張紹武
摘 要:在DSD酸聯(lián)產(chǎn)鐵黑項目中試結(jié)項報告的基礎(chǔ)上,設(shè)計放大到工業(yè)化規(guī)模的工藝流程。
關(guān)鍵詞:DSD酸;鐵黑;放大;工藝流程
DSD酸的化學(xué)名稱是4,4”-二氨基二苯乙烯-2,2-二磺酸。鐵黑分子式為Fe3O4。采用鐵粉來還原DNS制備DSD酸是目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的工藝,但傳統(tǒng)的工藝會產(chǎn)生大量無法利用的鐵泥從而形成固廢,具有較大的環(huán)保壓力。
本論文淺談了鐵粉法還原聯(lián)產(chǎn)DSD酸和氧化鐵黑,變固廢為產(chǎn)品。從而解決DSD酸行業(yè)中固廢鐵泥難以處理的問題,對中國的顏料行業(yè)起到積極的示范推動作用。
1 反應(yīng)單元流程確定
9Fe+4H2O+2DNS鈉鹽→2DSD鈉鹽+3Fe3O4
1.1 預(yù)腐流程
預(yù)腐,就是鐵粉在酸性溶液中反應(yīng)1小時,生成一定量的二價鐵離子,二價鐵離子在反應(yīng)過程之中既是催化劑又是反應(yīng)物,因此可以大大提升反應(yīng)速率。本工藝采用10%濃度的醋酸溶液,在90℃下常壓預(yù)腐。
1.2 反應(yīng)流程
①預(yù)腐完成后向反應(yīng)釜逐漸滴加DNS鈉鹽溶液,滴加時間6h,DNS鈉鹽和鐵發(fā)生還原反應(yīng),反應(yīng)溫度為105℃,反應(yīng)壓力為0.2公斤(表壓),生成鐵黑和DSD酸混合液。然后加入氫氧化鈉調(diào)PH到10左右,加入保險粉防止DSD酸被氧化。保溫1小時,使DSD酸變成DSD鈉鹽并全部溶解,便于下一步與鐵黑分離。
②本工藝由于反應(yīng)物有固體物料投加,且需一段時間預(yù)處理,因此采用間歇釜式反應(yīng)器。
在間歇釜式反應(yīng)器中,-單位時間VR內(nèi)反應(yīng)消失的物料量=單位時間VR內(nèi)物料A的累積量,得公式(1)
由nA=nA0(1-xA) 得dnA=-nA0dxA,帶入公式(1)得
-VRrA= nA0 ,當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時,分離變量并積分得
tr=nA0 (2)
在恒容條件下式(2)可以簡化為tr=cA0(3)
由cA=cA0(1-xA)代入式(3)得tr=(4)
由式(4)可見,間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間tr,只是動力學(xué)方程式的直接積分,與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。
因此反應(yīng)時間等于中試的DNS滴加時間6h。由此計算釜的大小與臺數(shù)。反應(yīng)過程總臺時為預(yù)腐投料醋酸、鐵粉、水共計1小時,預(yù)腐1小時,反應(yīng)6小時,投堿保溫1小時,出料1小時,合計10小時,因此每天反應(yīng)2批。年工作時間300天。根據(jù)中試數(shù)據(jù),噸產(chǎn)DSD酸,反應(yīng)釜持液量為7.219m3。年產(chǎn)15000噸DSD酸,按年操作時間300天計,反應(yīng)釜充裝系數(shù)按照0.7設(shè)計。每批所需要反應(yīng)釜體積為15000/300/2/0.7x7.219=258m3。如采用40m3反應(yīng)釜需要6臺,采用50 m3反應(yīng)釜需要5臺??紤]到反應(yīng)釜太大會影響攪拌效果,因此采用6臺40m3反應(yīng)釜,每天反應(yīng)2批,實際充裝系數(shù)為0.75。
2 產(chǎn)品分離流程確定
2.1 DSD酸與鐵粉分離流程
由于反應(yīng)液量及濾餅量都很大,因此采用板框過濾。鐵黑粗品板框計算臺時如下:進(jìn)料1小時,壓料1小時,打風(fēng)0.5小時,循環(huán)淋洗1小時,打風(fēng)0.5小時,卸料1小時,其余輔助時間1小時,共計6小時,每天可操作4批,為減少人工及操作量,選用2臺板框。每臺板框每批處理1.5釜料。操作時每3臺釜同時反應(yīng),另外3臺釜錯開6小時再反應(yīng),即可與鐵黑粗品板框臺時匹配。
反應(yīng)釜放料至鐵黑粗品板框,當(dāng)料液快放完的時候,用鐵黑粗品板框的循環(huán)淋洗水沖釜,一方面將釜壁上殘留的鐵黑沖走,另一方面可以回收循環(huán)洗水中的有機(jī)物。
2.2 鐵黑洗滌流程
鐵黑中有機(jī)物含量過高,鐵黑就無法銷售變?yōu)楣虖U。因此鐵黑的洗滌非常重要。由于在鐵黑粗品板框上的洗滌屬于靜態(tài)洗滌,無法將有機(jī)物完全洗掉,因此需增加打漿洗滌流程,采用三次打漿循環(huán)洗滌,洗水套用。
3 DSD酸酸析流程確定
鐵黑粗品板框的濾液為DSD鈉鹽,需經(jīng)過硫酸酸析才能得到最終產(chǎn)品。酸析釜采用3臺。首先在酸析釜中加入一定量95℃底水,然后同時加入鐵黑粗品板框的濾液及50%硫酸,控制PH值在1-2,溫度95℃。酸析過程中有大量煙霧產(chǎn)生,經(jīng)過酸析釜頂?shù)乃嵛鰵馊骼淠亓鞯剿嵛龈獌?nèi)。酸析氣全凝器工藝計算如下:
根據(jù)中試數(shù)據(jù),酸析釜頂出口蒸汽流量約為150m3/h。95℃水的飽和蒸汽壓為84518Pa,因此出口氣中水蒸氣量為15x84518/101330=125m3/h。常壓下水蒸氣密度為0.597kg/m3,水蒸氣質(zhì)量為12.5x0.597=75kg/h
95℃水蒸汽汽化熱為2270.9kJ/kg,冷凝介質(zhì)采用循環(huán)水,入口溫度為32℃,出口溫度為40℃。由于有酸氣夾帶,換熱器采用石墨列管換熱器。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)傳熱系數(shù)K=100W/(m2·K)
根據(jù)上三式代入數(shù)據(jù)求得換熱面積A=8m2,冷凝水量為5m3/h。
酸析后得到DSD酸混合液,通過兩臺成品板框過濾得到濕品DSD酸。
4 DSD酸、鐵黑干燥包裝
DSD酸、鐵黑干燥包裝選用撬裝設(shè)備,DSD酸采用閃蒸干燥,鐵黑采用帶式-粗破碎-盤干-渦流磨精破碎。包裝均為機(jī)械手自動化包裝碼垛。