METSIM在亚熔盐法钒渣清洁生产工艺流程设计中的应用_吕页清
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
图 2 钒渣清洁生产工艺详细流程 Fig.2 Detailed cleaner processing process of vanadium slag
图 3 钒渣清洁生产工艺的 METSIM 模型 Fig.3 The model of cleaner processing process of vanadium slag using METSIM Table 1
Mass flowrate (t/a) H2O KOH K3VO4 K2CrO4 K2CO3 K2SiO3 K3VO43H2O K2CrO4 K2CO3 CaCO3 CaSiO3 V2O3 Cr2O3 SiO2 CaO Tailings 610.2 47.2 5.9 1.1 0.8 3.8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 3.4 3.5 96.6 0.0 Silicate slag 78.6 4.9 0.6 0.1 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 168.7 0.0 0.0 0.0 28.1 K2CrO4 18.9 16.5 2.0 0.0 0.3 0.1 0.0 64.3 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 K3VO4 88.9 123.9 5.4 0.2 0.3 0.9 298.4 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 CaCO3 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 30.2 0.0 0.0 0.0 0.0 3.5
第 13 卷第 2 期 2013 年 4 月
过 程 工 程 学 报 The Chinese Journal of Process Engineering
Vol.13 No.2 Apr. 2013
METSIM 在亚熔盐法钒渣清洁生产工艺流程设计中的应用
吕页清
1,2,3
, 郑诗礼 , 王少娜 , 杜 浩 , 张 懿
(1) (2) (3) (4)
压缩空气加入量以氧气过量 10%为基准. 反应后浆料进 入稀释结晶器,控制稀释后碱浓度为 250 g/L,以利于 脱硅操作. 稀释后浆料经过浓密机分为液相和固相,固 相为湿尾渣, 液相进入脱硅单元. 脱硅单元 CaO 添加量 过量 10%,发生的反应为:
表 2 物料衡算结果 Table 2 The result of mass balance
2
模拟结果与分析
采用 METSIM 对亚熔盐铬盐清洁生产工艺进行了
流程模拟[14],物料衡算结果与实验值平均误差为 0.8%, 证 明 了 METSIM 软 件 的 可 行 性 . 故 本 工 作 采 用 METSIM 软件对亚熔盐钒渣钒铬高效共提清洁生产工 艺进行流程模拟,为工艺放大和设计提供参考. 2.1 物料衡算 亚熔盐钒渣钒铬高效共提清洁生产工艺流程如图 2 所示. 基于公斤级试验的操作条件及经验,采用 METSIM 模拟软件建立模型,如图 3 所示,以年产 100 t V2O5 为基准,年工作日以 300 d 计,每天工作时间以 24 h 计. 钒渣组成如表 1 所示.
收稿日期:20130125,修回日期:20130326 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号:2013CB632605);国家自然科学基金资助项目(编号:51274179; 51090382) 作者简介:吕页清(1987),女,山东省济宁市人,硕士研究生,化学工程专业;杜浩,通讯联系人,E-mail: duhao121@hotmail.com.
sysCAD 及 IDEAS 等[11]. 流程模拟可 要有 METSIM[10]、 方便地对工艺建模并根据需要灵活地进行改进. METSIM 最初起源于一个冶金工艺的模拟程序, 经 过十几年的发展完善,现已成功应用于很多冶金领域的 流程模拟. Hernandez 等[12]采用 METSIM 软件对从溶液 中提取砷进行了工艺设计, 得到了不同的物料衡算和能 量衡算结果,最终得到了工艺所需的操作参数. Pimporn 等[13]采用 METSIM 对火法冶金过程铜生
3. 精馏技术国家工程研究中心,天津 300072)
2
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
2
(1. 天津大学化工学院,天津 300072;2. 中国科学院过程工程研究所湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室,北京 100190;
摘 要:采用 METSIM 软件对亚熔盐法钒渣钒铬共提高效清洁生产工艺进行了物料衡算和能量衡算,得到 5 股出口 物流的基本物流信息,包括所含物质及其各自质量流量,其中,钒主要存在于钒酸钾晶体中,质量流量为 298.4 t/a, 铬主要存在于铬酸钾晶体中,质量流量为 64.3 t/a. 同时针对本工艺能耗偏高、热利用率低的问题,采用夹点技术对其 进行了换热网络优化. 热交换网络经优化后,可使热公用工程及冷公用工程用量分别减少 97.5%和 16.9%. 关键词:亚熔盐;钒渣;METSIM 软件;流程模拟;夹点技术;换热网络 中图分类号:TQ135.1 文献标识码:A 文章编号:1009606X(2013)02027005
第2期
吕页清等: METSIM 在亚熔盐法钒渣清洁生产工艺流程设计中的应用
271
产工艺中熔炼反应器的性能进行了分析, 得到了铜在反 应产品及渣相中分布、反应渣相中磁铁矿及硅的含量和 反应温度的变化趋势. METSIM 具有以下优势:(1)使用计算机模拟工艺 流程,费用将大大低于实际操作,且可节省大量时间; (2)可任意改变设备类型和生产规模,从而选择最优、最 合适的工艺;(3)可获得更加详细的工艺数据;(4)可评 价操作技术,发现工艺中潜在的问题. METSIM 软件应用于亚熔盐清洁生产工艺还未见 报道. 本工作拟采用 METSIM 软件对亚熔盐钒渣钒铬 高效共提清洁生产工艺进行物料衡算及能量衡算,并基 于模拟结果,采用 Aspen 软件对其进行换热网络优化, 以提出改进措施,改善目前耗能较大的问题.
V2O3+6KOH+O22K3VO4+3H2O (反应程度 0.95), 2Cr2O3+8KOH+3O24K2CrO4+4H2O (反应程度 0.88), SiO2+2KOHK2SiO3+H2O (反应程度 0.48), 2KOH+CO2K2CO3+H2O (反应程度 1).
(5)
脱硅后溶液中的 K2SiO3 浓度降为 2 g/L. 脱硅后浆料经 过浓密机分为液相和固相,固相为钾硅渣,液相进入结 晶分离单元. 此时,溶液中含钒酸钾、碳酸钾及铬酸钾 等. 根据其在不同 KOH 浓度下溶解度的不同,将其逐 一分离:液相蒸发到碱浓度为 650 g/L、温度为 80 ℃, 铬酸钾结晶析出;将液相蒸发到碱浓度为 850 g/L、温 度为 80 ℃,然后冷却到 40 ℃,此时碳酸钾晶体大量析 出,碳酸钾进行溶解苛化,回收其中的钾循环利用;最 后再将剩余溶液进行钒酸钾的诱导结晶, 结晶后溶液循 环利用. 模型计算所得物料衡算结果见表 2,由表可得到五 股出口物流中包含的物质及其质量流量,还可得到钒、 铬元素在各出口物流中的分布. 由表可方便地看出钒大 部分以 K3VO43H2O 形式存在于钒酸钾晶体中,质量流 量为 298.4 t/a,铬以 K2CrO4 形式存在于铬酸钾晶体中, 质量流量为 64.3 t/a. 同时,还可得到钒、铬在其他出口 物流中的分布, 这可为进一步提高钒、 铬产率提供方向.
272
过 程 工 程 学 报
第 13 卷 K2SiO3+CaO+H2OCa2SiO3+2KOH.
实验中钒酸钾结晶后溶液一部分与钒渣混合进入 湿式球磨机(固含量为 75%),剩余部分分别经预热、蒸 发、熬碱操作,碱浓度达 70%,温度升为 240 ℃. 熬碱 后碱液与球磨后浆料在混合加热器中混合,同时补充 KOH,控制 KOH/矿比例,将混合浆料加热到 240 ℃, 进入液相氧化反应器. 在液相氧化反应器中发生的主要 反应为:
Liquid phase
Solid phase
2.2 能量衡算 过程变化引起的能量改变由下式计算:
H T H 298.15
T 298.15
数. 对其进行曲线拟合,所得方程为:
Cp0.37520.8+0.27625,
(7)
Cp dT ,
(6)
其中, 为 KOH 浓度(%, ). 由于 METSIM 内置的热容 为温度的函数,且模拟的蒸发浓缩操作单元是根据不同 碱液浓度对应的沸点而进行蒸发的,故可将拟合曲线转 换为温度函数. Frank[16]提出溶液中物质热容计算公式:
Cp,KOH Cp n1Cp,H2 O /n2 ,
其中,HT, H298.15 分别代表温度 T (K)及 298.15 K 下焓 值的变化, Cp 为过程热容[J/(molK)]. 可见能量衡算主 要取决于物质的热容. 由于亚熔盐介质为高温、高碱介 质,目前没有数据可直接用于能量衡算,而亚熔盐介质 中主要物质为 KOH, KOH 的热容为计算核心. 当 KOH 溶液浓度大于 50%时,热容的变化取决于 KOH 浓度, 与温度的关系几乎可忽略
1
前 言
钒是一种重要的战略金属,在冶金、宇航、化工、
由传统工艺的 70%提高至 95%以上, 铬回收率由不能回 收提高至 80%以上. 目前该工艺正在进行扩大试验[3]. 亚熔盐钒渣钒铬高效共提清洁生产工艺为湿法冶 金过程,主要包括液相氧化单元、稀释过滤单元、结晶 分离单元及蒸发浓缩单元, 反应体系主要特点为在高固 含下进行拟均相反应,且介质实现封闭循环. 之前采用 Excel 对其进行了物料衡算,但由于亚熔盐工艺流程中 操作单元较多、物流较复杂、耗费大量时间,流程改进 或扩大都需大量修改,灵活性不高. 流程模拟是将一个由许多单元过程组成的化工流 程用数学模型表现, 并在计算机上解算其物料及能量衡 算, 并进一步计算各单元设备尺寸及成本模拟[4]. 目前, 主要的化工流程模拟软件有 Aspen Tech 公司开发的 Aspen Plus[5,6]、美国科学模拟公司开发的 PRO/II[7]、美 国 Chemstations 公 司 开 发 的 ChemCAD[8] 、 加 拿 大 HyproTech 公司开发的 HSYSYS[9]等. 这些软件主要应
Leaching Evaporation
电子等工业部门有广泛用途. 全球提钒的主要方法为钒 渣钠化焙烧法[1],但该法存在钒回收率低、钒渣中铬无 法同步回收等问题,造成了资源的严重浪费,且处理后 钒渣由于含六价铬,堆放时严重污染环境. 基于源头消减废弃物的思想, 中国科学院过程工程 研究所开发了原创性的亚熔盐钒渣钒铬高效共提清洁 生产工艺[2],其工艺流程如图 1 所示. 亚熔盐为新的反 应/分离介质, 是可提供高化学活性及高活度负氧离子的 碱金属高浓度离子化介质, 是一种介于常规溶液和熔盐 之间的非常规介质, 具有蒸汽压低、 沸点高、 流动性好、 活度系数高及反应活性好等优良特性.
Component Content (%, ) Cr2O3 3.3 SiO2 21.0
表 1 钒渣组成 The composition of vanadium-containing slag
CaO 1.4 MgO 1.6 MnO 5.0 FeO 42.5 Al2O3 1.4 TiO2 10.8 V2O5 11.8 Others 1.2
Air Vanadium slag KOH
用在石油化工领域,虽然有些已应用于湿法冶金领域, 但只能模拟一些简单操作单元,且数据库中缺乏矿物湿 法冶金过程的基础数据,限制了在冶金领域的应用. 而 冶金流程模拟软件由于发展较晚, 目前较成熟的软件主
Filtration Liquid Tailings Separation V/Cr product Reaction medium
图 1 钒渣清洁生产工艺基本流程 Fig.1 Basic cleaner processing process of vanadium slag
亚熔盐钒渣钒铬高效共提清洁生产工艺利用亚熔 盐介质优良的物理化学特性强化钒渣的分解,可将钒转 化温度由传统的 750850 ℃降至 400 ℃,钒单次转化率