年產(chǎn)10萬噸磷酸設(shè)計

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本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）學(xué) 院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 屆 別 2017 屆 題 目 年產(chǎn) 10 萬噸磷酸設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 教 務(wù) 處 制目錄第一章前言 11.1 磷酸的簡介和發(fā)展歷程 .11.1.1 磷酸的簡介 .11.1.2 磷酸的發(fā)展歷程 .11.2 磷酸的生產(chǎn)原料和方法 .21.2.1 磷酸的生產(chǎn)原料 .21.2.2 磷酸的生產(chǎn)方法 .21.3 濕法磷酸工藝 .21.3.1 硝酸法 .31.3.2 鹽酸法 .31.3.3 硫酸法 .31.4 硫酸法濕法磷酸生產(chǎn)工藝 .31.4.1 濕法磷酸生產(chǎn)工藝 .31.4.2 濕法磷酸反應(yīng)條件的選擇 .51.4.3 反應(yīng)料漿過濾 .61.4.4 磷酸的濃縮 .6第二章 工藝設(shè)計 72.1 設(shè)計任務(wù)和產(chǎn)品概況 .72.2 產(chǎn)品方案 .72.2.1 產(chǎn)品方案和建設(shè)規(guī)模 .72.2.2 生產(chǎn)方法和主要技術(shù)方案 .72.3 濕法磷酸工藝流程 .7第三章 工藝過程的衡算及設(shè)備選型 93.1 物料平衡計算 .93.1.1 物料衡算的作用 .93.1.2 收集數(shù)據(jù) .93.1.3 物料衡算 .103.1.4 物料平衡圖 .163.2 熱量平衡計算 .173.3 主要的設(shè)備選型與計算 .223.3.1 濕法磷酸生產(chǎn)中的設(shè)備介紹及選材 .223.3.2 過濾機的選型 .233.3.3 萃取槽的選型 .253.3.4 水環(huán)式真空泵 .26第四章三廢治理與綜合利用 274.1 廢氣治理 .274.2 廢水治理 .274.3 廢渣治理 284.4 設(shè)計小結(jié) .28致謝 29參考文獻 30附圖 31年產(chǎn) 10 萬噸磷酸工藝設(shè)計杜永平2013 級化學(xué)工程與工藝班摘 要：本設(shè)計進行年產(chǎn) 10 萬噸濕法磷酸工藝設(shè)計。采工藝采用用二水法工藝流程，此方法工藝簡單、技術(shù)成熟、對礦石種類適應(yīng)性強的特點。磷礦漿和硫酸反應(yīng)在經(jīng)過萃取、過濾、凈化和洗滌等一系列操作后得到磷酸。并根據(jù)這一過程對整個工藝過程進行計算。以 1000kg 磷礦對生產(chǎn)過程進行物料衡算、熱量衡算。由熱量衡算數(shù)據(jù)來選取所需的反應(yīng)設(shè)備并畫出磷酸生產(chǎn)的工藝流程圖。最后進行三廢治理。關(guān)鍵詞：濕法磷酸；二水法；三廢治理Annual production of 100,000 tons of phosphoric acid process designDu Yongping2013 Chemical Engineering and Technology ClassAbstract: The design of an annual output of 100,000 tons of wet phosphoric acid process design. Mining process using dihydrate process, this method is simple, mature technology, the adaptability of the characteristics of the type of ore. Phosphate pulp and sulfuric acid reaction in the extraction, filtration, purification and washing a series of operations to get phosphoric acid. And according to this process to calculate the entire process. To 1000kg of phosphate rock on the production process of material accounting, heat accounting. By the heat balance data to select the required reaction equipment and draw the phosphoric acid production process flow chart. Finally, waste management.Key words: Wet phosphoric acid; dihydrate method; waste treatment1第一章前言1.1 磷酸的簡介和發(fā)展歷程 1.1.1 磷酸的簡介 (1)磷酸性質(zhì)磷酸（H 3PO4） ，其相對分子質(zhì)量為 98。它是一種無色透明的液體，可與水任意比互于水并放熱，加熱后失水得到焦磷酸，持續(xù)加熱再進一步失水得到偏磷酸。磷酸具有腐蝕性，在空氣中易潮解，應(yīng)密封保存。磷酸在制藥、食品、肥料、化學(xué)試劑有廣泛應(yīng)用。(2)磷酸對人的危害磷酸蒸氣能引起呼吸道黏膜萎縮；對皮膚有很強的刺激性、腐蝕性；能造成全身中毒現(xiàn)象。(3)磷酸的主要用途農(nóng)業(yè):磷酸是磷肥的重要生產(chǎn)原料，也是生產(chǎn)動物性飼料磷酸二氫鈣的原料。工業(yè):磷酸是一種十分重要的化工原料:①處理金屬表面，使金屬免受腐蝕。②生產(chǎn)洗滌用品、殺蟲劑的原料磷酸酯。③生產(chǎn)含磷阻燃劑的原料。食品:磷酸及其部分鹽類是食品添加劑之一，可作為營養(yǎng)增強劑。醫(yī)學(xué):磷酸可用于制取含磷藥物，例如甘油磷酸鈉等。1.1.2 磷酸的發(fā)展歷程1870-1872 年間德國首先開始成批生產(chǎn)磷酸，采用間歇方式分批生產(chǎn)，每次產(chǎn)量 1-2 噸，磷酸濃度為 8.0％P 2O5；1890 -1915 年間采用間歇式的壓濾機來分離反應(yīng)產(chǎn)生的磷石膏，濃縮磷酸的設(shè)備也由巖石或鉛替代了木材設(shè)備，使用鉛管制成的加熱器；1915 年采用道爾流程連續(xù)性濕法磷酸。磷石膏的分離采用逆流浸取的方式進行，22-23% P2O5的磷酸濃度；1932 年道爾公司在特里爾建成磷酸工廠，在生產(chǎn)技術(shù)進行重大改革，首先提高了成品磷酸濃度，制得濃度為 32％ P2O5的磷酸。開發(fā)了“道爾濃酸流程” ，此技術(shù)為此后的半個多世紀中二水物流程的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。其次道爾公司還在研究能直接制取濃磷酸的生產(chǎn)方法；四十年代特別是第二改世界大戰(zhàn)以后,世界濕法磷酸的生產(chǎn)技術(shù)獲得了明顯的進展,它的特征表現(xiàn)在: (1)新的生產(chǎn)流程逐步取代了此前的道爾流程。(2)產(chǎn)設(shè)備上不斷推陳出新，提高了生產(chǎn)強度。(3)加強了理論研究。1953 年我國濕法磷酸才剛剛起步。 1963 年中間試驗完成后，在南京建成年產(chǎn) 2 萬2噸磷酸的試驗性工廠。到目前止，全國建成許多濕法磷酸工廠，用以生產(chǎn)磷酸銨及工業(yè)磷酸鹽。1.2 磷酸的生產(chǎn)原料和方法1.2.1 磷酸的生產(chǎn)原料 (1)磷礦石 磷礦的形態(tài)主要為細晶磷灰石礦物（含 caco3的氟磷灰石） 。用于磷酸生產(chǎn)的磷礦大多數(shù)屬于水成巖， 世界各地磷礦蘊藏豐富。世界全部磷礦儲藏估計超過 500 億噸。我國磷礦資源比較豐富，已探明的資源儲量居世界第 3 位僅次于摩洛哥和美國。我國主要磷礦資源儲藏地區(qū)云南、貴州、四川、湖北和湖南較為豐富，儲量達 98.6億噸，占全國總儲量的 74.5%。其開采方式分為地下開采和露天開采兩大類。地下開采約占開采總量的 60%，其余大多為露天開采。 (2)硫黃 用濕法生產(chǎn)每噸 P2O5的磷酸，需要硫酸的量相當于 1 噸硫黃。硫酸的來源和價格都是濕法磷酸生產(chǎn)中非常重要的因素。硫酸的來源一般有兩個:第一，開采元素硫礦并建造一個硫酸與磷酸聯(lián)合生產(chǎn)工廠。第二是熱電廠煙道氣中的二氧化硫。1.2.2 磷酸的生產(chǎn)方法磷酸的生產(chǎn)方法有兩種:熱法和濕法生產(chǎn)。熱法磷酸的生產(chǎn)是由黃磷燃燒成P2O5，然后溶于水制得。濕法生產(chǎn)磷酸是用硫酸(或鹽酸、硝酸等)分解磷礦石然后凈化制得。本文著重介紹研究濕法磷酸的生產(chǎn)，熱法磷酸生產(chǎn)大致包括下列四種，介紹如下:生 產(chǎn) 方 法 簡 介① 完 全 燃 燒 法將 含 磷 氣 體 直 接 燃 燒 ， 將 磷 被 氧 化 為 P2O5， 一 氧 化 碳 氧 化 為 二 氧 化 碳 。 反 應(yīng) 放 出 大量 的 熱 。 。 燃 燒 后 氣 體 首 先 降 溫 冷 卻 ， 保 證 磷 酸 酐 能 被 水 完 全 被 吸 收 。 由 于 氣 體 溫度 高 ， 磷 酸 酐 與 水 反 應(yīng) 時 先 生 成 偏 磷 酸 ， 冷 卻 后 再 轉(zhuǎn) 變 為 正 磷 酸 。② 液 態(tài) 磷 燃 燒 法 水 冷 流 程 ： 將 黃 磷 燃 燒 得 到 P2O5用 水 冷 卻 和 吸 收 制 得 磷 酸 ； 酸 冷 流 程 ： 將 黃 磷 燃 燒得 到 P2O5用 預(yù) 先 冷 卻 磷 酸 進 行 冷 卻 和 吸 收 ， 而 制 成 磷 酸 。③ 優(yōu) 先 氧 化 法 在 454-532℃ 條 件 下 ， 與 為 理 論 量 120-130%的 空 氣 混 合 使 磷 蒸 汽 和 磷 化 氫 氣 體 氧化 ， 然 后 用 稀 磷 酸 吸 收 磷 酸 酐 制 成 熱 法 磷 酸 。④ 水 蒸 汽 氧 化 黃 磷法用 鉑 、 鎘 等 作 催 化 劑 ， 在 600-800℃ 溫 度 下 用 水 蒸 氣 與 黃 磷 反 應(yīng) 制 得 磷 酸 并 生 成 氫氣 。濕法磷酸投入較少、設(shè)備簡單、便于操作，技術(shù)生產(chǎn)工藝流程都較為完善。其中二水物流程優(yōu)點突出，生產(chǎn)量占全世界濕法磷酸的產(chǎn)量的 80%。熱法磷酸雜質(zhì)含量低，濃度高。但由于原料供給以及經(jīng)濟性不佳等原因，其市場占有率較低。1.3 濕法磷酸工藝濕法生產(chǎn)是用硫酸、鹽酸、硝酸等無機酸分解磷礦粉，得到粗磷酸，再經(jīng)過凈化3處理后得到濃度較高的磷酸產(chǎn)品。濕法磷酸比熱法磷酸成本低 20%-30%。目前，濕法磷酸工藝仍處于磷酸工業(yè)的領(lǐng)軍地位。 濕法磷酸生產(chǎn)工藝按用無機酸的種類分為硫酸法、硝酸法、鹽酸法等 [1]。礦石分解反應(yīng)方程式表示如下 : Ca5F(PO4)3 + 10HNO3 = 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF↑ Ca5F(PO4)3 + 10HCl = 3H3PO4 + 5CaC12 + HF↑ Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 +nH2O = 3H3PO4 + 5CaSO4·nH2O +HF↑ 1.3.1 硝酸法 硝酸法磷酸的路線有兩種工藝:1、將溶液冷凍結(jié)晶，分離出其中 95%的硝酸鈣，剩余鈣以硫酸鈣形式除去。反應(yīng)剩余硝酸以硝酸鋇的沉淀形式除去，硝酸鋇采用氮和二氧化碳處理。2、用硫酸處理上述方法中部分分離了硝酸鈣的磷酸溶液，使其形成硫酸鈣沉淀除去，再用真空蒸發(fā)回收磷酸，蒸發(fā)過程可將磷酸濃縮至 60%-65% P2O5，回收的硝酸可循環(huán)用于分解磷礦。 1.3.2 鹽酸法鹽酸法磷酸的生產(chǎn)工藝:酸的分解→不溶性殘渣的分離→液―液溶劑萃取→蒸發(fā)濃縮→蒸餾回收溶劑五個部分組成。制成的酸可以濃縮到相當高的濃度或制成過磷酸。成品磷酸的純度比硫酸法高，可直接用于對純熟要求較高的場合。鹽酸分解后的物料易于輸送和處理。但是，鹽酸法磷酸工藝氯化鈣分離困難，工藝復(fù)雜，不易大規(guī)模生產(chǎn)，氯化鈣不易分離也是鹽酸法磷酸未得以大規(guī)模工業(yè)化的原因 [2]。 1.3.3 硫酸法 “濕法磷酸”即為硫酸法濕法磷酸，硫酸法采用磷灰石與硫酸反應(yīng)生成磷酸和硫酸鈣。硫酸鈣在溶液中溶解度很小，可用簡單的液-固相分離的單元操作來實現(xiàn)。正是由于這一特點，在硫酸法的生產(chǎn)工藝過程中，反應(yīng)機理、工藝控制條件以及生產(chǎn)設(shè)備選型等都與其他方法有很大不同。硫酸法需要消耗大量的磷酸，每生產(chǎn) 1 噸磷酸需要消耗硫酸 1.35 噸并產(chǎn)生 5 噸的磷石膏。磷酸生產(chǎn)的同時產(chǎn)生大量的磷石膏，因此磷石膏的開發(fā)利用是每一個磷酸生產(chǎn)廠家急需解決的難題 [3]。 1.4 硫酸法濕法磷酸生產(chǎn)工藝1.4.1 濕法磷酸生產(chǎn)工藝總反應(yīng)方程式:Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + nH2O = 3H3PO4 + 5CaSO4·nH2O + HF↑反應(yīng)式中 n 的值表示硫酸鈣結(jié)晶的形式（取值為 0、0.5、2） 。當 n=0,可能生成無水硫酸鈣(CaSO 4)；當 n=0.5, 可能生成半水硫酸鈣(CaSO 4·0.5H2O)；當 n=2，可能生成二水硫酸鈣(CaSO 4·2H2O)所以，濕法磷酸的生產(chǎn)工藝可分為無水物法、半水法、二4水法及半水一二水法等。其中，二水法在濕法磷酸中運用較多。但是，二水法流程由于加工工藝粗放，礦石中的有害雜質(zhì)大部分進入磷酸中，并且產(chǎn)生大量磷石膏，資源浪費嚴重。因此，現(xiàn)行的工藝過程進行了改進，分兩步進行反應(yīng)。 第一步:采用磷酸浸取磷礦石。磷酸與磷礦的主要反應(yīng)方程式如下: Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5H2O→ 5Ca(H 2PO4)2·H2O + HF↑ 第二步:選擇適宜的結(jié)晶條件，降低磷石膏中磷含量，提高磷回收率，使磷石膏滿足建筑材料生產(chǎn)的要求，從源頭上解決磷石膏開發(fā)利用困難的問題。硫酸的離子化反應(yīng)可瞬時完成: Ca(H2PO4)2·H2O+ H2SO4 +(n-1)H2O → CaSO 4·nH2O↓+2H 3PO4 這種分步反應(yīng)的思想方法符合綠色化學(xué)的基本原理和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求 [4]。磷礦石制取磷酸的流程:磷礦、硫酸和返回的磷酸被一同送入酸解反應(yīng)器。磷礦酸解的主要反應(yīng)如下，aq 表示溶液: Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + nH3PO4 + aq→(n+3)H 3PO4 + 5CaSO4·mH2O + HF + aq 反應(yīng)式中，n 為磷酸所占份額，若 n=0，則為硫酸與磷礦作用的總反應(yīng)式；m 為硫酸鈣所含結(jié)晶水的量，根據(jù)磷酸的濃度和溫度不同，在反應(yīng)中硫酸鈣存在三種形式，即無水化合物 CaSO4(硬石 F 膏)，半水物 CaSO4·0.5H2O(半水石膏)，二水物CaSO4·2H2O(二水石膏)。 在硫酸混酸分解磷礦的化學(xué)反應(yīng)機理上，可以認為反應(yīng)分兩步進行，磷礦先被磷酸分解，生產(chǎn)磷酸一鈣，然后磷酸一鈣再與硫酸反應(yīng)生成磷酸，反應(yīng)過程如下。Ca5(PO4)3F + 7H3PO4+aq→5Ca(H 2PO4)2+ HF + 5Ca(H2PO4)2+ 5H2SO4+aq5Ca(H2PO4)2+ HF + 5Ca(H2PO4)2+ 5H2SO4+aq→10H 3PO4+5CaSO4·mH2O + aq反應(yīng)中生產(chǎn)的氫氟酸 HF 與磷礦中帶入的 SiO2生成氟硅酸。6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O氟硅酸的氣相分壓將隨磷酸濃度和溫度的升高而增大，可能分解成四氟化硅氣體逸出。 H2SiF6 = SiF4↑+2HF少量的 H2SiF6將與 SiO2反應(yīng)生產(chǎn) SiF4 , 使氟硅酸的分解加劇。2H2SiF6+SiO2 = 3SiF4↑+2H 2O溢出的四氟化硅氣體與水蒸氣作用 ，可能在設(shè)備的壁上或管路析出硅膠沉淀 3SiF4+(n+2)H2O = 2H2SiF6 + SiO2·nH2O↓ 磷礦中的鐵、鋁、鈉、鉀等雜質(zhì)有多種存在形式，它們將同時與磷酸發(fā)生反應(yīng)（當磷酸濃度為 37%(P2O5)以下時） ，反應(yīng)表示如下:5(Fe,Al)2O3+2H3PO4 = 2(Fe,Al)PO4·nH2O +(3-n)H2O溶液中的氟硅酸將與鉀鈉鹽發(fā)生反應(yīng)。(Na,K)2O+ H2SiF6 = (Na,K)2SiF6 + H2O 鎂主要以碳酸鹽如白云石的形式存在，它們與磷酸反應(yīng)較快，產(chǎn)物進入溶液，其反應(yīng)可表示如下。2Ca·Mg(CO3)+3H2SO4+2H3PO4=2CaSO4·mH2O+MgSO4+Mg(H2PO4)2+(4-2m)H2O +4CO2↑ MgCO3 + 2H3PO4 = Mg(H2PO4)2 + H2O + CO2↑這些反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，二水法流程必須通過空氣冷卻或真空冷卻除去多余熱量。 1.4.2 濕法磷酸為獲得易于過濾和洗滌的石膏結(jié)晶，提高 P2O5回收率，生產(chǎn)盡可能濃的磷酸，影響石膏結(jié)晶質(zhì)量的主要因素有反應(yīng)溫度、含固量、液相 SO3濃度、P 2O5濃度。 影 響 因 素 特 點 條 件 的 選 擇反 應(yīng) 溫 度提 高 反 應(yīng) 溫 度 能 加 速 反 應(yīng) ， 提 高 分 解 率 ， 降 低 液 相 粘 度 ， 同 時 溶 液中 硫 酸 鈣 溶 解 度 隨 溫 度 升 高 而 增 大 ， 相 應(yīng) 地 ， 過 飽 和 度 降 低 ， 有 利于 形 成 粗 大 晶 體 和 提 高 過 濾 強 度 。反 應(yīng) 溫 度 控 制 為 70-80℃含 固 量料 漿 中 液 相 和 固 相 的 重 量 比 。 料 漿 中 固 相 含 量 過 高 ， 會 使 料 漿 粘 度增 高 ， 對 磷 礦 分 解 和 晶 體 成 長 大 都 不 利 。 過 高 的 固 相 含 量 ， 會 增 大晶 體 與 攪 拌 槳 葉 的 碰 撞 幾 率 ， 從 而 增 大 二 次 成 核 量 并 導(dǎo) 致 結(jié) 晶 細 小。液 固 比 控 制 在 2.5-3:1液 相 SO3濃 度它 表 示 液 相 中 游 離 硫 酸 的 含 量 。 實 驗 證 明 液 相 SO3濃 度 對 磷 酸 分 解 、磷 酸 鈣 晶 核 形 成 、 晶 體 外 形 HPO42–在 晶 格 上 取 代 SO42–、 晶 體 成 長 速度 都 有 很 大 影 響 。SO3濃 度 控 制 在 10-20g/L。P2O5濃 度 硫 酸 鈣 是 在 磷 酸 介 質(zhì) 中 形 成 晶 核 和 長 成 晶 體 。 保 持 反 應(yīng) 料 漿 中 P2O5濃度 穩(wěn) 定 ， 可 以 保 證 硫 酸 鈣 溶 解 度 變 化 不 大 和 相 應(yīng) 的 過 飽 和 度 穩(wěn) 定 。P2O5濃 度 為 25-30%（ 70-80℃ ） ， 含 雜 質(zhì) 較 多 的磷 礦 料 漿 中 P2O5濃 度 為22-25%。磷酸濃度及溫度的確定首先必須保證二水石膏結(jié)晶的穩(wěn)定存在。從理論上講，80℃時，在純磷酸溶液中石膏能穩(wěn)定存在的磷酸濃度極限為 33% P2O5。實際生產(chǎn)中，由于過量 P2O5的存在，80℃時磷酸濃度不可能達到 33% P2O5，一般低于 30% P2O5。1.4.3 反應(yīng)料漿過濾利用盤式過濾機分離反應(yīng)料漿中液-固相，過濾后得到過濾酸和石膏濾餅，石膏濾餅經(jīng)過洗滌充分回收濾餅中殘余的 P2O5。過濾排放出來的石膏濾餅中含有少量的水溶性 P2O5和不溶性的 P2O5，俗稱磷石膏(分子式:CaSO 4·2H2O)。 61.4.4 磷酸的濃縮 (1)濃縮方法濃磷酸濃縮采用強制循環(huán)真空蒸發(fā)工藝，即在 65-70KPa 真空條件下，采用酸加熱器將磷酸加熱至 75-80℃，在蒸發(fā)室內(nèi)蒸發(fā)水份，得到濃縮的磷酸。磷酸在蒸發(fā)過程中，氟硅酸受熱分解，產(chǎn)生含氟氣體，生成的含氟氣體與蒸發(fā)出來的水蒸汽一起進入下道(氟回收工序)。(2)濃縮條件的選擇 濃縮控制主要工藝指標：①磷酸濃度；磷酸濃度要求達到 44-46%P2O5；②溫度：溫度為 75-80℃；③蒸發(fā)室真空度：蒸發(fā)室真空度 65-70KPa；④低壓蒸汽壓力和溫度:低壓蒸汽壓力為 0.13-0.20MPa，溫度為 135-140℃。第二章 工藝設(shè)計2.1 設(shè)計任務(wù)和產(chǎn)品概況 本設(shè)計的任務(wù)年產(chǎn) 10 萬噸 P2O5濕法磷酸，并進行工藝參數(shù)、濕法磷酸車間裝置的計算和設(shè)計。2.2 產(chǎn)品方案2.2.1 產(chǎn)品方案和建設(shè)規(guī)模 (1)產(chǎn)品名稱:磷酸 副產(chǎn)品: 磷石膏 (2)設(shè)計規(guī)模:年產(chǎn)磷酸 10 萬噸噸(P 2O5) (3)產(chǎn)品規(guī)格:成品磷酸中含 32% P2O5 2.2.2 生產(chǎn)方法和主要技術(shù)方案 萃取磷酸的生產(chǎn)有無水物法、半水法、二水法及半水-二水法等多種流程，其中，二水法由于技術(shù)成熟、操作穩(wěn)定可靠、對礦石的適應(yīng)性強等優(yōu)點，在濕法磷酸工藝中運用較為廣泛。目前，我國 80%以上的磷酸都采用濕法磷酸二水法流程生產(chǎn)。本設(shè)計的萃取磷酸的生產(chǎn)采用傳統(tǒng)的二水物流程。2.3 濕法磷酸工藝流程 (1)原料工段本工段的主要任務(wù)是對汽車運輸?shù)牧椎V石、硅藻土進行貯存，并通過機械運輸設(shè)備將磷礦石與硅藻土按一定的配比計量混合后加入萃取槽。7(2)磷酸工段 磷酸生產(chǎn)工藝流程簡圖磷礦石經(jīng)鄂式破粹機粗破碎、滾筒篩篩分后(圖 1)，塊礦經(jīng)圓錐式破粹機細破碎后進人球磨機研磨，后經(jīng)滾筒篩振動篩進行二級篩分，篩分下的粉礦直接送球磨機研8磨成礦漿，篩分出的細礦石顆粒返回至球磨機重新研磨，篩分后的礦漿計量后進入預(yù)反應(yīng)槽，與來自磷酸澄清池的沉積淤酸、過濾的洗液反應(yīng)，得到的磷酸一鈣由漿泵送人萃取槽，硫酸經(jīng)計量后進入萃取槽，磷酸一鈣與硫酸反應(yīng)得到的磷酸和磷石膏混合料漿由料漿泵送至盤式過濾機過濾。過濾所得的磷石膏濾餅經(jīng)二次水流洗滌后卸人石膏堆場，過濾所得濾液送入磷酸澄清池澄清，澄清液作為成品磷酸送入磷酸貯槽，沉積淤酸與洗滌所得的洗液作為淡磷酸送至預(yù)反應(yīng)槽。 第三章 工藝過程的衡算及設(shè)備選型3.1 物料平衡計算3.1.1 物料衡算的作用作用:①為設(shè)備工藝計算、輔助設(shè)備及公用工程設(shè)計計算、熱量衡算、生產(chǎn)成本核算等提供依據(jù)。②在確定生產(chǎn)裝置及工藝參數(shù)的確定和生產(chǎn)線數(shù)量中起著十分重要的作用。③是指導(dǎo)生產(chǎn)過程的重要依據(jù)。 3.1.2 收集數(shù)據(jù) 設(shè)磷酸工廠所用磷礦的主要組成以及已知條件如下:(1)原料磷礦的主要成分:P 2O5 :31.59%、F:4.12%、CaO:45.78%、Fe 2O3:1.46%、Al 2O3:1.63%、Al:2.27%、CO 2:2.56%、SiO 2:2.17%、MgO:0.5%(2)硫酸用量:為理論用量的 106%(3)硫酸濃度:含 H2SO4 92.8%(4)轉(zhuǎn)化率:98.25%(5)洗滌效率:96.9%(6)料漿液固比:2.5(7)成品稀磷酸濃度:含 P2O5 32%(8)氟逸出率(%):半水法:45；二水法:1.42。(9)機械損失(P 2O5):2.9 %(10)水份蒸發(fā)量(以 1000kg 磷礦為基準):18.65kg；則冷卻器中的蒸發(fā)水量占80%（真空冷卻） 。(11)濾餅含液量(以干磷石膏為準):過濾后濾餅:62.8 %；一次洗滌后濾餅:43.25 %； 二次洗滌后濾餅:24.88 %(12)洗液濃度(P2O5)%:一次洗液:20；二次洗液:5.89(13)返回淡磷酸的溫度:63℃(14)萃取槽出料漿的溫度:77℃(15)萃取槽排出廢氣的溫度:56℃9(16)料漿循環(huán)比:72(17)磷灰石分解率: 97.7%(18)萃取槽排出廢氣的相對濕度:0.93(19)料漿在萃取槽中的停留時間:5 h(20)料漿的密度:1470 kg/m3(21)夏季最高月平均溫度:30℃(22)不考慮萃取槽中的熱量損失；(23)噴嘴風壓: 5000-6000Pa（廢氣溫度為 60℃） ，1300-2800Pa（廢氣溫度為 55℃）。(24)過濾機漏氣量:1.35m 3/m2·min(按過濾機總面積計算)。(25)原料硫酸溫度:27℃；(26)過濾常數(shù):q e=0.935m3/m2；K 過濾=5.25；K 一洗=3.42；(27)洗液粘度:μ 一洗 =1.57×10-3Pa·s；μ 二洗 =1.16×10-3Pa·s；(28)密度:成品磷酸 1260kg/m3；一洗液 1210kg/m3；二洗液 1060kg/m33.1.3 物料衡算 按照上述已知條件，以 1000kg 磷礦來計算物料衡算如下:(1)硫酸用量根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式:CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O56 981000?0.4578 m∴硫酸用量= 1000×0.4578×9898=801.15kgm(100%硫酸) = 801.15×106%=849.22kg(2)逸出氣體量已知:m 磷礦=1000kg，磷礦中 CO2 的為 2.56%，氟逸出率為 1.42% 。∴m (二氧化碳) =1000×0.0256=25.60kg以 SiF4 計算4F → SiF 476 1040.0585 mm(siF4)=(0.585×104)/56=0.005kgm(H2O)=186.50Kgm(逸出氣體量) = 25.60+0.8005+186.50=212.90kg(3)磷石膏值10CaO → CaSO 4·2H2O56 1721000?0.457 mm(磷石膏) = +1000×0.0271000×0.4578×17256=1433.10kgm(P2O5 總含量) =1000×31.59%×(1-98.25%×96.9%)=15.15kg(其中轉(zhuǎn)化=98.25%，洗滌效率 96.9%)m(P2O5 未分解) =31.59×(1-98.25%)=5.53kgm(水溶性 P2O5)=15.15-5.53=9.62kg(4)生成循環(huán)料漿量因為料漿的液固比為 2.5，液相:磷石膏=2.5:1液相量:m(循環(huán)料漿量) =1433.1×(2.5+1)=5015.85kgm(液相量) =5015.85-1433.1=3582.75kg(5)成品磷酸量m(循環(huán)料漿量 )= 1000×31.59%×98.25%×96.9%×(100%?2.9%)32%=912.29kgm(P2O5)=912.29×32%=291.93kg(6)機械損失m(機械損失) =1000×2.9%=9.16kg(7)過濾后濾餅含液量m(磷石膏) =1433.10kg濾餅的含液量(以干磷石膏為基準)為 62.8%所以過濾后濾餅含液量為:m(濾后濾餅含液量) =1433.10×0.628=899.99kgm(P2O5)=899.99×32%=288.00kg(8)一次洗滌后濾餅含液量以干磷石膏為基準，一次洗滌后濾餅含液量=43.25%m(一洗后濾餅含液量) =142.88×43.25%=619.82kg11(9)二次洗滌后濾餅含液量以干磷石膏為基準，二次洗滌后濾餅含液量=24.88%m(二洗濾餅含液量) =1433.10×24.88%=356.56kg(10)回入系統(tǒng)的濾液量，指返回到萃取槽的濾液量=料漿中的液相量-成品酸-濾餅中含液量)=3582.75-912.29-899.99=1770.47kg m(回入的濾液量 )(11)洗滌用水量圖二對系統(tǒng)進行物料衡算: 其中:912.29kgm(成品酸 )==212.90kgm(逸出氣體 )=1433.10kgm(磷石膏 )=149.33km(洗滌后濾餅含液量 )(硫酸) =915.11kg (磷礦 )=1000kg m m(輸出系統(tǒng) )= (成品酸) + (逸出氣體) + (磷石膏) + (洗滌后濾餅含液量) m m m m m=2707.62kg(輸入系統(tǒng)) = (硫酸) +m(磷礦) m m=1915.11kg校正∵m (輸出系統(tǒng)) = m(輸入系統(tǒng))∴校正合格(12)淡磷酸量 12圖三對萃取槽作物料衡算: 其中:m(循環(huán)料漿) =5.15.85kg m(逸出氣體) =212.90kgm(硫酸) =915.11kg m(磷礦) =1000kgm(輸出系統(tǒng)) =m(循環(huán)料漿) + m(逸出氣體)=2015.85+212.90=5228.75kgm(輸入系統(tǒng)) =m(硫酸) +m(磷礦 )=1915.11kgm(淡磷酸) =m(輸出系統(tǒng)) -m(輸入)=5528.75-1915.11 =3313.64kg校正:m (輸入系統(tǒng)) = m(輸出系統(tǒng))校正合格。淡磷酸中的 P2O5含量:(P2O5) + +m =??（系 統(tǒng) ??2??5） m（機械 損 失 ??2??5） m（未分解 ??2??5） ?m（磷 礦 ??2??5）=1146.48+9.16+5.53-315.9013=845.27kgP2O5（濃度） =m(P2O5)/m(淡磷酸) ×100%=25.51%(13)一次洗滌量圖四其中:m(淡磷酸) =3313.64kg m(回入系統(tǒng)的濾液量) =1770.47kg∴m (一次洗滌量) =m(淡磷酸) + m(回入系統(tǒng)的濾液量)=1543.17kgP2O5含量:m(P2O5)= +m(淡磷酸 ??2??5)??(回入系 統(tǒng) 的 濾 液量 ??2??5)=845.27-566.55=278.72kg一次洗滌液中 P2O5濃度:P2O5濃度= ×100%m(??2??5)/m(淡磷酸 )=19.18%14(14)二次洗滌量 P2O5 圖五對一次洗滌進行物料衡算: 一次洗滌后:m(出來的洗滌量) =1453.17kgm(過濾后濾餅含液量) =619.82kg一次洗滌前:設(shè)二次洗滌量為? m(過濾后濾餅含液量) =899.99kgm(出來的洗滌量) + m(濾餅含液量) = m(過濾后濾含液量) +?1433.17+619.82=899.99+?解得:? =1173kgP2O5含量:1173×0.589=69.09kg(0.589 為二次洗液 P2O5濃度)(15)一次洗滌后濾餅液相含 P2O5 對一次洗滌中液相中 P2O5進行物料衡算: 一次洗滌前:m(過濾后濾餅液相中含有的 P2O5)=288.00kgm(二次洗滌液中含有的 P2O5)=288.00kg一次洗滌后:m (一次洗滌液中含有 P2O5)=278.72kg設(shè)一次洗滌后濾餅液相中含有的 P2O5為?則:m(過濾后濾餅液相中含有的 P2O5)+m(二次洗滌液中含有的 P2O5)=m(一次洗滌液中含有 P2O5)+?帶入數(shù)據(jù)解得 ? =78.37kg液相 P2O5濃度:×100%=12.64%m(一次洗滌后濾餅含有 P2O5) m(一次洗 滌 后 濾餅 含液量 )(16)吸干濾液計算 設(shè)吸干濾液與一次洗滌混合后總質(zhì)量為? ，吸干濾液量為 y(20%為 P2O5 濃度，32%為成品稀磷酸濃度)15? -y=1453.1720%·? =32%·y+278.77解得: ? =1552.45kg y=24.5kg(17)吸干濾液中 P2O5含量: kg7.31%28.9%32mm)吸 干 濾 液 量()（ 吸 干 濾 液 ?????(18)吸干溶液與一次洗滌混合液中 P2O5 含量: 0.5kg5490)合 后 的 總 質(zhì) 量吸 干 濾 液 與 一 次 洗 滌 混((19)回磷酸量16792817.mm吸 干 濾 液 量回 入 系 統(tǒng) 的 濾 液 量回 磷 酸 量 ?????其中: 534.kg%69%32（ 回 磷 酸 量 ）52 ??OP163.1.4 物料平衡圖圖六17磷 礦 硫 酸 逸 出 氣 體 回 入 系 統(tǒng) 濾液 量 循 環(huán) 料 漿 量 過 濾 后 濾 餅含 液 量 磷 石 膏 量1000kg 915.11kg 212.90kg 1770.47kg 5.15.85kg 899.99kg 1433.10kg一 洗 后 濾 餅含 液 量二 洗 后 濾 餅含 液 量 一 次 洗 滌 量 二 次 洗 滌 量 洗 滌 用 水 成 品 磷 酸619.82kg 356.56kg 1543.17kg 1173.00kg 792.51kg 912.29kg物 料 匯 總 表表一 物料匯總表3.2 熱量平衡計算按照年產(chǎn) 10 萬噸 P2O5濕法磷酸， 每天工作 24 小時，每年生產(chǎn) 300 天。已知1000kg 磷礦中生成成品磷酸中含 P2O5的量為 291.93kg，消耗 100%硫酸量為849.22kg、92.8%硫酸量為 915.11kg，料漿量為 5015.85kg，淡磷酸量為 3313.64kg。硫酸的比稀釋熱(KJ/mol)，按下式確定: ：pC∴每小時消耗量: 噸47.23029.1m（ 磷 礦 ） ???噸 18447）2%10（ SOH 噸2.15m）8.9（ 63噸39.）返 回 淡 磷 酸 量（ ???噸408472)料 漿 量(已知：淡磷酸中含有 25.52%P2O5，原料 H2SO4溫度為 27℃，返回淡磷酸溫度為 63℃，萃取槽排出廢氣溫度 56℃，萃取槽排出料漿溫度 77℃， ，空氣溫度 30℃，萃取槽排出廢氣相對濕度 0.93。(1)收入熱量總熱量由下列物料帶入的熱量確定:磷礦粉；硫酸；淡磷酸，以及反應(yīng)熱和萃取槽中硫酸稀釋熱。另外，還有空氣?？?氣稀 釋反 應(yīng)淡 磷 酸硫 酸磷 礦收 入 QQQQ ????其中磷精礦比熱為 0.783KJ/kg·k，25.52%P 2O5的比熱為 3.246 KJ/kg·k ，92.8% H2SO4的比熱為 1.49 KJ/kg·k，夏季平均溫度為 30℃。18JTmcQ9 3磷 礦 10.71078.042??????SOH9 34232493JTmcQ9 3淡 磷 酸 10.2 106.56?????H2SO4與磷精礦的反應(yīng)熱為 q2:Ca5(PO4)3F+5H2SO4+10H2O→H 3PO4+5CaSO4·2H2O+HF 其中已知:CaSO4·2H2O(S):2022.6KJ/mol H3PO4(aq):1278.2KJ/molCa5F(PO4)3(S):6828.7KJ/mol H2SO4(溶液):839.5KJ/molH2O(aq):286.4KJ/mol HF(g):269.6KJ/mol由蓋斯定律得: 37kJ/mol 286.4)1089.568.729)178.0.6(q2? ????????( :反應(yīng)進度×1mol 反應(yīng)物的反應(yīng)熱=反應(yīng)總的熱效應(yīng))2反 應(yīng) qQ?22Ca5F(PO4)3 → 3P 2O52×504 3×142m 0.3159磷精礦中氟磷灰石的含量: kg74.0142390??已知氟磷灰石的分子量為 504，分解率為 0.977。JQ6 6反 應(yīng) 102.95174???萃取槽中硫酸稀釋熱: 98硫 酸稀 釋 pCGQ其中: 無水硫酸的量；：硫 酸G )/(7983.1467983.14622 molKJnnCp ????式中 n1 和 n2 為 H2SO4進入萃取槽稀釋前后溶液中 H2O∕H 2SO4摩爾比。19其中: 42.098%.21)10(????n設(shè)萃取槽中硫酸的濃度為 C2364kgm淡 磷 酸85.752淡 磷 酸 中 ?OP循 環(huán) 料 漿 液 相 量 146kgm52循 環(huán) 料 漿 量 中 OPP2O5分子量為 142，磷酸的分子量為 196P2O5 → 2H 3PO4142 196845.27 m71kg.642859m)淡 磷 酸 中 的 磷 酸(??淡磷酸中磷酸的質(zhì)量分數(shù): 35034P2O5 → 2H 3PO4142 196114.3 ? 1582.74kg96m量循 環(huán) 料 漿 液 相 中 磷 酸 的 ??則循環(huán)料漿液相中磷酸的質(zhì)量分數(shù): 0.4783162?則有: %17.2 %10)784.1(35827).0(4915.9硫 酸 溶 液硫 酸2? ???????mC91617.2%88360??n20∴ molKJCp/580.97983.1420731264??????Q9稀 釋 5?進入萃取槽的空氣帶入的熱量為: 水 蒸 氣干 空 氣空 氣 Q??根據(jù)道爾頓分壓定律: ，干 空 氣水 蒸 氣干 空 氣水 蒸 氣 pn其中:;4.2V?干 空 氣=3945.06;930水 蒸 氣 ?p973.46=93.04251水 蒸 氣空 氣干 空 氣 ????pmolkJc/0.1?空 氣 32g空 氣?kJH/5.水 蒸 氣 水 蒸 氣干 空 氣空 氣 QQ??nHTmc?? 35.2184.2973064529.104 ?VV5?所以萃取槽的總收入熱量為: 空 氣稀 釋反 應(yīng)淡 磷 酸硫 酸磷 礦收 入 QQQQ ???V05.12)27836.901.327910.(9???=59.11×109J+122.05V21（2）支出熱量帶走的熱量是下列熱量的總和：送過去的料漿（Q 料漿 ）;從萃取槽排出的氣體（Q 氣體 ）和熱損失（Q 熱損 ） 。77℃時，送去過濾的料漿帶走的熱量為： Tmc???料 漿，kg243690m料 漿 量 ?7??T固固液液料 漿 XCC?kgJ???/92.48液 kgJ??/0721固 7143.583液X25014固 ?08.51427.0823).4968.3. ????（料 漿CkgJ??/9.2從而， JQ 7料 漿 14.739.2460???56℃時，從萃取槽排出氣體帶走的熱量為：已知： ，kgJC??/.1空 氣 3/2.mkg空 氣?，PaP650分 壓水 蒸 氣 JH601?水 蒸 氣水 蒸 氣空 氣氣 體 Q?nTmc???260184.2930165320.5629.104 ????VV6.5?22則萃取槽總的支出熱量為： VQ69.45106.359?????氣 體料 漿支 出即，支 出收 入 V69.4510827???則每小時鼓空氣量: 37104.mV3.3 主要的設(shè)備選型與計算3.3.1 濕法磷酸生產(chǎn)中的設(shè)備介紹及選材(1)球磨機的選用使用?3600×7500，1800KW 電機的球磨機，確保供漿能力和供漿細度 200 目大于80%上。在球磨機出口設(shè) 1 臺滾筒篩，將球磨礦漿進行篩分，之后用 1 臺振動篩再次篩分，篩分出的細顆粒礦石返回球磨機，礦漿用礦漿泵送人預(yù)反應(yīng)槽。(3)泵類料漿泵，用于輸送萃取料漿。料漿泵的材質(zhì)由過去使用的 CD4M-Cu 改為 Cr-30(主要是考慮料漿中石膏雜質(zhì)的磨損)。它是高鉻高硬質(zhì)鑄造合金，機加工性能好，制造技術(shù)復(fù)雜，具有較大的開裂傾向，脆性大。由于 Cr~30 含鉻和含碳量都較高，并采用特殊的冶煉技術(shù)，使其具有很好的耐磨性，又有良好的耐蝕性。它是濕法磷酸工業(yè)中抗磨蝕抗腐蝕的優(yōu)質(zhì)材料。3.3.2 過濾機的選型圓盤真空過濾機，占地面積小，單位過濾面積價格最低。由于過濾面為立式，濾餅厚薄不均，不易洗滌，易開裂。易于處理沉降速度不高過濾容易的物料，不適合處理非黏性物料。 圓盤真空過濾機主要特點： （1）扇形濾板脫水孔分布均勻，孔率合理。（2）濾液管過濾數(shù)面大，提高了抽氣率和濾液排放效果。 （3）濾布自動清洗裝置，保持了其良好的脫水效果。 （4）軸端采用橡膠、臥式強制高速攪拌和水壓差三重密封不漏漿。 （5）結(jié)構(gòu)合理，減少了 90%可能的漏氣點。過濾機過濾面積計算方法:采用精確計算法計算生產(chǎn)能力為 10 萬噸/年 P2O5所需盤式真空過濾機的有效過濾面積。已知以 1000kg 磷礦為基準時:噸7591.0m成 品 磷 酸 ?噸6回 磷 酸 量噸34一 次 洗 滌 量23噸173.m二 次 洗 滌 量 ?年產(chǎn) 10 萬噸/年 P2O5濕法磷酸每小時消耗磷礦量為:噸4磷 礦ht/437.190m成 品 磷 酸 ???26.返 回 磷 酸435一 次 洗 液 ht/57.1m二 次 洗 液 ???產(chǎn) 物 產(chǎn) 量 (t/h) 密 度 (kg/m3) 粘 度 (Pa·S)成 品 磷 酸 43 1260返 回 磷 酸 72 1260 1.57×10-3一 次 洗 液 73 1210 1.16×10-3二 次 洗 液 55 1060基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù)表三其中:q e=0.935m3/m2；K 主濾 ＝5.25 m 2/h；K 一洗 ＝3.42 m 2/h；成品磷酸含 P2O5:32%。(1)主過濾區(qū)的必需面積: (G 主濾為 θ 時間的濾液量)）（/3主 濾主 濾主 濾 qGA?由恒壓過濾方程式: (以一小時為計算基準，所以 θ=1h)?主 濾主 濾主 濾2qe?代入數(shù)據(jù)解二次方程得: )/54.123h?主 濾而 (912607433主 濾 mG??∴ 2主 濾主 濾主 濾 5.qA(2)一次洗滌區(qū)域的必需面積:由恒壓過濾方程式:24）（一 洗一 洗一 洗 12???Kqqe解得: )/(14.23hm??一 洗∴ 2一 洗 507A?(3)二次洗滌區(qū)域的必需面積:其過濾常數(shù) K 二洗由下式確定: (0.8~濾布上濾餅密實度的8.0??二 洗二 洗一 洗一 洗 ?K系數(shù))代入數(shù)據(jù): 161057.423 3二 洗3???求得: hmK/92二 洗 ?帶入恒壓過濾方程式: ）（二 洗二 洗二 洗 ???Kqqe求得: )/(65.123?二 洗∴ 2二 洗 10mA???則 2三 洗二 洗一 洗主 濾有 效 14359mAA?????選用 ZPG 盤式過濾機，用于萃取磷酸生產(chǎn)中料漿的過濾，使磷酸與磷石膏分離。型號 ZPG 盤式過濾機總過濾面積 m2 200有效過濾面積 145轉(zhuǎn)速 r/min 0.3-1.2電動機功率 kw 5.5濾盤數(shù)量(個) 8外形尺寸直徑高 mm 4950×3150×2725表四3.3.3 萃取槽的選型采用單槽多漿式，槽體為兩個用鋼筋混凝土搗制的同心圓筒組成，內(nèi)外筒環(huán)形部分的器壁上裝有導(dǎo)流板。槽體防腐襯里為酚醛泥粘石墨板，槽蓋為碳鋼板，襯貼酚醛環(huán)氧玻璃鋼。環(huán)室換相等同心角設(shè)置，八臺攪拌漿，中心圓筒設(shè)置一臺攪拌漿，每個攪拌軸上裝有通向雙層渦輪式攪拌器，轉(zhuǎn)向相同。除第一漿向下翻動外，其余個漿均25向上翻動，驅(qū)動裝置采用 BLA 加長型專用擺線針輪減速器，使轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便。(1)料漿量:243690kg/h(2)料漿密度:1470kg/h(3)反應(yīng)時間:5h(4)料漿體積流量(質(zhì)量流量/密度): 243690/1470=166m3/h(5)反應(yīng)槽有效容積:166×5=830m3(6)在反應(yīng)槽有效容積中同心圓單槽體積占 69%，其余占 31%。(7)同心圓單槽體積:830×0.69=572.7m3(8)同心圓中單槽中的內(nèi)筒，隔墻及擋墻占容積約 70 m3(9)同心圓中單槽直徑為 D，有效高度為 H，取 H/D=0.25反應(yīng)槽有效容積為:572.7+70=0.785D2H，D=14.85m，H=3.72m(10)自由空間高度 1.5m，則反應(yīng)槽總高度為 3.71+1.5=5.21m(11)同心圓單槽內(nèi)筒的直徑 d，取 d/D=0.33，則 d=4.9m表 3-5 主要參數(shù)直徑 X 高度 m ?4.9×5.21m中心筒直徑 mm 2200攪拌泵轉(zhuǎn)速 r/min 101攪拌器直徑 mm 680攪拌器形式 折葉二層透平電機 q X 18.5 kW 380V表五3.3.4 水環(huán)式真空泵SK 型水環(huán)式真空泵及壓縮機用于吸，壓縮空氣或其他無腐蝕性，不溶于水，不含有固體顆粒的氣體，氣體溫度在 20-40℃為宜。表 3-6 性能范圍參數(shù) 性能范圍氣量 m3/min 1.5-2.7真空度 mmHg 700-760壓力 kg·f/cm3 0-1.5表六本設(shè)計中根據(jù)過濾機的漏氣量 1.35 m3/m2·min，總過濾面積為 150m2則過濾機總漏氣量為，1.35×150=202.5m 3/min。根據(jù)漏氣量査得:表 3-7 水環(huán)式真空泵選型泵型號 SK-120轉(zhuǎn)速 r/min 490電動機 kw 185