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0.课题设计背景
南京化工厂年产4万吨/年氯苯,排放1.25万吨/年的废水中含有高浓度的苯及氯苯,若直接排入污水场处理,对污水处理场的微生物有严重的毒害作用,极大的影响污染物降解率,同时造成资源浪费,因此治理氯化苯废水,回收废水中苯及氯化苯不仅能带来一定的经济效益,而且具有巨大的环境效益和社会效益.通过比较氯化苯废水的几种处理方法,从而提出采用气提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯,使处理后废水达到国家一级排放标准,从而实现了污染物的资源化及氯化苯的清洁生产.
本文通过概念设计,确定了用气提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯,并对其进行经济效益评价.
本文按照以下基本步骤进行设计:
1.氯化苯生产废水处理方法选择;
2.汽提法回收废水中苯及氯苯的工艺;
3.设计方案模拟计算;
4.效益分析;
苯和氯化苯是两种重要的基本化工原料:氯化苯可用于合成苯酚,二硝基氯苯,三硝基氯苯,染料农药原料以及医药,炸药,橡胶助剂,苯是生产炸药,塑料,农药等的重要原料 .氯化苯生产废水中由于含有一定浓度的苯和氯化苯,若直接排放,会对污水处理场的微生物有极其严重的毒害作用,从而加大后续处理的难度并影响污废水的处理效果,因此对氯化苯生产废水中的苯及氯化苯进行回收具有重大的现实意义与理论意义.
氯化苯生产工艺中酸苯分离,真空泵,废水罐排放废水中含有一定浓度的苯及氯化苯,在车间正常生产时,对所排废水进行24h监测,其水质水量见表一所示.
2 处理方法选择
2.1 苯和氯化苯的主要物理性质
苯的主要物理性质:常温下为无色透明液体,沸点80.1℃ ,在水中溶解度为1.865g/L(25℃),与水的共沸点为69.25℃(101.3kPa),共沸组成是苯91.16% ,水8.84%.
氯化苯的主要物理性质:常温下为无色透明液体,沸点132℃,在水中溶解度为0.049g/(100g水)(30℃) ,与水的共沸点为90.2℃(共沸组成:氯化苯71.6%,水28.4% ).
2.2 氯化苯生产废水处理方法选择
根据苯及氯化苯的物理性质,可采用物理方法处理,包括吸附法,精馏法和汽提法.
采用吸附法分离,由于污水流量较大,采用升流式移动床串联,达到95%的去除率所需吸附床尺寸为φ2.44m×10.7m(2个),而且吸附剂与解吸剂的用量高达20t,同时需频繁进行吸附剂再生切换,流程复杂.
采用精馏法处理,由于塔顶和塔底物物性相近,所需塔板数过多,操作上较为困难,从热力学角度考虑为达到分离要求所需能耗过高.
采用汽提方法处理,设备容积小,流程较简单,操作容易,回收率较高.由此通过这种简单比较可初步确定选择汽提法回收废水中的苯,氯化苯及二氯苯.
3 气提回收
采用气提回收,蒸汽气提含氯苯废水,脱除水中氯苯实际上是一个脱吸过程.脱吸常用方法是使溶液升温以减少溶质在水中的溶解度,所以一般先用换热器使送去脱吸的富液(含氯苯多的)与已脱吸的贫液(含氯苯少的)进行换热.换热而升温的富液进入脱吸塔,塔底直接通入蒸汽,将富液中的氯苯逐出,并带入塔顶,一道进入冷凝器,冷凝后的水和氯苯在容器中分层后分别引出,回收得到的氯苯进一步脱水可从新使用.由塔顶流至塔底的废水中的氯苯已脱得很低(贫液),从塔低流出与进塔富液换热后排放.
4 采用水蒸气作气提气的原因
氯苯脱吸回收或称解吸回收,是吸收的逆过程,即传质方向与吸收方向相反-溶质由液相向气相传递,其目的是为了分离废水中夹带的氯苯,苯消除废水排放对环境造成的污染,同时使氯苯,苯能够得到回收.
为了使传质方向由吸收逆转为脱吸,需要吸收推动力,例如P-P*,由正什变为负值.其途径不外乎:减小所流中溶质分压P,或增大溶液的平衡分压P* ,或兼而有之,在生产中常见的方法有以下几种.
通入惰性气体.例如在脱吸塔底部通入压缩空气,与溶液接触,空气中不含有氯苯,故可以使P<P*,将溶于水中氯苯从塔顶带出.其缺点是惰性气体中夹带的氯苯不能通过冷凝方法进行回收.
通入水蒸气,即作惰性气体,双作为加热介质.这是在脱吸塔顶部设有冷凝器,将水蒸气冷凝;同时由于氯苯,苯也可冷凝蒸气,而且冷凝液与水不互溶,就可以比较溶易地得到苯,氯苯.本法的缺点是能耗高.
降压闪蒸.通过降低溶液上方的气压,使溶于水中的苯,氯苯迅速地自动释放出来,这种现象称为闪蒸. 闪蒸不需要另外消耗能量,释放出来的溶质气体也可以达到很高的纯度,对苯,氯苯来说, 脱出的蒸气可凝,因此如采用闪蒸脱除废水中苯,氯苯可以很容不得易地回收到水中的氯苯.工艺上需要造真空设备和脱吸塔.
这里弄考虑逐步形用通入水蒸气进行汽提,出于在气相氯苯与水蒸气形成共沸相,理论上共沸物的组成为:氯苯71.6%,水为28.4%,苯与水蒸气组成的共沸物的组成中,苯为91.84%,水为8.16%,这样使氯苯,苯在气相中富集,从而达到将废水中氯苯,苯带走的目的.
5 汽提法回收氯化苯废水中苯及氯苯的工艺
汽提法回收苯及氯苯的工艺流程见下图一所示:
废水罐的排放废水及其它各段废水充分混合后,经过预处理后,调节PH值为6～9之间,用泵打入中和反应器内,经过格栅去除固体悬浮物质后,经列管式换热器预热后进入汽提塔.经汽提后,塔顶的汽提蒸汽经冷凝后送至凝液罐中进行油水分离.凝液罐中部的凝结水进入污水处理场,顶层和底层的苯,氯化苯及二氯苯进入分离罐进一步分离后回用.
6 汽提回收模拟计算
根据苯,氯苯,二氯苯水溶液的极性特点,利用污水中苯,氯苯的浓度及污水处理要求,用ASPAN PLUS流程模拟软件对废水中苯及氯苯的汽提法回收进行模拟.其模拟流程图如图二所示:
图二 汽提法回收氯苯废水中苯和氯苯模拟流程图
7 汽提塔的主体设计
7.1 塔径的计算
由ASPEN模拟计算结果,塔内上升气体的摩尔流量平均为0.009kmol/s,以其所对应的状态:380k,130kPa.计算其体积流量Vs如下:
Vs=0.009×8.31×4380/130=0.2162m3/s
再由D= 计算塔径
式中: Vs-体积流量,m3/s
u-空塔速率,m/s
由工程上经验数据,对于该体系可取u=0.6m/s,代入数据,得到
D=0.682m,圆整得D=1m
7.2 填料层高度的计算
填料层的高度用等板高度法计算+
H=NP×HETP
NP=NT/η
由Aspan模拟计算结果,NT=11,取塔效率η为75%
则 NP=11/0.75=15
由经验数据,取等板高度HETP=0.5m
代入上式
H=15×0.5=7.5m
即填料层的高度为7.5米.
8 效益分析
8.1 经济效益
工艺流程中的蒸汽和冷凝水采用其它工段的废热和冷凝水.按正常废水排放量和正常排放浓度,回收率按95%计.
每年可回收苯(一年按330天计):
回收氯化苯:
回收二氯苯:
公用工程年耗量及费用:
(1)动力电:8度/时*8000小时*0.5元/度=3.2万元
(2)冷却水:0.2吨/时*8000小时*0.2元/吨=0.032万元
苯,氯化苯及二氯苯的市场价格分别按2400元/t,2750元/t,4500元/t 计算,则总共可创效益10.85万元/年,
年效益为:10.85-3.2-0.032=7.62万元
8.2 环境效益
用传统方法包括吸附法和精馏法处理氯化苯废水投资巨大,回收率低,处理后废水不能达标排放,并且处理后废水中还含有一定的苯及氯化苯,因而给后续处理工艺带来一定的困难.使用这种汽提回收法可有效处理氯化苯废水,充分回收了其中的苯,氯化苯及二氯苯等有用化工原料,苯及氯化苯的去除减少了对污水生化处理的危害,处理后废水达到国家一级排放标准,从而实现了污染物的资源化及氯化苯的清洁生产,为污水处理场全面实现达标排放提供了前提保证.
9 结 论
9.1 通过简单的比较,选定了用汽提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯从而达到处理氯化苯废水的目的,并设计了汽提法回收氯化苯废水的废水处理工艺;根据小试结果和工业化设计的初步计算,可以初步认为开发的氯苯回收工艺具有工业实际应用价值,工业化应用是可行的.
9.2 用AspanPlus流程模拟软件模拟汽提法回收氯化苯废水中苯和氯化苯所得出的结果是合理的,蒸汽气提脱除废水中的氯苯可以将废水中的氯苯脱至3PPM以下,达到清洁排放的目的,工艺比较简单.
9.3 从投资经济效益分析来看,除可取得环保效果,实现清洁生产,还可以获得一定的经济效益.
10 几个问题的讨论
10.1 由于作者所掌握的化工方面的知识有限,加上时间关系,对于用AspanPlus流程模拟软件模拟汽提法回收氯化苯废水中苯和氯化苯,只是作了模拟方面的内容,但预热器和冷凝器的负荷及其它一些指标有待于进一步优化后作出改进;
10.2 用汽提法回收氯化苯废水中的苯及氯苯作为氯化苯废水处理的现行的最佳方法,也有待于进一步优化和改进.
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