废水脱氨工艺设计第三组.doc

北京化工大学 化学工程学院

设计说明书

（“化工设计”课程作业）

题目：废水脱氨工艺设计
班级：化工0708
组长：张 博 200711234
组员：于 佳 200711223
陈一珲 200711238
胡 迪 200711242
梁 微 200711247
指导教师：纪培军

2010年12月1日
目 录
1.工艺设计基础…………………………………… 2
1.1设计依据……………………………………………… 2
1.2装置组成及名称……………………………………… 2
1.3原料、化学品性质及技术规格…………………… 2
2.工艺说明………………………………………… 4
2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点……………… 4
2.2工艺流程说明………………………………………… 5
3.工艺计算及主要设备设计……………………6
3.1 换热器热量衡算以及工艺设计……………………… 6
3.2 萃取塔物料衡算以及设备工艺计算………………… 9
3.3 汽提塔物料衡算以及设备工艺设计…………………15
3.4 吸收罐物料衡算及设备工艺设计……………………18
4．工艺控制条件及自控设计……………………21
5．附表和附图……………………………………22
参考文献………………………………………… 25

附:小组分工明细及评分…………………… 25

1.工艺设计基础

1.1设计依据

设计项目：废水脱氨工艺设计
产品名称：脱氨达标废水 及 21 % （w/w）浓氨水
处理要求：脱氨水中氨含量小于100 mg/L
浓氨水中氨含量大于21 % （w/w）
处理能力：额定处理量 2.5 m3/h
最大处理量 7.0 m3/h
设计要求：1.工艺可靠
2.操作简单，操作弹性大
3.设备投资费用低
4.单位产品能耗尽可能低
具体设计参数：
原料液（废氨水）中杂质含量： NH3-N: 3.0 g/L
CU2+: 250 mg/L
原料液温度： 60 o C ～ 80 o C
原料液酸碱度： PH 值8.0 ～ 9.0

氨氮存在于许多工业废水中,其排进水体尤其是缓慢流动湖泊、海湾，容易引起藻类及微生物大量繁殖，形成富营养化污染。目前大多废水仅仅经简单处理就直接排放，严重污染环境。因此，我国对氨氮排放制定了更严格标准，研究开发经济高效脱氨技术，也成为工业排放废水污染控制工程领域重点和热点。

1.2装置组成及其名称
该工艺包含列管式换热器，转盘萃取塔,汽提塔和间歇式反应釜。

1.3原料、化学品性质及技术规格
序号
名称
规格
国家排放标准
备注
1

2

3
LIX984N
混合配方

萃取剂
4
CaO

调pH值
表1-1 原料技术规格

2. 工艺说明

2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点

2.1.1 生产方法

采用先萃取后吹脱方法，先利用萃取剂萃取废水中铜离子，再应用汽提塔将废水中氨吹脱出来，最后吸收浓缩成达标产品——浓度为大于21%浓氨水。

2.1.2工艺技术路线确定

（1）脱除铜离子方法确定
废水脱氨，其主要工艺是如何将废水中氨提取并且浓缩成产品需要高浓度氨水，但因废水中含铜离子，且在该温度和pH值下，铜离子和氨要形成配合物，这就给直接脱氨带来了难度，所以必须优先除去铜离子，才能尽可能彻底脱除氨，且废水中含重金属离子也不能排放，要进行重金属离子回收。由于萃取在湿法冶金工艺里应用广泛，因此，在去除铜离子工艺上我们采用萃取技术，应用萃取剂LIX984N萃取废水中铜离子，然后进入解吸塔对铜离子进行解吸，反萃出铜离子，并对其进行回收，及此同时萃取剂进行循环使用。

（2）脱氨浓缩工艺选择
从萃取工艺流出废液中只含氨，且pH值仍为8~9。由于在该pH值下游离氨较少，所以先使用熟石灰（）将废水pH值调至11，然后进入汽提塔。由于空气吹脱法在处理废水中氨工艺中最为常见，所以我们采用汽提塔，利用空气将废液中氨吹脱出来。吹脱出含氨空气最后进入吸收罐浓缩。由于常温下氨气对水溶解度为700:1，所以采用简易通入式吸收法，经汽提塔处理含氨空气直接通入吸收罐中至氨水饱和。

（3）萃取剂选择
采用萃取技术对废水中铜离子进行脱除和回收，源于湿法冶金工艺。其常用萃取剂多为LIX系列有机萃取剂还有其他类型萃取剂，但都多为复合型配方，其性能各有不同。在碱性条件下，萃取剂LIX984N能够打破铜氨络合平衡，在萃取铜离子同时只带出极少量氨，可忽略不计。除此之外，反萃过程能够解吸出大量铜而几乎不损失萃取剂，可以实现循环使用，能够减少萃取剂更换成本，因此我们选取LIX984N作为萃取工序萃取剂。

2.1.3 工艺特点

根据设计任务选取工艺流程皆能满足排出液浓度要求，整体设计对设备要求不高，能够减低设备投资费用，且操作简单，操作弹性大，适合工业处理废水。除此之外，对于额外化学品消耗量如萃取剂，通过解吸循环使用，能够节约用量从而节省投资。废液开始换热降温后，整个工艺流程都在常温下操作，能耗低。

2.2工艺流程说明
废液首先进入换热器进行换热，然后进入萃取塔进行铜离子萃取，经萃取废液进入液体缓冲罐，调节pH值，携带铜离子萃取剂进入反萃取塔解吸出铜离子。解吸后萃取剂进入萃取塔循环使用，解吸出铜离子进入铜离子回收罐。从缓冲罐出来废液进入汽提塔进行空气吹脱除氨。待吹脱工序进行完毕后，废液可排放，携带氨气空气进入吸收罐进行氨吸收浓缩，使产品达标。

3．工艺计算及主要设备设计

3.1 换热器热量衡算以及工艺设计
3.1.1 工艺计算
常压下用地下水冷却5m³/h含氨3g/L废水。
废水进口温度
废水出口温度
冷却水进口温度
冷却水出口温度

（1）物性常数
物性常数
冷却水(1)
废水(2)
定性温度
25
50
比热
4.178
4.178
密度
997
988
粘度
0.886
0.547
导热系数
0.608
0.648
普朗克准数Pr
6.16
3.54
表3-1 换热物料物性常数
（2）热负荷计算
废水处理量

则热负荷

（3）冷却水用量

（4）平均温度差

（5）估算传热面积及管子根数
列管换热器水-水系统冷却操作初选传热系数K=2500，则所需传热面积估算值为：

单程管数为

单程管长为

选定换热器管长l=6m，则管程数

则取程，则总管数为

3.1.2 换热器选择和核算

（1）初选换热器
根据，，查表，选用G273-2-25-7列管换热器，其实际传热面积为7.3，有关参数如下，见表3-2：
公称直径

公称压力

传热面积S
7.3
管 程 数

管 数

管 长

管子规格

管 心 距

管子排列方式
正三角形

表3-2 换热器参数

（2）管程压降计算
管程雷诺准数为

由于钢管绝对粗糙度，故，查及及关系图，得，又取管程结垢校正系数，故得管程压降为：

所以，压降满足要求。

（3）计算管内给热系数
因为，而且，故

（4）管外给热系数及K计算
为

由此可算得K值为

（5）计算传热面积和安全系数
按传热方程计算传热面积为

实际传热面积为，则安全系数为

因为此值在1.1~1.5范围内，所以换热器选择合适。

3.2 萃取塔物料衡算以及设备工艺计算

3.2.1 设计条件

用萃取剂LIX984N萃取废水中铜离子转盘萃取塔,已知条件如下：
原料混合液流量 （即）；
在水中初始浓度；
在水中最终浓度；
在萃取剂中初始浓度；
萃取塔中温度为；
当浓度单位以表示时，本设计中相间平衡关系可用公式，其中。

3.2.2 设计计算

（1）萃取剂用量
由于浓度很低，萃取过程中相密度变化可以忽略。因此，所需提取率为

由相间平衡式和物料衡算可得萃取剂最小用量：

取萃取剂流量为，即，约为最小用量4.4倍，比初始原料混合液流量大1.6倍。
在LIX984N中最终浓度为

（2）平均液滴尺寸
因为LIX984N用量较大，故用它做分散相。由于浓度低，计算所需各相有关参数时，相应取25℃水和LIX984N性质，即：
水：，，， ；
LIX984N：，， 。
转盘萃取塔内部装置尺寸取下列关系：

式中分别为塔径、转盘直径和固定环内径；h为每段高度。
取 , 且假定段数N为20，则平均液滴尺寸d为：

（3）液泛时各相总空塔速度
液泛时各相总空塔速度为

式中，——液泛时滞液率。
当分散相及连续相体积流量比时，其滞液率为

——液滴特性速度，且 ,其中

为LIX984N液滴在水中自由沉降速度。对大液滴沉降速度计算可利用下列经验关联式：
如果 ，则
如果 ，则
式中 ；
；
；
为相间张力。
依次代入数据可求得：

则 , 所以 ，故液滴物性速度

液泛时总空塔速度

3.2.3 塔径及内部装置尺寸

最小可能塔径为

圆整塔径，则总空塔速度为

因为，则塔各空塔速度为

各相总速度约为液泛时各相总速度87.5%。
萃取塔内部装置主要尺寸为

转自转速为

3.2.4 相接触比表面积

滞液率可由下式求得：

将空塔速度和特性速度代入上式可得

解此方程可得滞液率
相接解比表面积为

3.2.5 萃取塔塔高

连续相纵向混合系数为

即

分散相纵向混合系数为

即

塔中液滴相对速度和雷诺准数分别为

又因为

所以

因为
在计算液滴尺寸时，萃取塔段数取20，因此作为萃取塔高度第一次逼近值取，计算分传质系数。
Schimidt数为
因为Sherwood数为

故

故

水相传质系数为

水相传质单元高度为

对萃取过程，传质单元数为

对所研究过程中， ； ，所以

因此当两相均为理想置换状态时，，塔操作区高度。为了确定包括纵向混合塔高，用逐次逼近法求出传质单元表观高度。首先，求两相中纵向混合彼克列准数。

表现传质单元高度可按下式计算

彼克列系数和按下式计算

在逐次逼近时，忽略上式中右边第二项，则得

求得传质单元表观高度逼近值为

当取时，相应塔高为

因为转盘之间距离，所以这样高塔应有塔盘数为

圆整塔盘数为22块，则传质区高度

在计算液滴尺寸之初曾取塔德段数为20，若用，则得到平均液滴直径为1.98mm，及时所得到d值相差2.5%，这个误差在精度范围之内。因此，再重新计算萃取塔内液滴尺寸及其余各流体动力参数是没什么意义，而且及塔高有关分散相分传质系数基本上也不会改变。

3.2.6 澄清区尺寸

在转盘萃取塔中，操作区和澄清区直径一般相同。
澄清区LIX984N液滴凝聚所需时间为

上澄清区体积为

故上澄清区高度为

在该萃取塔中，装盘区是发生强烈液体运动操作区。强烈运动液体进入澄清区，使澄清区成为两部分，即澄清区本体和中间稳定区。前者进行相得分离，后者为澄清创造较好条件。它高度一般不小于塔径。据此，取沉降区总高度为为1.2m，上下两澄清区高度相同，均为1.2m。

3.2.7 反萃取设计
萃取剂经萃取塔流出后进入反萃取塔,反萃出铜离子。由于反萃取时所需要温度压力等各项控制条件未知，所以无法进行反萃取塔核算。

3.3 汽提塔物料衡算以及设备工艺设计

3.3.1 氨汽提空气需要量

萃取工段流出料液流量为，温度为25℃，pH=11。拟将其中浓度由3降至。其中，25℃时，氨亨利常数，且进入汽提塔底空气中不含任何形态氨。
下式中各符号说明见表3-3：
符号
L
G

物性
液体负荷率
气体负荷率
气体 密度
液体 密度
填料填充系数
液体动力粘度

物质量
水物质量
单位

表3-3 汽提塔部分符号说明

（1）进出汽提塔液体中摩尔分数
依据公式可求得进出塔摩尔分数：

（2）离开汽提塔空气中摩尔分数

（3）计算气-液比
因为

故

（4）空气和水用量
对于25℃空气
对于25℃水
则气液比为

（5）理想条件下所需空气总量

3.3.2 汽提塔直径和高度计算

汽提塔内填料采用25mm包尔环填料。假设填充系数为50，气体系数为3，压降为，则氨。

（1）汽提系数为3时横纵坐标值

故算得

则

因此查图得得到纵坐标值为0.04。

（2）利用纵坐标值求负荷率

则

（3）求汽提塔直径

（4）求传质单元高度和传质单元数

（5）汽提塔内填料高度
已知传质单元数和传质单元高度，则可求填料高度为

3.4 吸收罐物料衡算及设备工艺设计

3.4.1吸收流程计算及设计

已知从汽提塔出来氨气为，计算得氨气摩尔分数。混合气体流量，设计要求浓氨水含量大于21%。
由已知条件得所需氨水摩尔浓度为

因此，设计从汽提塔出来气体进入吸收罐进行吸收，浓缩。
计算得氨气摩尔流量为

往吸收罐通入清水，气体从吸收罐下部通入，根据已知条件得：
单位体积内达到规定浓度所需吸收时间

设吸收罐体积为,有效体积
则吸收所需时间
从通入气体到吸收进行8008min后停止通气，然后进行放液（同时打开及之相联最终产品罐阀门），放液结束后通入新清水,重复之前操作。
设设吸收罐进液流量和放液流量均为，有效体积为，

那么，加液排液共需时间。

3.4.2 吸收罐主要部分尺寸确定

（1）罐体设计
因为该吸收属于气液反应，吸收罐采用椭圆罐底，罐高径比在1～2之间，封头，封头体积：。
设，已知，且（罐体总高度为,封头高度，罐体高度，直径为）。
那么由公式，代入数据可得，查表圆整得。

（2） 壁厚计算
已知公式

查表得设计压力，（双面焊对接接头，100%检测），代入数据得

取，查表，则，故，圆整后取，选用20mm厚16MnR钢板作罐体。

（3） 封头设计
已知公式并计算得

取，查表，则，故，圆整后取，所以封头厚度也取厚度20mm16MnR钢板作罐体。

（4）附件选取
法兰：根据公称直径2000mm，工程压力0.25MPa，选平焊法兰甲型，标准号为JB4701-92,法兰材料为Q235-A。
夹套：氨气溶解为放热反应，由于通入水内为空气及氨气混合气，通入时鼓泡促进罐内热量分布均匀，罐体外夹套内通入冷水进行冷却。
排空阀：由于氨气在混合气体中摩尔分数小，氨被溶解后剩余大量空气，吸收罐顶部有排空阀，防止因通入气体使罐内压力过大。
除此之外，灌顶同时有测压接管、测温计。

4．工艺控制条件及自控设计
换 热：以C101B为备用换热器，在出口检测温度调节冷却水流量。
液体缓冲：以F102A为优先存储，根据检测PH调整碱液进入流量。
F103为备用安全保障储罐，保证上下游罐体安全。
萃 取：检测来流物料流量调节萃取液流量。
以E101B为备用。
吹 脱：由前述则为已知浓度氨溶液，则检测来流物料流量，出料量，进入空气量可计算出料浓度，通过调整空气流量保证浓度。
在塔体检测压力降，及温度通过调整空气流量保证安全。
以E103B为备用。
产品吸收：在罐体设压力温度检测调节进水流量，以F104B为备用和安全保障储罐，在F104A设液位检测若过高调整去F103B同时若发现产品不达标则全部流入F104B再回流至吹脱工艺。F105A/B/C/D为最终产品罐。

5．附表和附图
5.1 设备参数总览

5.1.1 换热设备参数一览

流程编号
名称
介质
管程数
温度(℃)
压力
流量 （m³/h）
平均 温差（℃）
热负荷（kJ/h）
传热系数 )）
传热面积（m2）
形式
进
出
计算
实际
C101A/B
冷却器
管内
废水
75
25
常压
5
21.64

2318.3
5.71
7.3
列管式
管间
地下水
15
35
常压
1.6
表5-1 换热设备工艺设计参数

5.1.2 塔设备参数一览

（1）萃取塔工艺参数
流程编号
名称
介质
操作温度
（）
塔顶压力
负荷 （m³/h）
允许空塔速度（m/s）
塔径（m）
塔板类型
板间距（m）
塔板数
塔高（m）
废液
萃取剂
计算
实际
计算
实际

E101A/B
转盘萃取塔
废水-萃取剂
25
常压
5
13

1.12
1.2
转盘
0.4
20
22
8.8
表5-2 萃取塔工艺设计参数

（2）汽提塔工艺参数
流程编号
名称
介质
操作温度
（）
压降
负荷 （m³/h）
塔径（m）

填料 类型
传质单元高度（m）
传质单元数
填料高度（m）
废液
萃取剂
E103A/B
汽提塔
废水-空气
25
常压
5
2.4
0.606
25mm 包尔环
0.385
4.52
1.74
表5-3 汽提塔工艺设计参数

5.1.3 吸收设备参数一览

流程 编号
名称
操作条件
体积流量（m³/h）
停留时间（h）
规格
介质
温度（℃）
压力
内径´高度（mm´mm）
容积 （m³）
F104A/B
吸收罐
水
25
常压
2.4
134

14
表5-4 吸收罐工艺设计参数

5.2 主要管线参数

进料类型
公称直径（mm）
外径（mm）
壁厚（mm）
管类型
废水
32
42.3
3.25
无缝钢管
萃取剂
50
60
3.5
无缝钢管
换热器冷却水
40
48
3.5
无缝钢管
空气
400
426
9
无缝钢管
表5-5 管线参数总览

5.3 控制点说明

控制点符号
代表功用
PI
压力显示
PIC
压力自控显示
TI
温度显示
TIC
温度自控显示
HI
液位显示
HIC
液位自控显示
FIC
流量自控显示
FQIC
流量累积自控显示
表5-6 控制点一览

参考文献

1.《废水工程——处理及回用》 Metcalf & Eddy,Inc． 化学工业出版社 中文版2004年6 月第一版 p40-41，p362-369，p840-854
2.《溶剂萃取手册》 汪家鼎，陈家镛 化学工业出版社
3.《吹脱法去除铜氨络合废水中氨氮实验研究》 孙长顺，金奇庭，金炎龙，郭新超 西安建筑科技大学环境及市政工程学院，西安 710055
4.《溶解态污染物物理化学分析技术》 p34-37
5.《热交换器原理及设计》 史美中，王中铮 东南大学出版社 2009年6月第四版 p286-291
6.《化工设备机械基础》 刁玉玮，王立业 大连理工大学出版社2000年6月第4版p149-167,p189
7.《化学反应工程》 刘军 北京化学工业出版社，2009年7月 p40-49
8.《小合成氨厂工艺技术及设计手册》上册 梅安华，汪寿建 化学工艺出版社 1995年4月第一版
9.《膜分离工程及典型设计实例》 于丁一，宋澄章 化学工业出版社 2005年1月第一版
10.《膜分离技术及其应用》 任建新 化学工业出版社 2003年1月第一版
11.《化工设备选择及设计》 刘道德等 中南大学出版社 2003年4月第三版 p20-24,p74-81,p169-191

附：小组分工明细及评分
小组
姓名
学号
分工
评分
组长
张博
200711234
流程设计及 换热计算
85
组员
于佳
200711223
萃取塔工艺计算及文本编辑校核
95
陈一珲
200711238
吸收设备 设计计算
85
胡迪
200711242
流程设计及 CAD制图
95
梁微
200711247
汽提塔设计计算
85

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