含铁废盐酸资源化处理工艺设计毕业设计

沈阳理工大学学士学位论文含铁废盐酸资源化处理工艺设计摘要在钢铁生产过程中，为保证钢材的表面质量和活性，对钢材表面进行酸洗是一道必不可少的工序。目前我国大多数钢厂采用盐酸进行酸洗。因而，盐酸酸洗废液不可避免地成为了一项环境和资源问题。在建设资源节约型，环境友好型社会的大方针下，盐酸酸洗废液资源化利用势在必行。本文针对含铁废盐酸资源化利用，通过对国内外现有的工艺进行分析比较，设计了一套适合中小型钢铁企业的酸洗废液资源化工艺流程：蒸发结晶法。此方法盐酸回收率高，过程简单，运行成本低。全文对设计方案，设计原理，反应设备原理，运行操作事项等做了详细的阐述。通过计算确定主要设备技术参数，进行设备选型，并对车间布置，高程布置进行详细设计，绘制了主反应设备图，流程图，平面布置图等。关键词：酸洗废水；蒸发结晶法；资源化AbstractIn the steel industry,It is an essential procedure to pickle on the surface of the steel in order to ensure the quality and activity of steel surface.Currently the majority of oursteel enterprise use hydrochloric pickling technology.Thus,spent hydrochloric pickling solutions inevitably become an environmental and resource issues. In building a resource-saving and environment-friendly society broad approach,resource utilization of spent hydrochloric pickling solutions is imperative.To aim at resource utilization of ferrous spent hydrochloric solution,this paper devised a recycling process for small and medium steel enterprise by analyzing and comparing current technologies at home and abroadevaporation crystallization,which is an efficient,simple,low running cost method.The text described the design plan,design principles, reactor principles and operation matters in detail. Determined the main equipment technical parameters,equipmentselection,elevation layout and graphic layout.Drawing the main reactor device diagrams, flowcharts and floor plansKey words: Spent pickling solution;Evaporationcrystallization;Resource utilization目录第一章绪论31.1含铁废盐酸资源化处理工艺研究背景及意义31.1.1研究背景31.1.2研究意义31.2国内外研究现状31.3本课题研究内容及拟定设计方法原理简介31.3.1研究内容31.3.2拟定设计方法原理3第二章设计概述32.1设计任务32.2设计内容32.3设计原则32.4设计工艺流程及说明3第三章主要设备计算及选型33.1降膜蒸发器33.1.1降膜蒸发原理33.1.2物料衡算33.1.3热量衡算33.1.4传热面计算33.1.5降膜蒸发器材质及加热方式确定33.1.6降膜蒸发器型号确定33.2冷凝器33.2.1冷凝器工作原理33.2.2蒸汽冷凝热量计算33.2.3冷凝器传热平均温差计算33.2.4总传热系数选定33.2.5冷凝器传热面积计算33.2.6冷凝器型号选定33.3石墨降膜吸收器33.3.1石墨降膜吸收器工作原理33.3.2计算依据33.3.3浓酸石墨降膜吸收器设计计算33.3.4稀酸石墨降膜吸收器设计计算33.3.5石墨降膜吸收器设备选型33.4冷却结晶釜33.4.1冷却结晶简述33.4.3结晶过程物料衡算33.4.3冷却结晶设备选型33.5过滤离心机33.5.1过滤离心分离简述33.5.2过滤离心设备选型33.6辅助设备计算选型3第四章高程、车间布置34.1高程布置34.2车间布置34.2.1基础资料34.2.2车间组成34.2.3车间布置3第五章操作说明及维护35.1操作说明35.1.1换热器操作说明35.1.2冷却结晶器操作说明35.2维护说明35.2.1换热器日常维护内容35.2.2换热器常见故障及处理方法3第六章设计总结与建议36.1设计运行总结36.2建议3致谢3参考文献366第一章绪论1.1含铁废盐酸资源化处理工艺研究背景及意义1.1.1研究背景盐酸是一种重要的无机化工产品，广泛用于染料、有机合成、食品加工、印染漂洗、皮革、冶金、钢铁等行业。特别是在钢铁制造业中，钢铁热轧所产生的酸洗废液一般含有0.050.5g/L的H+和60250g/L的Fe2+，由于严重的腐蚀性，已被列入国家危险废物名录。为避免酸洗液的酸污染，传统方法一般采用石灰、电石渣或石灰消化反应的产物Ca(OH)2进行中和，中和后虽然pH值可以达到要求，但是其余各项指标很难达标，而且产生的泥渣脱水困难、不易干燥、后处理难度大，大部分情况是堆积待处理，占用了大量土地，造成二次污染，同时该方法浪费了大量的酸和铁资源。该类废液的直接排放不仅严重污染环境，而且造成极大的浪费。为了搞好废水、废酸液的治理，保护环境，节约及合理利用资源，国内外学者长期以来对废酸液进行了大量的研究和探索，提出了不同类型废酸液的处理和酸再生回收方法及技术，取得了较好的应用效果。1.1.2研究意义随着现阶段国内外对各种废酸处理、回收技术的不断探索和完善，废酸回收资源化利用技术俨然已经达到了工业化设计的全新高度，将废酸资源化利用技术应用于各规模冶金企业，一直以来都是解决酸洗废水环境污染问题的大势所趋。在现今我国的各大国有大型钢铁厂中，绝大多数都能做到酸洗废液的较好回收利用，但基本均靠从发达国家引进全套技术及设备，无论从技术设备参数，或运行操作管理，我们都没有自主研发能力。因此，一次性投资规模大，技术环节薄弱成为该项研究的亟待解决的难题。所以，我们需要研制出工艺流程简练，运行操作简单，投资少，效果好的废酸回收工艺。本文旨在从资源节约、环境友好的原则出发，通过一系列系统地资料搜集，整合，研究，对比，设计，计算等过程科学地设计一套可以应用于各种规模生产线的含铁废盐酸资源化处理工艺。以解决中小型钢铁厂难以引进大型废酸回收设备的窘境。1.2国内外研究现状国内外不少学者和研究人员,长期以来在寻求酸洗废液的处理方法和利用途径上作了大量的工作。归纳起来有:酸盐分离法、直接焙烧法、氧化中和法等。经处理后所得到主要产物是酸液和不同形态的铁的化合物(氧化铁、氢氧化铁和氯化亚铁)等,其中酸可再使用,铁的化合物根据其形态特点和纯净度确定它们的用途,最简单的是作为铁的原料盐酸流向盐酸回收储罐。蒸发器内不超过蒸发沸点返回炼铁,或作铁系颜料及磁性原料。废盐酸的常用处理方法有酸盐分离法和直接焙烧法。氧化中和法是使亚铁离子氧化成三价铁离子,它在碱性物质中和作用下水解为氧化铁。由于三价铁离子水解和氧化铁晶体长大是复杂的多项反应过程,一般难以分离,致使采用石灰(CaO)中和方法处理废酸会产生大量废渣,造成严重的二次污染。当今国内外资源化处理酸洗废液的主要方法：1、直接焙烧法直接焙浇法是利用Fecl2在高温、有充足水蒸气和适量氧气的条件下能定量水解的特性，在焙烧炉中直接将Fecl2转化为盐酸和Fe2O3其反应如下:4Fecl2+4H2O+O2 = 8HCl+2Fe2O3反应生成的和从酸里蒸发出来的HCl气体被水吸收后得到再生酸。这是一种最彻底= 最直接处理酸洗废液的方法。由于盐酸具有挥发性，所以该方法更适合于盐酸酸洗废液的处理。实践证明该方法可以处理任何含铁量的盐酸酸洗废液。流化床焙烧法与喷雾焙烧法是直接焙烧法中两种应用最早、最成熟的工艺形式。虽然采用的具体设备和工作过程不完全相同，但工作原理相同，它们将废液的加热、脱水、亚铁盐的氧化和水解、氯化氢气体的收集及吸收成盐酸有机地结合在一个系统内一并完成。具有处理能力大、设施紧凑、资源回收率高(可达98%-99%)、再生酸浓度高、酸中含Fe2+少、氧化铁品位高(可达98%左右)及应用广等特点。这两种工艺形式的设备组成系统，都有主体设备、酸贮罐区和氧化铁输送贮存设备三部分。主体设备都有焙烧炉、旋风除尘器、预浓缩器、吸收塔和清洗设备，但主体设备的结构却有很大区别。世界上流化床法盐酸再生装置已建成50多套，我国武钢1700mm冷连轧的盐酸再生工艺就是从西德陶瓷化学公司(INCH)引进的流化床焙烧工艺机组。美国SHARON厂、VALLYCITY等钢铁厂的冷轧工序及我国鞍钢、宝钢、上海益昌和攀钢冷轧薄板厂都采用逆流喷雾焙烧盐酸再生装置。除了上述两种方法以外，还有日木的开米拉依托法、奥托(OTTO)法、PORI法及滑动床法等方法。开米拉依托法在直接焙烧法的基础之上，加入了氧化铁的提纯工艺，可以生产出高纯度氧化铁，是钢铁工业与电气磁性材料的结合。直接焙烧法原理简单，而且一般自动化程度都较高，解决了钢铁企业不熟悉化工生产操作的难题，但是由于其要求系统内各个程序的控制相互协调，而且要求酸洗工序与之密切配合，需要具有较高的设计、管理和控制水平，同时由于在高温下盐酸有强烈的腐蚀性，因此接触废液的设备均需要采用优质的耐腐蚀材料，造成设备成本、零部件消耗、维修费用及运行费用都很高，因此该法更适合于大型企业采用。目前已经建立了许多无废液排放的带钢酸洗厂，即将直接焙烧处理工艺与钢材的酸洗工艺有效地结合起来。2、回收铁盐2.1浓缩工艺酸洗废液中含有较高浓度的Fe2+，如果加入铁屑使之与酸反应，可以进一步充分利用具中的酸来提高Fe2+含量。硫酸酸洗废液浓缩冷却后析出FeS047H20晶体。冷却温度为时，大部分铁盐能够析出，当冷却温度为常温时，铁盐部分析出，母液需进行循环处理。盐酸酸洗废液浓缩处理后可以得到FeCl2溶液或FeCl24H20晶体，由于亚铁盐不稳定，一般需要再进行氧化处理:即再用氯气将FeCl2溶液或FeCl24H20晶体的饱和溶液氧化，得FeC13溶液，可以作为产品出售。由于盐酸具有挥发性，容易再生，所以在对盐酸酸洗废液进行浓缩处理的同时，可以回收得到稀盐酸，与浓酸混合后可循环用于酸洗工艺。也可以用萃取法再生盐酸后进行铁盐的回收。2.2膜法分离通过膜分离技术也可以对废液进行分离再回收，即利用膜的离子选择性将盐和酸分离开，同时回收酸和铁盐。渗析法的投资仅为焙烧法的1/5左右，正日益引起人们的重视，该技术的关键是确定离子交换膜的而积，渗析而积可以通过计算获得。周柏青采用阴离子交换膜对盐酸酸洗废液进行了分离，酸的回收率达到90%，回收酸中亚铁盐的质量浓度小于10g/L。近年来发展起来的纳米过滤技术是介于反渗透和超滤技术之间的一种新型分离技术，其具有膜体耐热、耐酸碱性能好、操作压力低、集浓缩与透析为一体等特点。万金保利用该技术，以聚砂砜、聚醚砜为膜材质，成功地从硫酸酸洗废液中回收了FeS04 7H20和20%的H2SO4膜的性能、操作技术以及酸洗废液的特点是膜分离技术中的关键，对膜材料及应用技术进行深入研究是该技术广泛应用于实践的前提条件和主要发展方向。3、制备无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁和聚合氯化铁是两种典型的铁系无机高分子絮凝剂，广泛应用于给水和污水处理。聚合硫酸铁的组成为Fe2(OH)n(SO4)3-n/2。，为红褐色粘性液体。聚合氯化铁的组成Fe2 (OH)nCl6-nm,为红褐色透明液体。它们分别是羟基部分取代SO42-和Cl-而形成的聚合物，可以分别从以硫酸和盐酸做酸洗用酸所得到的酸洗废液制得，其合成方法可以概述为:控制溶液中的酸度、m(S042-)/m ( Cl-)和Fe2+浓度，在一定温度下，用氧化剂将Fe2+氧化成Fe3+的同时使之聚合。反应的关键要素之一是调节三者的浓度及其比例关系，调节的方法依产品及其要求(如浓度、聚合度等)、所用氧化剂等条件而定。氧化剂可以用氧气、空气、氯气、硝酸、亚硝酸盐或过氧化氢等。反应温度一般不高于90。其生产工艺过程如下图1.1：图1.1 铁系无机高分子絮凝剂制备过程4、制备铁磁流体王文生等研究了采用部分氧化-铁氧体共沉-表而处理流程，用盐酸酸洗废液制备水基铁磁流体的工艺。研究表明:氧化剂的加入量和反应温度是氧化反应的主要影响因素;pH值、m (Fe2+)/m(Fe3+)、共沉淀温度、共沉淀时间等都对铁磁流体的产率以及组成成分、磁性等特性构成影响，最佳共沉淀条件为: m (Fe3+)/m(Fe2+)=1 , pH=13.0，温度t=80，时间为5 min，在此条件下得到的共沉淀产物为单一Fe304,粒度为10m左右，饱和磁化强度为68.97 emu/g,完全达到了产品要求。5、制备颜料目前世界每年大约小号700-800kt的氧化铁系颜料，以美国为例，每年小号的70kt中，铁红占42.9%，铁黄占38.1%。用酸洗废液生产氧化铁系颜料的技术已经比较成熟，在世界范围内得到广泛应用。从酸洗废液制备氧化铁颜料的方法总体上可分为干法和湿法两种: 干法干法是将固体铁盐原料在高温卜进行焙烧或锻烧，得到氧化铁红的固相反应。其中常用的一种方法称为绿矾锻烧法，因以绿矾(FeS047H20)为原料而得名。其工艺流程为:在250-300下将从酸洗废液中提纯得到的(FeS047H20)脱水为(FeS04H20)，研磨粉碎后于700800下锻烧而得到铁红。通过控制锻烧温度和时间及空气通入量，可以生产出从浅红到深红各种色调的铁红。 湿法湿法也就是氧化中和法，原理是使酸洗废液中的亚铁离子氧化为铁离子，并在碱性物质(中和剂)的作用卜水解为氧化铁。目前国内外几乎都用氨作中和剂，在回收氧化铁的同时得到馁盐，所以也称作铁铵法，其工艺原理为:4FeS04+O2+8NH3+4H20=2Fe203+4(NH4)2S04湿法的典型操作工艺如下图1.2：图1.2 湿法工艺废液调整包括溶液中铁盐含量、溶液酸度、原料配比和反应温度等方而的调节。湿法的反应时间一般较长，生产效率低。为了加快反应速度，可以采取加催化剂的方法加以改进，例如加入NaNO2做催化剂，不加晶种先直接生成铁黄，也可以再锻烧成铁红。湿法工艺操作中亚铁盐溶液纯度、反应温度、搅拌速度、氧化时间等条件的控制非常重要，直接影响氧化铁产品的质量，如果条件控制得好，可以生产出符合电子行业用的软磁铁氧体用氧化铁。与干法相比，湿法的能耗低、投资少、二次污染小，但操作要求高，条件不易控制。6、制备针状超细金属磁粉利用酸洗废液制备的针状超细金属磁粉是一种高附加值、高技术的产品，应用范围很广，无疑为钢铁厂酸洗废液的利用与治理开辟了一条新途径。该方法的工艺过程如下: 配制一定浓度的亚铁盐溶液; 搅拌的条件下，向其中加入氨水至溶液的pH11，升温至60，通空气氧化（流量3L/min),6h后抽滤反应液，用水将滤饼洗至pH=7，烘干研碎，制取针状超细Fe00H粉末; 将FeOOH粉末在250脱水1h，并在350下用氢气还原，2h后出炉，即得超细金属磁粉。由于向滤液中加入氨水发生FeS04+2NH3H20 = Fe(OH)2+(NH4)2S04，因而产生了唯一的副产物硫酸铵，可以作为化肥直接加以利用，进一步达到了资源化利用的目的。7、生物法通常的氧化酸洗废液的方法都是在pH较高的条件下进行的。国外研究结果表明，可以利用微生物硫细杆菌氧化二价铁盐，然后再水解生成黄铵铁钒、Fe0HS04和-Fe203。该生物氧化法的一个优势就是可以在很低的pH下进行，通常可低至pH =1.4-1.5。该方法需要在NH4存在的条件下才能顺利进行。具体生产过程为:酸洗废液的主要化学成分为: (Fe3+)=8.6g/L,(NH4+)=7.7g/L,(总SO42-)=40.92g/L。pH = 1.54，游离的硫酸为0.03 mol/L的条件下，被密封在100 mL不锈钢容器里，160下，经过1-8h，然后冷却。该工艺过程的主要反应为:2Fe3+2H20 = Fe2(OH)24+2H+Fe3+2SO42-=Fe(SO4-)2Fe2(OH)24+2SO42-=Fe2(OH)2(S04)2Fe2(OH)24+Fe(SO4-)2+NH4+4H20=NH4Fe3(OH)6(SO4)2+4H+NH4Fe3(OH)6(SO4)2=2/3Fe2(SO4)3+5/6Fe203+NH3+7/2H20在这种处理方法中，首先高达97%的铁离子以黄铵铁钒和Fe0HS04的形式沉淀析出。然后，经过4步热分解反应(温度分别为268 ,394 , 533 , 666 )最终产物为-Fe203。经过生物氧化后的酸洗废液中的主要化学成分为(Fe3+)=8.6g/L,(NH4+)=7.7g/L,（总SO42-)=40.92g/L。处理过的液体中，剩余的铁离子的质量浓度低至0.2 g/L，而硫酸的浓度已高于原始酸洗用液(0.3 mol/L)，所以可以直接重新回到酸洗生产线循环利用。纵观废盐酸再生利用发展的现状，可以看出:废盐酸再生利用必将继续向着资源化处理的方向迈进，在治废的同时变废为宝，在保护环境的同时充分利用资源。作为排放废水大户的钢铁、电镀行业及其他氯碱行业，减少废水的排放量，提高企业的经济效益是首要任务。由于废盐酸资源化的方法很多，所以各行业、各企业应根据自身的具体情况采用更适合自己企业发展的路线，在降低能耗节省成本的基础卜，实现污染零排放。同时，废盐酸电解回用技术为废盐酸资源化利用提供了一种新思路和新方法。1.3本课题研究内容及拟定设计方法原理简介1.3.1研究内容1、含铁废盐酸资源化处理核心工艺的设计；2、处理系统整体流程的设计；3、主要处理设备、构筑物设计；4、主要配套设施设计；5、主副反应设备材料材质选型及非标构配件等设计；6、.工程投资概算与经济分析；7、图纸，包括流程图、平面图、高程图、主要反应器、设备的三视图等；1.3.2拟定设计方法原理结合盐酸酸洗废液回收技术的国内外研究现状和本设计的实际情况，选定蒸发结晶法作为本设计的核心工艺。本课题设计从盐酸酸洗废液中回收氯化亚铁晶体和盐酸的处理系统工作原理主要是根据氯化氢易于挥发和易溶于水的特性，以及氯化亚铁在盐酸溶液中溶解度的规律，采用蒸汽加热蒸发浓缩工艺，使酸洗废液中的盐酸和铁盐分离。蒸发产生的含HCl的气体经适当冷凝分离得到1015%的热稀盐酸。经冷凝后的不凝HCl气体经降膜吸收塔以水作为吸收剂得到较高浓度的盐酸。含高浓度铁盐的酸洗废液浓缩到一定浓度后经冷却结晶设备冷却，使氯化亚铁以结晶的形式析出，再经过滤离心分离获取氯化亚铁的结晶体。盐酸本身由氯化氢(HCl)和水(H2O)组成,浓盐酸的最大质量分数约为34%。HCl极易从液体中挥发。废盐酸主要有HCl、H2O和FeCl2三种物质组成。氯化亚铁作为盐类,具有较高的熔点和沸点。利用3种物质在不同温度下的物理特性,如在100时,水能沸腾而形成蒸汽,此时HCl已挥发成气体,而残留的氯化亚铁还远未到熔点,仍留在被浓缩的母液中,从而达到酸、盐分离的目的。从而可利用降膜蒸发、降膜吸收等单元操作对其进行分离并对盐酸进行提浓。盐酸提浓后对釜液中氯化亚铁采用冷却结晶法进行结晶处理并用过滤离心设备对副产品FeCl24H2O进行分离进而实现整套工艺的资源化利用。第二章设计概述2.1设计任务某小型钢材厂每天产生酸洗废液30t，其中FeCl2质量分数占18%，HCl质量分数占15%，其它微量杂质均可忽略不计。经一系列资源化工艺处理后，分别获得1015%稀盐酸;20%以上的浓盐酸；以及一定量的FeCl24H2O等副产品。最终实现工业酸洗废液零排放。具体物料设计计算如表2.1表2.1 物料设计计算表原料液FeCl2HCl各种微量杂质质量分数18%15%1%以下，忽略不计处理回收稀盐酸浓盐酸FeCl24H2O质量分数10%15%20%以上186.7kg/h(预算)2.2设计内容1、负压压降膜蒸发器设计2、降膜蒸发、降膜吸收操作条件的确定3、冷凝器、降膜吸收器的设计4、釜液中FeCl24H2O冷却结晶设备、过滤离心分离设备的选型5、整个工艺流程的工业化初步设计，画出工艺流程图、设备装置图等2.3设计原则本设计依据的原则如下:a.贯彻执行国家基本建设的方针政策，从符合党和国家的政治方针和技术经济政策出发，处理好技术、经济及国家法令、标准、规定的允许范围内精心设计，确保设计质量。b.认真贯彻“五化”设计原则，即工程布置一体化、生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化。c.设计使用的基础资料要准确、可靠，各种数据和技术条件要正确、切合实际;文字说明要清楚、确切，图纸要正确，避免出现重大设计错误。d.采用先进的科学技术，努力提高商品设计的质量，使设计做到规范，切合实际;技术先进，经济合理，安全适用，使建设项目的技术经济指标达到先2.4设计工艺流程及说明如课题综述中拟定设计方案所述，制定简要工艺流程如图2.1：图2.1简要工艺流程本设计从盐酸酸洗废液中回收氯化亚铁晶体和盐酸的处理系统是这样实现的：来自酸洗槽的盐酸废酸液，首先进入废液储液罐中，预热后通过输送泵和流量控制装置计量给降膜蒸发器上料，上料流量通过流量计前后阀门的开口度大小来调节，蒸汽热源的蒸汽进入蒸发器，料液在该蒸发系统中被循环加热。当料液达到一定的蒸发温度后，水和HCl的共沸物会从蒸发器上部的气液分离装置中蒸出，这些含有大量热能的酸汽进入气体冷凝器，被冷却成液体稀盐酸，经冷凝器下部回流到蒸发器中再次蒸发。没有被冷凝的HCl气体进入降膜吸收器，大部分部分被吸收成浓盐酸，另少部分被吸收成稀盐酸，达到20%以上浓盐酸标准回收用于酸洗。在蒸出水和HCl气体的同时，被降膜蒸发器浓缩的料液下沉经管道进入冷却结晶釜中，经冷却结晶釜进一步降温冷却以至产生氯化亚铁结晶体（FeCl24H2O），降温到设定温度后，放至过滤离心分离器中实现氯化亚铁结晶体与母液的分离，经离心甩干的氯化亚铁结晶体可直接包装成商品出售。离心分离出的少量母液通过管道被收集到废酸储液罐中，（也可作为高浓度液体氯化亚铁产品直接出售），与酸洗废酸混合后再经防腐输送泵打到降膜蒸发器进料口中，被加热后进入下一个循环处理流程，如此周而复始。在回收FeCl24H2O的同时回收了稀盐酸，使废酸得到处理，整个系统可做到无外排放，实现零污染。第三章主要设备计算及选型3.1降膜蒸发器3.1.1降膜蒸发原理降膜蒸发是溶液在自身重力和真空诱导及气流作用下沿管壁成膜状向下流动，运动过程中与加热管外壁加热蒸汽发生热交换而蒸发。也就是当液体进入降膜蒸发器中垂直的加热管内，液体被管外的加热源(蒸汽或热载体)加热而达到沸腾。在这个过程中，液体和蒸汽是两相混合运动的，故它是两相流动的沸腾给热过程。在这个过程中，在液体和加热面之间会产生一层极薄的液层，从而形成温差。此极薄的液层受热发生相变，吸收的热量主要是通过液膜的导热和液膜表面的蒸发进行传热，因此又称为薄膜蒸发。3.1.2物料衡算物料及热量衡算图如图3.1图3.1 物料、热量衡算图Fx0=(F-W)x1式中 F原料液流量，kg/h; W单位时间内蒸发的蒸汽量，kg/h;X0原料液的质量分数，即氯化亚铁质量分数，18%；X1完成液的质量分数；以氯化亚铁质量分数为基准，拟定完成液氯化亚铁质量分数为x1=95%带入已知量：125018%=（1250-W）95% 解得总蒸汽量W=1013.2kg/h在此过程中，一般认为此工艺HCl可蒸发90%以上，这里取90%，HCl挥发总量：WHCl=125015%90%=168.75kg/h;水蒸气总量：W水=WWHCl=844.45kg/h;3.1.3热量衡算蒸发过程中，溶液的稀释热可以忽略，故只计算蒸汽与水的焓即可当溶液稀释热可忽略时，加热蒸汽消耗量计算公式如下：DrWrFc0(T1T0)QL式中 r二次蒸汽的汽化热，KJ/kg ; c0原料液在0到T0间的平均比热容，KJ/(kgK);由于绝大部分是液态水，因此这里取水的比热容4.2KJ/(kgK); T0为原料液的进料温度，K；T1为二次蒸汽的温度，K； QL蒸发器的热损失，KJ；这里取10%Dr当降膜蒸发器在绝对压力80kPa时，水的沸点为93.2，水的汽化热H水2275.3KJ/kg；20时，HCl的汽化热HHCl=16.16KJ/mol,进而95时HCl的汽化热可由Waston公式推导得出；Hb2=Hb1(TcT1)(TcT0)式中：Hb1为20时，HCl的汽化热Hb1=16.16KJ/mol；Tc为临界温度，查阅有关文献Tc590.7K；则95时HHCl16.16590.7368590.72930.3814.47KJ/mol396.44KJ/kg；因此WrW水H水WHClHHCl844.452275.3168.75396.441988959KJ；Fc0(T1T0)12504.2（9520）393750KJ将上述结果带入加热蒸汽消耗量计算式：Dr10%Dr=WrFc0(T1T0)1988959KJ393750KJ2382709KJ解得Dr2647455KJ3.1.4传热面计算蒸发器所需的传热面积A根据传热速率方程计算：A式中Q为蒸发器加热室的传热速率，称为蒸发器的热负荷，它可以根据加热室的热量衡算求得，则Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量：QDr K为蒸发器加热室的传热系数，由化工原理教材中查阅所得，见蒸发器传热系数表经验表如表3.1：表3.1蒸发器传热系数经验表蒸发器的类型总传热系数W/(m2)水平沉浸加热时600 2300标准式（自然循环）600 3000标准式（强制循环）1200 6000悬筐式600 3000外加热式（自然循环）1200 6000外加热式（强制循环）1200 7000升膜式1200 6000降膜式1200 3500蛇管式350 2300这里取总传热系数K1200W/(m2)。Tm为加热室两侧的平均温度差；蒸发器加热室的一侧为蒸汽冷凝，其温度为加热蒸汽的冷凝温度Ts,另一侧为溶液沸腾，其温度为溶液的沸点。蒸发器内溶液一侧的温度随蒸发器的形式与操作方法而异，对于连续操作的蒸发器，溶液侧的温度只随位置而异，但对于循环型蒸发器，一般差别不大，可取平均值作为定值。因此，可以认为加热室两侧均为恒温，则：TmTsTB如果以下三点成立：第一，二次蒸汽从蒸发器流到冷凝器没有摩擦损失，蒸发器分离室的压力等于冷凝器内的压力；第二，蒸发器加热室中没有液层的影响，加热室溶液中的平均压力等于分离室中的压力；第三，没有溶液浓度引起的溶液沸点升高，则蒸发器中溶液的沸点等于冷凝器操作压力PC下水的沸点TC。在这种理想情况下，加热室两侧的温差可取蒸发装置的最大可能温差Tmax:TmaxTsTC根据本设计的实际情况考虑，Tm取最大可能温差Tmax。设置加热蒸汽压强300kPa,则加热蒸汽冷凝温度Ts133.3，加热溶液的沸点TC即为T195。TmTsTC133.39538.3K将上述各量带入传热速率方程式中可得：A16m2取20%安全系数，则A16120%19.2m23.1.5降膜蒸发器材质及加热方式确定材质：考虑到物料的特性，降膜蒸发器中的管子采用石英玻璃，其他塔内件采搪瓷或塑料，塔体外层采用不锈钢、内衬为搪瓷或塑料。因为不锈钢材质具有良好的耐腐蚀性能，无生锈现象;传热效果好;有良好的加工性能;可按工艺要求制成，加热管壁可打磨抛光，使之不挂料，便于清洗。加热方式：降膜蒸发器的加热方式是从超级恒温水浴的热水走壳程，物料走管程，连续不断地给物料加热进行蒸发浓缩。3.1.6降膜蒸发器型号确定依据上述物料衡算，热量衡算，传热面积衡算结果，考虑降膜蒸发器原理结构，查阅化工单元操作实用技术附录，选定G4001.620型换热器，具体参数如表3.2：表3.2 G4001.620型换热器技术参数项目参数公称直径/mm400公称压力/MPa1.6公称面积/m220管子排列方法管长/m3管子外径/mm25管子总数86管程数4壳程数1管程流通截面积/m20.00692壳程流通截面积/m20.0208折流挡板切去的弓形切口高度/mm104.53.2冷凝器3.2.1冷凝器工作原理冷凝器是蒸发装置必要的辅助设备，其作用是使二次蒸汽冷凝排出。在本设计工艺中，采用间壁式冷凝器，其工作原理等同于列管式换热器。冷却水自下而上沿换热管流动，与自上而下流入的二次蒸汽逆流接触，蒸汽冷凝成液体从冷凝器下部回流到蒸发器中，冷却水流入冷却水储罐，在冷却系统中循环使用，不凝气体从冷凝器顶部排出，流入下一个操作单元。3.2.2蒸汽冷凝热量计算该冷凝操作在80kPa的负压下进行，与蒸发器同步，拟定把温度高达95的气体混合物冷却到40以下，而冷却水温度从20通过热交换升高到50。1、水蒸气冷凝放出的热量Q1：Q1W水H水W水3（9540）C水844.452275.3844.45554.22116445KJ2、HCl气体冷却放出的热量Q2：Q2WHCl（9540）CHCl式中HCl的比热容CHCl经查阅化工单元操作实用技术附录可得95到40之间HCl的平均比热容为0.82KJ/(kgK).即CHCl0.82KJ/(kgK)将各参数代入上式：Q2168.75550.827610.6KJ3、Q总Q1Q22124055KJ3.2.3冷凝器传热平均温差计算当冷凝器中两流体做逆流操作时：热流体温度 9540冷流体温度 5020两端温度差t120t245所以Tm30.83K3.2.4总传热系数选定查阅化工原理教材附录管壳式换热器用作冷凝器时的K值范围表如表3.3：表3.3 管壳式冷凝器K值经验表高温流体低温流体总传热系数范围W/(m2K)饱和有机质蒸汽(大气压下) 盐水5701140低沸点碳氢化合物(大气压下) 水4501140盐酸蒸汽水1101750氨蒸汽水8702330煤油蒸汽水290水蒸气(减压下)水17003440汽油蒸汽水520根据此表可得该冷凝器根据盐酸蒸汽总传热系数范围宜取1000W/(m2K)3.2.5冷凝器传热面积计算根据传热速率方程：S将上述各参数带入得S19.1m2取20%安全参数得S19.1120%22.92m23.2.6冷凝器型号选定根据上述一系列计算结果并结合本设计实际情况，查阅化工单元操作实用技术附录冷凝器规格，选定FLA40025252型冷凝器。详细参数如表3.4所示：表3.4 FLA40025252型冷凝器技术参数项目参数公称直径DN/mm400公称压力/MPa2.5管程数2壳程数1管长/m3管径/mm19管束图型号A公称换热面积/m225计算换热面积/m223.7设备质量/kg13003.3石墨降膜吸收器3.3.1石墨降膜吸收器工作原理石墨改性聚丙烯降膜式吸收器是我国近期发展起来的新型吸收器。该设备的结构按其所起作用分为两部分。上部固定管板以下为冷却吸收段，其结构和一般固定管板换热器基本相同。管内走吸收剂及吸收气体，管间走冷却剂；上部固定管板以下称为吸收器头部，内有分布装置，保证吸收剂均匀地分布到每根吸收管内，并在管内壁形成薄膜往下流。本设备属湿壁式表面吸收装置，适用于伴随放热的易溶腐蚀性气体（如HCl，SO2等）的吸收。操作时吸收剂通过布膜器沿垂直列管内壁以薄膜状下降，气体自上而下（并流）或自下而上（逆流）通过内管空间，气液两相在流动的液膜上进行传质。列管外通冷却剂以除去吸收过程中放出的热量。3.3.2计算依据1、一般地，混合气体经冷凝器冷凝等过程后，会有部分氯化氢气体溶解到水中形成约10%左右的稀盐酸，回流到降膜蒸发器中继续与原料液共同蒸发，进而通过简单计算得出进入降膜吸收器的HCl气体为75.39kg/h。2、设氯化氢气体先经过冷凝器，温度降低到40。再经过浓酸吸收器，在浓酸吸收器中吸收氯化氢气体中的60，生成3l的浓盐酸。最后经过稀酸吸收器，在稀酸吸收器中吸收氯化氢气体中的40，生成22的稀盐酸。3、查阅资料得知氯化氢气体在35的温度下溶解于水生成2025的稀盐酸，其溶解热为67.55kJmol。在35的温度下，氯化氢气体溶于稀盐酸，生成3032的浓盐酸。其溶解热为62.7kJmol。4、氯化氢气体的恒压热容Cp为080KJ(kg)。3.3.3浓酸石墨降膜吸收器设计计算1、总传热量计算：QCp (t1t2)mHClQ降温0.875.39(4035)301.56KJ/hQ溶解62.775.390.60.036577703.4KJ/hQ总Q降温Q溶解78005KJ/h2、平均换热温度差tm的计算氯化氢气体4035循环冷却水2530t115t25Tm9.13、总传热系数K的确定查氯碱工业理化常数手册取K2090KJ/(m2h)4、传热面积确定根据传热速率方程：SS4.08m2取30%安全常数可得S5.3m23.3.4稀酸石墨降膜吸收器设计计算1、总传热量计算Q溶解67.5575.390.40.036.555809KJ/h。2、平均换热温度差Tm计算HCl气体3535冷却水2530t110t25Tm7.23、总传热系数K的确定查氯碱工业理化常数手册取K2090KJ/(m2h)4、传热面积确定根据传热速率方程：SS3.7m2取30%安全系数可得s4.8m23.3.5石墨降膜吸收器设备选型石墨降膜吸收器设备选型可参照表3.5：表3.5石墨改性聚丙烯列管式降膜吸收器系列规格对照表吸收面积吸收列管外形尺寸公称面积管数规格公称直径有效长度设备总高m2根mmDmmLmmHmm66620300168025601066203002800368015662030042005080201322040026003480251322040035003680301922050028503750352262050028203720402262050032404140502982063030804030根据该规格对照表并结合上述计算结果，确定浓酸石墨降膜吸收器和稀酸石墨降膜吸收器均选择表中公称面积为6m2的石墨改性聚丙烯列管式降膜吸收器。3.4冷却结晶釜3.4.1冷却结晶简述冷却结晶是通过降低溶液的温度使溶液达到过饱和，进而析出一定的结晶体的操作过程，该方法适用于溶解度随温度降低而显著减少的盐类结晶操作。冷却结晶法基本上不用去除溶剂，溶液的过饱和度系借助冷却获得，故适用于溶解度随温度降低而显著下降的物系，如KNO3、FeCl2、NaNO3、MgSO4等。3.4.3结晶过程物料衡算根据形成水合物结晶过程结晶产品量计算公式：G式中 G结晶产品量，kg; W原料液中溶液量，kg;由上述蒸发器物料衡算可知W即为从蒸发器中蒸发过程结束后的剩余液体量，W236.8kg V单位进料中溶剂蒸发量，kg/kg原料溶液；在不移除溶剂的冷却结晶过程中，V0; C1、C2原料液与母液中溶质的含量，kg/kg溶剂；由蒸发器物料衡算中可知C195%；在此冷却结晶过程中欲将料液冷却至常温20，故查阅如表3.6所示FeCl2溶解度表可知20时，FeCl2的溶解度为62.5g/100ml表3.6 FeCl2溶解度表温度溶解度g/100ml049.71059.02062.53066.74070.06078.98088.79092.310094.9R溶质水合物摩尔质量与绝干溶质摩尔质量之比；这里R即为FeCl24H2O的摩尔质量与FeCl2的摩尔质量之比，R1.567将上述各量带入结晶产品量公式可得：G186.7kg即每小时可通过冷却结晶设备获得FeCl24H2O产品186.7kg。3.4.3冷却结晶设备选型选定目前市场上应用较广的冷却结晶器间接换热釜式结晶器。设备运行过程中，冷却结晶过程所需冷量由夹套或外部换热器提供。内循环釜式结晶器由于换热面积的限制，换热量不能太大。而外循环釜式结晶器通过外部换热器传热，由于溶液的强制循环，传热系数较大，还可根据需要加大换热面积。但必须选用合适的循环泵，以避免悬浮的晶体磨损磨碎。这种结晶器即可连续操作，又可间歇操作。设计指标如下表3.7所示：表3.7 结晶器设计指标罐内夹套导流筒工作压力MPa常压0.30.3工作温度20902020工作介质物料冷却水冷却水全容积m37换热面积m220搅拌转速r/min可调电功率KW7.5材质不锈钢轴密封不锈钢搅拌釜专用机械密封3.5过滤离心机3.5.1过滤离心分离简述离心分离借助于离心力，使料液中比重不同的物质进行分离的方法。由于离心机等设备可产生相当高的角速度，使离心力远大于重力，于是溶液中的悬浮物、胶体或结晶体便易于沉淀析出：又由于比重不同的物质所受到的离心力不同，从而沉降速度不同，能使比重不同的物质达到分离。在此基础上，过滤离心分离利用悬浮液在离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质(滤网或滤布)上，使液体通过过滤介质成为滤液；而固体颗粒被截留在过滤介质表面，形成滤渣，从而实现液-固分离。过滤型转鼓圆周壁上有孔，在内壁衬以过滤介质。3.5.2过滤离心设备选型本设计中利用过滤离心设备将FeCl24H2O从经冷却结晶后的料液中分离提取出来制成产品。故通过查阅有关分离机械书籍选定SXY1000三足下卸料液压全自动过滤离心机。具体技术参数如表3.8所示：表3.8 SXY1000离心机技术参数SXY1000离心机技术规格转鼓直径1000mm卸料转速3070转/分有效高度450mm最大分离因数700进料转速2001120转/分操作容积250L分离转速1120转/分装料限度300kg主机外形尺寸228517001900(mm)液压系统外形尺寸145011001400(mm)电器控制箱外形尺寸8006002000(mm)机器总重量3500kg操作原理及程序：悬浮液待主机开动至一定速度(中速或高速)后,由进料管进入转鼓布料盘上,在离心力的作用下, FeCl24H2O晶体颗粒被甩到转鼓内壁上,其中中速进料有利于布料均匀,减少进料的振动,使机器运转平稳。进料结束后,将主机增至高速进行分离、液体经滤布、衬网和转鼓壁上的小孔甩出鼓外、经排液口排出, FeCl24H2O晶体颗粒留转鼓内,将主机降至低速,由刮刀将滤渣刮下,从转鼓底的孔排出打包外运。3.6辅助设备计算选型辅助设备包括废酸储罐，稀酸再生酸储罐，浓酸再生酸储罐，耐腐蚀泵若干。辅助设备一览表如表3.9所示：表3.9辅助设备一览表设备名称设备型号或尺寸设备数量废酸储罐V10m3:2.52.11浓酸再生酸储罐V5m3: 1.82.21稀酸再生酸储罐V5m3: 1.82.21耐腐蚀泵CQB5032125F，12m3/h,扬程20m，电机功率1.5kw若干第四章高程、车间布置4.1高程布置1充分利用地形地势和给水排水系统，使原料液一次提升便能顺利自然的通过工艺操作单元，排出厂外。2协调好高程布置和平面布置的关系，做到既减少用地，有利于气、液输送，并有利于减少工程投资和运行成本。3做好原料液，剩余液高程布置与蒸汽高程布置的配合，尽量同时减少两者的提升次数和高度。4协调好车间总体高程布置和与单体竖向设计，即便于正常排放又有利于检修。总高程面布置（见高程面图）4.2车间布置4.2.1基础资料1、工艺流程图，详见附图。2、物料衡算数据及物料性质。3、主反应设备及辅助设备构造与特性本设计为初步的工业化设计，其中所涉及的公用系统的耗用量、车间定员厂区总平面布置图、建厂地形和气象等资料均从略。4.2.2车间组成车间部门组成如图4.1所示图4.1车间组成4.2.3车间布置1、厂房布置厂房平面布置采用长方形外形布置，可以节约用地，这样有利于设备的排列，缩短管线，易于安排交通的出入口，有较多地可供自然采光和通风的墙面。柱网间距采用6m，宽度选择14.4m，采用62.46形式的跨度。盐酸回收车间规模较小，而规模较小的车间多数是将辅助室、生活室集中布置在车间中的一个区域内，故本设计也采用这种方案。生活室中的办公室、化验室、休息室等宜布置在厂房南面，以充分利用太阳能采暖;更衣室、厕所、浴室等可布置在厂房北面。2、设备布置设备布置应该遵循工艺流程的前后、上下、左右的顺序，确保工艺流程在设备上体现出连续性，使原料到产品的路线最短，并且最为合理，并需综合考虑主导风向、安全卫生和防腐、操作条件、设备安装检修、厂房建筑等因素对设备布置的要求。车间底层平面布置加料储罐、几种泵、浓、稀酸储罐、鼓风机等;二楼平面布置冷凝结晶釜、过滤离心机、FeCl24H2O晶体产品贮槽;三楼平面布置降膜蒸发器、冷凝器、降膜吸收器等。设备布置时，考虑尽量利用重力自流，可以采用搭建钢构平台或在楼层上留出安装孔来实现这一点。第五章操作说明及维护5.1操作说明5.1.1换热器操作说明1、检查装置上的仪表、阀门等是否齐全好用。2、打开冷凝水阀，排除积水和污垢；打开放空阀，排除空气和不凝气体，放净后逐一关闭。3、打开冷流体进口阀并通入流体，而后打开热流体入口阀，缓慢或逐次地通入。做到先预热后加热，切忌骤冷骤热，以免换热器受到损坏，影响其使用寿命。4、通入的冷热流体应干净，流体如果含有大颗粒固体杂质和纤维质，一定要提前过滤和清除，防止堵塞通道及结垢。5、调节冷、热流体的流量，达到工艺要求所需的温度。6、经常检查冷、热流体的进、出口温度和压力变化情况，如有异常现象，应立即查明原因，清除故障。7、在操作过程中，换热器的一侧若为蒸汽的冷凝过程，则应及时排放冷凝液和不凝气体，以免影响传热效果。8、定时分析冷、热流体的变化情况，以确定有无泄漏。如泄漏应及时修理。9、定期检查换热器及管子与管板的连接处是否有损，外壳有无变形以及换热器有无振动现象，若有应及时排除。10、在停止操作时，应先停热流体，后停冷流体，并将壳程及管程内的液体排净，以防换热器冻裂和锈蚀。5.1.2冷却结晶器操作说明1、维持稳定的过饱和度，防止结晶器在局部范围内产生过大的过饱和度。2、结晶器液面应保持一定的高度，如果液面太低，会破坏悬浮液床层，使过饱和度越过介稳区，产生大量晶核。3、应防止系统带气，否则会破坏晶浆床层，使液面翻腾，溢流带料严重。4、应限制晶体的生长速率，即不以盲目提高过饱和度的方法来提高产量。5、对溶液进行加热、过滤等预处理，以消除溶液中可能成为过多晶核的微粒。6、从结晶器中及时移除过量的细晶。产品按粒度分级排出，使符合粒度要求的晶粒能作为产品及时排出，而不使其在结晶器内继续参与循环。7、含有过量细晶的母液取出后加热或稀释，使细晶溶解，然后送回结晶器。8、母液温度不宜相差过大，避免过饱和度过大，晶核增多。9、调节原料液的pH或加入某些具有选择性的添加剂以改变成核速率。10、操作工应认真负责，在结晶操作上要勤检查，稳定工艺，保证生产在最佳条件下进行。5.2维护说明5.2.1换热器日常维护内容1、保持设备外部整洁、保温层和油漆完好。2、保持压力表、温度计、安全阀和液位计等仪表和附件的齐全、灵敏和准确。3、发现阀门和法兰