李 亮

(攀枝花學(xué)院材料工程系,四川攀枝花 617000)

鈦白廢酸噴霧濃縮裝置的研發(fā)

李 亮

(攀枝花學(xué)院材料工程系,四川攀枝花 617000)

針對傳統(tǒng)鈦白廢酸回收工藝存在的不足,提出了采用噴霧濃縮技術(shù)處理鈦白廢酸。通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)并借鑒噴霧干燥技術(shù),設(shè)計(jì)并研制了鈦白廢酸噴霧濃縮裝置。該裝置對鈦白廢酸的濃縮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)80%以上。通過條件試驗(yàn),確定了噴霧濃縮裝置的最佳工藝參數(shù)。

鈦白廢酸;回收利用;噴霧濃縮;裝置

硫酸法生產(chǎn)鈦白過程中產(chǎn)生大量廢物(硫酸亞鐵、稀硫酸和酸性廢酸),對環(huán)境造成污染[1]。國內(nèi)外對鈦白廢酸的綜合利用開展了廣泛研究,已形成4大途徑:1)濃縮后返回鈦白生產(chǎn)主流程;2)熱解制新酸;3)中和后排放(用石灰石、氨和堿性化工副產(chǎn)品等中和);4)其他工藝,如三圣技術(shù)[2]。濃縮技術(shù)有較好的適應(yīng)性,但傳統(tǒng)的濃縮技術(shù)存在熱效率低和管路及設(shè)備易堵塞2大問題,致使成本較高。針對傳統(tǒng)濃縮技術(shù)中的問題,提出了噴霧濃縮法,旨在提高廢酸濃縮效果、降低濃縮成本。借鑒噴霧干燥技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬噴霧濃縮試驗(yàn),提出了噴霧濃縮裝置的設(shè)計(jì)方案,并組建噴霧濃縮裝置。經(jīng)多次試驗(yàn)及改進(jìn),最終研制成了噴霧濃縮裝置。該裝置對廢酸的濃縮效果明顯,可將20%廢酸一步濃縮至88%,酸回收率>85%。通過試驗(yàn),獲取了噴霧濃縮工藝參數(shù)[3]。

1 試驗(yàn)方法及過程

來自鈦白工藝的清廢酸(硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%)進(jìn)入廢酸貯槽,用泵打入廢酸供料槽,再泵向噴霧濃縮裝置。在噴霧濃縮裝置的高效霧化作用下,廢酸由噴霧塔上部往下噴出,被分散成粒度很細(xì)的液滴(～100μm),液滴與熱空氣充分接觸,水分大量蒸發(fā)?？諝馔ㄟ^電加熱升溫至250～350℃,從噴霧塔下部進(jìn)入,從上部噴出。廢酸液滴與熱空氣在噴霧濃縮器中逆流換熱,廢酸中大量水分被蒸發(fā),水蒸氣由噴霧塔引風(fēng)口排出,尾氣經(jīng)噴淋塔二級噴淋,不凝氣體從煙囪排出,弱酸水從底部排出,送鈦白廠廢水處理設(shè)施加以處理[4]。由于大部分水分蒸發(fā),廢酸中的硫酸鹽(主要是鐵鹽)會(huì)析出,與濃廢酸形成懸濁液從噴霧塔底部排出并流入到濃廢酸中間槽,用泵打入離心分離機(jī)中離心分離。濾液返回生產(chǎn)鈦白,濾餅送堆場安全堆放。噴霧濃縮工藝流程如圖1所示。

圖1 廢酸噴霧濃縮流程

2 噴霧濃縮裝置的設(shè)計(jì)

2.1 噴霧塔的設(shè)計(jì)參數(shù)

濃縮裝置中的噴霧塔的設(shè)計(jì)參數(shù)采用干燥強(qiáng)度法確定[5]。

1)干燥容積(V)

式中:V——干燥塔容積,m3,此值求得后,先確定直徑,再求出圓柱體的高度;QA——水分蒸發(fā)量,kg/h;qA——干燥強(qiáng)度,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),單位容積的蒸發(fā)能力,kg/(m3·h-1),此值愈大愈好。

2)塔徑和塔高

噴霧濃縮裝置的處理能力取值8 kg/h,廢酸濃縮質(zhì)量分?jǐn)?shù)以 70%計(jì),則蒸發(fā)水量為 4.5 kg/h。由表1可知,qA取值應(yīng)為6,熱風(fēng)入口溫度為300～400℃,則噴霧塔體積為:

根據(jù)表1塔高 h與塔徑 d的關(guān)系可知,h/d=7.5,則塔直徑和高度應(yīng)分別為0.50 m和3.75 m。

表1 噴霧塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值表[6]

2.2 霧化器的選擇

氣流式、壓力式、旋轉(zhuǎn)式3種霧化噴嘴的霧化效果試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同形式霧化器的霧化效果

從表2看出:氣流式噴嘴的霧化氣速最大,霧化液滴為顆粒狀,霧化液滴粒度最細(xì)且分散效果最好;其他2種噴嘴噴出的物料分別為絲狀和膜狀,霧化效果和霧化液滴的分散性均沒有氣流式好。氣流式噴嘴的霧化液滴的表面積最大,與熱空氣接觸最充分,熱交換最快,熱效率利用最高,廢酸中的水可在瞬間完成蒸發(fā)。所以,試驗(yàn)選擇氣流式噴嘴進(jìn)行噴霧。

2.3 霧化角度的選擇

20°和40°霧化角度下的霧化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同霧化角度下的霧化效果

從圖2看出,在塔徑一定條件下,隨霧化角度增大,霧化液滴的范圍增大,霧化和分散效果越好。但是如果霧化角度過大,霧化液滴會(huì)在與熱空氣充分進(jìn)行熱交換時(shí)噴淋到噴霧塔的內(nèi)表面而凝聚,反而影響霧化效果和熱交換效率。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的噴霧塔內(nèi)徑為500 mm,霧化角度選擇 15°～25°。

2.4 熱交換方式的選擇

熱空氣與物料的接觸方式有逆流和并流2種,如圖3所示。

圖3 噴霧塔內(nèi)酸霧與熱空氣的熱交換方式

不同的接觸方式其熱交換效率不同。采用并流方式,廢酸中的水分蒸發(fā)量少,因?yàn)樗犰F與熱空氣的流向一致,且熱空氣的流速大于酸霧的流速,在熱空氣的帶動(dòng)下,酸霧還沒有來得及與熱空氣進(jìn)行充分熱交換就逸出噴霧塔;而采用逆流方式,酸霧與熱空氣逆向流動(dòng),酸霧速度小,在塔內(nèi)停留時(shí)間長,與熱空氣熱交換充分,蒸發(fā)的水分多,尾氣管道水蒸氣多。試驗(yàn)選擇逆流方式。

2.5 分離器及噴霧濃縮裝置的設(shè)計(jì)

噴霧塔分離裝置的剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示,噴霧濃縮裝置設(shè)計(jì)簡圖如圖5所示。

圖4 改進(jìn)前后噴霧塔示意圖

圖5 噴霧濃縮裝置設(shè)計(jì)簡圖

在熱空氣速度15 m/s、工作溫度110 ℃、廢酸流量4.4 kg/h條件下,分離器改進(jìn)前后冷凝水中酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.83%和0.1%。

相同條件下,增加錐形網(wǎng)罩并擴(kuò)大冷凝段,可是冷凝水中酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至5%。因?yàn)閿U(kuò)大冷凝段可降低來自濃縮段物流的氣速,進(jìn)一步擴(kuò)大硫酸液滴、水蒸氣、熱空氣之間的速率差,加速其分離。錐形網(wǎng)罩上的小孔可以加速優(yōu)先到達(dá)的、速率較大的熱空氣和水蒸氣的速率,使它們優(yōu)先通過,而質(zhì)量較大、速率較慢的硫酸液滴被網(wǎng)罩上的擋板收集,并逐漸匯聚成液流,流向濃縮器底部的濃酸出料口。擴(kuò)大冷凝段可降低氣速、錐形網(wǎng)罩小孔可增加氣速。假設(shè)濃縮段直徑為 d,物料流量為Q,則氣速為4Q/πd2。如果擴(kuò)大段直徑為1.5d,則氣速為1.76Q/πd2;如擴(kuò)大段直徑為2.0 d,則氣速為1.0Q/πd2;如錐形罩所有小孔的直徑總和為0.5d,則小孔過孔氣速為擴(kuò)大段氣速的4倍。所以,在濃縮段末端增加擴(kuò)大段和錐形罩可增大酸的回收率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 熱空氣氣速對冷凝水中酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

入口熱空氣的氣速直接影響霧化物料在塔內(nèi)的停留時(shí)間,影響噴霧塔內(nèi)的負(fù)壓程度,并將直接影響噴霧濃縮時(shí)酸的回收率。因此,在廢酸噴霧量8 kg/h,熱空氣入口溫度260℃條件下,改變熱空氣流速,考察熱空氣流速對冷凝水中酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 冷凝水中酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱空氣流速的變化情況

從表3看出:隨入口熱空氣氣速的降低,冷凝水中酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這主要是因?yàn)殡S熱空氣氣速的降低,熱空氣對霧化酸霧向上的作用力隨之減小,從而酸霧向下運(yùn)動(dòng),向尾氣方向運(yùn)動(dòng)的幾率減小,故尾氣冷凝水中的酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸降低。要保證尾氣冷凝水中的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%以下,熱空氣氣速必須控制在15 m/s以內(nèi)。

3.2 空氣入口溫度對濃縮酸質(zhì)量濃度的影響

在熱空氣入口流量為144 m3/h,廢酸噴霧量為7 kg/h條件下,考察了熱空氣對濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 濃縮酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨空氣進(jìn)口溫度變化情況

從表4看出:隨入口空氣溫度升高,濃縮酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。這是因?yàn)槿肟跍囟仍礁?熱空氣與霧化液滴之間的溫差越大,熱傳遞更快,廢酸中水的蒸發(fā)量越多,從而濃縮酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。考慮到將廢酸濃縮至60%～70%即可返回鈦白工藝,故選擇熱空氣入口溫度為240～270℃。

3.3 熱空氣流量對濃縮酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

為了獲得最佳熱空氣流量,進(jìn)行了熱空氣入口流量對廢酸濃縮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗(yàn)?？諝膺M(jìn)口溫度270℃,廢酸噴霧量7 kg/h。結(jié)果見表5。

表5 濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與空氣入口流量的關(guān)系

從表5看出:隨入口空氣流量增加,濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。這是因?yàn)闊峥諝膺M(jìn)口流量增加,單位時(shí)間內(nèi)帶入塔中的熱量增加,在廢酸流量一定條件下,每單位質(zhì)量霧化液滴所獲得的熱量增加;另外,熱空氣氣速越大,單位時(shí)間流量越大,霧化液滴與熱空氣之間接觸幾率也越大,熱傳遞更充分,從而使廢酸水分蒸發(fā)的越多,濃縮酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也就越大。試驗(yàn)選擇熱空氣入口流量為90～108 m3/h。

3.4 廢酸流量對濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在熱空氣入口溫度270℃、熱空氣入口流量144 m3/h條件下,試驗(yàn)考察了廢酸流量對濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 濃縮廢酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與廢酸流量的關(guān)系

從表6可知:當(dāng)廢酸流量由7 kg/h增加至13 kg/h時(shí),廢酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由81.22%降低至49.3%。在氣壓一定條件下,氣流式噴嘴的霧化能力也一定,廢酸流量增加,霧化效果就會(huì)越差,霧化液滴顆粒的平均直徑也越大,從而導(dǎo)致液滴與熱空氣的接觸面積減小,熱傳遞所需時(shí)間延長,在固定氣速下,水分的蒸發(fā)量也越少,濃縮廢酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越低。試驗(yàn)確定最佳廢酸流量為9～11 kg/h。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過多次試驗(yàn)與改進(jìn),所研制的廢酸噴霧濃縮裝置可以運(yùn)行穩(wěn)定,不易堵塞,并可以實(shí)現(xiàn)廢酸一步濃縮。

2)通過噴霧濃縮試驗(yàn)確定了噴霧濃縮裝置的最佳運(yùn)行參數(shù):熱空氣入口溫度為240～270℃,熱空氣入口流量為90～108 m3/h,廢酸流量為9～11kg/h。在最佳條件下,濃縮廢酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)65%～70%,回收率≥90%?；厥盏膹U酸可以返回硫酸法鈦白生產(chǎn)工藝。

3)采用煤或燃?xì)庾魅剂?廢酸濃縮燃料成本不高;利用煅燒余熱作熱源,可進(jìn)一步降低濃縮成本。該裝置具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]王敬欣,王宗慈,鄭鐘斌.硫酸法鐵白三廢治理[J].化工環(huán)保,1999,19(5):291-293.

[2]周志明,劉宗海,趙登武.噴霧蒸發(fā)濃縮稀硫酸的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2001,18(2):115-119.

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[5]國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院.化工工藝設(shè)計(jì)手冊:上冊[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996:105-119.

[6]時(shí)鈞.化學(xué)工程手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1982:300-315.

Abstract:On account of existing recycling technology for titanium white waste acid,a new spray concentration technology was developed.By simulated tests in laboratory and drawing on the technology of spray concentration,a spray concentration equipment for treating titanium white waste acid is designed.The concentration of waste acid concentrated is over 80%by this equipment.The optimal process parameters are decided by condition tests.

Key words:titanium white waste acid;recycling;spray concentration;equipment

Development of Spray Concentration Equipment for Titanium White Waste Acid

LI Liang
(Material Engineering Department,Panzhihua Universtiy,Panzhihua,Sichuan 617000,China)

TQ051.73

A

1009-2617(2010)02-0130-04

2009-11-20

攀枝花市環(huán)境治理重大項(xiàng)目(2008KY019);攀枝花學(xué)院預(yù)研項(xiàng)目(2008KT064)。

李亮(1970-),男,大學(xué)本科,副教授,主要從事釩鈦資源綜合利用和鈦白廢酸綜合利用研究工作。