負(fù)壓蒸發(fā)冷凝法廢酸處理設(shè)計(jì)及運(yùn)行

1、負(fù)壓蒸發(fā)冷凝法廢酸處理設(shè)計(jì)及運(yùn)行周安林1，2楊金祥1，2劉振球1，2(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，西安7100182.超導(dǎo)材料制備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018)摘要:提出了基于含銅硝酸和含鈦硝酸氫氟酸廢酸處理的負(fù)壓蒸發(fā)冷凝方法。負(fù)壓蒸發(fā)冷凝廢酸處理包含真空、加熱－蒸發(fā)、冷凝等多個(gè)單元系統(tǒng)。首先對(duì)蒸發(fā)單元中蒸發(fā)熱和換熱面積，冷凝單元中冷卻水量、換熱面積、冷卻水管道管徑、換熱管參數(shù)和冷凝器筒體直徑，導(dǎo)熱油加熱單元中導(dǎo)熱油流量和導(dǎo)熱

2、油管道管徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。分析討論了加熱－蒸發(fā)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)等單元系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)，其中蒸發(fā)缶和冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵闡釋了系統(tǒng)控制連鎖關(guān)系及位能布局等影響負(fù)壓蒸發(fā)運(yùn)行的關(guān)鍵方面最后對(duì)工程運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了討論分析。關(guān)鍵詞:負(fù)壓蒸發(fā)冷凝位能DESIGNOPEＲATIONOFTＲEATINGWASTEACIDSBYMETHODOFSUCTIONEVAPOＲATIONCONDENSATIONZhouAnli

3、n1，2YangJinxiang1，2LiuZhenqiu1，2(1.WesternSuperconductingTechnologiesCo，Ltd，Xian710018，China2.NationalEngineeringLabatyfsuperconductingmaterials，Xian710018，China)Abstract:Themethodofnegativepressureevapationcondensationf

4、wasteacidtreatmentwaspresentedSystemconsistsofseveralunitssuchasvacuum，heatingevapation，condensationetcThekeyparametersweredesignedsuchasevapationheatheatexchangeareaofheatingevapationunit，heattransferareacondenserparame

5、tersofcondensationunitTheprinciplestructureofdeviceswereanalyzedStructuredesignofevapationtankcondensersystemiscriticalSystemcontrollinkagepotentialdistributionwereexplainedTheoperationresultswerediscussedatlastKeywds:ne

6、gativepressureevapationcondensationpotentialenergy命、提高安全性和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，是一種新型、環(huán)保、安全的廢酸處理方法，對(duì)于技術(shù)經(jīng)濟(jì)、資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義通過(guò)對(duì)工藝和設(shè)備的研究，研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于同行業(yè)也具有積極的推廣性和可遷移性。因此進(jìn)行負(fù)壓蒸發(fā)廢酸處理技術(shù)研究具有重要意義。超導(dǎo)材料組元無(wú)氧銅和鈮鈦表面清洗后會(huì)產(chǎn)生含銅硝酸和含鈦硝酸氫氟酸廢酸液。廢酸中的酸

7、度、銅離子、氟離子對(duì)環(huán)境都有較大的危害性，必須進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)排放。傳統(tǒng)的廢酸處理方法主要是中和沉淀法。中和沉淀法不僅需要一套設(shè)備裝置，包含廢酸稀釋、加堿攪拌、中和終點(diǎn)控制、過(guò)濾及壓濾等專(zhuān)用設(shè)備系統(tǒng)同時(shí)加堿過(guò)程中存在發(fā)熱、噴濺和產(chǎn)生大量腐蝕性酸霧情況，存在較大的設(shè)備和操作安全性而且壓濾產(chǎn)生氫氧化銅和氟化鈣等廢棄物，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用和廢酸處理的環(huán)保經(jīng)濟(jì)。負(fù)壓蒸發(fā)是通過(guò)對(duì)廢酸進(jìn)行加熱，在負(fù)壓條件下實(shí)現(xiàn)廢酸的蒸發(fā)，在冷凝條件下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)酸氣

8、的凝結(jié)再生，產(chǎn)生的終產(chǎn)物硫酸銅是重要的化工副產(chǎn)品能得到再利用。負(fù)壓蒸發(fā)具有節(jié)約能源、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽負(fù)壓蒸發(fā)原理及工藝設(shè)計(jì)工藝原理含銅硝酸廢酸或含鈦硝酸氫氟酸廢酸中按比例配11.1入濃硫酸，加濃硫酸的目的是通過(guò)和銅離子的結(jié)合，產(chǎn)生硫酸銅副產(chǎn)品采用導(dǎo)熱油電加熱機(jī)組對(duì)廢酸進(jìn)行加熱使廢酸達(dá)到蒸發(fā)條件從而使廢酸中硝酸或氫氟酸等和水揮發(fā)成氣體采用真空機(jī)組使系統(tǒng)內(nèi)建立負(fù)壓條件，降低蒸發(fā)溫度，加強(qiáng)蒸發(fā)動(dòng)力，提高冷凝效率，降低能源消耗采用冷凝機(jī)組對(duì)蒸發(fā)出

9、的酸氣冷卻凝結(jié)，形成硝酸或氫氟酸再生酸，從而得到回收使用。根據(jù)硝酸、氫氟酸、水等介質(zhì)的沸點(diǎn)以及金屬鹽的溶解度規(guī)國(guó)家863專(zhuān)項(xiàng)(2007AA03Z205)國(guó)家973項(xiàng)目(2008CB717903)環(huán)境工程2014年第32卷增刊3160.073m2需冷凝管根數(shù)n=99.40.073=1362根統(tǒng)的真空度，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定到要求范圍，其中極限真空為－0.098Mpa。其原理是工作流體經(jīng)噴嘴形成高速射流，高速射流卷帶被引射流體并在混合室進(jìn)行動(dòng)量交

10、換，流體經(jīng)擴(kuò)壓室將速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。抽氣能力為通過(guò)量≤600m3h，抽氣量600m3h(可用ＲPP－360雙泵并聯(lián)設(shè)計(jì)并考慮容積變化，用增加高度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn))。為保證耐蝕，機(jī)組主體材質(zhì)為聚丙烯。機(jī)組設(shè)置能及時(shí)補(bǔ)水的裝置，以保證排氣量和真空度真空抽氣系統(tǒng)密封性能要好，與負(fù)壓罐頂部的抽氣口法蘭要密封連接在廢酸回用系統(tǒng)其他設(shè)備氣密性好的條件下，保證系統(tǒng)負(fù)壓值并穩(wěn)定。水噴射真空泵應(yīng)有排氣孔，并有與排氣接管相連接的法蘭。2流通面積s10.022

11、m25)冷凝器筒體直徑=3.140.004513624=換熱管直徑6mm，管間距15mm，換熱管根數(shù)1362，需要筒體直徑600mm。1.4導(dǎo)熱油工藝設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算導(dǎo)熱油牌號(hào)YD－325，該導(dǎo)熱油在150℃下的熱力學(xué)物化性能參數(shù)為:密度0.929gcm3，比熱0.53kcal(kg℃)。當(dāng)導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)蒸發(fā)釜換熱后的溫差ΔT=5℃時(shí):1)導(dǎo)熱油流量計(jì)算加熱－蒸發(fā)系統(tǒng)加熱－蒸發(fā)系統(tǒng)是由蒸發(fā)釜、導(dǎo)熱油電加熱機(jī)組及其管路閥系等組成。蒸發(fā)器是采

12、用強(qiáng)制式外循環(huán)加熱方式，蒸發(fā)強(qiáng)度大、熱效率高。蒸發(fā)缶是負(fù)壓蒸發(fā)的場(chǎng)所，蒸發(fā)濃縮特定酸液，濃縮后的液體排入底部結(jié)晶槽，蒸汽通過(guò)上口送入冷凝器冷凝。蒸發(fā)缶結(jié)構(gòu)形式為立式，有效容積為2m3，2.2K=200kcal(m2h℃)，Q=ρqcΔtQq=ρcΔt221637.5cal=929kgm30.53kcal(kg℃)5℃=90m32)導(dǎo)熱油管道管徑計(jì)算導(dǎo)熱油流量q=90m3h，流速v=1.5ms，q=πd2v得d=0.1457m=40mm，

13、取管徑為DN150，3充裝量1.5m，為蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽預(yù)留寬闊的氣體空間。加熱熱源為高溫導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油入口油溫設(shè)計(jì)150℃，壓力為常壓。蒸發(fā)釜結(jié)構(gòu)為鋼內(nèi)襯四氟塑料，材質(zhì)為16MnＲ鋼內(nèi)襯F40鋼殼體焊縫20%X射線探傷，所有焊縫100%PT檢測(cè)，以保證鋼體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密閉性F40襯層厚度≥2.5mm，設(shè)計(jì)承受負(fù)壓－0.1MPa，設(shè)142換熱器管道面積=0.001766m2蒸發(fā)釜換熱器管流通面積:0.00824=0.009m22負(fù)壓蒸發(fā)

14、工程設(shè)計(jì)S2=3.140.0754計(jì)耐溫溫度≥180℃，這靠?jī)?nèi)襯F的材料性能去實(shí)40S=1803.14現(xiàn)。釜頂設(shè)安全閥，事故斷電等異常導(dǎo)致壓力過(guò)高時(shí)，安全閥應(yīng)自動(dòng)打開(kāi)局部應(yīng)力考慮管道溫差應(yīng)力且接管與殼體采用全焊透，接管可采用補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)內(nèi)置換負(fù)壓蒸發(fā)的組成核心是加熱－蒸發(fā)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、結(jié)晶系統(tǒng)。熱器≥20m2F4(或F)盤(pán)管，換熱面積必須保證反應(yīng)46釜的技術(shù)性能圖2為蒸發(fā)缶內(nèi)導(dǎo)熱油管結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)釜上部酸氣出口裝有與冷凝器酸氣進(jìn)口

15、相連接的四氟軟管(包括兩個(gè)連接法蘭)以實(shí)現(xiàn)壓力的平衡進(jìn)入蒸發(fā)釜的導(dǎo)熱油管管徑設(shè)為DN65，必須保證換熱管管束通流量與電加熱的導(dǎo)熱油管道相匹配。釜側(cè)面設(shè)有內(nèi)襯F40翻板液位計(jì)(長(zhǎng)度0.5m)，顯示釜內(nèi)液面，蒸發(fā)缶液位高度維持在一定的高度范圍內(nèi)最低液位限制防止干燒導(dǎo)致設(shè)備事故最高液位限制以防酸液流入冷凝器造成事故，同時(shí)保證足夠的蒸發(fā)空間，從而實(shí)現(xiàn)廢酸的持續(xù)蒸發(fā)。導(dǎo)熱油電加熱機(jī)組是將導(dǎo)熱油加熱至150℃后輸送至蒸發(fā)釜的內(nèi)部盤(pán)管，從而對(duì)蒸發(fā)釜中

16、的溶液進(jìn)行熱傳遞。導(dǎo)熱油加熱可以在較低的壓力下獲得較高的真空系統(tǒng)廢酸溶液沸點(diǎn)及濃度隨著系統(tǒng)真空度的變化而變化。真空度過(guò)高，廢酸沸點(diǎn)降低易于蒸發(fā)，但是對(duì)設(shè)備的密封性能提出較高的要求，尤其對(duì)設(shè)備內(nèi)襯四氟防腐層與鋼質(zhì)容器的結(jié)合性提出了更高要求真空度過(guò)低，介質(zhì)沸點(diǎn)升高，實(shí)現(xiàn)回收需要提供更多的熱量，而且高溫下酸液的腐蝕性大大加強(qiáng)，對(duì)設(shè)備的防腐和耐高溫能力要求更高，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期安全使用。通過(guò)實(shí)踐，認(rèn)為在系統(tǒng)內(nèi)有蒸發(fā)介質(zhì)的條件下真空度維持在－0.