1、北京化工大學化學工程學院設計說明書“化工設計”課程作業）題目：廢水脫氨工藝設計班級：化工0708組長：張博200711234組員：于佳200711223陳一琿200711238胡迪200711242梁微200711247指導教師：紀培軍2010年12月1日1 .工藝設計基礎21.1 設計依據21.2 裝置組成及名稱21.3 原料、化學品的性質及技術規格22 .工藝說明42.1 生產方法、工藝技術路線及工藝特點42.2 工藝流程說明53 .工藝計算及主要設備設計63.1 換熱器熱量衡算以及工藝設計63.2 萃取塔物料衡算以及設備工藝計算93.3 汽提塔物料衡算以及設備工藝設計153.4 吸收罐物

2、料衡算及設備工藝設計184 .工藝控制條件及自控設計215 .附表和附圖22參考文獻25附：小組分工明細及評分251. 工藝設計基礎1.1 設計依據設計項目：廢水脫氨工藝設計產品名稱：脫氨達標廢水及21%（w/w）濃氨水處理要求：脫氨水中氨含量小于100mg/L濃氨水中氨含量大于21%（w/w）處理能力：額定處理量2.5m3/h最大處理量7.0m3/h設計要求：1.工藝可靠2. 操作簡單，操作彈性大3. 設備投資費用低4. 單位產品能耗盡可能低具體設計參數：原料液（廢氨水）中的雜質含量：NH3-N:3.0g/LCU2+:250mg/L原料液溫度：60oC80oC原料液酸堿度：PH值8.09.0

3、氨氮存在于許多工業廢水中,其排進水體尤其是緩慢流動的湖泊、海灣，容易引起藻類及微生物大量繁殖，形成富營養化污染。目前大多廢水僅僅經簡單處理就直接排放，嚴重污染環境。因此，我國對氨氮排放制定了更嚴格的標準，研究開發經濟高效的脫氨技術，也成為工業排放廢水污染控制工程領域的重點和熱點。1.2 裝置組成及其名稱該工藝包含列管式換熱器，轉盤萃取塔,汽提塔和間歇式反應釜。1.3 原料、化學品的性質及技術規格在舁廳P名稱規格國家排放標準備注1叫N39幾v100mg/2Cu22Smg/L1E2mg/L3LIX984N混合配方萃取劑4CaO調pH值表1-1原料技術規格2 .工藝說明2.1 生產方法、工藝技術路線

4、及工藝特點2.1.1 生產方法采用先萃取后吹脫的方法，先利用萃取劑萃取廢水中的銅離子，再應用汽提塔將廢水中的氨吹脫出來，最后吸收濃縮成達標產品一一濃度為大于21%的濃氨水。2.1.2 工藝技術路線的確定(1)脫除銅離子方法的確定廢水脫氨，其主要工藝是如何將廢水中的氨提取并且濃縮成產品需要的高濃度氨水，但因廢水中含銅離子，且在該溫度和pH值下，銅離子和氨要形成配合物1cM,這就給直接脫氨帶來了難度，所以必須優先除去銅離子，才能盡可能徹底的脫除氨，且廢水中含重金屬離子也不能排放，要進行重金屬離子的回收。由于萃取在濕法冶金工藝里應用廣泛，因此，在去除銅離子的工藝上我們采用萃取技術，應用萃取劑LIX9

5、84N萃取廢水中的銅離子，然后進入解吸塔對銅離子進行解吸，反萃出銅離子，并對其進行回收，與此同時萃取劑進行循環使用。(2)脫氨濃縮工藝的選擇從萃取工藝流出的廢液中只含氨，且pH值仍為89。由于在該pH值下游離的氨較少，所以先使用熟石灰(Co叫將廢水pH值調至11,然后進入汽提塔。由于空氣吹脫法在處理廢水中氨的工藝中最為常見，所以我們采用汽提塔，利用空氣將廢液中的氨吹脫出來。吹脫出的含氨空氣最后進入吸收罐濃縮。由于常溫下氨氣對水溶解度為700:1,所以采用簡易通入式吸收法，經汽提塔處理的含氨空氣直接通入吸收罐中至氨水飽和。(3)萃取劑的選擇采用萃取技術對廢水中銅離子進行脫除和回收，源于濕法冶金工

6、藝。其常用萃取劑多為LIX系列有機萃取劑還有其他類型萃取劑，但都多為復合型配方，其性能各有不同。在堿性條件下，萃取劑LIX984N能夠打破銅氨絡合平衡，在萃取銅離子的同時只帶出極少量的氨，可忽略不計。除此之外，反萃過程能夠解吸出大量銅而幾乎不損失萃取劑，可以實現循環使用，能夠減少萃取劑更換成本，因此我們選取LIX984N作為萃取工序的萃取劑。2.1.3 工藝特點根據設計任務選取的工藝流程皆能滿足排出液的濃度要求，整體設計對設備要求不高，能夠減低設備投資費用，且操作簡單，操作彈性大，適合工業處理廢水。除此之外，對于額外化學品的消耗量如萃取劑，通過解吸循環使用，能夠節約用量從而節省投資。廢液開始換

7、熱降溫后，整個工藝流程都在常溫下操作，能耗低。2.2 工藝流程說明廢液首先進入換熱器進行換熱，然后進入萃取塔進行銅離子的萃取，經萃取的廢液進入液體緩沖罐，調節pH值，攜帶銅離子的萃取劑進入反萃取塔解吸出銅離子。解吸后萃取劑進入萃取塔循環使用，解吸出的銅離子進入銅離子回收罐。從緩沖罐出來的廢液進入汽提塔進行空氣吹脫除氨。待吹脫工序進行完畢后，廢液可排放，攜帶氨氣的空氣進入吸收罐進行氨的吸收濃縮，使產品達標。3 .工藝計算及主要設備設計3.1 換熱器熱量衡算以及工藝設計3.1.1 工藝計算常壓下用地下水冷卻5m3/h含氨3g/L的廢水。廢水進口溫度=750c廢水出口溫度12H250c冷卻水進口溫度

8、冷卻水出口溫度(1)物性常數物性常數冷卻水(1)廢水(2)定性溫度勺笛2550比熱CpA何.C4.1784.178密度p的出997988粘度APut0.886乂1一0.547xI。一導熱系數A,氣)0.6080.648普朗克準數Pr6.163.54表3-1換熱物料物性常數(2)熱負荷計算廢水處理量988,=5X-1.37kg/s23600則熱負荷Q=G2C2(t2-tt)=1.37x4.178x(75-25)=286660w(3)冷卻水用量2866604478 x (35 - 15)=3.43 kg/s(4)平均溫度差-一71)A%=2L64舊y(5)估算傳熱面積與管子根數列管換熱器水-水系統

9、冷卻操作初選傳熱系數K=2500則所需傳熱面積的估算值為:2866602500x21.644Gl單程管數為4X3,4311-;-u7tdp1,6X0.0產x988X3.14單程管長為5,3=8,44mndi7X0.025X3.14選定換熱器管長l=6m,則管程數8.44jV=141卜6則取,則總管數為n=2n=20根3.1.2換熱器的選擇和核算(1)初選換熱器根據 $ = 53 77?n = 20 根M =2,查表，選用G273-2-25-7列管換熱器，其實際傳熱面積為7.3m,有關參數如下，見表3-2:公稱直徑Dn273mjn公稱壓力京25x105Pa傳熱回積S7.3屆管程數熊2管數科20管

10、長46m管子規格025x2mm管心距f32mm管子排列方式正三角形表3-2換熱器參數(2)管程壓降的計算管程雷諾準數為dup0.02x1,6x988Re=57800N0.547X10-J由于鋼管的絕對粗糙度二也15血小，故=50075,查入與Re及s/d的關系圖，得4=0,038,又取管程結垢校正系數號=1.5,故得管程壓降為：僅Ipv26X988X1工Ap=_+3=0.038X+3X1.5X2X=825LBP。10000,而且!/d=6/0.02=30050,故%=0.023弓)(/?e)0flCPr)04=0.023XX578000Hx3.5404=7969.1IV/(m-(4)管外給熱系

11、數4及K的計算國的計算為p2ln%=2,02-=4732,8IV/(m)由此可算得K值為K=2318.3W/(m)4)呵1+，+(5)計算傳熱面積和安全系數按傳熱方程計算的傳熱面積為S=-&-=5*71m2實際傳熱面積為73ml則安全系數為=1.285.71因為此值在1.11.5范圍內，所以換熱器選擇合適3.2萃取塔物料衡算以及設備工藝計算3.2.1 設計條件用萃取劑LIX984N萃取廢水中銅離子的轉盤萃取塔，已知條件如下：原料混合液流量=0.0。13網(即5m皿)；Cu2在水中的初始濃度Cu2在水中的最終濃度刈/；Cu2在萃取劑中的初始濃度C-i=000m1;萃取塔中的溫度為25K；當濃度單

12、位以及力。表示時，本設計中相間平衡關系可用公式。=也。，其中用=1.693.2.2 設計計算(1)萃取劑用量由于Cu2的濃度很低，萃取過程中相密度的變化可以忽略。因此，所需Cu2的提取率為0.002=110.992L0.25由相間平衡式和物料衡算可得萃取劑的最小用量:=2.97m30.992X0.001389X0.251.69X0.25-().005取萃取劑流量為13疝,即匕=0,003611m%,約為最小用量的4.4倍，比初始原料混合液流量大1.6倍Cu2在LIX984N中的最終濃度為%=%+曰“C叫J=0002+(0.25-0.002)=0.0974皿冏(2)平均液滴尺寸因為LIX984N

13、的用量較大，故用它做分散相。由于Cu2濃度低，計算所需各相的有關參數時，相應的取25c的水和LIX984N的性質，即：水：孔=997蚓2出二口.印)”目,=003皿削，D=LU5x10一5%LIX984N:，=92眼力/=3,8m&$Ap=77/m3Drf=2xK)-V/5轉盤萃取塔內部裝置尺寸取下列關系:424h1萬一十萬一萬一十式中的Dt%,句分別為塔徑、轉盤直徑和固定環內徑；h為每段高度。取4=0.2m/5,且假定段數n為20,則平均7滴尺寸d為：d= 16.7 XIG7 X(0.894 X 10-1)0-3(0+0341)0 50.2 出“997。打 1。=2.03mm(3)液泛時各相

14、的總空塔速度液泛時各相的總空塔速度為(Mc+Ud)s=(1-4+7-4)ut式中，化液泛時的滯液率。Lvd13b=26當分散相與連續相的體積流量比17rS.時，其滯液率為,6旺8X2.6-3X2.6：=0,3984x(1-2-6)Ut液滴的特性速度，且由二叫，其中Dh + % DUo為LIX984N液滴在水中的自由沉降速度。對大液滴沉降速度的計算可利用下列經驗關聯式：如果2WT工70,則。=(0,75門平如果丁70,貝qQ=(22T)。越式中Q=0.75+Re/P015；T=4Ap2P01s/(3d；P=p(Ap94).?叮為相問張力。依次代入數據可求得：9972x0.03413wP=8468

15、5x1O1077X9.81X0.0008944“(8.1685xIO10)015T=4X77X9.81X0.0020*X=5.27423X0.0341Q=(075X52742嚴7*=Z923壯孫久Re=941632則外,所以。=4.16cm/5,故液滴物性速度%，=au0=0.485X4.16=1.91cm/s液泛時的總空塔速度(c+ud)占=(14x0,398+7x0,3982-4x0,398?)X1.91=5.05x10-2m/s3.2.3 塔徑與內部裝置尺寸最小可能塔徑為性(一+VJ|4(0,003611+0X)01389)(區&+ujJ3.14X5.05X1O-3圓整塔徑D=12m,則

16、總空塔速度為(%+%)$=4x(0.003611+0-001389)/(122X3,14)=4.42X10-3m/x一=2.6因為”,則塔的各空塔速度為%=d=0319cm/s；uw-uc-0.123cm/s各相的總速度約為液泛時各相總速度的87.5%。萃取塔內部裝置的主要尺寸為。“=。色)=0.8m。友=D管)=.9阻h=口（萬）=。4m轉自的轉速為0.2=0.25r/s0.83.2.4 相接觸比表面積滯液率仍可由下式求得:將空塔速度和特性速度代入上式可得0.319 0,123、03191 +- !甲-01.911.91 11.91解此方程可得滯液率-相的接解比表面積為6a)6 x 0,25

17、2,才a = = 745 m /md 2Q3X10 -3.2.5萃取塔塔高連續相的縱向混合系數為U為Dp 2 % 2 % 21.Ec = 0.5x+ 0.09(/)位方尸一Ew Ec = 0,5 x0.123 x 10 - x 0.4+ 0.091 - 0.252（|嘀-朗x 0,2 X 0.4 = 7,07 x 10 - n2/s分散相的縱向混合系數為D 2 % 2% 2Ed = 0.5 x + 0,09(-2!)2()2- ()2n)pftE產 Ed = ，5 x0.319 x 10-2 x 0.40.252。喇凱朗x 0.2 x 0,4 = 291 x 10-4m2/s塔中液滴的相對速度

18、和雷諾準數分別為d40.3190J23Ut，1+=L43cm/s甲1一早0.25210252d%P2.03x10-3x1.43x10-2x997Re=32.4又因為9972 x 0.0341377 X 9,81 x 0.0008941所以從0.894x10-3=8.1685X10JL)3 X 0.0341T=4X77X9,B1x0.00203&x=，2海因為丁=5274270,所以液滴不振動。在計算液滴尺寸時，萃取塔的段數取20,因此作為萃取塔高度的第一次逼近值取H=Nh=20X04=8m,計算分傳質系數。/0.984x10-35cr=854Schimidt數為凡4997x1.05x10因為S

19、herwood數為Sh=06雇,收”=0.6x32.405X854=99.8CC41.05x1。-4k=fc=shr=99.8x=0.516x10-4m/sIVcLJO,d2,03xJO3cpH0,252x8r=632sud0.319X10-z-4D/4x2x10-9x632F。=-=1.227d2(2,03x10-3)2林d3,8x10-3Scd=2065PdDd920x2x109Pcutd997X(1-43XUNx203xi。一0.034 IWe=0.0121Shd=31AFad_034Sc-=31.4xL227-034X2065-ai25x0.01210-37=2,203ko=kd=Sh

20、-=2,203x=0.0217x10-qm/sd2.03x10-3水相傳質系數為Ill11i5九=【1+-H=(7+=0,343x10-5m/s”叫0.516X10-4169X0.02174X10-40423 X 10 - 2水相傳質單元高度為HUJ(=0.481znK盧0343x10-5x745對萃取過程，傳質單元數為m九mCw2+%-C口？inmVomCwA+mO-C0.1=1.69X=4J9對所研究的過程中,4J9.1,69x0.250.0974N=-一出=7.074.39-11.69X0.0020.002因此當兩相均為理想置換狀態時，塔操作區的高度*=程凡-7.07X0.481=3.4

21、川。為了確定包括縱向混合的塔高，用逐次逼近法求出傳質單元的表觀高度。首先，求兩相中縱向混合彼克列準數。劭出0.319x10-2X8=-z-=&777294X10-4M0.123x10-3X8PG=-7=7=13.9%7.07x10-4表現的傳質單元高度可按下式計算在逐次逼近時，忽略上式中的右邊第二項，則得1 - exp*ii( - 877)877-)-1=1.1291 -已即項 - 13.9)13.9求得傳質單元表觀高度的逼近值為7.07 x 1O-4 =0481 +0.123 x 10-2 x 1.085X 11.69X13 0.3當取訛=兒，時，相應的塔高為H=7.07XL197=846m

22、因為轉盤之間的距離h=0.4m,所以這樣高的塔應有塔盤數為H8,46N=21,15塊h0.4圓整塔盤數為22塊，則傳質區的高度H=22X0.48.8in在計算液滴尺寸之初曾取塔德段數為20,若用N=22,則得到的平均液滴直徑為1.98mm,與W=20時所得到的d值相差2.5%,這個誤差在精度范圍之內。因此，再重新計算萃取塔內液滴尺寸及其余各流體動力參數是沒什么意義的，而且與塔高有關的分散相分傳質系數基本上也不會改變o3.2.6澄清區尺寸在轉盤萃取塔中，操作區和澄清區的直徑一般相同。澄清區LIX984N液滴凝聚所需時間為0,18Ml = L32 x 10Apgd(T032r 0.894 X 10

23、-JX 2.03 X 10-=1.32 x 10J x -0341上澄清區的體積為VdTs,c0.003611x14.74.0.80.8-=2X=0.14mL故上澄清區的高度為4X0.14=0,13m3,14xL22在該萃取塔中，裝盤區是發生強烈的液體運動的操作區。強烈運動的液體進入澄清區,使澄清區成為兩部分，即澄清區本體和中間穩定區。前者進行相得分離，后者為澄清創造較好的條件。它的高度一般不小于塔徑。據此，取沉降區總高度為為1.2m,上下兩澄清區高度相同，均為1.2m。3.2.7反萃取設計萃取劑經萃取塔流出后進入反萃取塔，反萃出銅離子。由于反萃取時所需要的溫度壓力等各項控制條件未知，所以無法

24、進行反萃取塔的核算。3.3汽提塔物料衡算以及設備工藝設計3.3.1氨汽提空氣需要量萃取工段流出料液流量為5m,溫度為25C,pH=11。擬將其中*廠N濃度由3兒降至O.lg/L。其中，25c時，氨的亨利常數打=也75。用】，且進入汽提塔底的空氣中不含任何形態的氨。下式中各符號說明見表3-3:符號LGGLCfLXbnA物性液體負荷率氣體負荷率氣體密度液體密度填料填充系數液體動力粘度NHi-N的摩爾分數nh3-n的物質的量水的物質的量單位ky/irr,5IHOl表3-3汽提塔部分符號說明(1)進出汽提塔液體中N“3-N摩爾分數，自=依據公式/+/可求得進出塔N廠N的摩爾分數:317qCn=3.17

25、6x航的水9973118170V7C=0.106X103molNHJmoE水9970.111817(2)離開汽提塔空氣中N“3-N摩爾分數m，水=mi (訴“(0.75atm)(moNH/muI空氣)H=H075atmm制水力二yp=C()=(77)*工176X10一口水=2.382XW3molNH3/mo.尸丁1.Odt/Ti771。：L(3)計算氣-液比因為GPrco-cLHCo建故G_3.176-0.106nwt空氣_m式空氣L2.382mo1水m出水(4)空氣和水的用量對于25 c空氣V - 1,3 X 24,1 = 3133 L1x18樹=0.018Z對于25 c水米997則氣液比為

26、G3133力-=1741L/A=1741m7L0.018(5)理想條件下所需空氣總量1741xSm/h飛需要空氣量=6。*油=】45/優也3.3.2汽提塔直徑和高度的計算汽提塔內填料采用25mm包爾環填料。假設填充系數為50,氣體系數為3,壓降為200(N/n?”m則氨的除=0.0125人(1)汽提系數為3時的橫縱坐標值G gG leg1.2= 1.2-r- L。L kgGHGmof空氣28gg水S=x-=075xxxLPT匕航。，水nw空氣18g故算得3=2.51.2kff/kgL Pg()G PlPgnr/1.204j 2.5 xI 99705 = 0,087因此查圖得得到縱坐標值為 0.

27、04(2)利用縱坐標值求負荷率.(縱坐標值)仇)血Pt71ntig = Irs(Cp (MP 011,4 x 1,204 x (997 - 1,204)50 X 0.00101則2 = 2,5G = 2,5 x 138 = 345 kg/mz , s(3)求汽提塔直徑344D =一41x 5 x 997 x4-886400 ns=0.606 7M(4)求傳質單元高度和傳質單元數L HTU =S15 x86400=0.385 m7 3.140.0125 x 0.6062x 4NTU =In3-1L JIn3r(3 -1)+1 0.1=4.52(5)汽提塔內填料高度已知傳質單元數和傳質單元高度，則

28、可求填料高度為z=HTUxNTU-0.385X4.52=174?h3.4吸收罐物料衡算及設備工藝設計3.4.1 吸收流程的計算及設計已知從汽提塔出來的氨氣為2Jg2xlOy*a/m9空T,計算得氨氣摩爾分數一6x1。o混合氣體流量G=設計要求濃氨水含量大于21%由已知條件得所需氨水摩爾濃度為21173斯j=Yqq=12.316mo/L=12316muE/m997因此，設計從汽提塔出來的氣體進入吸收罐進行吸收，濃縮。計算得氨氣的摩爾流量為%=723X2376X10=0.3445m3/min=lS.38jnol/mmf往吸收罐通入清水，氣體從吸收罐下部通入，根據已知條件得：單位體積內達到規定濃度所

29、需吸收時間t=123161538mol/min=800.78min/m設吸收罐體積為V=14ml有效體積f=10m則吸收所需時間T=tVr=800,78mln/m2乂10n?=8008m也從通入氣體到吸收進行8008min后停止通氣，然后進行放液（同時打開與之相聯的最終產品罐的閥門），放液結束后通入新的清水，重復之前的操作。設設吸收罐進液流量和放液流量均為5疝/皿也有效體積為10血1,丁掙=丁加=10/5=2min那么，加液排液共需時間7，4由】。3.4.2 吸收罐主要部分尺寸的確定（1）罐體設計因為該吸收屬于氣液反應，吸收罐采用橢圓罐底，罐的高徑比在12之間，封頭Hi=025D封頭體積：l/

30、=0J3W設H/D=2已知lZ=14m且/=H.%=2D-0.25D=L75D（罐體總高度為H,封頭高度%,罐體高度*z,直徑為D）。那么由公式V =/瓦 + 0.131D,代入數據可得。=2、01忸，H = 4.06m,查表圓整得口=2000mm/=4000mm。(2)壁厚計算已知公式PcxDis-2網Pc查表得設計壓力Pl2J6MPq，2=2000mm,肝=163MPh，q=325MP%0=LO（雙面焊對接接頭，100%僉測），代入數據得P乂口t2,16X2000s1732|療/_p2X163X1-2.16取g=lmm查表C】=0.8mm則U=g+Q=L8mm故173+。=17.3+1用=

31、19.1mm,圓整后取5=20血叫選用20mnS的16MnR板作罐體c(3)封頭設計已知公式并計算得PcxDi2.16x2000=17.34mrn2fff-2x163x1-03x2+16取 1 1查表 C1 =,則C = Ci + G =17.34+C=17,34+L8=19.14mm,圓整后取s,=20mm,所以封頭厚度也取厚度20mm的16MnFffi板作罐體(4)附件選取法蘭：根據公稱直徑2000mm工程壓力0.25MPq選平焊法蘭甲型，標準號為JB4701-92,法蘭材料為Q235-A夾套：氨氣溶解為放熱反應，由于通入水內為空氣與氨氣的混合氣，通入時的鼓泡促進罐內熱量分布均勻，罐體外夾

32、套內通入冷水進行冷卻。排空閥：由于氨氣在混合氣體中摩爾分數小，氨被溶解后剩余大量空氣，吸收罐頂部有排空閥，防止因通入氣體使罐內壓力過大。除此之外，灌頂同時有測壓接管、測溫計4工藝控制條件及自控設計換熱：以C101B為備用換熱器，在出口檢測溫度調節冷卻水流量。液體緩沖：以F102A為優先存儲，根據檢測的PH調整堿液進入流量。F103為備用安全保障儲罐，保證上下游罐體安全。萃取：檢測來流物料流量調節萃取液流量。以E101B為備用。吹脫：由前述則為已知濃度的氨溶液，則檢測來流物料流量，出料量，進入空氣量可計算出料濃度，通過調整空氣流量保證濃度。在塔體檢測壓力降，與溫度通過調整空氣流量保證安全。以E1

33、03B為備用。產品吸收：在罐體設壓力溫度檢測調節進水流量，以F104B為備用和安全保障儲罐，在F104A設液位檢測若過高調整去F103B同時若發現產品不達標則全部流入F104B再回流至吹脫工藝。F105A/B/C/D為最終產品罐。5.附表和附圖5.1 設備參數總覽5.1.1 換熱設備參數一覽流程編號名稱介質管程數溫度(C)壓力流量(m3/h)平均溫差(C)熱負荷(kJ/h)傳熱系數M叼而助)傳熱面枳(m2)形式進出計算實際C101A/B冷卻器管內廢水7525常壓521.6410319762318.35.717.3列管式管間地下水1535常壓1.6表5-1換熱設備工藝設計參數5.1.2 塔設備參數一覽(1)萃取塔工藝參數流程編號名稱介質操作溫度塔頂負荷(m3/h)允許空塔速度塔徑(m)塔板類型板間距塔板數塔高(m)(壓廢萃(m/s)計算實(m)計實力液取際算際劑E101A/B轉廢25常5135.05x1111