摘 要

一直以来，生产钢铁的过程中会有一系列的污染产生，而这些污染以生产之后的酸洗废液为主。而酸洗废液的组分复杂、危害性高大，会对当地的环境产生极大地污染。所以为了减少环境的污染和解决资源的浪费，本设计决定以酸洗废液为原料，进行工艺设计。氧化铁红是一种良好的颜料，具有广泛的应用途径，所以综合多方面考虑本设计决定利用酸洗废液来制取氧化铁红。

利用酸洗废液来制取氧化铁红主要是利用空气氧化废液中的亚铁离子，将其氧化成氧化铁黄，再通过煅烧的方式得到氧化铁红。本设计主要对工艺流程中的原料除杂、晶种制备、二次氧化、煅烧进行了设计，确定了工艺的反应条件与反应途径，对反应仪器进行了设计与选型，得到了一套完整的生产工艺流程。

利用钢铁酸洗废液制取氧化铁红，是对环境保护与资源回收的一大响应，生产的产品氧化铁红也具有良好的经济效应，且该工艺操作简单，对于实际生产有着一定的指导作用。

关键词：钢铁酸洗废液，氧化铁红，资源回收

Abstract

A series of pollutions have been produced in the process of producing steel, and these pollutions are mainly based on pickling waste liquid after production. The components of the pickling waste liquid are complex and highly harmful, and cause great pollution to the local environment. Therefore, in order to reduce environmental pollution and solve the waste of resources, this design decided to use acid washing waste liquid as raw material for process design. Iron oxide red is a good pigment and has a wide range of application methods. Therefore, considering this design in many aspects, it is decided to use the pickling waste liquid to prepare iron oxide red.

The use of pickling waste liquid to prepare iron oxide red mainly utilizes ferrous ions in the air oxidation waste liquid, oxidizes it into iron oxide yellow, and obtains iron oxide red by calcination. This design mainly designs the raw material impurity removal, seed crystal preparation, secondary oxidation and calcination in the process flow, determines the reaction conditions and reaction pathway of the process, designs and selects the reaction equipment, and obtains a complete set production process.

The use of steel pickling waste liquid to obtain iron oxide red is a great response to environmental protection and resource recovery. The produced product iron oxide red also has good economic effects, and the process is simple to operate, and has certain guidance for actual production effect.

Key Words：Steel pickling waste liquid, iron oxide red, resource recovery

目录

摘 要 1

目 录 3

第一章 绪论 4

1.1钢铁酸洗废液的研究背景 4

1.2氧化铁系颜料 5

1.3本设计的研究内容及意义 9

第二章 工艺流程 10

2.1除杂工艺 10

2.2合成工艺 12

2.3煅烧工艺 12

2.4工艺总结 13

第三章 设备的设计与选型 14

3.1物料衡算 14

3.2除杂釜的设计 15

3.3氧化釜的设计 25

3.4煅烧反应器的选型 30

第四章 总结和展望 31

4.1总结 31

4.2展望 32

参考文献 33

致谢 35

附件 36

工艺流程图 36

除杂釜设备装配图 37

氧化釜设备装配图 38

车间平面布置图 39

第一章 绪论

1.1钢铁酸洗废液的研究背景

1.1.1钢铁酸洗废液的现状

用酸来处理金属是人们常用的一种方法，酸处理金属，可以清除金属表面的氧化物或者锈蚀。但金属在用酸液处理完后，会产生大量的含铁废液，这类废液具有强腐蚀性，因为在酸洗废液中含有大量为反应的酸液。如果处理不当，对当地的地表、动植物等造成严重的破坏，污染环境。因为它的强腐蚀性，钢铁酸洗废液早已被加入《国家危险废物名录》当中。合理处理钢铁酸洗废液，减少环境的污染，避免浪费，已经成为了各国各地研究人员的一个重要课题，而许多的解决方法也在研究中被提出。

1.1.2钢铁酸洗废液的处理方式

1.1.1膜处理法

膜处理法^[1]是指根据其粒径选择性地分离物质的方法。它与传统的过滤方法相比，其不同之处在于它是在分子水平上分离，是物理变化，不会发生相变，也不需要添加其他助剂。用膜处理法处理钢铁废液操作简单，只发生物理变化，不会有副产物需要处理，因此对于当地的动植物、地表等污染小，而且效率高，消耗的能量少，在其他领域内膜分离法也有广泛的应用。

1.1.2焙烧法

焙烧法是将酸洗废液在较高的温度下，向酸洗废液之中，加入足量的氧气，水分可由酸洗废液提供，但仍有可能不足，因此也需要加入水分。然后发生氧化还原反应生成氧化铁。其反应流程如下（以盐酸为例）：

酸洗废液通常含有挥发性酸，如盐酸和硝酸，含有挥发性酸的酸洗废液，在工业生产中，一般采用高温焙烧法。该方法处理酸量大，操作简单，回收的酸可以两次利用，用该方法回收的氧化铁，加以提纯，就具有良好的经济效应。

1.1.3中和法

中和法多种多样，主要有氧化中和^[2] 、酸碱中和等方法；不同的钢铁酸洗废液，它含有酸的种类和酸的含量是不同的，选用的中和方法主要根据的是酸洗废液中含有的物质不同。实际生产中，工厂利用钢铁酸洗废液的主要工艺是酸碱中和法，工艺为向物料中加入氢氧化钙、烧碱等，废液的pH=5.6-6.5之间，就可以排放 ^[3]。

中和法操作简单，但是处理量有限，而且不好控制反应的进行与停止，这样会导致原料的损失，而且还会对当地的环境造成再一次的污染

1.1.4副产产物法

以钢铁酸洗废液为原料，通过一系列反应，转化为其他我们所需要的产品，可以有效减少废液的污染和浪费。例如通过除杂、制晶种、氧化，即可得到氧化铁黄，而氧化铁黄经过煅烧可得到氧化铁红，氧化铁红是一种广泛使用的涂料，具有良好的使用价值。

1.2氧化铁系颜料

氧化铁，它的化学式为。又称烧褐铁矿、铁红等。易溶于硫酸、硝酸、盐酸等，是一种红棕色粉末状固体。氧化铁的红棕色粉末可以用来当作颜料，生活在把这种粉末称为称氧化铁红。

1.2.1 氧化铁的分类

氧化铁按不同的分类方式可分为不同的类型。例如按照颜色分类可分为铁红、铁黄、铁黑等。其主要的性质和结构如表1-1所示：

1.2.2 氧化铁红的性质与用途

氧化铁红是一种深红色的粉末，其化学式为。密度5.24克每立方厘米，熔点1565摄氏度（达到熔点的同时，氧化铁红也会分解），没有毒性，在水中不会溶解。不仅如此，氧化铁红只有在加热的条件下，才能溶解于强酸。

在我们的现实生活中，氧化铁红有着广泛的用途：将氧化铁红用于涂料涂装中，它可以作为一种红色染料；将氧化铁红用于建筑行业，可以用它给非天然大理石进行上色；将氧化铁红用于化学工业中，它可以合成我们需要的许多原材料 ^[3]。

1.2.3 氧化铁红的制备工艺

在生产活动中，制备氧化铁红的工艺多种多样。了便于区分，人们通过反应原料中组分所拥有的形态不同，将合成方法区别为干法和湿法。用不同的生产方法制造的氧化铁黄具有的特征也不太一样。在实际生产中，多以湿法生产氧化铁红为主。因为与干法合成相比，湿法合成氧化铁红的工艺简单，操作简单，容易获取原料，反应的发生与停止易控制。

干法合成主要有焙烧法、热分解法、喷雾焙烧法等，湿法合成主要包括空气氧化法、水解法、水热法等^[4]。

1.2.3.1 焙烧法

传统的焙烧法主要是绿矾焙烧法^[5],以绿矾为原料，原料不选用纯净的绿矾，而是通过硫酸法生产钛白粉副产，这样可以节约成本。在高温的条件下反应，生产氧化铁红，其反应方程式如下：

但在实际生产中，在缺氧条件下，会有副反应发生，反应如下：

三氧化硫可以利用浓硫酸加以回收，但是副产生成二氧化硫是我们不想发生的反应，二氧化硫回收困难、成本高，因此，硫转化为三氧化硫的转化率是决定该工艺能否工业化的关键。

1.2.3.2热分解法

热分解法以五羰基铁[]^[6]或二茂铁[]等为主要原料，通过气相分解或火焰分解制备^[7]。使用氮气将物料从蒸发式通入燃烧室，在600摄氏度的条件下，并通入高流速的空气，使其发生剧烈的反应，得到粒径极低的氧化铁颗粒。

热分解法制取氧化铁红的工艺较为复杂，铁红产率较低，但生产的氧化铁红粒度分布均匀，控制容易。

1.2.3.3喷雾焙烧法

喷雾焙烧法^[8],即将盐酸酸洗废液经过除杂后浓缩，然后把浓缩液制备成雾，被雾化后的物料在炉内被加热分解，生产氯化亚铁。生成的氯化亚铁会被空气进一步氧化成氧化铁，因为它处在高温的环境下。使用喷雾焙烧法回收盐酸酸洗废液，不仅能够有效处理废液中的铁，而且还能副产盐酸，具有良好的经济和环境效应。

1.2.3.4空气氧化法

空气氧化法，也被人们称之为沉淀法。其主要工艺流程为往一定浓度的亚铁离子的溶液中，加入一定量的碱性溶液，控制反应的温度和搅拌速率，向反应中通入空气，这样能使得生成的氢氧化铁被氧化，得到我们所需要的产物。在这个工艺中，反应条件影响最大。不同的温度、不同的搅拌时间、通入空气的量都会影响到最终结果。

1.2.3.5水解法

水解法分为强迫水解法和均匀水解法^[9]，采用均匀水解法制取氧化铁,其工艺流程短、质量稳定、工艺可靠，其主要反应为：

水解过程：

热处理过程：

1.2.3.6水热法

水热法的处理方式是，在溶液中进行反应制得产品，反应的条件是要有高温高压。通过水热法制得的氧化铁纯度高，杂质少，在一些特定的行业内有着广泛的应用。

1.3本设计的研究内容及意义

现在生活，科技的提升是巨大的，工业化的程度也一天比一天要高，国家在发展中，基建力度也越来越大。这就导致了国家对于钢材的需求是非常大的，一个国家对于钢材的需求量，一定程度地反映了一个国家的发展水平。钢材的产量越来越大，人们的生活水平也在不断提高，但伴随而来的就是钢铁行业所产生的废气、废水、废渣。其中钢铁酸洗废液所产生的污染最为严重，对于人们的生活环境产生了巨大的破坏。金色银山，不如绿水青山，对于钢铁酸洗废液的处理，是摆在我国人们面前的一个重大挑战，因此，人们对于将钢铁酸洗废液进行回收利用的愿望越来越迫切。

目前国内对于酸洗废液的处理方法多以焙烧法和其他一些物理方法为主，少有利用酸洗废液来合成氧化铁红。传统的方法还需要一些纯净的铁化合物，这无疑又增大了回收成本。而利用酸洗废液制取氧化铁红回收铁，其回收成本低，不需要额外的铁化合物，而且还能够解决酸洗废液的污染问题，将污染环境的废弃物转化成对我们有用的产物。

酸洗废液合成的氧化铁红是铁系化合物中最稳定的化合物，也是第二大无机颜料，它的应用范围及其广阔，具有良好的经济效应。因此，本课题决定设计以钢铁酸洗废液为原料合成氧化铁红的工艺路线。

本课题以实验室师兄的研究为基础，以钢铁酸洗废液为原料，通过除杂、晶种制备、二次氧化、焙烧等流程制备氧化铁红。详细确定了生产流程中各项操作的方案、条件，明确了完整的工艺流程图。不仅如此，我也进行了反应器的设计，部分的装置进行了选型。使用CAD绘制了装配图与工艺流程图。这项工艺操作简单、成本低廉、材料能回收使用，希望该设计能为实际生产提供指导。

第二章 工艺流程

钢铁酸洗废液制备氧化铁红主要有除杂、制备晶种、二次氧化、煅烧等流程，其流程图如下：

图2-1氧化铁红制备流程图

除杂

氧化

除杂

二次氧化

洗涤干燥

煅烧

2.1除杂工艺

在酸洗废液中，含有我们最常知的氢离子和亚铁离子之外，还可能含有被氧化的铁离子，当然，一些重金属离子也存在，不过只有微量，比如锌离子、镁离子、钙离子等。在制取氧化铁黄之前如果不把这些杂质离子除去，那么最后产品中这些离子就会沉淀出来，影响产品的纯度、色泽，甚至最终影响氧化铁红的性能，因此，在我们回收钢铁酸洗废液中的铁之前，要对废液进行去除杂质处理。

在实验室中，加入还原铁粉中和游离酸，并还原三价铁粉，但在实际生产中，为了节约成本，采用废铁渣处理。除杂前先用废铁渣浸泡一夜，然后过滤，将废液打入反应釜中，搅拌，加入氨水，调节PH值至5-6，加入絮凝剂，通蒸汽加热至60摄氏度，反应一个小时左右。反应完成后停止通蒸汽，冷却静置，将废液抽滤，得到除杂后的酸洗废液。它的图如下：

图2-2除杂工艺流程图

酸洗废液

浸泡一夜，过滤

废铁渣

浸泡废液

调节PH至5-6

氨水

60摄氏度，搅拌1h

絮凝剂

静置，冷却，过滤

除杂废液

2.2合成工艺

2.2.1晶种制备

氧化铁红是一种球形的晶体，直接通过空气氧化亚铁离子得到的氧

化铁无法形成晶体，必须要首先制备晶体，再经过氧化，将氧化铁包裹在晶体上，制备氧化铁红。因此，工业中想要得要具有高性能、高经济效应的氧化铁红，重要流程就是合成优良的晶种。

本工艺制备晶种的流程是往前一步的除杂废液里加入氢氧化钠溶液，使碱比达到0.5，控制反应釜内温度在30摄氏度，通入空气，搅拌2小时，最终得到的产物是晶种，在反应釜内发生的反应如下：

2.2.2二次氧化

制备完晶种后，就需要在该晶种的基础上，使其长大，所以在制备氧化铁黄之前，要对晶种进行稀释。稀释之后再进行二次氧化的步骤。

二次氧化的工艺流程为将之前得到的除杂酸液与晶种按照3：1的比例在反应釜内混合，通入蒸汽，控制反应釜内温度为80摄氏度，通入氨水维持PH值在2.5-3.0之间，这样既可以有效防止杂质的生产，也可以防止晶种溶解。往反应釜内通入空气，搅拌8小时。将物料从反应釜内卸出，进行过滤、洗涤、烘干，将烘干后的物质进行研磨，研磨后就是合成氧化铁红的前置物氧化铁黄。

2.3煅烧工艺

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：