本發(fā)明屬于廢酸回收，涉及一種硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝。

背景技術：

1、在制備鈦白粉的硫酸法過程中，大量硫酸廢料液的產(chǎn)生導致了兩個主要問題。首先，處理和處置這些廢料液涉及顯著的環(huán)境風險和合規(guī)問題，因為不當處理可能導致嚴重的環(huán)境污染，常見的做法是采用石灰石中和工藝處理含硫廢水，這種方法利用石灰石(主要成分為碳酸鈣)與廢水中的硫酸反應生成硫酸鈣沉淀(即石膏)和二氧化碳。雖然這種處理方式在去除有害物質方面相當有效，該法的缺點主要有：試劑耗量大，硫酸沒有回收，中和后的污水還含有一些重金屬元素且由于被硫酸鈣飽和而無法循環(huán)使用；中和后石膏量較大，每噸鈦白粉要副產(chǎn)5t石膏，由于石膏用途少，因此銷路是比較困難的問題；目前國內(nèi)大多數(shù)規(guī)模較小的鈦白粉企業(yè)都采用這種方法處理廢酸，而國內(nèi)石灰石處理廢酸生產(chǎn)紅石膏的成本為700-800元/t鈦白，將會使硫酸法鈦白的生產(chǎn)成本提高10％-15％。

2、其次，直接處理或處置這些廢料液導致了硫酸的極大浪費，因為它們通常含有可再利用的硫酸。由于硫酸是一種寶貴的資源，這不僅增加了生產(chǎn)成本，也與日益增長的環(huán)境保護和資源可持續(xù)性目標背道而馳。

3、因此，如何提供一種既經(jīng)濟又環(huán)保的解決方案來回收和再利用來自硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過程中的硫酸廢料液顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術存在上述問題，提出了一種硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝。

2、本發(fā)明的目的可通過下列技術方案來實現(xiàn)：一種硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝，硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝用于處理采用硫酸法制備鈦白粉中產(chǎn)生的硫酸廢料液，硫酸廢料液中硫酸濃度為20-25％；經(jīng)過處理后的得到硫酸液用于鈦白粉酸解工段；硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝包括以下步驟：

3、s1過濾：將硫酸廢料液經(jīng)過過濾作業(yè)后，得到預處理硫酸廢液；

4、s2預熱：將預處理硫酸廢液依次采用預熱設備1進行水預熱作業(yè)、采用預熱設備2進行混合汽預熱作業(yè)和采用預熱設備3進行鮮蒸汽預熱作業(yè)，得到預熱料；

5、預熱的作用如下：提高熱效率：預熱是通過逐步加熱硫酸廢料液，將其溫度提高到沸點溫度。這樣做可以顯著減少在后續(xù)蒸發(fā)濃縮步驟中所需的能量，因為料液已被預熱至接近蒸發(fā)溫度。這不僅節(jié)省了能源，還有助于快速啟動蒸發(fā)過程。

6、減少設備的熱負荷：如果直接將較低溫度的硫酸廢料液送入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器需要消耗更多的能量來加熱料液到蒸發(fā)溫度。通過預熱，減少了蒸發(fā)器的熱負荷，從而降低了能耗并延長了設備的使用壽命。

7、降低操作成本：預熱步驟可以通過回收和重復利用系統(tǒng)中的熱能(如使用不凝汽和冷凝水進行預熱)來降低能源消耗，從而減少操作成本。

8、總之，預熱不僅優(yōu)化了硫酸的回收效率，還有助于節(jié)能、保護設備并提高整個工藝的經(jīng)濟性。

9、s3第一階段濃縮：使用mvr蒸發(fā)組合設備對預熱料進行蒸發(fā)濃縮，直至物料中硫酸濃度達到設計濃度，結束蒸發(fā)濃縮作業(yè)，得到初始混合料；

10、料液在mvr蒸發(fā)器中不斷蒸發(fā)濃縮過程中，使得硫酸的濃度被逐漸提高，同時料液中所含的硫酸亞鐵等鹽達到飽和濃度結晶析出。

11、mvr蒸發(fā)組合設備包括mvr蒸發(fā)器和蒸發(fā)壓縮機；在蒸發(fā)濃縮作業(yè)中，首先通過鮮蒸汽加熱mvr蒸發(fā)器，使mvr蒸發(fā)器中物料的水分進行蒸發(fā)，得到二次蒸汽，二次蒸汽通過蒸發(fā)壓縮機進行加壓升溫后，得到二次壓縮蒸汽，最后通過鮮蒸汽和二次壓縮蒸汽對mvr蒸發(fā)器進行加熱，以減少鮮蒸汽的使用量；

12、選擇mvr蒸發(fā)組合設備的原因：1.mvr蒸發(fā)器通過機械壓縮二次產(chǎn)生的蒸汽(即蒸發(fā)過程中釋放的水蒸氣)，重新利用這些蒸汽作為加熱源。通過這種方式，mvr技術可以顯著減少外部能源的需求，如新鮮的蒸汽供應，因為它主要依賴回收的蒸汽能量來維持蒸發(fā)過程。這種技術的能耗主要來自于驅動壓縮機的電力，而不是傳統(tǒng)蒸發(fā)所需的大量熱能。2.成本效益：mvr系統(tǒng)雖然在初期投資方面較高，但其操作成本遠低于傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)系統(tǒng)或單效蒸發(fā)系統(tǒng)。因為mvr系統(tǒng)極大的減少額外的熱能輸入，節(jié)省了大量的燃料費用和維護成本。長期運行中，這種節(jié)能效果可以大幅度降低整個工廠的能耗和運營成本。

13、選擇在第一階段濃縮步驟采用mvr蒸發(fā)組合設備，是基于以下幾個關鍵的考量：1.初始濃縮階段的效率需求：在硫酸廢料液的處理過程中，初始濃縮階段是最為關鍵的步驟，因為它涉及到將廢料液中的硫酸從較低的濃度(20-25％)提升到更高的濃度。mvr蒸發(fā)器通過回收和壓縮蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的蒸汽，提供所需的熱能來進行有效的濃縮。這一步驟對能源的需求較高，因此使用mvr系統(tǒng)可以顯著提升能效，是最合適不過的選擇。2.降低初期能耗和成本：通過在第一階段濃縮使用mvr，可以降低整個系統(tǒng)運行初期的能耗。mvr設備雖然需要電力驅動，但相比直接加熱所需的大量蒸汽來說，電力的成本通常更低，操作也更為可控。這對于整個生產(chǎn)過程的經(jīng)濟性和可持續(xù)性至關重要。

14、s4第二階段濃縮：使用單效蒸發(fā)器對初始混合料進行蒸發(fā)濃縮，直至物料中硫酸濃度達到設計濃度，結束蒸發(fā)濃縮作業(yè)，得到中間混合料；

15、選擇使用單效蒸發(fā)器而不是其他類型的蒸發(fā)器時，是從下幾個關鍵方面進行考量：1.工藝需求與濃度目標：在步驟s3中，使用mvr蒸發(fā)器將硫酸濃度從20-25％提升到約45％。此后，在步驟s4中的目標是進一步提升硫酸濃度至48％。單效蒸發(fā)器在此步驟的使用是基于其適應中間濃度硫酸的能力，能有效地從45％濃度提升至48％。這個階段不需要高能效的mvr系統(tǒng)，因為硫酸的濃度已經(jīng)較高，蒸發(fā)所需的能量相對較低。2.能源效率與成本考量：單效蒸發(fā)器相較于多效或mvr蒸發(fā)器，在能效上雖然略低，但在處理已經(jīng)相對較高濃度的硫酸時，能效的差距并不顯著。此外，單效蒸發(fā)器在設備成本、維護成本以及操作的復雜性上通常比mvr蒸發(fā)器要低。在達到設計濃度48％這一較為中間的目標時，使用單效蒸發(fā)器是一種成本效益較高的選擇。

16、3.操作的簡便性：單效蒸發(fā)器在操作上較為簡單，適用于在硫酸濃縮過程中的這一階段，可以提供穩(wěn)定和可控的操作條件。在硫酸濃縮的這個階段，物料的熱敏性和腐蝕性已經(jīng)比較高，使用單效蒸發(fā)器可以較好地控制這些風險。4.系統(tǒng)集成與流程連續(xù)性：從整個工藝流程的角度看，使用單效蒸發(fā)器在步驟s4可以作為一個過渡階段，為最終的閃蒸操作(步驟s5)做好準備。在硫酸的最終濃縮和純化階段，閃蒸蒸發(fā)器將處理更高濃度的硫酸，所以在步驟s4使用單效蒸發(fā)器有助于平衡整個系統(tǒng)的能耗和效率。

17、s5閃蒸：使用閃蒸蒸發(fā)器對中間混合料進行閃蒸作業(yè)，直至物料中硫酸濃度達到設計濃度，結束閃蒸作業(yè)，得到精濃硫酸混合料；

18、在閃蒸過程中，閃蒸蒸發(fā)器設置較低的壓力，當物料進入閃蒸蒸發(fā)器后，由于壓力的突然降低，料液中水分部分氣化蒸發(fā)，料液溫度降低，使得硫酸濃度提高，同時由于水分的蒸發(fā)，硫酸亞鐵等鹽進一步從溶液中結晶析出。

19、使用閃蒸蒸發(fā)器對中間混合料進行閃蒸作業(yè)的選擇，是基于以下幾個關鍵的工藝、能效和經(jīng)濟考量：1.工藝需求和蒸發(fā)效率：在硫酸的濃縮過程中，達到較高的濃度需要在保持較低能耗的同時提高濃縮效率。使用閃蒸蒸發(fā)器能有效實現(xiàn)這一點，因為閃蒸蒸發(fā)器通過快速減壓使溶液中的水分迅速蒸發(fā)，從而達到快速提高濃度的目的。此過程對于處理已經(jīng)相對較高濃度的硫酸尤其適合，因為在高濃度下傳統(tǒng)的蒸發(fā)過程會變得緩慢且耗能較大。2.溫度和壓力的優(yōu)化，在步驟s5中，參數(shù)設置指出閃蒸蒸發(fā)器的氣相壓力為10kpa(a)和氣相溫度為45℃，這表明在較低的溫度和壓力下進行操作，可以最大限度地減少熱量損失和提高能效。3.能源效率：閃蒸操作的一個主要優(yōu)勢是能量回收和能效優(yōu)化。通過閃蒸，可以利用物料自身的熱能來實現(xiàn)蒸發(fā)，從而減少了外部能源的需求。此外，從前一階段(單效蒸發(fā)器)獲得的熱量可以在閃蒸過程中得到再利用，進一步優(yōu)化了整體能耗。

20、5.成本效益：雖然初始投資可能高于傳統(tǒng)蒸發(fā)設備，但閃蒸蒸發(fā)器在操作中的高能效和低能耗可以在長期運行中節(jié)省更多成本。此外，由于其操作的特點，閃蒸裝置通常有較高的處理能力和較低的運行成本。

21、綜上所述，使用閃蒸蒸發(fā)器是為了實現(xiàn)高效和經(jīng)濟的最終濃縮目標，同時確保過程的能效最優(yōu)化。此選擇符合對高純度硫酸的制備要求，既保證了產(chǎn)品質量，又優(yōu)化了操作成本。

22、s6保護分離：將精濃硫酸混合料依次進行降溫作業(yè)和固液分離作業(yè)后，得到硫酸液和析出鹽分。

23、在硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝中，采用蒸汽制造設備提供鮮蒸汽和加熱水，蒸汽制造設備通過加熱水輸送管道連接預熱設備1、通過鮮蒸汽輸送管路1連接預熱設備2、通過鮮蒸汽輸送管路2連接預熱設備3、通過鮮蒸汽輸送管路3連接mvr蒸發(fā)器和通過鮮蒸汽輸送管路4連接單效蒸發(fā)器；

24、mvr蒸發(fā)器通過不凝汽輸送管路1連接預熱設備2，通過冷凝水輸送管路1連接預熱設備1；

25、預熱設備3通過不凝汽輸送管路2連接預熱設備2，通過冷凝水輸送管路2連接預熱設備1；

26、預熱設備2通過冷凝水輸送管路3連接預熱設備1；

27、預熱設備1通過回流管路連接蒸汽制造設備的水儲存單元，水儲存單元用于為蒸汽制造設備提供水源。

28、優(yōu)選的，在過濾作業(yè)中，采用多級單元組成的過濾系統(tǒng)進行過濾，

29、過濾系統(tǒng)的設計：初級粗過濾單元：這一級使用較大孔徑的過濾介質(含鉭合金、哈氏合金、蒙乃爾合金、聚四氟乙烯材質或合成纖維濾材)，目的是捕獲和去除廢液中的較大顆粒物質和明顯的固體雜質。這樣做有助于保護下游過濾設備免受大顆粒的損害。

30、中級細過濾單元：在初級粗過濾之后，使用中等孔徑的濾材(如砂濾床或砂殼過濾器)。這個級別的過濾旨在進一步去除中等大小的懸浮顆粒和一部分溶解性較差的沉淀物。

31、終級微過濾單元：使用細微孔徑的濾材(如多孔陶瓷或高效率聚合物過濾網(wǎng))，可以去除微小的顆粒物和殘余的微小沉淀物。

32、通過這樣的多級過濾系統(tǒng)，可以高效地處理硫酸廢液，為下一步的預熱和濃縮操作提供清潔、高質量的硫酸原料。

33、優(yōu)選的，在鮮蒸汽預熱作業(yè)中，預熱設備3通過鮮蒸汽輸送管路2接收來自蒸汽制造設備提供的鮮蒸汽，鮮蒸汽經(jīng)過換熱后變成為冷凝水和不凝汽，冷凝水通過冷凝水輸送管路2輸送至預熱設備1，不凝汽通過不凝汽輸送管路2輸送至預熱設備2。

34、在鮮蒸汽預熱中，鮮蒸汽轉化成冷凝水和不凝汽后，冷凝水被輸送回預熱設備1進行再次利用，用于對后續(xù)的預處理硫酸廢液進行水預熱，不凝汽則被輸送至預熱設備2，用于后續(xù)的預處理硫酸廢液進行混合汽預熱；這些副產(chǎn)物被重新利用，起到節(jié)能的作用。

35、優(yōu)選的，在步驟s3中，鮮蒸汽和二次壓縮壓縮蒸汽經(jīng)過換熱后變成為冷凝水和不凝汽；冷凝水通過冷凝水輸送管路1輸送至預熱設備1；不凝汽通過不凝汽輸送管路1輸送至預熱設備2。

36、優(yōu)選的，在混合汽預熱作業(yè)中，對預熱設備2進行加熱的加熱流體，經(jīng)過換熱后變成冷凝水的部分通過冷凝水輸送管路3輸送至預熱設備1，未冷凝的部分外排。

37、在混合汽預熱作業(yè)中，第一批次的硫酸廢液采用鮮蒸汽作為加加熱流體進行加熱；隨著鮮蒸汽預熱步驟的開始和第一階段濃縮作業(yè)的開始，在后續(xù)的加熱中，采用的加熱流體為鮮蒸汽、鮮蒸汽預熱步驟產(chǎn)生的不凝汽和第一階段濃縮作業(yè)產(chǎn)生的不凝汽，

38、優(yōu)選的，硫酸廢料液中硫酸濃度為20-25％；鮮蒸汽參數(shù)如下：溫度126℃，壓力130kpa；水預熱作業(yè)的目標溫度為78-80℃；混合汽預熱作業(yè)的目標溫度為93-95℃；鮮蒸汽預熱作業(yè)的目標溫度為110-115℃；

39、在步驟s3中，參數(shù)設置如下：mvr液相維持溫度為106-110℃、氣相壓力-50kpa、硫酸設計濃度為45％、二次壓縮蒸汽的溫度為126℃，二次壓縮蒸汽壓力0.239mpa(a)。

40、在步驟s4中，參數(shù)設置如下：單效蒸發(fā)器控制氣相壓力為-50kpa；維持單效蒸發(fā)器液相溫度110-112℃；硫酸設計濃度為48％。

41、在步驟s5中，參數(shù)設置如下：維持閃蒸蒸發(fā)器氣相壓力10kpa(a)，閃蒸氣相溫度為45℃；硫酸設計濃度為50％。

42、在制作鈦白粉的過程中，硫酸廢液中硫酸的濃度范圍在20％-25％之間，絕大部分情況，每生產(chǎn)1t的鈦白粉，約有5-6t硫酸濃度在22％左右的廢酸產(chǎn)生，在硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝中，參數(shù)的確定涉及到一個綜合考慮設備性能、處理效率、成本控制以及環(huán)境因素的復雜過程。對于提供的參數(shù)，其設定是基于以下考慮：

43、蒸汽的溫度和壓力設定：在鮮蒸汽參數(shù)中，溫度126℃和壓力130kpa的設定主要考慮到硫酸溶液的沸點和所需的熱量輸入。這一溫度和壓力能夠確保蒸汽在各個預熱和濃縮階段提供足夠的熱能，同時保持系統(tǒng)的熱效率和安全性。

44、預熱目標溫度：水預熱作業(yè)的目標溫度78-80℃、混合汽預熱作業(yè)的目標溫度93-95℃以及鮮蒸汽預熱作業(yè)的目標溫度110-115℃是根據(jù)硫酸溶液的比熱容和預期的熱傳遞效率選擇的。這些溫度設定幫助有效地提高預熱效率，同時減少熱能損失。

45、mvr蒸發(fā)器和單效蒸發(fā)器中的參數(shù)：mvr蒸發(fā)器液相維持溫度為106-110℃、氣相壓力-50kpa，二次壓縮蒸汽的溫度為126℃和壓力0.239mpa(a)，這些參數(shù)的選擇依據(jù)是蒸發(fā)器的工作原理和物料的熱力學性質。通過調整溫度和壓力，可以優(yōu)化蒸發(fā)過程，達到預期的濃縮效果和能耗最小化。

46、步驟s5中的設置：閃蒸蒸發(fā)器氣相壓力10kpa(a)和氣相溫度為45℃的設置是為了利用壓力降導致的快速蒸發(fā)，從而更高效地分離出更濃縮的硫酸。這一步驟在確保硫酸濃度最大化的同時也要控制操作條件以保護設備和安全運行。

47、這些參數(shù)的設定是基于實驗數(shù)據(jù)、模擬結果以及現(xiàn)有的工藝知識。通過這些嚴格控制的操作條件，可以實現(xiàn)對硫酸廢料液的高效回收，同時確保整個過程的經(jīng)濟性，

48、參數(shù)取得的過程如下：1、建立過程模型：過程模擬軟件：使用過程模擬軟件aspenplus建立模型；輸入所有涉及的物料特性、反應動力學、物理屬性以及設備參數(shù)。

49、模型設定：輸入原料組成、流量和初始條件，設置操作參數(shù)，定義各階段的產(chǎn)品和副產(chǎn)品流；

50、2、熱力學和物質平衡計算：熱力學模型：選擇熱力學模型nrtl來描述液相和蒸氣相的行為；物質平衡：對每個過程單元進行物質平衡計算，

51、3、進行動態(tài)和靜態(tài)模擬：靜態(tài)模擬：初步運行模型進行穩(wěn)態(tài)模擬，調整各參數(shù)至達到設計指標，評估溫度、壓力、濃度關鍵參數(shù)對的影響。

52、動態(tài)模擬：實施動態(tài)模擬以了解系統(tǒng)對起動、關閉和擾動的響應調整控制策略以優(yōu)化過程的穩(wěn)定性。

53、4、敏感性分析和優(yōu)化：敏感性分析：分析關鍵操作參數(shù)(溫度、壓力)對硫酸回收率、能耗、產(chǎn)品質量的影響。優(yōu)化過程：使用優(yōu)化工具matlab，集成在模擬軟件中尋找最佳操作條件，以最小化能耗和成本，最大化產(chǎn)量和產(chǎn)品質量。

54、5.驗證和實驗：使用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)來驗證模擬結果的準確性。調整模型參數(shù)以更好地擬合實際觀測數(shù)據(jù)。

55、試運行：在工廠環(huán)境中進行小規(guī)模試運行，以驗證模型預測的操作條件，并根據(jù)實際運行結果進行調整。

56、優(yōu)選的，在步驟s6中，在降溫作業(yè)中，降溫目標溫度為45-50℃。

57、設定物料的降溫目標溫度為45-50℃。具有幾個關鍵的理由：

58、1.降低腐蝕性：硫酸在高溫下的腐蝕性顯著增強。通過將溫度降低到45-50℃，可以大幅減少對后續(xù)處理設備(如固液分離設備)的腐蝕風險。硫酸對金屬等材料的侵蝕作用隨溫度升高而加劇，因此控制較低的溫度是為了保護整個系統(tǒng)的完整性和延長設備的使用壽命。

59、2、促進鹽分析出：在鈦白粉的制備過程中使用硫酸作為溶劑時，會形成含有硫酸亞鐵等鹽類的廢液。硫酸亞鐵鹽在不同溫度下的溶解度特性對于硫酸回收過程的降溫步驟至關重要。當最終硫酸液濃度達到50％時，降溫過程對鹽類析出的促進作用具有以下幾個方面：1.溶解度與溫度的關系：硫酸亞鐵在硫酸溶液中的溶解度隨溫度變化較大。在高溫條件下，硫酸亞鐵的溶解度較高，這意味著更多的硫酸亞鐵會保持在溶液狀態(tài)。然而，當溫度降低時，硫酸亞鐵的溶解度減少，促使其從溶液中析出。這是因為大部分鹽類的溶解度隨溫度的降低而降低，硫酸亞鐵也不例外。2.降溫與析出鹽的關系：在硫酸廢液處理過程中，當液體從較高溫度冷卻到45-50℃時，不僅硫酸亞鐵，還有其他可能存在的鹽分，也會受到影響。由于這些鹽的溶解度在降溫后下降，它們會從溶液中析出形成固體顆粒。這種溫度控制策略利用了溶解度的溫度依賴性來優(yōu)化固液分離過程。

60、3.硫酸濃度與鹽析出的互動：當硫酸濃度提高到50％時，溶液中的離子強度增加，這也會進一步影響鹽類的溶解度。高濃度的硫酸環(huán)境會通過所謂的“鹽效應”減少其它鹽類的溶解度，因此，當達到較高的硫酸濃度時，即使在較高溫度下，某些鹽類也可能開始析出。但在降溫至45-50℃時，這種效應會更加顯著，因為溫度和離子強度的雙重作用使得溶解度進一步降低，從而更有利于鹽分析出。

61、因此，在處理含有硫酸亞鐵的硫酸廢液時，降溫至45-50℃不僅有助于減少設備的腐蝕，還利用硫酸亞鐵和其他鹽類在較低溫度下較低的溶解度，促進鹽類的有效析出。這有助于最終在固液分離步驟中去除更多的不溶性和難溶性鹽分，清潔硫酸溶液，達到滿足酸解工段對硫酸濃度的需求。

62、與現(xiàn)有技術相比，本硫酸法鈦白粉廢酸資源化再利用的工藝具有以下有益效果：

63、1、資源循環(huán)利用：本發(fā)明能夠有效地回收和再利用在鈦白粉生產(chǎn)過程中生成的硫酸廢料液，減少了新硫酸的需求和生產(chǎn)，這不僅降低了生產(chǎn)成本，也減少了對自然資源的依賴和開采。

64、2、提高硫酸純度：通過使用多級過濾技術、多階段的濃縮和閃蒸工藝，，能有效分離硫酸中的雜質，保證了硫酸的純度和質量。

65、3、高效能源利用：通過多級預熱和回收利用，尤其是利用mvr蒸發(fā)組合設備，大大提高了能源利用效率。mvr設備通過回收和重新壓縮蒸汽，減少了額外能源的需求，同時保持了系統(tǒng)的熱效率。這種方法不僅減少了能源消耗，同時也降低了操作成本。

66、4、溫度和壓力控制優(yōu)化：工藝中對每個步驟的溫度和壓力進行了嚴格控制，確保每個階段都在最佳操作條件下運行，這有助于提高能效和產(chǎn)品質量，同時減少能量浪費。