Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Московский государственный машиностроительный университет
Институт химического машиностроения и инженерной экологии
Кафедра «Техника экологически чистых производств»
Курсовая работа
«Очистка сточных вод с использованием химических реагентов в производстве экстракционной фосфорной кислоты»
Выполнила: студ. Н-43
Рубаненко А.Н.
Проверил: Булатов М.А.
Москва 2012
Содержание
Описание технологической схемы
Для сокращения расхода извести рекомендуется проводить процесс нейтрализации в две стадии: сначала мелом (до pH 6-7), затем известковым молоком (до pH 11). Промежуточное осветление сточных вод позволяет снизить содержание ионов фтора в очищенной воде до 8-10 мг/л. Сточные воды после нейтрализации направляют в отстойник. Осадок из отстойника подают в накопители и обезвоживают. После промывки и высушивания полученный твердый осадок можно использовать в цементной промышленности (аналогично отходам производства кремнефторида натрия).
Фосфор в сточных водах присутствует в виде растворимых соединений орто- и метафосфатов, а также в виде комплексных неорганических фосфатов, например полифосфатов. Методы осаждения фосфатов основаны также на нейтрализации сточных вод известковым молоком с образованием фосфата кальция и гидроксилапатита в виде осадка. Полученный после нейтрализации осадок возвращают в экстрактор. Таким образом, комплексная переработка сточных вод позволяет не только осуществлять их обезвреживание, но и получать товарный продукт.
На рисунке 4 показана замкнутая система водопользования производства экстракционной фосфорной кислоты.
Рис.4 Технологическая схема использования воды в замкнутом цикле в производстве экстракционной фосфорной кислоты на привозном фосфоре. Сооружения: / — узел для подогрева воды; // — дозаторы фосфора; /// — башня сжигания фосфора; IV — хранилище фосфора; V — сборники оборотной воды; VI — участок мойки железнодорожных цистерн; VII — сборник фосфорсодержащих сточных вод; VIII — отстойник; IX — сборник осветленной воды; X — лаборатория. Потоки: / — продувочные воды оборотной охлаждающей системы; 2 — фосфор; 3 — оборотная вода; 4 — фосфорсодержащий шлам; 5 — фосфорсодержащие сточные воды; 6 — свежая речная вода
Фторсодержащие сточные воды, а также избыток кремнефтористо-водородной кислоты от производства экстракционной фосфорной кислоты и воду из системы гидроудаления фосфогипса нейтрализуют в основных и локальных очистных сооружениях раствором известкового молока концентрацией 10 % (масс). Очищенную воду подают в производство на повторное использование. В замкнутой системе гидроудаления фосфоогипса используют локально очищенную воду с расходом 600 м3/ч. Часть очищенной воды направляют в основные очистные сооружения, где очищают фторсодержащие сточные воды карбонатным методом. Обезвоженный на барабанных вакуум-фильтрах осадок направляют в установку для переработки твердых отходов.
Типовая схема очистки сточных вод, принятая на заводах по производству экстракционной фосфорной кислоты, предусматривает следующие операции:
1) первое осветление сточных вод, поступающих на очистку;
2) нейтрализацию осветленной воды с одновременным получением взвеси фосфатов и фторида кальция;
3) второе осветление сточных вод;
Вторично осветленная вода направляется в накопители для повторного использования.
Первое осветление сточных вод
При степени загрязненности сточных вод фосфором первое осветление должно обеспечивать осаждение 90-98% взвесей, содержащих фосфор. Получаемый при этом шлам содержит от 10 до 30% элементарного фосфора. Для снижения производственных потерь, этот шлам непосредственно сжигают в специальных топках, получая фосфорную кислоту.
Стадия нейтрализации
Ниже приведены показатели сточных вод, направляемых на переработку на станцию нейтрализации:
Взвешенные вещества, г/л 5-6
Сухой остаток, г/л 12-16
Прокаленный остаток, г/л 7-10
Содержание ионов, г/л
SO4 3-4
F 0,7-1,0
Фосфаты 5-7
Кремний 2-4
pH 1,4-1,5
Реакции нейтрализации в статическом реакторе-смесителе протекают практически мгновенно. При этом образуются растворы электролитов, пересыщенные по соединениям кальция. В пересыщенных растворах начинается процесс кристаллизации – образование и рост кристаллов Ca3(PO4)2. По мере увеличения размера твердых частиц происходит их осаждение.
Для увеличения степени очистки необходимо стремиться к уменьшению равновесной концентрации кристаллизующегося компонента, повышению константы скорости роста кристаллов при заданной удельной поверхности затравочных кристаллов и интенсивности продольного перемешивания в реакционной зоне.
Вторичное осветление сточных вод
Полнота удаления взвешенных частиц, содержащих элементарный фосфор, зависит от эффективности процесса вторичного осветления сточных вод. Для укрупнения взвесей малорастворимых солей кальция, а, следовательно, для повышения скорости их осаждения, в полученную при нейтрализации суспензию добавляют раствор полиакриламида, выполняющего роль флокулянта.
Полиакриламид является высокомолекулярным полиэлектролитом, который в воде диссоциирует, образуя на своих нитевидных молекулах заряженные узлы, способные присоединиться к твердым взвешенным частицам, содержащим на поверхности ионы многовалентных металлов. В результате сорбции молекулы полиакриламида с отдельными взвешенными частицами образуют флоккулы, что способствует быстрому осаждению частиц.
Оптимальное количество полиакриламида находится в пределах 0,5-1,5 мг на 100 мг взвешенных веществ. При меньшем количестве его будет недостаточно, более высокое количество приводит к агломерации отдельных молекул полиакриламида между собой и стабилизации суспензии.
Элементы АСУТП на стадии нейтрализации
В качестве параметра для контроля и регулирования процесса нейтрализации сточной воды используют величину pH - показатель концентрации ионов водорода, которая измеряется pH- метром, установленным по месту, и показывающим прибором, вынесенным на пульт управления.
Если бы величина pH сточных вод и скорость их поступления были постоянными, то количество нейтрализующего реагента можно бы подавать с постоянной скоростью, например, известкового молока из расчета 28г CaO на 1 грамм-эквивалент кислот. Для обеспечения непрерывной дозировки необходимого количества известкового молока от дозировочного бака к нейтрализатору подведены три трубопровода с запорной арматурой, из которых: на двух трубопроводах дозировка реагента осуществляется автоматически, а на третьем вручную.
В качестве дозирующего устройства на автоматических линиях используются пневматические клапаны. Для непосредственного измерения pH используют потенциометрические приборы.
Автоматическая регулировка работает по следующему принципу: сигнал, воспринимаемый датчиком, снимается и усиливается pH-метром и подается на электронный прибор. Далее, с помощью пневморегулирующего устройства он воздействует на мембрану исполнительного механизма клапана.
Значение pH, до которого необходимо нейтрализовать сточные воды, устанавливается при помощи указателя на электронном приборе. В случае, если pH воды в нейтрализаторе ниже заданного значения, то через систему рычагов заслонка пневматического регулятора прилегает к соплу, что уменьшает давление воздуха на мембрану исполнительного механизма пневматического клапана, а это ведет к открытию клапана и поступлению известкового молока в нейтрализатор.
По мере нейтрализации сточной воды до заданного значения pH изменяется сигнал на pH-метре и при этом повышается давление на мембрану клапана, а это влечет за собой прикрытие пропускного отверстия, которое полностью закроется при достижении в нейтрализаторе заданного значения pH среды, и дозировка известкового молока прекратится.
Технологические расчеты
Составление материального баланса
Исходные данные :
Объемный расход 5.2 м3/ч
Содержание P2O5 в сточной воде 1200 мг/л
в осветленной – 250 мг/л
Реакции:
2H3PO4+3Ca(OH)2=Ca3(PO4)2+6H2O (1)
2H3PO4 + Ca(OH)2+ H2O = Ca(H2PO4)2 + 2H2O(2)
Реагент содовое молоко Ca(OH)2 5% раствор .
Известковое молоко - суспензия, похожая на молоко. Она образуется при смешивании избытка гашеной извести с водой.
СаО+Н20=Са(ОН)а+67 кДж.
При заданной Т= 305 К растворимость в воде гашеной извести равна примерно 0,148г на 100г воды.
Для нейтрализации 1 г фосфорной кислоты требуется 1,132 грамма гашеной извести.
Нейтрализовалось фосфатов: 1200 мг/л-250мг/л =950мг/л
В 5% растворе гашеной нерастворившейся извести, которая вступит в реакцию нейтрализации (1) : 100г*0,05-0,148=5-0,148г =4,852г
При расходе 5.2 м3/час=5200л/час количество нейтрализованных в нем фосфатов 950 мг/л*5200 л/час=4 940 000 мг/час=4940 г/час
На гашение такого количества фосфатов(4940 г/час ) потребуется (согласно р-ии 1):
1,132 г содового молока – 1 г фосфорной кислоты
Хг содового молока - 4940 г кислоты
Х=m(Ca(OH)2)= 1.132*4940= 5592.08 г
Поскольку раствор гашеной извести 5%, то:
100г воды – 5г извести
Хг- - 6339,2г извести
Х=m(H 2 O)= 111841.6 г воды - раствор с такой массой воды требуется в час, чтобы нейтрализовать полностью 4940 г/час фосфатов, при этом полностью использовать гашеную известь в составе.
Материальный баланс
2H3PO4+3Ca(OH)2=Ca3(PO4)2+6H2O
2А+3В=R+6S
Согласно закону сохранения массы:
ΔnA/a = ΔnB/b= - ΔnR/r= - ΔnS/s
ΔnA=na0-n af
P 2O5+3H 2O=2H 3PO4
P 2O5/1= H 2O/3= H3PO4/2
M(P2O5)=142г/моль
M(H3PO4)=98г/моль
На входе:
(1.2 /142)/1=(x/98)/2
X=1.656 г/л – объемный расход фосфорной кислоты
Х=m(H3PO4)= 5200 л/час*1.656 г/л=8612.96 г/час=8.612 кг/час
n(H3PO4)=8,612 кг/час / 98кг/кмоль=0,088 кмоль/час – мольный расход фосфорной кислоты.
На выходе:
(0.25/142)/1=(x/98)/2
Х=0,345 г/л
Х =0,345г/л *5200 л/час =1,794 кг/час=1,104 кг/час / 98кг/кмоль=0,018 кмоль/час
(0,088кмоль/час- 0,018 кмоль/час) /2= (ΔnВ) /3
nВ =ΔnВвх*0.48/100 - на выходе (растворившаяся известь, в реакцию нейтрализации не вступила)
(ΔnВ)=0,105 кмоль/час =0,105 кмоль/час *74 кг/кмоль=7.77 кг/час
nВ=7770 г/час*0,148г/100г=11.499 г/час=0,012 кг/час
nr=(0.088-0.018)/2= 0,035 кмоль/час =0,035 кмоль/час *310кг/кмоль=10.85 кг/час, где
M(Ca3PO4)=310кг/кмоль
ns=(0.088-0.018)*6/2= 0,21 кмоль/час
M(H2O)=18 кг/кмоль
ns=0,21 кмоль/час *18 кг/кмоль =3.78 кг/час
|
вещество |
Приход кг/час кмоль/час |
Расход кг/час кмоль/час |
||
|
H3PO4 - А |
8.613 |
0,088 |
1.79 |
0,018 |
|
Ca(OH)2- В |
7.77 |
0,105 |
0,012 |
0,0002 |
|
Ca3(PO4)2- R |
0 |
0 |
10.85 |
0,035 |
|
H2O- S |
0 |
0 |
3.78 |
0,21 |
Итог 16.39 кг/час = 16.43 кг/час
Материальный баланс сошелся.
Расчет математической модели реактора
Равновесную концентрацию Ca найдем по таблице 672[2].
В пересчете на Ca3(PO4)2 = 0.035 кмоль/ч/5.2м3/ч =0.00673 кмоль/м3
По таблице 672 [2] равновесная концентрация Ca2+=0.03% , то есть 0.3 г в 1 кг, тогда
ССае = 0.3*10-3 *ρv / М
ρ = ρСа(ОН)2* 0.066+ ρН20(1-0.066)=( 2.24*0.066+0.99505(1-0.066))*103= 1077.2167*103 кг /м3.
При ρСа(ОН)2 = 2.24 г/см3
ρН20 = 0.99505 г/см3 (при 305 К)
ССае = 0.3*10-3 * 1077,2167/ 310 = 0.001 кмоль/м3 .
Конечную концентрацию принято брать 130% от рабочей:
С Саf = 1.3 ССае = 0.0013 кмоль/м3
А = (С Саf - ССае )/ ССаоо* (1- ССае/ ССао ) = (1.3-1)/ 6.73 (1- 1/6.73)=0.04464 кмоль/м3
А = sh(0.5 √M)/ sh √M = [c=√M]= (e0.5C- e-0.5C )/ (eC – e-C)= ( eC – 1)*e/ (e2C -1)=
= [T= e0.5C ]= ( T2 -1)T / T4 -1= T/ (T2+1)
A*(T2+1) =T
AT2 –T+A=0
0.04464T2 – T+ 0.04464= 0
D= 1- 4 (0.04464)2 = 0.992
T1,2= (1±√0.992) /2*0.04464
T1 = 22.357
T2= 0.0448
lnT = 0.5C
C1= ln22.356/ 0.5 = 3.1071/0.5= 6.214
C2= ln0.0448/0.5 = -6.211
M=C2 M= 38.614
K = 2.9*10-7exp [-9000/RT] = 2.9*10-7 exp[-9000/8.314*305] = 2.9*10-7 *0.0287 = 8.33*10-9
Принимаем Pe=10
D= 10-5 м3/с
f = 1.2*104 м2/м3
Следовательно, дину реакционной зоны можно рассчитать:
L = = √((38.614*10-5)/ 8.33*10-9*1.2*104) = 0.19654 м
Линейная скорость движения раствора вдоль оси канала
u = Pe*D/L = 10-4/ 1.965= 5.089*10-5 м/с
Определим радиус перемешивающего устройства:
Rп.у. = Re п.у * µv / ρv*u = 100* 0.7679*10-3 / 1077.2167 *5.089*10-5 = 0.014 м
Принимаем da = 0.15 м
Fc = π da2/ 4 = 1.76*10-2 м2
Проверим u:
u = v/Fc = 5.2 / 1.76*10-2 = 8.161*10-4 м/с .
Данное значение удовлетворяет.
Список использованной литературы
Выводы
В данной работе были произведены технологические расчеты процесса очистки сточных вод по каждому компоненту в отдельности и по всем в целом. Также были определены габаритные размеры реактора-смесителя для нейтрализации фосфорной кислоты.
Скорость проведения процесса определяется константой скорости поверхностного химического взаимодействия.
Константа скорости экспоненциально увеличивается с ростом температуры, в то время как коэффициенты массоотдачи на диффузионных стадиях зависят от температуры слабо. Следовательно, если при постоянстве линейной скорости потока и размера частиц с увеличением температуры наблюдается резкий рост скорости кристалла, то он протекает в кинетической области.