氯化铵蒸发

河北工业大学2015届本科毕业设计（论文）前期报告

毕业设计（论文）题目：6t/h氯化铵废水四效蒸发装置设计

专业（方向）：过程装备与控制工程

学生信息：学号：117197 姓名：齐鹏班级：过程C112

指导教师信息：教师号：89015 姓名:史晓平职称：副教授

报告提交日期：2015-03-27

内容要求：（1.阐述工作过程，遇到的问题，解决问题的方法效果启示，任务书要求进度完成情况2.毕业论文的前期报告要求提交文献综述）。

一．工作过程

开学到校后，从老师那里拿到设计任务书，并听老师简单说了一下用蒸发工艺处理氯化铵废水，然后自己看《化工原理》这部分蒸发，大体了解了蒸发工艺及蒸发中要用到的一些设备，然后查阅关于用蒸发处理氯化铵废水的文献，了解了现在工业中处理氯化铵废水常用的几种方法，有多效蒸发，MVR技术，膜技术等，综合各种方法的优缺点，最后决定采用降膜蒸发器和强制循环蒸发器组合的一套工艺设备，并采用错流的形式。

二．工作问题

1.采用什么样的蒸发器蒸发氯化铵效率高，四效蒸发中料液采用什么流动方式合理？

2.都可以采取哪些措施，使氯化铵蒸发工艺更节能？

3.氯化铵的结晶采用什么形式比较好？

三．解决方法

1.在多效蒸发中, 常见的操作流程有顺流、逆流、平流和错流。顺流流程由于后效溶液的浓度较前效高, 且温度又较低, 所以随溶液浓度的提高导致粘度逐渐增加, 致使传热系数下降。逆流流程中, 第一效蒸发器中溶液的温度和浓度都很高, 设备腐蚀相当严重。上述两种流程虽各有特点, 但都不适合低浓度氯化铵废水的蒸发。鉴于此种情况,基于氯化铵特殊的物理化学性质，又参考赵斌等提出的三效错流降膜真空蒸发低浓度氯化铵废水工艺，最后采用错流的形式，并且在一，二，四效采用降膜真空蒸发器，三效采用强制循环蒸发器。

2.节能是蒸发操作应予以考虑的重要问题，大体有三种方法，1提高生产强度，2多效蒸发3额外蒸汽的引出。根据U=1/r k T,提高生产强度可以加大传热温差（1提高加热

的温度2采用真空蒸发以降低溶液的沸点）提高生产强度还可以提高蒸发器的传热系数，蒸发器的传热系数主要取决于蒸发器的结构操作方式和溶液的物理性质（1合理的设计蒸发器结构，已建立良好的溶液循环流动，2及时排除加热室中的不凝气体，经常清除垢层等均可提高传热系数）。采用多效蒸发可以充分利用蒸汽提供的热能，以减少蒸汽的用量，从而达到节能的目的。通过引出额外蒸汽把一些品位低的蒸汽用作其他用途，比如说用来预热料液，同样可以起到节能的作用。

3.高浓度氯化铵的结晶形式主要有冷却水结晶，蒸发结晶，在蒸发结晶中比较容易造成堵塞，所以换热器需要开一备一。用闪蒸结晶是一种比较不错的蒸发结晶形式。在冷却结晶中，搪瓷罐的换热面积比较小，处理量有限。设备会做的非常大。我设计的工艺过程中，在第三效采用强制循环蒸发器，直接出固液混合物，然后进行固液分离液体又打回循环中。四．工作体会

我觉得毕业设计还是有一定难度的，这不仅是对我们所学知识的考察，更是对我们能力的考察。我们需要在这短短的几个月，充分利用自己所学的知识，在老师的指导下，独立完成文献的检索，选择和制定合理的工艺流程，并且选择合适的设备。在这个过程中，会极大的锻炼我们的能力，让我们在本科所学的基础知识得到充分应用，同时锻炼我们发现问题，解决问题的能力，提高我们的设计能力，使我们在参加工作后能够很好的融入到自己的工作中去。读研时能够很好的完成老师所布置的研究任务。我一定脚踏实地认认真真的完成自己的毕业设计，使自己的能力和才华得到充分的展现。

五．进度时间安排

一．2015.3.4---2015.3.6 （查阅资料，文献查阅）

二．2015.3.7---2015.4.1 （根据查阅的资料，确定初步工艺流程，撰写前期报告，2015.4.1之前上交前期报告）。

三．2015.4.2---2015.4.30（工艺及设备的计算，设备的选型，撰写中期报告，2015.4.30之前上交中期报告）。

四．2015.5.1---2015.5.25（开始绘图，修改绘图质量，修改完善，完成设计图纸的要求）。五．2015.5.25---2015.6.5（撰写计算说明书，准备答辩）。

六．文献综述

1物料的性质[1]

氯化铵化学式：NH?Cl

性质：白色粉末或略带黄色的方形、八面体性晶体。无臭。味咸。有清凉性。吸湿性小，一般不吸湿结块。氯化铵加热升华或分解，在100℃时开始显著挥发，在337.8℃时分解为NH3和 HCl。

氯化铵易溶于水，也溶于甘油和液氨中，难溶于醇，不溶于丙酮和乙醚。水溶液呈弱酸性反应，在加热时酸性增强。对黑色金属和其他金属有腐蚀，特别对铜腐蚀性更大，而生铁还能抵抗它的腐蚀。

2 氯化铵废水的产生源、产生量及对环境的危害[2]

氯化铵废水的产生源和产生量在化肥工业和稀土生产产一定量的氯化铵废水, 由于氯化铵废水中氨氮和氯离子存在, 若氯化铵废水直接排放, 则会对水体产生一定的污染, 且随着量的不断增长污染程度也在加大。所以, 我们必须对其有深刻的认识, 现阶段一些研究人员也在做这方面的努力, 通过一些物理、化学和生化的手段来理氯化铵废水, 主要是采用膜处理技术和电渗析法。近年来, 随着我国农业的不断发展, 化肥工业得到了长足的进步, 不仅在技术上取得了较大的突破,在规模上更是空前的膨胀。尤其是碳酸钾类的化肥生产, 我国碳酸钾工业化生产始于20 世纪60 年代,70 年代末和80 年代初形成规模,并且生产能力迅速增加, 1994 年至1998 年年产量由6 万t 增加到12万t, 4 年增长了1 倍, 超过日本成为亚洲最大碳酸

钾生产国, 主要生产厂家有山东鲁南化肥厂, 山西文水化工厂等。我国碳酸钾化肥主要采用的是间歇式离子交换工艺, 在生产过程中产生大量的氯化铵废水。近年来, 我国化肥工业中氯化铵化肥所占的比

例也有大幅度提高, 这导致了其废水排放量进一步增加。据估计, 每年至少含氯化铵的废水1 000 万t。我国珠江沿岸大部分河流均不同程度受到化肥工业氯化铵废水的污染, 随着我国农业的迅速发展及化肥工业的兴起, 化肥工业氯化铵废水带来的环境问题将日益严

重。

随着稀土工业的不断发展, 产生的氯化铵废水量也会逐年的增加, 对环境的影响越来越明显。

氯化铵废水对环境的危害

( 1) 氨氮消耗水体的溶解氧, 加速水体的富营养化过程。水体富营养化后, 使藻类迅

速繁殖, 这样将降低水的质量。具体表现为: 污水厂的滤池容易堵塞, 降低净水质量; 海滨浴场的水体变色变味; 蓝藻门的藻类毒性最强, 污染范围广且最严重, 产生的毒素危害鱼和家畜氨氮随污水排入水体后, 可在硝化细菌作用下被氧化为硝酸盐, 会导致水体缺氧, 鱼类大批死亡。工业废水排放量不断增加, 绝大部分废水

未经任何处理直接排入水体, 致使许多水域被污染。据报道, 淮河泄洪时, 工业污水混入使洪泽湖成为“死亡之水”, 湖内特种水产养殖业直接经济损失达1 亿多元, 其中氨氮浓度严重超标, 成为水生物的致命根源, 所以对于氯化铵废水处理必须引起足够重视。水资源的不断恶化, 加剧了水资源危机, 农田施肥利用率低, 绝大多数氮肥存在于土壤之中, 随着雨水的冲刷进入江河中, 这是造成河流湖泊“水华”的重要原因之一。( 2) 氨氮在水中微生物作用下转变为硝态氮和

亚硝态氮, 对人体有毒害作用。硝态氮进入人体后,能通过酶系统还原为亚硝态氮, 轻则引起高铁血红蛋白病, 重则使婴儿死亡。硝态氮和亚硝态氮均为强化学致癌物质- 亚硝基化合物的前体物质, 有致癌、

致突变、致畸的性质, 对人体危害十分严重。( 3) 氨氮会与消毒液体中的氯气作用生成氯胺,而氯胺的杀菌效果较差会降低消毒效果。所以当对含有较高浓度氨氮的水源, 或含氨氮量较高的污水厂出水进行消毒时, 会增加氯胺的消耗量, 而且杀菌效果会显著降低。另外, 氯化铵的大量排放会对土壤氯离子浓度和pH 值带来不良影响, 氯化铵会导致土壤氯离子的积累, 土壤pH 值下降, 高浓度的氯化铵可导致小白菜的氯中毒, 改变土壤粒径结构。国内外有关氯离子对农作物的危害也有大量的报道和研究, 受污染的农田中, 当氯离子质量浓度达到300 mg·L- 1 时, 水稻在分桑期的株高几乎呈不增长的状态, 当质量浓度达到3 800 mg·L- 1 时, 水稻地上部分全部枯死。据报道, 水稻受氯离子危害的临界浓度是:返青期质量浓度为500 ～700 mg·L- 1, 分桑期质量浓度为700～1 000 mg·L- 1, 超过这个临

界浓度, 将引起水稻植株体内的细胞生理性损害, 细胞内渗透压受到破坏,引起细胞体内失水而质壁分离。氯离子的浓度越大,植株呈现出的萎蔫症状越严重。毒理试验结果也表明, 受这种高浓度氯化铵工业废水污染的土壤中N浓度也会异常增多, 容易引起植物营养过剩而造成贪青徒长, 对一些农作物如水稻产量也会造成一定的不利影响。在玉米叶片中氯离子浓度过高, 则使Ps+浓度下降, 导致磷酸化反应受阻, 植物细胞的供能不足, 能耗降低, 而直接影响植物生长。土壤中累积大量的氯离子对忌氯作物如马铃薯、甘蔗、烟草、茶树和葡萄等

的产量和品质均有不良影响, 如兰茶树叶片中氯离子浓度超过0.4%时, 就会出现品质下降, 当幼龄茶园氯化钾一次用量达300 kg·hm- 2 时,新梢内氯离子含量迅速增加, 超过临界值而受害凋萎。另外, 环境中的氯盐通过混凝土的宏观、微观缺陷, 渗入到混凝土中并到达钢筋表面, 在影响钢筋混凝土桥梁耐久性因素中, 氯离子引起的钢筋锈蚀被排在首位。据美国报道, 1998 年桥梁维修费为1 550亿元, 是其初建费的4 倍。

3.氯化铵废水的处理方法[3]

3.1多效蒸发

目前国内氯化铵废水的处理多采用蒸发浓缩的方式。蒸发浓缩是非常典型的化工操作单元，在化工、食品、轻工、海水淡化、污水处理等方面被广泛应用。河北东华化工集团1998 年对氨基乙酸生产过程中产生的含氯化铵废液采用“单效二次循环蒸发”方式进行处理，取得了明显的经济和环境效益。该工艺路线是将精馏母液直接打入蒸发器进行一次浓缩，浓缩液经常温冷却过滤，滤液经过预热器再次进入蒸发器进行二次浓缩，然后冷却结晶。该工艺既回收了氯化铵，又有效减少残液量，单效工程投资少，动力消耗小，比较适合中小企业的情

况。近几年来，在实际生产中，为了减少蒸汽使用量，节约能源，常采用多效蒸发的方式。多效蒸发是把多个蒸发器串联起来，前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，对经过前一效的物料再次进行

浓缩的过程。有文献报道，采用双效或者三效，并结合热泵技术充分利用二次蒸汽，来节约能源。

3.2 膜技术

不同浓度氯化铵的废水蒸发浓缩时，都会对设备产生腐蚀。即便是钛材设备，在高浓度、

高温蒸发时，腐蚀现象也较严重。为此，企业不得不研究应用新技术、新设备来解决问题。膜分离技术是20 世纪中期发展起来的一种新型的分离技术。其工作原理是利用膜本身所具备的选择性，选择性透过混合物中的某些物质，而其他一些分子不能够通过，从而达到分离提纯的目的。与传统分离方法比较，膜分离具有明显的优点：分离效率高、能耗小、不产生化学变化。膜按孔径大

小可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。孟范平等根据山东某化工厂废水的实际情况，在实验室模拟生产过程中的高浓度氯化铵废水，并采用纳米材料复合膜进行处理。通

过优选得到最佳的工艺条件：在温度为35 ℃，pH 值为6，膜分离压力为5.5 MPa 时，对试验的不同浓度氯化铵废水的脱盐率均在95 %以上，且出水水质好，可以直接用于二次生产，循环使用。该研究团队还研究讨论了3 种不同分级串联工艺处理氯化铵废水。化学吹脱- 化学沉淀、纳滤- 沉淀以及纳滤- 化学吹脱，其中前2 种方法均无法去除废水中的氯离子，纳滤- 化学吹脱串联工艺在去除氯化铵废水中氨氮的同时，将氯离子浓度减少了50 %左右。

3.3MVR 技术

MVR 全称为机械蒸汽压缩技术（MechanicalVaporRecompression），是在20 世纪初期由瑞士学者发明的，几年之后第1 套MVR 设备在奥地利试用。中国引进该技术比较晚，发展较缓慢。其工作原理是利用自身产生的二效蒸汽，经过压缩机压缩升温后在进入蒸汽加热室与物料进行换热，代替生

蒸汽循环利用。因其在运行过程中利用自身的二效蒸汽，从而节省了生蒸汽，节能降耗效果明显。近几年随着国家节能减排，环境友好政策的实施，各企业也开始关注开发MVR 技术。目前MVR 技术在废水处理方面的应用已经很广泛，但关于其在处理氯化铵废水中的报道并不多。许克等针对电子行业的氯化铵废水进行研究。采用了物理方法和MVR 技术相结合的工艺对于该废水进行处理，经过预处理、混凝沉淀过滤后，进入MVR 系统进行蒸发浓缩，得到氯化铵产品。MVR 系统的冷凝水经过离子交换树脂的处理可直接排放。该工艺运行阶段对废水中各污染物的去除率良好，对氨氮去除率可达到97.75 % ~98.5 %，回收的氯化铵可以作为产品出售，具有较好的经济效益。对于印刷线

七．总体设计思路

1.蒸发效数及工艺流程的确定

对于能耗过高的问题，大多数采用多效蒸发的方法来降低能耗，利用?分析法和热力学经济理论分析法，选择合理的效数，任务已经确定为四效。采用四效蒸发，蒸汽被充分利用降低了成本，使经济性明显提高。为了使氯化铵溶液对设备的腐蚀程度降低，用低温蒸发和低温蒸发的方法来降低溶液的沸点是溶液在低温下气化，缓解了对设备的腐蚀，同时抑制了催化剂的分解和氯化铵的升华。常见的流动形式有顺流逆流平流和错流。采用顺流流程时后效溶液的浓度比前一效要高，温度又比较低，随着溶液浓度的升高，粘度增大，传热系数逐渐下降。如果采用逆流操作，第一效的温度和浓度都比较高，对设备腐蚀比较严重。同时针对低浓度氯化铵的特点，最后决定采用四效错流的形式，即生蒸汽从一效出来后进入四效，

然后由四效进入二效，最后从三效直接出产品，晶体进入除垢器，料液再打回三效料液入口。

2.蒸发器及辅助设备的选择。

蒸发器的种类有很多，常见的有中央循环管式，悬框式，外加热式蒸发器。还有生膜蒸发器，降膜蒸发器。选择蒸发器一般要考虑以下条件，满足生产工艺的要求；保证产品的质量；生产能力必须较大，结构比较简单；操作维修比较方便；经济性能比较好。综合以上考虑，最后决定在一,二,四选用降膜蒸发器。它具有以下优点：可以在较小的温差下工作；气化面积比一般的蒸发器要大；液沫夹带量比较少，避免了二次污染；蒸发比较温和，液体的滞留量较少，。加料，浓度，压强等操作条件变化时，过程反应灵敏，易于控制，利于提高产品的质量；可用于含少量固体物和有轻度结垢倾向的液体。因为要在第三效蒸发器出固液混合物,第三效内溶液的黏稠度会比较高,故采用强制循环蒸发器,利用泵进行强制循环,.加热室采用卧式加热器.卧式加热器的上方一般有足够高的液体静压，加热室中的液体受热却不沸腾。等液体流至上方空间时，因为压强降低产生闪蒸，使气化与加热面分离，减少了加热面上结垢的可能。另外，流体流动不依赖于虹吸，使传热温差可按溶液物性来独立的确定。除沫器选用丝网式除沫器。末效蒸汽用列管式换热器进行冷凝。用一个罐式容器来代替疏水器。

八．主要参考文献

[1]天津化工研究院等编。无机盐工业手册上。北京：化学工业出版社，1996

[2]雷晓林，查红平，肖维林，董瑞斌。氯化铵废水的现行处理技术。江苏环境科技；2007.20（增刊2）：124-126

[3] 王秀茹，李前锋，王娜，王立辉. 工业废水中氯化铵的处理方法. 河北东华冀衡化工有限公司

.2014