年產15萬噸重鉻酸鈉焙燒段的工藝設計.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除年產15萬噸重鉻酸鈉焙燒段的工藝設計巢玉琳（指導老師：魏先紅）（湖北師范學院 化學化工學院 黃石435002）1.設計任務書1.1設計內容1.1.1重鉻酸鈉生產的工藝設計1.1.2換熱器的設計1.1.3設計規(guī)模1）年產：1.5萬噸/年2）年生產日：300天3）日生產能力：1.5/300=50噸/天1. 2設計依據(jù)該設計說明書是依據(jù)湖北振華集團有限公司的生產技術及工藝資料的基礎上，并結合設計任務書的內容年產1.5萬噸重鉻酸鈉的技術要求。1.3產品及規(guī)格 原料: 鉻鐵礦 產品：重鉻酸鈉規(guī)格：產品質量標準執(zhí)行中華人民共和國工業(yè)重鉻酸鈉標準（GB / T 1611-2014）一等品規(guī)格，重鉻酸鈉質量符合下表要求。表1 重鉻酸鈉質量指標表 化學性質 國家標準 內控標準含量(Na2Cr2O72H2O)%98.398.5硫酸鹽(SO42-)%0.300.20氯化物(Cl-)%0.100.051.4重鉻酸鈉的性質及基本用途1.4.1重鉻酸鈉組成 重鉻酸鈉又名紅帆鈉（英文名：sodium dichromate），化學式：Na2Cr2O72H2O，相對分子質量297.99。經流行病學調查表明，對人有潛在致癌危險性，有腐蝕性。 CAS號：7789-12-0；10588-01-9； 沸點()：400（無水）； 分子式：Cr2H4Na2O9； 熔點()：357（無水）； 分子量：298； 相對密度（水=1）：2.35； EINECS號：234-190-3； 分子式：Na2Cr2O72H2O；Mol文件：7789-12-0.mol； 溶解性：溶于水，不溶于醇。1 重鉻酸鈉結構式1 重鉻酸鈉化工詞典1.4.2硫酸的物理性質 1）紅色至桔紅色結晶，略有吸濕性。易溶于水，不溶于乙醇，水溶液呈酸性。 2）100時失去結晶水，約400時開始分解。1%水溶液的pH為4，10%水溶液的pH為3.5。 3）相對密度2.348。熔點356.7（無水品）。有強氧化性，與有機物摩擦或撞擊能引起燃燒。 4）中等毒，半數(shù)致死量（大鼠，經口）50mg/kg（無水品）。1.4.3 重鉻酸鈉的化學性質 1）穩(wěn)定性1.易潮解，粉化。為強氧化劑。與有機物接觸摩擦、撞擊能引起燃燒。有腐蝕性。容易被還原成三價鉻。 2.穩(wěn)定性：穩(wěn)定。3.禁配物： 強還原劑、醇類、水、活性金屬粉末、硫、磷、強酸。4.避免接觸的條件：潮濕空氣。5.聚合危害：不聚合。 2）重鉻酸鈉毒理學數(shù)據(jù)1.急性毒性 LD50：50mg/kg（大鼠經口）2.刺激性 暫無資料3.致突變性 微生物致突變：鼠傷寒沙門菌50g/皿。DNA損傷：大鼠肝10mol/L。姐妹染色單體交換：倉鼠肺140g/L。4.致癌性 IARC致癌性評論：組1，對人類是致癌物。5.其他：大鼠腹腔注射最低中毒劑量（TDLo）：20mg/kg（染毒8周，雄性），影響精子生成。 3）重鉻酸鈉生態(tài)學數(shù)據(jù)LC50：18133mg/L（96h）（魚）。IC50：0.58mg/L（72h）（藻類）。1.4.4重鉻酸鈉的用途2 重鉻酸鈉的用途十分廣泛。主要用于制造鉻黃顏料，鉻酸酐及其他鉻鹽。也用于金屬的浸漬和蝕刻，電鍍，毛織物染色時的媒染、鞣革等。在印染工業(yè)中，用于苯胺染料染色時作氧化劑，硫化還原染料染色時作后處理劑，酸性媒介染料染色時作媒染劑。醫(yī)藥工業(yè)用于生產胺苯砜，苯佐卡因、葉酸、雷佛奴爾等。電鍍工業(yè)用于鍍鋅后鈍化處理、增加光亮度。也用于金屬表面處理。用于生產堿性湖藍染料、糖精、合成樟腦、合成纖維、合成香料。2 作用與用途化工詞典 1.4.5 注意事項3 1）危險性概述 健康危害：急性中毒：吸入后可引起急性呼吸道刺激癥狀、鼻出血、聲音嘶啞、鼻粘膜萎縮，有時出現(xiàn)哮喘和紫紺。重者可發(fā)生化學性肺炎?？诜纱碳ず透g消化道，引起惡心、嘔吐、腹痛、血便等；重者出現(xiàn)呼吸困難、紫紺、休克、肝損害及急性腎功能衰竭等。慢性影響：有接觸性皮炎、鉻潰瘍、鼻炎、鼻中隔穿孔及呼吸道炎癥等。燃爆危險：該品助燃，為致癌物，具強腐蝕性、刺激性，可致人體灼傷。3 重鉻酸鈉MSDS 2）急救措施皮膚接觸：脫去污染的衣著，用肥皂水和清水徹底沖洗皮膚。眼睛接觸：提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗。就醫(yī)。吸入：迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸，及時就醫(yī)。食入：用水漱口，用清水或 1%硫代硫酸鈉溶液洗胃。給飲牛奶或蛋清，及時就醫(yī)。3）消防措施 危險特性：強氧化劑。遇強酸或高溫時能釋出氧氣，促使有機物燃燒。與硝酸鹽、氯酸鹽接觸劇烈反應。有水時與硫化鈉混合能引起自燃。與有機物、還原劑、易燃物如硫、磷等接觸或混合時有引起燃燒爆炸的危險。具有較強的腐蝕性。有害燃燒產物：可能產生有害的毒性煙霧。滅火方法：采用霧狀水、砂土滅火。 4）泄漏應急處理 應急處理：隔離泄漏污染區(qū)，限制出入。建議應急處理人員戴防塵面具（全面罩），穿防毒服。勿使泄漏物與有機物、還原劑、易燃物接觸。小量泄漏：用潔凈的鏟子收集于干燥、潔凈、有蓋的容器中。大量泄漏：收集回收或運至廢物處理場所處置。5）操作處置與儲存 操作注意事項：密閉操作，加強通風。操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規(guī)程。建議操作人員佩戴頭罩型電動送風過濾式防塵呼吸器，穿聚乙烯防毒服，戴橡膠手套。遠離火種、熱源，工作場所嚴禁吸煙。避免產生粉塵。避免與還原劑、醇類接觸。搬運時要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞。配備相應品種和數(shù)量的消防器材及泄漏應急處理設備。倒空的容器可能殘留有害物。儲存注意事項：儲存于陰涼、干燥、通風良好的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不超過35，相對濕度不超過75%。包裝密封。應與還原劑、醇類等分開存放，切忌混儲。儲區(qū)應備有合適的材料收容泄漏物。1.5生產路線的選擇 重鉻酸鈉的生產主要包括鉻酸鈉制造和鉻酸鈉轉化成重鉻酸鈉兩個工序。鉻酸鈉轉化目前工業(yè)上主要采用硫酸法。正在開發(fā)的有電解法。 硫酸法將鉻鐵礦粉碎至200目，與純堿(一般用量為理論量的90%93%)、自云石粉、石灰石粉和礦渣按一定配比混合后送入轉窯，在11001150進行氧化焙燒152 h，使三氧化二鉻轉化為鉻酸鈉。燒成的熟料經冷卻粉碎后，用稀溶液和水在浸取器中多級逆流浸取、抽濾，得到3540B的鉻酸鈉溶液。將PH調至78，使鋁酸鈉水解成氫氧化鋁沉淀，經過濾后除去。中性濾液蒸發(fā)至48B后，加入濃硫酸酸化，使鉻酸鈉轉化為重鉻酸鈉。經兩次蒸發(fā)，使硫酸鈉完全除去，再經澄清以除去全部不溶性雜質。把澄清液冷卻至3040進行結晶，經離心分離，制得重鉻酸鈉成品。母液返回中和或用于制造其他鉻鹽產品。其4(FeOCr2O3) + 8Na2CO3 + 7O2 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO22Na2CrO4 + H2SO4 Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O2.工藝部分2.1工藝崗位操作2.1.1工藝流程說明 鉻礦 粉碎 與Na2CO3混勻 空氣高溫 Cr6+固態(tài)物（Na2CrO4） 生料在回轉窯內進行高溫1100-1200堿性焙燒，生產品為含鉻酸鈉的熟料。副產品為尾氣帶出的回收料，由于進密生料的潤濕，回收料量可明顯降低，回收料視含硅量的變化直接或經處理夠經計算與生料一起進入窯內循環(huán)使用。 沒有生成六價鉻的平行反應，無鈣焙燒時，鉻鐵礦中的Fe幾乎全部同鎂反應，鎂除了生成鐵酸鎂和鋁酸鎂鈉之外，其余以游離MgO形態(tài)存在。2.1.2工藝原理主反應： 2Cr2O3+4Na2CO3+3O2 4Na2CrO4+4CO2副反應：Al2O3 + Na2CO3 2NaAlO2 + CO2 Fe2O3 + Na2CO3 2NaFeO2 + CO2 SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 Na2SiO3 + 2NaAlO2 + MgO + 2SiO2 Na4MgAl2Si3O122.1.2.1工藝流程說明 1）焙燒工藝物料:礦粉，渣粉，工業(yè)堿。反應窯冷卻窯均為傾斜窯體。其中:物料在反應窯內煅燒后進冷卻窯冷卻時間為自然冷卻。冷卻后的生料進槽車后加黃綠色的工業(yè)水將鋼球狀的生料中的含鉻物質浸泡入水中，過濾回收含鉻產品的水送入其他車間加工成產品。注:1. 物料進反應窯內煅燒分為四個部分:預熱、分解、高溫、冷卻。2. 設備剛開始工作時，投入煤粉后需加紫火將其點燃。此時窯體不轉動，待煤燃燒產生的熱量使窯體內也開始翻動反應。3. 煤粉通入風機吹出的風將其吹入窯體內燃燒，其中窯體內的溫度也是由煤粉進窯內燃燒的量(風機轉動頻率)控制的。若預熱段溫度比冷卻段高，則應將風機頻率減小使工序正常運行。4. 反應窯內物料經煅燒后生成的鋼球狀生料經冷卻窯自然冷卻后進入槽車內，往車內加入黃綠色的工業(yè)水(槽車底部有一方形的沙桶)，經水浸泡后過濾將含鉻產品的水加以回收送至其他車間，加工成產品。2）無鈣焙燒工藝 鉻鐵礦同純堿，返渣計量后，連同回收的窯灰在一起在混料機內混合。生料送回轉窯焙燒。熟料趁熱水萃取浸取，或冷卻后濕磨浸取。漿液用旋流器分為粗漿和細漿。粗，細漿分別過濾洗滌。粗渣經烘干后，返回配料；細渣經解毒后排放，粗細漿的濾液(堿性液)合并后進行中和以沉淀氫氧化鋁，經過過濾，洗滌，排出鋁泥；中性液送后工段。無鈣焙燒后工段流程與有鈣焙燒基本相同，不同之處是無鈣焙燒需脫釩。3）窯頭及窯尾尾氣處理路線 物料在旋窯內煅燒反應，因為該窯體為副窯，所以反應產生的尾氣及空氣由旋窯窯尾向外排出。此外，由風機吹出的風也會將附著在尾氣中的原料細小顆粒一同吹向窯尾排出。排出旋窯尾氣(附著原料)經過沉降室由于重力因素，原粒顆粒會沉降下來，經過初步處理的尾氣通過余熱鍋爐回收熱量。尾氣再次經過布袋除塵器(原理:布袋除塵器是基于過濾原理的過濾式除塵器，利用有機纖維或無機過濾布將氣體中的粉塵過濾出來，重力沉降作用，熱運動作用，慣性力作用，篩濾作用。)進一步除塵，處理好的尾氣經過風機吹出排氣筒外。2.2物料衡算2.3熱量衡算3 典型設備換熱器的選擇與設計3.1設計條件選型說明：光管浮頭式換熱器塔頂流體流量為7115kg/h入口溫度為：60出口溫度為：40冷卻水入口溫度為：33冷卻水出口溫度為：403.2 計算3.2.1 基本數(shù)據(jù) 表2 介質物性表溫度/導熱系數(shù)/W/(mK)比熱容/J/(KgK)粘度/Pas密度/（Kg/m3）垢阻/(m2K/W)熱流入口630.273829464.01910-47650.000172出口400.268828585.63110-4785冷流入口330.630641817.59310-49930.000344出口400.634441776.63210-49901）流體定性溫度當流體處于過渡及湍流區(qū)(Re2100時)： tD=0.4th+0.6tc （1 - 1）當流體處于層流區(qū)(Re2100時)： tD=0.5(th+tc) （1 - 2）式中 tD 流體定性溫度， th 熱端流體溫度， tc 冷端流體溫度，2）對數(shù)平均溫差tm純逆流或并流時： tm= （2 - 1）錯流和折流時： tm= （2 - 2）令P=，R=。當|R-1|10-3時， Pn= （2 - 3） m= （2 - 4）當|R-1|10-3時， Pn= （2 - 5） m= （2 - 6）3）總傳熱系數(shù) 表示一臺換熱器的傳熱能力，在數(shù)值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率，即項熱阻和的倒數(shù)。 光管換熱器： （3 - 1）式中 di、do 傳熱管內徑、外徑，m； hi 管內流體膜傳熱系數(shù)，W/(m2K)； ho 管外流體摸傳熱系數(shù)，W/(m2K)； ro 殼側流體的污垢熱阻，m2K/W； ri 管側流體的污垢熱阻，m2K/W； ts 內管壁厚，m； w 管壁金屬的導熱系數(shù)，W/(mK)。4）光管管內膜傳熱系數(shù) 對于以光管外表面積為基準的管內膜傳熱系數(shù)，可用下式計算： （4 - 1）式中 hio 以管外表面積為基準的管內膜傳熱系數(shù)W/(m2K)； JHi 管內傳熱因子，無因次； do 管外徑，m； i 管內介質導熱系數(shù)，W/(mK)； i 管程壁溫校正系數(shù)，i=(i/w)0.14，無因次； w 壁溫下的流體粘度，Pas 當Rei104時， JHi=0.023Rei0.8 （4 - 2）5）管程壓力降 管程壓力降包括管內流體壓力降、回彎壓力降和進出口嘴子壓力降三部分。 （5 - 1）式中 pt 管程壓力降，Pa； pi 管內流體壓力降，Pa； pr 管程回彎壓力降，Pa； pNi 管程出口嘴子壓力降，Pa； Fi 管程壓力降污垢校正系數(shù)，與污垢熱阻有關，可參考表3選取。對于波紋管，由于自身的防垢特征，可將Fi值乘以0.8 0.9計算。 污垢熱阻/（m2K/W）00.000170.000340.000430.000520.000690.000860.001290.00172Fi1.001.201.351.401.451.501.601.701.80 表3 管程壓力降污垢校正系數(shù) 管內流動壓力降： （5 - 2） 回彎壓力降： （5 - 3） 進出口嘴子壓力降： （5 - 4）式中 流體流經進出口嘴子的質量流速，Kg/(m2s)；下標1表示 進口、2表示出口； L 管長，m； Ntp 管程數(shù)； 定性溫度下的密度，Kg/m3； 管內摩擦系數(shù)，無因次。當 （5 - 5） 6）單弓形折流板換熱器 考慮翹化面積比和翅片熱阻的影響，在光管的基礎上，考慮校正因子即可計算螺紋換熱器的管外膜傳熱系數(shù)。光管管外膜傳熱系數(shù)計算方法： ho= （6 - 1）對于30和60布管的管束，當200Reo5000時： JHo= （6 - 2）式中 JHo 殼程傳熱因子，無因次； Z 弓形折流板缺圓高度百分數(shù)； o 管程壁溫校正系數(shù)，無因次；o=（oD/w）0.14； h 旁路擋板傳熱校正系數(shù)，建議按表4的推薦值選取。 表4 旁路擋板傳熱與壓力校正系數(shù)殼徑/mm3254005006007008009001000h1.301.261.231.201.181.171.151.14p1.901.871.851.731.641.581.521.51殼徑/mm11001200130014001500160017001800h1.131.121.111.101.091.081.071.06p1.501.451.401.351.301.251.201.157）流體流動壓力降 單弓形折流板換熱器 （7 - 1） 對于正三角形排列的管束，當150010-3，根據(jù)式（2-5）、（2-6）有： Pn= m=0.8，可以用一個殼程。則：tm=4）初選換熱器 根據(jù)經驗選擇換熱器總傳熱系數(shù)為300W/(m2K）,則： 根據(jù)傳熱面積及要求的傳熱器規(guī)格，初步選定AEM結構，換熱器殼徑為，2管程，管子根數(shù)nt為74，中心管排數(shù)nx為7，傳熱面積為23.5m2，折流板間距B為150mm,弓缺Z為25；管、殼程進出口嘴子為100。換熱器參數(shù)如下表：表7 列管式換熱器尺寸參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)公稱直徑D/mm400傳熱面積23.5m2管數(shù)nt74管程數(shù)Np2列管尺寸252.5mm弓缺Z25中心管排數(shù)nx7折流板間距B150mm列管排列方式進出口嘴子為1005)計算雷諾數(shù)Re kg/(m2s) 殼程當量直徑為： kg/(m2s) 6）計算膜傳熱系數(shù) 由于溫度變化不大，所以黏度壁溫校正項可以忽略不計，即7）計算管程傳熱系數(shù) 因為，故根據(jù)式（4-2）計算傳熱因子，根據(jù)式（4-1）計算管程傳熱系數(shù)。 W/(m2K) 8）計算殼程傳熱系數(shù) 因為200Re05000，故根據(jù)式（6-2）計算殼程傳熱因子，根據(jù)式（6-1） 計算殼程傳熱系數(shù)。 按表4查得旁路擋板傳熱校正系數(shù)， 9）計算總傳熱系數(shù) 根據(jù)式（3-1）計算光管換熱器的總傳熱系數(shù)： 10）壓降計算管程壓力降 根據(jù)式（5-2）計算管內流動壓力降，管程雷諾數(shù)Re=10670,故用式（5-5）計算摩擦系數(shù)： 由于溫度變化不大，忽略不計黏度壁溫校正，取。 根據(jù)式（5-3）計算回彎壓力降： 根據(jù)式（5-4）計算進出口嘴子壓力降： 根據(jù)式（5-1）計算管程總壓降，由表3查得管程壓力降污垢校正系數(shù)Fi=1.2 。 殼程壓力降殼程流體流動壓力降，Re=2349，根據(jù)式（7-2）計算摩擦系數(shù)。因為Z=25，故。 查表4得到旁路擋板壓力校正系數(shù)，共安裝38塊折流板， 根據(jù)式（8-1）計算導流筒壓力降，?。桓鶕?jù)式（9-1）計算進出口嘴子壓力降，則有： 根據(jù)式（10-1）計算殼程總壓力降ps，查表5得到殼程壓力降污垢校正系數(shù)Fo=1.2。 11）計算需要的傳熱面積和面積富裕度 忽略折流板所占據(jù)的傳熱面積，實際傳熱面積為: 可見所選擇的換熱器完全可以滿足工況的要求。12）結論管程、殼程壓差均在允許范圍之內，換熱面積、安全系數(shù)符合設計要求，故所選換熱器合適。換熱器結構圖見附件圖。4 經濟核算4.1車間人員定置表表8 車間人員定置職能名稱人員配置班數(shù)每班人數(shù)合計生產人員制粉248返渣烘干248備料339技術人員混料4312焙燒4312浸取4312維修人員248管理人員133清潔人員133總計754.2資金投資表9 成本投資表項目經費元/天經費萬元/年項目經費萬元/年 原料費用800024000設備總費用5000人工工資8002400設備安裝費用2000水電費用15004500設備維修費用1000車間管理費用10003000管道安裝費用1000總計 1130033900總計90004.3成本估算表10投資項目分配序號項目計算單位設計指標1產品價格2規(guī)模3年工作日4總收率5消耗6785 環(huán)境保護5.1礦石粉碎經濟指標的因素 礦石粉碎經濟指標的因素除與磨機的型式及結構有關外，尚與礦石的物理性質，原始磨料的顆粒大小，操作均勻性，物料含水率，產品顆粒尺寸及研磨體質量及尺寸等一系列因素有關。 研磨物料的能量消耗及金屬磨損率是礦石固有的性質，如下表：表11 礦石金屬磨損率礦石 密度/(g/cm3)顆粒尺寸/m 磨損率/Ai 鉻鐵礦 4.06 10200 0.1200 白云石 2.82 0.1160 石灰石 2.69 13000 0.0256 煤 1.63 能量消耗是單位質量理論尺寸為無限大的塊礦，粉碎至80小于100m時所消耗的能量。 磨損率是將1600g，尺寸為英寸的塊礦，粉碎至80小于13250m時，標準鋼錘在一小時內磨損的金屬質量克數(shù)。 磨機產量與磨料的含水量增高時，磨機產量明顯降低。懸軸式磨機給礦含水量不應超過5。當含水量增高至58時，應采用熱風干燥圈路循環(huán)，排氣溫度控制在75左右。當給礦含水量超過8時，磨料應先經干燥后再進行研磨。 粉料的顆粒尺寸除應滿足工藝要求外，尚須考慮磨機的技術經濟指標。當粉料顆粒減小時，磨機產量，單位產品功率消耗及費用均急劇上升。白云石粒度與產量的關系見下表： 粒度 產量/(t/h) 100母篩通過80 7 200母篩通過90 3.5 325母篩通過99.5 2.3表12 白云石粒度對5R4018懸軸式磨機產量的影響表13 石灰石粒度對5R4018懸軸式磨機產量的影響 粒度 產量/(t/h) 200母篩通過 95 6.5 99 4.4 99.9 3.2 99.5 1.85.2含鉻廢水的回收利用 鹽生產過程排出的含鉻廢水，主要為六價鉻鹽。在產品應用過程中產生的含鉻廢水，可為六價鉻鹽，也可為三價鉻鹽，有時還含有其他離子或有機物等雜質，這里我們調查了沉淀法回收鉻酸鉛的方法。 沉淀法回收鉻酸鉛的方法，可用于處理金屬零件鈍化含鉻廢水。廢水形成過程為：金屬零件經堿洗后，先用六價鉻的稀硫酸清洗，再用六價鉻溶液進行鈍化處理，最后用水淋洗。此文檔僅供學習與交流 沉淀法回收鉻酸工藝流程圖 1-51中和槽； 2石灰水槽； 3儲槽； 4硝酸鉛儲槽； 5第一沉淀槽； 6第二沉淀槽； 7堿洗水槽。 回收過程為：含六價的稀硫酸廢水與氫氧化鈣溶液在中和槽1混合，脫除硫酸根。鉻澄清液與鉻鈍化液在儲槽3中混合，然后鈍化淋洗水及硝酸鉛溶液在管道中混合，共同進入第一沉淀槽5，反應生成鉻酸沉淀?；瘜W反應式為：H2SO4Ca(OH)2CaSO42H2ONa2CrO4Pb(NO3)2PbCrO4+2NaNO3 反應過程形成的鉻酸沉淀顆粒較細，可直接作顏料用，若沉淀顆粒過大時，則需經粉碎才能符合顏料要求。 鉻酸鉛沉淀顆粒的尺寸，可控制第一沉降槽中的廢水含鉻濃度來確定的。反應濃度越低，則顆粒越小，當鉻酸鈉及硝酸鉛濃度低于0.05mol/L時，就可得到工業(yè)一級顏料。 生成鉻酸鉛的反應，鉛離子不宜過量，必須控制反應液組分使Na2CrO4與Pb(NO3