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1、年产15万吨重铬酸钠焙烧段的工艺设计巢玉琳（指导老师：魏先红）（湖北师范学院 化学化工学院 黄石435002）1.设计任务书1.1设计内容1.1.1重铬酸钠生产的工艺设计1.1.2换热器的设计1.1.3设计规模1）年产：1.5万吨/年2）年生产日：300天3）日生产能力：1.5/300=50吨/天1. 2设计依据该设计说明书是依据湖北振华集团有限公司的生产技术及工艺资料的基础上，并结合设计任务书的内容年产1.5万吨重铬酸钠的技术要求。1.3产品及规格 原料: 铬铁矿 产品：重铬酸钠规格：产品质量标准执行中华人民共和国工业重铬酸钠标准（GB / T 1611-2014）一等品规格，重铬酸钠质量符
2、合下表要求。表1 重铬酸钠质量指标表 化学性质 国家标准 内控标准含量(Na2Cr2O72H2O)%98.398.5硫酸盐(SO42-)%0.300.20氯化物(Cl-)%0.100.051.4重铬酸钠的性质及基本用途1.4.1重铬酸钠组成 重铬酸钠又名红帆钠（英文名：sodium dichromate），化学式：Na2Cr2O72H2O，相对分子质量297.99。经流行病学调查表明，对人有潜在致癌危险性，有腐蚀性。 CAS号：7789-12-0；10588-01-9； 沸点()：400（无水）； 分子式：Cr2H4Na2O9； 熔点()：357（无水）； 分子量：298； 相对密度（水=1）
3、：2.35； EINECS号：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 重铬酸钠结构式1 重铬酸钠化工词典1.4.2硫酸的物理性质 1）红色至桔红色结晶，略有吸湿性。易溶于水，不溶于乙醇，水溶液呈酸性。 2）100时失去结晶水，约400时开始分解。1%水溶液的pH为4，10%水溶液的pH为3.5。 3）相对密度2.348。熔点356.7（无水品）。有强氧化性，与有机物摩擦或撞击能引起燃烧。 4）中等毒，半数致死量（大鼠，经口）50mg/kg（无水品）。1.4.3 重铬酸钠的化学性质 1）稳定性1.易潮解，粉化
4、。为强氧化剂。与有机物接触摩擦、撞击能引起燃烧。有腐蚀性。容易被还原成三价铬。 2.稳定性：稳定。3.禁配物： 强还原剂、醇类、水、活性金属粉末、硫、磷、强酸。4.避免接触的条件：潮湿空气。5.聚合危害：不聚合。 2）重铬酸钠毒理学数据1.急性毒性 LD50：50mg/kg（大鼠经口）2.刺激性 暂无资料3.致突变性 微生物致突变：鼠伤寒沙门菌50g/皿。DNA损伤：大鼠肝10mol/L。姐妹染色单体交换：仓鼠肺140g/L。4.致癌性 IARC致癌性评论：组1，对人类是致癌物。5.其他：大鼠腹腔注射最低中毒剂量（TDLo）：20mg/kg（染毒8周，雄性），影响精子生成。 3）重铬酸钠生态学
5、数据LC50：18133mg/L（96h）（鱼）。IC50：0.58mg/L（72h）（藻类）。1.4.4重铬酸钠的用途2 重铬酸钠的用途十分广泛。主要用于制造铬黄颜料，铬酸酐及其他铬盐。也用于金属的浸渍和蚀刻，电镀，毛织物染色时的媒染、鞣革等。在印染工业中，用于苯胺染料染色时作氧化剂，硫化还原染料染色时作后处理剂，酸性媒介染料染色时作媒染剂。医药工业用于生产胺苯砜，苯佐卡因、叶酸、雷佛奴尔等。电镀工业用于镀锌后钝化处理、增加光亮度。也用于金属表面处理。用于生产碱性湖蓝染料、糖精、合成樟脑、合成纤维、合成香料。2 作用与用途化工词典 1.4.5 注意事项3 1）危险性概述 健康危害：急性中毒：
6、吸入后可引起急性呼吸道刺激症状、鼻出血、声音嘶哑、鼻粘膜萎缩，有时出现哮喘和紫绀。重者可发生化学性肺炎。口服可刺激和腐蚀消化道，引起恶心、呕吐、腹痛、血便等；重者出现呼吸困难、紫绀、休克、肝损害及急性肾功能衰竭等。慢性影响：有接触性皮炎、铬溃疡、鼻炎、鼻中隔穿孔及呼吸道炎症等。燃爆危险：该品助燃，为致癌物，具强腐蚀性、刺激性，可致人体灼伤。3 重铬酸钠MSDS 2）急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸，及时就医。食入：用水
7、漱口，用清水或 1%硫代硫酸钠溶液洗胃。给饮牛奶或蛋清，及时就医。3）消防措施 危险特性：强氧化剂。遇强酸或高温时能释出氧气，促使有机物燃烧。与硝酸盐、氯酸盐接触剧烈反应。有水时与硫化钠混合能引起自燃。与有机物、还原剂、易燃物如硫、磷等接触或混合时有引起燃烧爆炸的危险。具有较强的腐蚀性。有害燃烧产物：可能产生有害的毒性烟雾。灭火方法：采用雾状水、砂土灭火。 4）泄漏应急处理 应急处理：隔离泄漏污染区，限制出入。建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿防毒服。勿使泄漏物与有机物、还原剂、易燃物接触。小量泄漏：用洁净的铲子收集于干燥、洁净、有盖的容器中。大量泄漏：收集回收或运至废物处理场所处置。5
8、）操作处置与储存 操作注意事项：密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴头罩型电动送风过滤式防尘呼吸器，穿聚乙烯防毒服，戴橡胶手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。避免产生粉尘。避免与还原剂、醇类接触。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。储存注意事项：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。远离火种、热源。库温不超过35，相对湿度不超过75%。包装密封。应与还原剂、醇类等分开存放，切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。1.5生产路线的选择 重铬酸钠的生产主要包括铬酸钠制造和铬酸钠
9、转化成重铬酸钠两个工序。铬酸钠转化目前工业上主要采用硫酸法。正在开发的有电解法。 硫酸法将铬铁矿粉碎至200目，与纯碱(一般用量为理论量的90%93%)、自云石粉、石灰石粉和矿渣按一定配比混合后送入转窑，在11001150进行氧化焙烧152 h，使三氧化二铬转化为铬酸钠。烧成的熟料经冷却粉碎后，用稀溶液和水在浸取器中多级逆流浸取、抽滤，得到3540B的铬酸钠溶液。将PH调至78，使铝酸钠水解成氢氧化铝沉淀，经过滤后除去。中性滤液蒸发至48B后，加入浓硫酸酸化，使铬酸钠转化为重铬酸钠。经两次蒸发，使硫酸钠完全除去，再经澄清以除去全部不溶性杂质。把澄清液冷却至3040进行结晶，经离心分离，制得重铬
10、酸钠成品。母液返回中和或用于制造其他铬盐产品。其4(FeOCr2O3) + 8Na2CO3 + 7O2 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO22Na2CrO4 + H2SO4 Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O2.工艺部分2.1工艺岗位操作2.1.1工艺流程说明 铬矿 粉碎 与Na2CO3混匀 空气高温 Cr6+固态物（Na2CrO4） 生料在回转窑内进行高温1100-1200碱性焙烧，生产品为含铬酸钠的熟料。副产品为尾气带出的回收料，由于进密生料的润湿，回收料量可明显降低，回收料视含硅量的变化直接或经处理够经计算与生料一起进入窑内循环使用。 没有生成六价铬的平行反应，无
11、钙焙烧时，铬铁矿中的Fe几乎全部同镁反应，镁除了生成铁酸镁和铝酸镁钠之外，其余以游离MgO形态存在。2.1.2工艺原理主反应： 2Cr2O3+4Na2CO3+3O2 4Na2CrO4+4CO2副反应：Al2O3 + Na2CO3 2NaAlO2 + CO2 Fe2O3 + Na2CO3 2NaFeO2 + CO2 SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 Na2SiO3 + 2NaAlO2 + MgO + 2SiO2 Na4MgAl2Si3O122.1.2.1工艺流程说明 1）焙烧工艺物料:矿粉，渣粉，工业碱。反应窑冷却窑均为倾斜窑体。其中:物料在反应窑内煅烧后进冷却窑冷却时间为
12、自然冷却。冷却后的生料进槽车后加黄绿色的工业水将钢球状的生料中的含铬物质浸泡入水中，过滤回收含铬产品的水送入其他车间加工成产品。注:1. 物料进反应窑内煅烧分为四个部分:预热、分解、高温、冷却。2. 设备刚开始工作时，投入煤粉后需加紫火将其点燃。此时窑体不转动，待煤燃烧产生的热量使窑体内也开始翻动反应。3. 煤粉通入风机吹出的风将其吹入窑体内燃烧，其中窑体内的温度也是由煤粉进窑内燃烧的量(风机转动频率)控制的。若预热段温度比冷却段高，则应将风机频率减小使工序正常运行。4. 反应窑内物料经煅烧后生成的钢球状生料经冷却窑自然冷却后进入槽车内，往车内加入黄绿色的工业水(槽车底部有一方形的沙桶)，经水
13、浸泡后过滤将含铬产品的水加以回收送至其他车间，加工成产品。2）无钙焙烧工艺 铬铁矿同纯碱，返渣计量后，连同回收的窑灰在一起在混料机内混合。生料送回转窑焙烧。熟料趁热水萃取浸取，或冷却后湿磨浸取。浆液用旋流器分为粗浆和细浆。粗，细浆分别过滤洗涤。粗渣经烘干后，返回配料；细渣经解毒后排放，粗细浆的滤液(碱性液)合并后进行中和以沉淀氢氧化铝，经过过滤，洗涤，排出铝泥；中性液送后工段。无钙焙烧后工段流程与有钙焙烧基本相同，不同之处是无钙焙烧需脱钒。3）窑头及窑尾尾气处理路线 物料在旋窑内煅烧反应，因为该窑体为副窑，所以反应产生的尾气及空气由旋窑窑尾向外排出。此外，由风机吹出的风也会将附着在尾气中的原料
14、细小颗粒一同吹向窑尾排出。排出旋窑尾气(附着原料)经过沉降室由于重力因素，原粒颗粒会沉降下来，经过初步处理的尾气通过余热锅炉回收热量。尾气再次经过布袋除尘器(原理:布袋除尘器是基于过滤原理的过滤式除尘器，利用有机纤维或无机过滤布将气体中的粉尘过滤出来，重力沉降作用，热运动作用，惯性力作用，筛滤作用。)进一步除尘，处理好的尾气经过风机吹出排气筒外。2.2物料衡算2.3热量衡算3 典型设备换热器的选择与设计3.1设计条件选型说明：光管浮头式换热器塔顶流体流量为7115kg/h入口温度为：60出口温度为：40冷却水入口温度为：33冷却水出口温度为：403.2 计算3.2.1 基本数据 表2 介质物性
15、表温度/导热系数/W/(mK)比热容/J/(KgK)粘度/Pas密度/（Kg/m3）垢阻/(m2K/W)热流入口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）流体定性温度当流体处于过渡及湍流区(Re2100时)： tD=0.4th+0.6tc （1 - 1）当流体处于层流区(Re2100时)： tD=0.5(th+tc) （1 - 2）式中 tD 流体定性温度， th 热端流体温度， tc 冷端流体
16、温度，2）对数平均温差tm纯逆流或并流时： tm= （2 - 1）错流和折流时： tm= （2 - 2）令P=，R=。当|R-1|10-3时， Pn= （2 - 3） m= （2 - 4）当|R-1|10-3时， Pn= （2 - 5） m= （2 - 6）3）总传热系数 表示一台换热器的传热能力，在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率，即项热阻和的倒数。 光管换热器： （3 - 1）式中 di、do 传热管内径、外径，m； hi 管内流体膜传热系数，W/(m2K)； ho 管外流体摸传热系数，W/(m2K)； ro 壳侧流体的污垢热阻，m2K/W； ri 管侧流体的污垢热阻，m2K
17、/W； ts 内管壁厚，m； w 管壁金属的导热系数，W/(mK)。4）光管管内膜传热系数 对于以光管外表面积为基准的管内膜传热系数，可用下式计算： （4 - 1）式中 hio 以管外表面积为基准的管内膜传热系数W/(m2K)； JHi 管内传热因子，无因次； do 管外径，m； i 管内介质导热系数，W/(mK)； i 管程壁温校正系数，i=(i/w)0.14，无因次； w 壁温下的流体粘度，Pas 当Rei104时， JHi=0.023Rei0.8 （4 - 2）5）管程压力降 管程压力降包括管内流体压力降、回弯压力降和进出口嘴子压力降三部分。 （5 - 1）式中 pt 管程压力降，Pa；
18、 pi 管内流体压力降，Pa； pr 管程回弯压力降，Pa； pNi 管程出口嘴子压力降，Pa； Fi 管程压力降污垢校正系数，与污垢热阻有关，可参考表3选取。对于波纹管，由于自身的防垢特征，可将Fi值乘以0.8 0.9计算。 污垢热阻/（m2K/W）00.000170.000340.000430.000520.000690.000860.001290.00172Fi1.001.201.351.401.451.501.601.701.80 表3 管程压力降污垢校正系数 管内流动压力降： （5 - 2） 回弯压力降： （5 - 3） 进出口嘴子压力降： （5 - 4）式中 流体流经进出口嘴子的质
19、量流速，Kg/(m2s)；下标1表示 进口、2表示出口； L 管长，m； Ntp 管程数； 定性温度下的密度，Kg/m3； 管内摩擦系数，无因次。当 （5 - 5） 6）单弓形折流板换热器 考虑翘化面积比和翅片热阻的影响，在光管的基础上，考虑校正因子即可计算螺纹换热器的管外膜传热系数。光管管外膜传热系数计算方法： ho= （6 - 1）对于30和60布管的管束，当200Reo5000时： JHo= （6 - 2）式中 JHo 壳程传热因子，无因次； Z 弓形折流板缺圆高度百分数； o 管程壁温校正系数，无因次；o=（oD/w）0.14； h 旁路挡板传热校正系数，建议按表4的推荐值选取。 表4
20、 旁路挡板传热与压力校正系数壳径/mm3254005006007008009001000h1.301.261.231.201.181.171.151.14p1.901.871.851.731.641.581.521.51壳径/mm11001200130014001500160017001800h1.131.121.111.101.091.081.071.06p1.501.451.401.351.301.251.201.157）流体流动压力降 单弓形折流板换热器 （7 - 1） 对于正三角形排列的管束，当150010-3，根据式（2-5）、（2-6）有： Pn= m=0.8，可以用一个壳程。则：
21、tm=4）初选换热器 根据经验选择换热器总传热系数为300W/(m2K）,则： 根据传热面积及要求的传热器规格，初步选定AEM结构，换热器壳径为，2管程，管子根数nt为74，中心管排数nx为7，传热面积为23.5m2，折流板间距B为150mm,弓缺Z为25；管、壳程进出口嘴子为100。换热器参数如下表：表7 列管式换热器尺寸参数项目参数项目参数公称直径D/mm400传热面积23.5m2管数nt74管程数Np2列管尺寸252.5mm弓缺Z25中心管排数nx7折流板间距B150mm列管排列方式进出口嘴子为1005)计算雷诺数Re kg/(m2s) 壳程当量直径为： kg/(m2s) 6）计算膜传热
22、系数 由于温度变化不大，所以黏度壁温校正项可以忽略不计，即7）计算管程传热系数 因为，故根据式（4-2）计算传热因子，根据式（4-1）计算管程传热系数。 W/(m2K) 8）计算壳程传热系数 因为200Re05000，故根据式（6-2）计算壳程传热因子，根据式（6-1） 计算壳程传热系数。 按表4查得旁路挡板传热校正系数， 9）计算总传热系数 根据式（3-1）计算光管换热器的总传热系数： 10）压降计算管程压力降 根据式（5-2）计算管内流动压力降，管程雷诺数Re=10670,故用式（5-5）计算摩擦系数： 由于温度变化不大，忽略不计黏度壁温校正，取。 根据式（5-3）计算回弯压力降： 根据式
23、（5-4）计算进出口嘴子压力降： 根据式（5-1）计算管程总压降，由表3查得管程压力降污垢校正系数Fi=1.2 。 壳程压力降壳程流体流动压力降，Re=2349，根据式（7-2）计算摩擦系数。因为Z=25，故。 查表4得到旁路挡板压力校正系数，共安装38块折流板， 根据式（8-1）计算导流筒压力降，取；根据式（9-1）计算进出口嘴子压力降，则有： 根据式（10-1）计算壳程总压力降ps，查表5得到壳程压力降污垢校正系数Fo=1.2。 11）计算需要的传热面积和面积富裕度 忽略折流板所占据的传热面积，实际传热面积为: 可见所选择的换热器完全可以满足工况的要求。12）结论管程、壳程压差均在允许范围
24、之内，换热面积、安全系数符合设计要求，故所选换热器合适。换热器结构图见附件图。4 经济核算4.1车间人员定置表表8 车间人员定置职能名称人员配置班数每班人数合计生产人员制粉248返渣烘干248备料339技术人员混料4312焙烧4312浸取4312维修人员248管理人员133清洁人员133总计754.2资金投资表9 成本投资表项目经费元/天经费万元/年项目经费万元/年 原料费用800024000设备总费用5000人工工资8002400设备安装费用2000水电费用15004500设备维修费用1000车间管理费用10003000管道安装费用1000总计 1130033900总计90004.3成本估算
25、表10投资项目分配序号项目计算单位设计指标1产品价格2规模3年工作日4总收率5消耗6785 环境保护5.1矿石粉碎经济指标的因素 矿石粉碎经济指标的因素除与磨机的型式及结构有关外，尚与矿石的物理性质，原始磨料的颗粒大小，操作均匀性，物料含水率，产品颗粒尺寸及研磨体质量及尺寸等一系列因素有关。 研磨物料的能量消耗及金属磨损率是矿石固有的性质，如下表：表11 矿石金属磨损率矿石 密度/(g/cm3)颗粒尺寸/m 磨损率/Ai 铬铁矿 4.06 10200 0.1200 白云石 2.82 0.1160 石灰石 2.69 13000 0.0256 煤 1.63 能量消耗是单位质量理论尺寸为无限大的块矿
26、，粉碎至80小于100m时所消耗的能量。 磨损率是将1600g，尺寸为英寸的块矿，粉碎至80小于13250m时，标准钢锤在一小时内磨损的金属质量克数。 磨机产量与磨料的含水量增高时，磨机产量明显降低。悬轴式磨机给矿含水量不应超过5。当含水量增高至58时，应采用热风干燥圈路循环，排气温度控制在75左右。当给矿含水量超过8时，磨料应先经干燥后再进行研磨。 粉料的颗粒尺寸除应满足工艺要求外，尚须考虑磨机的技术经济指标。当粉料颗粒减小时，磨机产量，单位产品功率消耗及费用均急剧上升。白云石粒度与产量的关系见下表： 粒度 产量/(t/h) 100母筛通过80 7 200母筛通过90 3.5 325母筛通过
27、99.5 2.3表12 白云石粒度对5R4018悬轴式磨机产量的影响表13 石灰石粒度对5R4018悬轴式磨机产量的影响 粒度 产量/(t/h) 200母筛通过 95 6.5 99 4.4 99.9 3.2 99.5 1.85.2含铬废水的回收利用 盐生产过程排出的含铬废水，主要为六价铬盐。在产品应用过程中产生的含铬废水，可为六价铬盐，也可为三价铬盐，有时还含有其他离子或有机物等杂质，这里我们调查了沉淀法回收铬酸铅的方法。 沉淀法回收铬酸铅的方法，可用于处理金属零件钝化含铬废水。废水形成过程为：金属零件经碱洗后，先用六价铬的稀硫酸清洗，再用六价铬溶液进行钝化处理，最后用水淋洗。 沉淀法回收铬酸
28、工艺流程图 1-51中和槽； 2石灰水槽； 3储槽； 4硝酸铅储槽； 5第一沉淀槽； 6第二沉淀槽； 7碱洗水槽。 回收过程为：含六价的稀硫酸废水与氢氧化钙溶液在中和槽1混合，脱除硫酸根。铬澄清液与铬钝化液在储槽3中混合，然后钝化淋洗水及硝酸铅溶液在管道中混合，共同进入第一沉淀槽5，反应生成铬酸沉淀。化学反应式为：H2SO4Ca(OH)2CaSO42H2ONa2CrO4Pb(NO3)2PbCrO4+2NaNO3 反应过程形成的铬酸沉淀颗粒较细，可直接作颜料用，若沉淀颗粒过大时，则需经粉碎才能符合颜料要求。 铬酸铅沉淀颗粒的尺寸，可控制第一沉降槽中的废水含铬浓度来确定的。反应浓度越低，则颗粒越小
29、，当铬酸钠及硝酸铅浓度低于0.05mol/L时，就可得到工业一级颜料。 生成铬酸铅的反应，铅离子不宜过量，必须控制反应液组分使Na2CrO4与Pb(NO3)2以化学计量配合。 第二沉淀槽6中的废水，用碱洗水或氢氧化钙溶液中和至PH值为7.0，澄清所得中性清水可返回利用。5.3废渣的处理生产过程中会产生大量的对生产无用的固体废弃物，这些废渣如果随意堆放不仅造成了严重的资源浪费，还会对环境造成严重和恶劣的影响，另外还会产生占用土地，影响企业形象等诸多问题。因此，需要对这些废渣采取合理的开发与利用。例如许多过滤后的滤饼中多种化学物质含量很大，而且它们易分离，具有一定经济价值，那么可以考虑将这些废渣出
30、售以回收一定的成本；又或者某一化学物质含量很大且其经济价值较高，则可以增加工序将之分离出来，作为副产物出售。这样做不仅可以减少固体废弃物的处理费用，还可以产生一定的经济效益，减少生产成本，加强资源的回收利用，还可以有效的保护环境。6 厂房布置及水电要求6.1 厂房设计要求 合理易于实施，利于生产的运行。6.2厂房组成 原料库区,生产区,化验室,辅助生产区,控制室及成品仓6.3厂址的选择1、 适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要求；2、 符合城市规划或工业区域规划；3、 尽可能节约占地面积，少占或不占良田、耕地；4、 企业生产所需的资源能够落实，原料、燃料及辅助材料的供应经济合理； 5、
31、有充足可靠的水源和电源； 6、 交通运输条件比较方便经济；7、 不污染环境，不破坏文物古迹，不妨碍文化、旅游及其他精神文明建设； 8、 对拟建项目留有适当发展馀地； 9、 地质条件较好，施工难度小，建设投资省； 10、 项目建成投产後，经济效益良好。6.4总布局满足的要求 1、生产要求：保证径直和短捷的生产作业线，尽可能避免交叉和迂回，使各种物料的输送距离为最小。同时将水、电、汽耗量大的车间尽量集中，形成负荷中心，并使其与供应来源靠近，使水、电、汽输送距离为最小。还应使人流和货流的交通路线径直和短捷，避免交叉和重叠。2安全要求：化工厂具有易燃、易爆、有毒的特点，厂区应充分考虑安全布局、严格遵守防火、卫生等安全规范和标准的有关规定，重点是防止火灾和爆炸的发生。3发展要求：厂区布置要求有较大的弹性，对于工厂的发展变化有较大的适应性。也就是说，随着工厂的不断发展变化，厂区的不断扩大，厂内的生产布局和安全布局方面仍能保持合理的布置。参考文献