(设计方案4)某酸洗废水处理及回用工艺设计

第一章 总论

1.1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，该工艺实现“零”排放，主要参照吉林中国一汽富奥标准件公司酸洗废水车间工艺流程，根据设计任务书的水质水量，选择合适的工艺流程。

处理任务酸洗废水量为20吨，且含有大量的硫酸亚铁。以往通过加入碱性药剂进行中和处理的方法，不仅造成了大量的酸碱物料的浪费，同时在中和过程中产生的大量亚铁沉淀物给后处理工作造成了很大的困难。

因此结合以往同类硫酸废液的治理经验，提出了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。 1.2处理废水的技术指标

1.2.1设计的主要条件及技术参数:

表1 废水水质：

指标 硫酸含量 硫酸亚铁含量 1.3酸洗废水的来源 进水 ≤10% ≥25% 出水 20-40% 5-8% 20吨 水量 20吨 钢厂的酸洗工序是将钢材侵入质量分数为20%左右的硫酸洗槽中进行酸洗。随着酸洗的进行，硫酸浓度逐渐降低，硫酸亚铁浓度不断增高，当溶液中硫酸的质量分数降至6%——8%,生成的硫酸亚铁质量浓度超过200——250g/l时，酸洗速率下降，必须更换酸洗液，排放酸洗废液。酸洗好的钢材必须用清水进行冲洗以去除表面的酸性物质，又造成了废酸水的外排。另外也可用盐酸代替硫酸，形成盐酸废水。

第二章 工艺方法论证

2.1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。 (2)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。

酸洗过程中，在钢件表面的氧化铁得到去除的同时，也使大量单质铁与硫酸反应而进入酸洗液中，这是酸洗液硫酸消耗的主要因素。当酸洗液硫酸浓度降低到10%左右时，酸洗速度就会影响到生产进度，从而需要重新调整酸洗液硫酸浓度或全部进行置换。

对于酸洗硫酸废液的处理，国内一般传统工艺一是采用焚烧法回收硫酸和氧化铁，但由于耗能较高、设备腐蚀严重等问题，以被废弃;二是采用石灰中和法进行中和处理，但由于产生大量的泥渣给后续处理造成了较大的困难(采用碳酸那种和也同样要产生大量的碳酸铁沉淀)，而且，中和处理法本身也造成了资源的浪费。 2.2工艺基本原理

根据硫酸亚铁的溶解度特性，以及酸洗工序的工艺特点，我们处理含硫酸小于10%的废液，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，加酸是使酸度增加的同时硫酸亚铁的溶解度减小；此过程在沉降池中完成，并且同时实现自然冷却，使温度接近硫酸亚铁析出所需的临界温度，因为在酸度一定的条件下，温度越低，硫酸亚铁的溶解度越小，所以要继续降低废液温度，此过程在结晶罐里完成，用冷冻盐水冷却将废液温度降低至0度左右，使其达到过饱和条件，硫酸亚铁结晶析出，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。

比较于其他的回收利用方法，加酸冷冻结晶法集浓缩冷冻法和蒸喷真空结晶法的优点于一身，它的主要优点是无需蒸发浓缩，减少蒸气耗能这一项，操作简便，但需要冷冻设备，劳动强度大。 2.3处理工艺可行性分析

在处理过程中通过加酸的方式,使得酸洗废水中的SO42 + 浓度升高,使

FeSO4 的溶解平衡向着结晶析出的方向移动,从而使Fe2 +以结晶的形式析出,达到综合利用的目的;析出FeSO4后的酸液经过处理后可回用于钢材的酸洗工艺,间接减少了新酸的消耗。其工艺原理是基于不同温度、H2SO4浓度条件下FeSO4 的溶解度(质量分数).见图1[5]

通过理论计算得出，将原废水硫酸浓度调到25%时

2.4工艺流程

硫酸 冷冻机 酸洗槽 冷却沉降池 结晶器 母液池 离心机 硫酸亚铁晶

2.5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。

第三章 物料衡算

已知数据 选取数据 硫酸含量 ≤10% 10% 硫酸亚铁含量 ≥25% 25% 3.1硫酸消耗总量(沉降池中加酸) 10%Q1+Q2=(Q1+Q2)25% Q1=20t/d Q2=4m3/d 3.2硫酸亚铁晶体回收总量

20?25%?(20?Q2?Q3)?6%?Q3

Q3?3.78m3/d

3.3耗水量 Q3?126/278?3.78?126/278?1.71m/d

3表3

硫酸含量 硫酸亚铁含量 循环水 进水 10% 进水 25% 出水 25% 出水 6% 加算量 4m3/d 晶体回收量 3.87m3/d 1.71m3/d 第四章 热量衡算

表4 已知数据:

指标 硫酸含量 硫酸亚铁含量 水量 温度 表5 选取数据:

进水 ≤10% ≥25% 20t/d 55℃-65℃ 出水 20-40% 5-8% 20t/d 指标 硫酸含量 硫酸亚铁含量 水量 温度 4.1冷却沉降池(废液池) 进水 10% 25% 20t 65℃ 出水 25% 6% 20t 5℃ 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℃。

q1?c1?M??T

?0.74???V?(65?30) ?0.74?1.83?24?35?1137.5kcal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 4.2冷却结晶器 4.2.1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:

q2?c1?M??T?0.74?1.139?103?24?25?526.785?103kcal?2201.96?103kj

4.2.2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:

q3?q2?(3?4)?2201.96?103?12?183.499?103kj/h

4.2.3冷却剂(25êCL2盐水)

(1)设冷却剂进入结晶器的温度为-15℃,出口温度为10℃。

q3?c2?M2??T183.499?103?2.89?2.3884?10?4?103?M2

所需制冷剂的质量:M2=24.244×103 kg (2)又因为M2=ρ2×V2

ρ2---25êCL2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

第五章 主体设备计算

5.1冷却沉降池(废酸池) 5.1.1作用:

用以水量,酸量调节和水质均合，主要起到对酸洗废液进行加酸调节浓度的作用，并对较大的颗粒物有自然沉降的作用，减轻水质水量变化对后续反应构筑物的冲击。 5.1.2设计原则

(1)冷却沉降池的容积可根据废水的浓度和流量变化规律与要求调节均匀程度来计算。

(2)在计算冷却池时，要按最不利的情况，即浓度和流量在高峰时的区间来计算。

(3)调节时间越长，废水水质越均匀，要根据当地具体情况和处理要求选择合适的冷却沉降时间。 5.1.3设计参数

设计最大流量:Q=20m3/d 5.1.4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

进水 出水 硫酸含量 10% 25%

因为:10%V1+V2=(V1+V2)25% 2+V2=(20+V2)25% V32=4m

V1---废酸液体积20m3 V2---需要加酸体积 总体积:V=V1+V32=20+4=24m (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=A/L=12/4=3m,则只有1个廊道L=4m (4)结构示意图

L=1×4=4m，b 宽

综上所述，取整数，则V=24m3。 5.2冷却结晶器 5.2.1作用

通过夹层中盐水的冷却作用，使搅拌釜内的废酸液冷却至5℃左右，设有搅拌器使釜内液体充分搅拌各处温度匀一，FeSO4.7H2O析出。 5.2.2设计原则

(1)设夹套内各处温度相同,釜内液体充分搅拌各处温度均一； (2)此反应为简单的非定态传热过程； (3)换热量不小于所需制冷量；

(4)釜的有效容积不小于每个周期处理量； (5)计算时按最不利的情况来计算,即温差最大是。 5.2.3计算参数

设废液进入结晶釜时温度为30℃，出口温度为5℃。 5.2.4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:(见3.2.1)

q2?c1?M??Tq2?0.74?1.139?103?24?25q2?505.716?103kcal?2113.89?103kj

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：

型号 公称容积 设计压力 (L) 罐体 夹套 (MPa) (MPa) QFK160 5000 0.2 0.4 换热面积 (m2) 13 罐体内加套内径 径 (mm) (mm) 1600 17500 入孔尺寸 (mm) 300×400 减速机轴封 2.每小时需要的换热量(见3.2.2)

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:

q3?q2502.716?103??41.8?103kcal/h 3?4123.换热面积

为便于计算,此过程可看为定态传热过程。

q3??1?Am?Am?q3?t1?t2??1(t1?t2)41.8?4.18?0.15?103Am?0.38??30?5?26.208?103Am??2.76?103m20.38?25

λ---硫酸的导热系数,0.41w.m-1.k-1, δ---D1-D2=1750-1600=150mm 因为Ａｍ<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25êCL2盐水作为冷却剂。

?T1?T2q3??2?Am??q3??Am??2?(T1?T2)41.8?4.18?0.15?103Am??1.39?103m20.57?25T1-----冷却剂进入温度，-15℃ T2---冷却剂流出温度，10℃

λ2---25êCL2盐水的导热系数，0.57 w.m-1.k-1

因为Am<2 ×103 m2，所以传热面积符合QFK160型反应罐,选择合理。 5.3制冷机 5.3.1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。 5.3.2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(计算见3.2.2)。 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如下表：

冷凝设备 蒸发设备 配套设备型号规格 油分离器 贮氨器 集油器 空气分离器 电动机型号 启动设备 LN—150 LZL— 200 YF— 125 ZA— 2.0 JY— 300 KF —32 JS136-8/180 GTZ-5301 53A 5.4离心机 5.4.1作用

用来分离从冷却结晶罐中流出的料浆，即硫酸亚铁晶体和母液，其结晶物由人工出料，人工包装。 5.4.2选型原则

(1)能够分离的固体量不小于硫酸亚铁晶体的回收量; (2)本着功率合适的原则; (3)省时,省电。 5.4.3选型参数

硫酸亚铁晶体单位时间回收总量q3=3.78t/d(详见2.2计算)； 总流量约为24m3/d。 5.4.4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。 5.5母液池 5.5.1作用

储存从离心机分离后的含硫酸水溶液，加水调节是存量为20m3。 5.5.2设计原则

(1)池容积根据废水的浓度和流量变化规律与要求调节均匀程度来计算。 (2)在计算储量池时，要按最不利的情况，即浓度和流量在高峰时的区间来计算。

5.5.3设计参数

设计最大流量 Q=20m3/d 硫酸含量为29% 5.5.4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

第六章 管道计算

6.1沉降池至泵入口管路设计 6.1.1设计原则

为了防腐,均采用衬胶管道。 6.1.2设计参数

(1)充满度0.6-0.8; (2)流速u>0.4m3/h。 6.1.3设计计算

取u=1.5m/s, Q=u.A A???d2

d?4Q4?24??0.075m u??1.5?3.14?360014所以可选择DN80钢塑复合管道,弯头,管箍也是DN80。

6.2 泵出口至结晶器段管路设计

同理, 取u=1.5m/s, Q=u.A A???d2

d?4Q4?24??0.075m u??1.5?3.14?360014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。

6.3结晶器至离心机段管路设计

同理取u=1.5m/s, Q=u.A A???d2

d?4Q4?24??0.075m u??1.5?3.14?360014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。 6.4离心机出口至母液池段管路设计

同理, 取u=1.5m/s, Q=u.A A???d2

d?4Q4?24??0.075m u??1.5?3.14?360014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。

6.5母液池至泵入口管路设计

同理, 取u=1.5m/s, Q=u.A A???d2

d?4Q4?24??0.075m u??1.5?3.14?360014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。 6.6盐水管线 6.6.1设计原则

为了防腐,均采钢塑复合管道。 6.6.2设计参数

(1)充满度0.6-0.8; (2)流速u>0.4m3/h

6.6.3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：

V3?V219.74??4.9m344

V14.9A????d?2u??3??1.63m/hQ??A??u? 4t3

d?4Q4?20??0.06489mu??1.63?3.14?3600

所以可选择DN65钢塑复合管道,弯头,管箍也是DN65。 6.7酸洗液管线各部分水头损失

表9 阻力系数如下表:

名称 沉降池至泵入口 泵出口至结晶器 结晶器至离心机 L(m) 入口 出口 闸阀 12 22 6 1 1 0.5 1 弯头 三通 λ 9.086 9.086 0.5 0.17×1 0.75×1 0.5 0.17×2 0.75×2 0.5×2 0.17×2 0.75×5 1×1 9.086 离心机出口至母液池 15 母液池至泵入口 6.7.1沿程水力损失 5 0.5 1 1 ?d20.17×2 0.75×6 1×1 9.086 9.086 0.5 0.17×2 0.75×2 3.14?0.0752??0.0044m2 便于计算按层流算, A?44u=Q/A=

24?3600?1.64m/s

0.0044λ=64/R=64μ/ρud=23×64×Q/1831dA =9.086

hf1?l1u212?1.642??9.086??199.49m d?2g0.075?2?9.8l2u222?1.642??9.086??365.71m d?2g0.075?2?9.8hf2?hf3?l3u25?1.642??9.086??249.36m d?2g0.075?2?9.8hf4?hf5?l4u215?1.642??9.086??106.323m d?2g0.075?2?9.8l5u26?1.642??9.086??99.75m d?2g0.075?2?9.8hf?hf1?hf2?hf3?hf4?hf5l3u2l5u2l1u2l2u2l4u2hf??????????d?2g2dg2dg2dg2dgu2?l1?l2?l3?l4?l5?hf????2g?d?1.64212?22?5?15?6hf?9.086???997.45m2?9.80.075表10 综上所述各管线的沿程水头损失如下表:

沉降池至泵入口 泵出口至结晶器 365.71 结晶器至离心机出口母液池 总水头沿离心机 249.36 至母液池 至泵入口 106.3 程损失 沿程水头损失(m) 199.49 99.75 997.45 6.7.2部水头损失 u21.642hm1??1??1?0.5?0.171?1?0.75??0.15109m2g2?9.8u21.642hm2??2??1?0.5?0.171?3?0.75?5?1?1??0.42207m2g2?9.8u21.642hm3??3??1?0.5?0.171?2?0.75?2?0.5?2??0.27094m

2g2?9.8hm4u21.642??4??1?0.5?0.75?6?1?1??0.43687m

2g2?9.8u21.642hm5??5??1?0.5?0.75?2?0.17?1??0.19784m2g2?9.8hm?hm1?hm2?hm3?hm4?hm5hm?0.15109?0.42207?0.27094?0.43687?0.19784hm?1.4036

6.8盐水管线各部分水头损失 6.8.1各段的阻力系数

表11

名称 蒸发器至泵入口 L(m) 入口 出口 闸阀 5 10 弯头 三通 λ 型号 1 0.5 0.17×3 0.75×3 1×1 1.197 DN65 0.17×4 0.75×1 0.7364 DN40 1 0.17×5 0.7364 DN40 0.75×7 1.197 DN65 泵出口至结晶器入口 3 0.5 1 0.17×2 0.75×8 1.197 DN65 结晶器出口 至蒸发器入口 10 1 30 便于计算,设流态全为层流。 ?1?646464?2.5?64????1.1974Re?du?du1228?u?0.065DN65：

u1??QQ20/3600???1.675m/sA121?d?3.14?0.065244

?2?646464?2.5?64????0.7364?duRe?du1228?u?4.423DN40：

?QQ20/3600u2????4.423m/s11A?d2?3.14?0.04244

6.8.2.冷冻机至泵入口管线沿程水头损失

l1u251.6752hf1??11?1.197???13.18md12g0.0652?9.8

同理:泵出口至结晶器入口沿程水头损失为:

hf2l1u231.6752??2?1.197???7..908md22g0.0652?9.8

l1u244.4232?0.7346???18..375md212g0.042?9.8

22hf21??121同理:结晶器出口至冷冻机入口沿程水力损失为:

hf3l3u3301.6752??3?1.197???79.08md32g0.0652?9.8

l1u2104.4232?0.7346???18.375md312g0.042?9.8

hf31??131总的沿程水力损失为:

hf?hf1?hf2?hf21?hf3?hf31hf?13.18?7.908?18.375?79.08?18.375?136.918m

6.8.3局部水力损失

hm1u21.6752???(1.5?0.17?3?0.75?3?1)?0.7557m 2g2?9.8同理: hm2hm3hm4u21.6752???(1.5?0.17?2?0.75?8?1)?1.122m 2g2?9.8u24.4232???(0.17?3?0.75)?1.178m 2g2?9.8u24.4232???(2?0.17?5?0.75?7)?8.074m 2g2?9.8综上所述,总的局部水头损失为: hm=0.7557+1.122+1.178+8.074=11.13m 6.9酸泵选型 6.9.1作用

把废酸液提升吸入结晶釜，进行冷却结晶。 6.9.2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。 6.9.3选泵参数

处理水量20t 6.9.4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。 6.10盐水泵选型 6.10.1作用

输送提升冷却剂的泵体。 6.10.2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。

6.11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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