综合考虑确定评价指标，预测大概费用，明确费用去向，通过计算，进而选择最优方案。对于本次工艺，蒸发器的选材问题也是至关重要的，选择材质的正确与否，直接关系到蒸发设备的寿命，所以必须选择相适应的材质，这样设备才能正常运行，对于蒸发装置，如果温度不同，所选材质的型号