设计的依据和目的

本次设计主要针对钢材酸洗工段的酸洗废水的处理及回用提供工艺设计， 处理任务酸洗废水量为20吨，且含有大量的硫酸亚铁,采取冷却结晶工艺分别回收硫酸及水和硫酸亚铁的综合治理改造方案。根据硫酸亚铁的溶解度特性，以及酸洗工序的工艺特点，因此将在酸洗温度(65℃左右)条件下接近硫酸亚铁饱和状态的硫酸废液进行加酸冷冻结晶，使其达到过饱和条件而结晶析出，从而实现废硫酸母液的回收利用及副产硫酸亚铁水合沉淀物。

处理废水的技术指标

设计的主要条件及技术参数:

表1 废水水质

指标	进水	出水
硫酸含量 硫酸亚铁含量 水量	≤10% ≥25% 20吨	20-40% 5-8% 20吨

工艺方法论证

硫酸酸洗废水的方法

(1)提高废酸浓度，在低温或高温下使硫酸亚铁从废液中析出，回收的硫酸再用于酸洗。低温分离有浓缩冷冻、蒸汽喷射真空结晶(简称蒸喷真空结晶)。产品为FeSO₄.7H₂O 和再生酸。

(2) 某一物质于废液内，在一定的条件下使之与游离酸反应生成其他有用的物质后予以回收。如加入铁屑使之全部生成硫酸亚铁的铁屑法、加铁屑和苛性钠处理的氧化铁红法、加氨处理的氧化铁红——硫酸铵法(HA法)等。

(3)废液中硫酸亚铁重新变为硫酸和氧化铁(或纯铁)，以回收全部硫酸如用扩散渗析法——电解法、氯化氢置换法(鲁兹钠法)等。

工艺流程

工艺流程简介

(1)向酸洗废液中加工业硫酸，硫酸浓度由10%提高到24——25%，以提高废液的酸度和硫酸亚铁的饱和度；

(2)含硫酸浓度24—25%的废酸液加入冷却槽，自然降温冷却到30℃。以降低硫酸亚铁的溶解度；

(3)30℃的废酸液泵入结晶器中，加冷冻盐水冷却至5℃，间歇操作，继续降低硫酸亚铁的溶解度；

(4)为达到析出临界温度，废酸液被冷却到5℃，大部分硫酸亚铁呈七水硫酸亚铁结晶析出。

(5)结晶料浆流入人工卸料的三足式离心机中间歇操作，分离硫酸亚铁回收利用，此回收晶体采用人工包装，人力运输入库。

(6)母液自流入母液槽，然后泵送母液进入酸洗槽，并加入水调节硫酸浓度至25%左右，可以直接送入酸洗槽中进行酸洗，即达到回收利用作用，实现“零”排放。

物料衡算

	硫酸含量	硫酸亚铁含量
已知数据	≤10%	≥25%
选取数据	10%	25%

硫酸消耗总量(沉降池中加酸)

10%Q₁+Q₂=(Q₁+Q₂)25%    Q₁=20t/d   Q₂=4m³/d

硫酸亚铁晶体回收总量

耗水量

表3

	进水	出水	加算量
硫酸含量	10%	25%	4m³/d
	进水	出水	晶体回收量
硫酸亚铁含量	25%	6%	3.87m³/d
循环水			1.71m³/d

热量衡算

表4 已知数据

表5 选取数据

指标	进水	出水
硫酸含量	10%	25%
硫酸亚铁含量	25%	6%
水量	20t	20t
温度	65℃	5℃

冷却沉降池(废液池)

此过程为自然冷却过程,根据试验冷却时间为24h。

设沉降池的出口温度为30℃。

式中：

c1-----30%H2SO4比热，0.74kcal/kg·℃

△T---温度变化, ℃

ρ--- H₂SO₄密度,kg/l

V---废液体积

冷却结晶器

总制冷量

设进口温度为30 ℃,出口温度为5 ℃,则总体需要完成的制冷量为:

单位制冷量

设每天为4个处理周期,每个处理周期为3h,则按量完成的制冷量应为:

冷却剂(25%CaCL2盐水)

(1)设冷却剂进入结晶器的温度为-15℃,出口温度为10℃。

所需制冷剂的质量:M₂=24.244×10³  kg

(2)又因为M₂=ρ₂×V₂         

ρ₂---25%CaCL₂盐水密度     V₂---盐水体积   

所以所需的制冷剂的体积:V₂=24.244×10³/1228=19.74m³

(3)每天为4个处理周期，则每个处理周期需要的制冷剂质量为：

M₃=M₂/4=24.244/4=6.061×10³ kg

(4)每个处理周期需要的制冷剂体积为：

V₃=19.74/4=4.9m³

主体设备计算

冷却沉降池(废酸池)

设计参数

设计最大流量:Q=20m³/d

设计计算

涉及1座冷却沉降池，因有浓度和流量的变化，对比吉林气标厂的经验数据，确定自然沉降时间取24h，自然冷却至30℃。

(1)冷却沉降池的容积

表6 计算中所选取的数据

因为:10%V₁+V₂=(V₁+V₂)25%

2+V₂=(20+V₂)25%

V₂=4m³

V₁---废酸液体积20m³

V₂---需要加酸体积

总体积:V=V₁+V₂=20+4=24m³

(2)冷却沉降池的面积

设溶液水高为2m

A=V/h=24/2=12m²

(3)冷却沉降池的长,宽

在池内设折流隔墙,间距为1m，取n=4，则长L=1×4=4m，宽b =A/L=12/4=3m,则只有1个廊道L=4m

(4)结构示意图

综上所述，取整数，则V=24m³。

冷却结晶器

计算参数

设废液进入结晶釜时温度为30℃，出口温度为5℃。

设计计算

1.结晶器容积

选择结晶器，因为有换热面积，有效容积的制约，所以首要的是确定容积。

(a)总体需要完成的换热量:

则每个周期需要的换热量:q₂/4=528.47×10³ kj

(b)设每天有4个处理周期，则每个处理周期处理量为V/4=24/4=6m³,不考虑备用,选用2台容积为5000L的搪玻璃反应罐,初步选用QFK160型。

表7 各项主要数据如下

2.每小时需要的换热量

设每天为4个处理周期,每个处理周期为3h,则每小时需要的换热量应为:

3.换热面积

为便于计算,此过程可看为定态传热过程。

λ---硫酸的导热系数,0.41w.m^-1.k^-1,   δ---D₁-D₂=1750-1600=150mm

因为Ａ_ｍ<2×10³  m²,所以传热面积符合QFK160型反应罐,选择合理。

4.冷却剂

选用25%CaCL₂盐水作为冷却剂。

T_1-----冷却剂进入温度，-15℃

T₂---冷却剂流出温度，10℃

λ₂---25%CaCL₂盐水的导热系数，0.57 w.m^-1.k^-1

因为A_m<2 ×10³ m²，所以传热面积符合QFK160型反应罐,选择合理。

制冷机

作用

冷却从结晶器中流出的盐水的作用,使盐水的温度在1h内达到-15℃的条件。

选型原则

冷冻机的产量不小于冷却剂在结晶罐中所放出的热量。

单位时间内冷却剂所放出的热量q₃=41.8×10³kcal/h

查资料选用8AS17型冷冻机,其产量为440×10³kcal/h.>q₃，所以选型合适。

表8 制冷机的配套设备型号规格

配套设备型号规格	冷凝设备	LN—150
蒸发设备	LZL— 200
油分离器	YF— 125
贮氨器	ZA— 2.0
集油器	JY— 300
空气分离器	KF —32
	电动机型号	JS136-8/180
启动设备	GTZ-5301 53A

离心机

选型参数

硫酸亚铁晶体单位时间回收总量q₃=3.78t/d；总流量约为24m³/d。

选择设备

设每次料浆分三次分离，则每次分离量约为24/3=8m³，查资料，采用三足式离心机ss-Φ1250，2台。

母液池

设计参数

设计最大流量 Q=20m³/d 硫酸含量为29%

设计计算

加水将硫酸浓度调至25%

(24-3.78)×29%+V=(24-3.78+V)×25%

V=1.132m³

V_总=24-3.78+1.132=20.008m³

母液池的长,宽

长L=4m，宽b=3m,高为2m，超高0.5m，母液池面积A=12m²

结构示意图

管道计算

沉降池至泵入口管路设计

设计原则

为了防腐,均采用衬胶管道。

设计参数

(1)充满度0.6-0.8;

(2)流速u>0.4m³/h。

设计计算

所以可选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍也是DN80。

泵出口至结晶器段管路设计

所以泵出口至结晶器段管路也选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍是DN80。

结晶器至离心机段管路设计

结晶器至离心机段管路也选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍是DN80。

离心机出口至母液池段管路设计

离心机出口至母液池段管路也选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍是DN80。

母液池至泵入口管路设计

母液池至泵入口管路也选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍是DN80。

盐水管线

设计原则

为了防腐,均采钢塑复合管道。

设计参数

(1)充满度0.6-0.8;

(2)流速u>0.4m³/h

设计计算

根据试验,确定每个制冷剂的冷却周期约为3h，则每个周期每天需要的制冷剂体积为：

所以可选择DN65钢塑复合管道,弯头,管箍也是DN65。

酸洗液管线各部分水头损失

表9 阻力系数

沿程水力损失

表10 综上所述各管线的沿程水头损失

	沉降池至泵入口	泵出口至结晶器	结晶器至离心机	离心机出口至母液池	母液池 至泵入口	总水头沿程损失
沿程水头损失(m)	199.49	365.71	249.36	106.3	99.75	997.45

部水头损失

盐水管线各部分水头损失

各段的阻力系数

表11

便于计算,设流态全为层流。

冷冻机至泵入口管线沿程水头损失

局部水力损失

酸泵选型

作用

把废酸液提升吸入结晶釜，进行冷却结晶。

选择原则

用泵的介质为硫酸，故均选用耐酸，耐腐蚀泵，在此选用BK2型玻璃钢泵，其性能在初氢氟酸外的任何酸100℃以内的情况下匀耐腐蚀。

选泵参数

处理水量20t

设备选型

设允许吸上真空度为3,则扬程H₁=h+H=5.5m,总流量为24m³/h,选用2台酸水泵,型号为80FZ13-30L,材料为衬F₄,电动机功率11KW。

盐水泵选型

作用

输送提升冷却剂的泵体。

选型原则

根据总流量20m³/h,冷却剂温度在-15℃---10℃之间,H=5.5m

则：选用2台盐水泵,型号为IMD65-50-130Z,2台,材料衬F₄,电动机功率为5.5KW。

显示仪表选择

(1)仅设温度显示;

(2)各泵出口设压力表P<0.3MP,共4块；

(4)冷冻介质进口设温度测量。

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