负压蒸发废酸处理的单元系统设计

负压蒸发废酸处理的单元系统设计

通过制备具有导电材料的铜和锆氧化物，表面处理后，含铜亚硝酸盐和含钛亚硝酸盐的氢氟酸溶液将诞生。废酸中的酸度、铜离子、氟离子对环境都有较大的危害性,必须进行处理,达标排放。传统的废酸处理方法主要是中和沉淀法。中和沉淀法不仅需要一套设备装置,包含废酸稀释、加碱搅拌、中和终点控制、过滤及压滤等专用设备系统;同时加碱过程中存在发热、喷溅和产生大量腐蚀性酸雾情况,存在较大的设备和操作安全性;而且压滤产生氢氧化铜和氟化钙等废弃物,无法实现资源的循环利用和废酸处理的环保经济。负压蒸发是通过对废酸进行加热,在负压条件下实现废酸的蒸发,在冷凝条件下实现蒸发酸气的凝结再生,产生的终产物硫酸铜是重要的化工副产品能得到再利用。负压蒸发具有节约能源、延长设备使用寿命、提高安全性和系统运行稳定性等优势,是一种新型、环保、安全的废酸处理方法,对于技术经济、资源的循环利用和可持续发展都具有重要意义;通过对工艺和设备的研究,研究成果和工程经验对于同行业也具有积极的推广性和可迁移性。因此进行负压蒸发废酸处理技术研究具有重要意义。1真空蒸发原理和工艺设计1.1蒸发结晶工艺含铜硝酸废酸或含钛硝酸氢氟酸废酸中按比例配入浓硫酸,加浓硫酸的目的是通过和铜离子的结合,产生硫酸铜副产品;采用导热油电加热机组对废酸进行加热使废酸达到蒸发条件从而使废酸中硝酸或氢氟酸等和水挥发成气体;采用真空机组使系统内建立负压条件,降低蒸发温度,加强蒸发动力,提高冷凝效率,降低能源消耗;采用冷凝机组对蒸发出的酸气冷却凝结,形成硝酸或氢氟酸再生酸,从而得到回收使用。根据硝酸、氢氟酸、水等介质的沸点以及金属盐的溶解度规律,蒸发顺序为HF→H2O→HNO3或H2O→HNO3。其中工艺设计和工艺参数的确定是工程的基础。图1为负压蒸发冷凝工艺原理流程图。1.2蒸发室工作压力蒸发母液为30%~40%硝酸溶液清洗无氧铜产生的废酸以及30%~40%硝酸和20%氢氟酸溶液清洗铌钛产生的废酸,根据废酸中铜离子或钛离子浓度,确定加入浓硫酸的比例为16%硫酸。根据量的要求,设计要求蒸发量为350L/h即0.1kg/s,气体标态体积为0.17Nm3/s即612Nm3/h。冷凝器中冷却水进口温度为无预热5℃。蒸发压力选择二级水喷射泵机组,其极限压力为-0.098a(表压)、0.002MPa(绝压),排气量为600Nm3/h。蒸发室工作压力取-0.085MPa(表压)、0.015MPa(绝压);此状态下水的汽化热568kcal/kg;计算确定废酸混合液溶液比热0.6kcal/(kg·℃),密度1.45kg/m3。11蒸发热计算根据所有蒸发水计算350L/h加热至75℃达到水、硝酸开始蒸发条件所需热量:蒸发所需热量:需要的导热油锅炉功率理论值:2cal/2mh的制备若取K=150kcal/(m2h℃)若取K=100kcal/(m2h℃)取20m2换热面积,350kg/h/20m2=17.5kg/m2h;该值小于蒸发器的一般蒸发强度30kg/(m2h)的经验值较多,安全。1.3计算和确定基于代理的组件参数进气温度50℃,冷凝后出液温度50℃;冷却水进水温度30℃,出水温度45℃;11加热面积的计算2冷却水量的计算32自来水管道的管道直径计算得d=0.04m=40mm,取管径为DN50冷却水管道面积S2=3.14×0.0052÷4=0.002m241更换毛细管参数需冷凝管根数n=99.4÷0.073=1362根流通面积s1=3.14×0.00452×1362÷4=0.022m251空冷干燥器直径换热管直径ф6mm,管间距15mm,换热管根数1362,需要筒体直径ф600mm。1.4力学物化性能参数导热油牌号YD-325,该导热油在150℃下的热力学物化性能参数为:密度0.929g/cm3,比热0.53kcal/(kg·℃)。2蒸发早期换热器管流通面积导热油流量q=90m3/h,流速v=1.5m/s,得d=0.1457m=40mm,取管径为DN150,换热器管道面积S2=3.14×0.0752÷4=0.001766m2蒸发釜换热器管流通面积:S=180×3.14×0.0082÷4=0.009m22真空蒸发项目负压蒸发的组成核心是加热-蒸发系统、真空系统、冷凝系统、结晶系统。2.1蒸发介质及真空度废酸溶液沸点及浓度随着系统真空度的变化而变化。真空度过高,废酸沸点降低易于蒸发,但是对设备的密封性能提出较高的要求,尤其对设备内衬四氟防腐层与钢质容器的结合性提出了更高要求;真空度过低,介质沸点升高,实现回收需要提供更多的热量,而且高温下酸液的腐蚀性大大加强,对设备的防腐和耐高温能力要求更高,不利于设备的长期安全使用。通过实践,认为在系统内有蒸发介质的条件下真空度维持在-0.075~-0.05MPa之间比较适宜。真空系统是利用水喷射真空机组来提供负压源的,用来建立和维持负压蒸发-冷凝废酸处理回收系统的真空度,使系统压力稳定到要求范围,其中极限真空为-0.098Mpa。其原理是工作流体经喷嘴形成高速射流,高速射流卷带被引射流体并在混合室进行动量交换,流体经扩压室将速度能转变为压力能。抽气能力为通过量≤600m3/h,抽气量600m3/h(可用RPP-360双泵并联设计并考虑容积变化,用增加高度的方式来实现)。为保证耐蚀,机组主体材质为聚丙烯。机组设置能及时补水的装置,以保证排气量和真空度;真空抽气系统密封性能要好,与负压罐顶部的抽气口法兰要密封连接;在废酸回用系统其他设备气密性好的条件下,保证系统负压值并稳定。水喷射真空泵应有排气孔,并有与排气接管相连接的法兰。2.2钢内、外导热油加热系统fps加热-蒸发系统是由蒸发釜、导热油电加热机组及其管路阀系等组成。蒸发器是采用强制式外循环加热方式,蒸发强度大、热效率高。蒸发缶是负压蒸发的场所,蒸发浓缩特定酸液,浓缩后的液体排入底部结晶槽,蒸汽通过上口送入冷凝器冷凝。蒸发缶结构形式为立式,有效容积为2m3,充装量1.5m3,为蒸发产生的蒸汽预留宽阔的气体空间。加热热源为高温导热油,导热油入口油温设计150℃,压力为常压。蒸发釜结构为钢内衬四氟塑料,材质为16MnR钢内衬F40;钢壳体焊缝20%X射线探伤,所有焊缝100%PT检测,以保证钢体的结构稳定性和密闭性;F40衬层厚度≥2.5mm,设计承受负压-0.1MPa,设计耐温温度≥180℃,这靠内衬F40的材料性能去实现。釜顶设安全阀,事故断电等异常导致压力过高时,安全阀应自动打开;局部应力考虑管道温差应力且接管与壳体采用全焊透,接管可采用补强板补强;内置换热器≥20m2F4(或F46)盘管,换热面积必须保证反应釜的技术性能;图2为蒸发缶内导热油管结构。蒸发釜上部酸气出口装有与冷凝器酸气进口相连接的四氟软管(包括两个连接法兰)以实现压力的平衡;进入蒸发釜的导热油管管径设为DN65,必须保证换热管管束通流量与电加热的导热油管道相匹配。釜侧面设有内衬F40翻板液位计(长度0.5m),显示釜内液面,蒸发缶液位高度维持在一定的高度范围内;最低液位限制防止干烧导致设备事故;最高液位限制以防酸液流入冷凝器造成事故,同时保证足够的蒸发空间,从而实现废酸的持续蒸发。导热油电加热机组是将导热油加热至150℃后输送至蒸发釜的内部盘管,从而对蒸发釜中的溶液进行热传递。导热油加热可以在较低的压力下获得较高的加热温度;不腐蚀不结垢;凝固点较低,没有冻裂设备的危险;抽吸式输油,对加热器本体要求较低,相对安全。导热油电加热器是由低位储油槽、高位油槽、导热油加热器、循环油泵等组成,高位油槽必须安装在高位且高于蒸发缶1.5m以上,保证系统运行过程中导热油压力的平衡,防止导热油的乳化和炭化。2.3冷凝器材质设计冷凝系统实现废酸经负压蒸发后的气体的冷凝,冷凝液经冷凝器底部的排液管流入负压罐,然后排至接液槽,作为混合酸回用。冷却方式为循环水冷却,冷却水压力≤0.4MPa。冷凝器(包括封头、汽液分离器)能耐40%HNO3、20%HF混合沸腾酸蒸汽的腐蚀,同时要能耐150℃以内的高温,因此通道材质选用四氟塑料,整体材质为钢衬四氟,既保证结构的稳定性又保证耐腐蚀性;为了避免钢与内衬的剥离,这对内衬材质的质量和内衬加工工艺提出了更高要求。冷凝器采用逆向换热,管程通冷却水,壳程通酸蒸汽。冷凝器底部设有排液口并带两端均有法兰的排液管,排液口法兰与排液管法兰密封联接。在冷却水出口设有酸泄露检验传感器,当酸液渗入冷却水时立即报警。气体入口处设有挡流板,以防高温腐蚀性气流直接冲刷换热管,减小设备使用寿命。冷凝器壳体内衬F4,厚度≥3mm,在-0.1Mpa下长期工作,不产生分层及其它使耐蚀程度降低等缺陷;换热管材质为F4,管内通0.4Mpa的冷却水,管外为-0.1Mpa的酸蒸汽条件下长期工作,不产生互渗现象;这靠冷凝器的材质性能和结构设计去实现。冷凝器应设有多组蒸汽折流板,并有定距装置,以提高酸气流通阻力,提高冷凝效果。2.4cuso4结晶原理结晶单元由结晶槽、过滤机、残液输送泵及管路等组成,其过程是将蒸发釜内过饱和溶液放入结晶槽内,在室温下冷凝结晶,表面剩余未结晶溶液由相应的残液泵输送过滤机过滤晶渣后回到蒸发釜再次进行浓缩。根据CuSO4溶解度(65℃时45g/L,25℃时23g/L)规律降温结晶。根据结晶原理,晶体的生长是溶质在晶核表面不断堆积的结果。对澄清的饱和溶液,在较稳区内是不会产生晶核的,晶体就很难析出。必须靠外界加入的晶种,才能使溶液中的溶质生长到晶种的表面上。2.5蒸发反应器外部联锁控制单体设备或系统内部存在控制与连锁关系,系统之间也存在控制连锁关系。导热油进蒸发釜的阀门与导热油旁路循环的两个阀门均采用电磁阀,并加设内部与外部联锁控制要求。内部联锁控制要求:蒸发釜进油阀与导热油旁通阀互锁,两阀不能同时启闭;当接收到蒸发釜停止加热信号后,必须先打开旁通阀,然后关闭蒸发釜进油阀门。外部联锁控制要求:当接收到真空机组失效、冷凝器无冷却水或流量不足、冷凝器出现水汽互渗失效等信号后蒸发釜进油电磁阀自动关闭,旁通阀开启,导热油由进蒸发釜切换为旁路循环。水喷射真空泵自身设有保证排气量和真空度的补水装置与控制系统。导热油加热器自身设有加热与保温控制、温度检测与显示、超温与缺油报警、加热器工作状态显示以及加热器停止加热、油温≤70℃后泵才自动停机的控制。2.6负压蒸发系统统一规划设计需要考虑蒸发和冷凝器单体设备各部分、系统内各设备之间、各分系统之间在平面和立面上都需要合理的布局和定位,才会符合工艺的作用机制和内在规律,实现各自功能的充分发挥和高度集成,实现结构的优化布局和避免能源浪费,优化布局或充分利用位能。比如蒸发缶和冷凝器是整个负压蒸发系统的核心设备,需要预先对蒸发缶和冷凝器进行定位,布局在中心位置并需要一定的安装高度;根据蒸发气体自发运动的动力学和热力学规律,冷凝器入口需要略高于蒸发缶酸气出口。比如根据高温导热油的运动规律,加热油槽应低于蒸发缶进油入口,而高位储油槽需要高于蒸发缶2m以上。比如再生酸接液槽应布置在冷凝器下面,以实现再生冷凝酸液的自流收集,实现位能的充分利用。3导热油系统温度稳定机理伴随着真空机组抽真空,机组水箱内的水温会逐渐上升。结果表明随着真空机组水箱中水温度的升高,负压值会明显下降,因此水箱中水温应控制在55℃以内。真空机组抽真空过程中,当蒸发进行且冷凝器冷凝不完全时,酸气会部分被真空机组抽走;结果表明真空机组水箱内为自来水时尾气难以被射流水吸附,而从水箱口溢出;采用5%氢氧化钠碱性溶液有利于尾气的有效溶解和吸附。通过对水箱内溶液的PH分析和及时更换,保持溶液的稳定。结果表明当导热油温升高至90~110℃时,导热油管路会频繁失压报警,这是因为导热油中溶入了一定成分的水分,升温至水汽挥发温度后导热油中水会挥发出来;因此导热油在升温过程中必须缓慢,一方面保证水汽释放,另一方面也防止导热油的乳化,对保护油质有积极作用,尤其是油温在90~110℃时更应该稳步升温。结果表明伴随着酸液剧烈蒸发,母液温度会有大幅度降温,这是由于伴随着酸液剧烈蒸发,酸液瞬间会大量放热的原因。伴随着蒸发缶内废酸温度的上升,系统真空度的上升,当接近蒸发条件时需要缓慢继续升温或提高真空度,保持蒸发条件的连续性和稳定性,避免蒸发缶内酸液瞬间达到蒸发条件而迅速蒸发,引来系统运行的不稳定。系统真空度维持在-65~-70KPa之间;结果表明当伴随着剧烈蒸发和冷凝,系统真空度会不断上升,此时适当开启充气阀使真空度不超过-75KPa,保持真空度的稳定。剧烈蒸发和冷凝过程中系统真空度上升的原因可能为酸气冷凝的速率大于酸液蒸发的速率,这是冷凝机组的冷却能力较高的一个体现;较高的冷凝能力为废酸的持续蒸发和系统的连续运行创造了条件。4技术工程的应用,保障系统的安全稳定连续运行在工艺和工程设计基础上进行了系统实验和运行,全