含铁废盐酸资源化处理工艺设计_毕业设计(编辑修改稿)

含铁废盐酸资源化处理工艺设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，在此条件 下 得到的共沉淀产物为单一 Fe304,粒度为 10μ m左右，饱和磁化强度为 emu/g,完全达到了产品要求。 制备颜料 目前世界每年大约小号 700800kt 的氧化铁系颜料，以美国为例，每年小号的 70kt中，铁红占 %，铁黄占 %。 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 : ① 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 (FeS04 7H20)为原料而得名。 其工艺流程为 :在250300℃下将从酸洗废液中提纯得到的 (FeS04 7H20)脱水为 (FeS04 H20)，研磨粉碎后于 700— 800℃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。 沈阳理工大学学士学位论文 6 ② 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 ： 图 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。 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 : ① 配制一定浓度的亚铁盐溶液。 沈阳理工大学学士学位论文 7 ② 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。 ③ 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+2NH3 H20 = 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。 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αFe203。 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 =。 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 : ρ (Fe3+)=, ρ (NH4+)=, ρ ( 总SO42)=。 pH = ，游离的硫酸为 mol/L的条件下，被密封在 100 mL不锈钢容器里， 160℃下，经过 18h，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)2 Fe2(OH)24++2SO42=Fe2(OH)2(S04)2 Fe2(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。 沈阳理工大学学士学位论文 8 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α Fe203。 经过生物氧化后的酸洗废液中的主要化学成分为ρ (Fe3+)=,ρ (NH4+)=,ρ（总SO42)=。 处理过的液体中，剩余的铁离子的质量浓度低至 g/L，而硫酸的浓度已高于原始酸洗用液 ( 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。 本课题研究内容及拟定设计方法原理简介 研究内容 含铁废盐酸资源化处理核心工艺的设计； 处理系统整体流程的设计； 主要处理设备、构筑物设计； 主要配套设施设计； 主副反应设备材料材质选型及非标构配件等设计； .工程投资概算 与经济分析； 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； 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，选定蒸发结晶沈阳理工大学学士学位论文 9 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 10~15%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 FeCl2 4H2O进行分离进而实现整套工艺的资源化利用。 沈阳理工大学学士学位论文 10 第二章设计概述 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 10~15%稀盐酸。 20%以上的浓盐酸；以及一定量的 FeCl2 4H2O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 表 物料设计计算表 原料液 FeCl2 HCl 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 FeCl2 4H2O 质量分数 10%~15% 20%以上 (预算 ) 设计内容 负压 压降膜蒸发 器设计 降膜蒸发、 降膜 吸收操作条件的确定 冷凝器 、 降膜吸收器 的设计 釜液中 FeCl2 4H2O冷却结晶设备、过滤离心分离设备的选型 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 设计原则 本设计依据的原则如下 : ，从符合党和国家的政治方针和技术经济政策沈阳理工大学学士学位论文 11 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。 “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。 、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。 ，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 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 ： 图 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。 沈阳理工大学学士学位论文 12 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（ FeCl2 4H2O），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 FeCl2 4H2O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。 沈阳理工大学学士学位论文 13 第三章主要设备计算及选型 降膜蒸发器 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。 物料衡算 物料及热量衡算图如图 图 物料、热量衡算图 沈阳理工大学学士学位论文 14 Fx0=(FW)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： 1250 18%=（ 1250W） 95% 解得总蒸汽量 W=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=1250 15% 90%=。 水蒸气总量： W 水 =W－ WHCl=。 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： Dr＝ Wr’＋ Fc0(T1－ T0)＋ QL 式中 r’—— 二次蒸汽的汽化热， KJ/kg。 沈阳理工大学学士学位论文 15 c0—— 原料液在 0℃ 到 T0℃ 间的平均比热容， KJ/(kg K)。 由于绝大部分是液态水，因此这里取水的比热容 (kg K)。 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 ℃ ，水的汽化热 Δ H 水 ＝； 20℃ 时， HCl 的汽化热 Δ HHCl=,进而 95℃ 时 HCl 的汽化热可由 Waston公式推导得出； Δ Hb2=Δ Hb1(Tc－ T1)(Tc－ T0) 式中： Δ Hb1为 20℃ 时， HCl 的汽化热 Δ Hb1=； Tc为临界温度，查阅有关文献 Tc＝ ； 则 95℃ 时 Δ HHCl＝ [ ﹙ － 368﹚／﹙ － 293﹚ ] ＝ ＝； 因此 Wr’＝ W 水 Δ H 水 ＋ WHClΔ HHCl＝ ＋ ＝ 1988959KJ； Fc0(T1－ T0)＝ 1250 （ 95。