年产5000吨阻燃性填料氧化锑的工艺设计

教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 200992074089 编 号 本科毕业论文（设计）题 目 年产5000吨阻燃性填料氧化锑的工艺设计 学生姓名 房彩丽 专业名称 化学工程与工艺 指导教师 张孟民 2013年 5 月 28 日目录摘 要1Abstract11.概述21.1三氧化二锑的性质21.2三氧化二锑的作用及用途21.3三氧化二锑的阻燃机理21.4市场需求及发展前景31.5三氧化二锑合成方法及简介31.5.1直接法（辉锑矿法）41.5.2间接法41.5.3水解法4 1.5.4氨解法42.设计任务53 原料及产品主要技术规格54三氧化二锑工艺介绍64.1生产方法的选择64.2工艺流程的介绍65工艺计算85.1设计生产能力85.2 板框压滤机的设计105.2.1板框压滤机的过滤过程125.2.2的计算（滤饼体积与滤液体积之比）135.2.3的计算（过滤介质的当量滤液体积）145.2.4比阻r的计算（单位厚度滤饼的阻力）145.2.5值的计算（过滤常数由物料特性及过滤压强差所决定）145.2.6的计算（获得体积为的滤液所需的虚拟过滤时间）145.2.7所需过滤面积和板框数的计算155.2.8板框压滤机的选型及材料15结束语16参考文献17谢词18年产5000吨阻燃型填料氧化锑的工艺设计板框压滤机的设计房彩丽 交稿日期：2013-05-28 指导教师：张孟民作者简介：房彩丽（1989.10）,女，陕西榆林人，化学化工学院2013届毕业生（宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013）摘 要：氧化锑亦称三氧化二锑（Sb2O3）是无机类阻燃剂中使用最广的品种。本文综述了氧化锑的性质、用途、市场前景及合成工艺；本设计以辉锑矿（主要Sb2S3）为原料焙烧制得粗锑白（主要Sb2O3），粗锑白再经氨解法反应最终制得纯度高达99%以上的三氧化二锑。设计了年产5000吨三氧化二锑的生产工艺，确定了各工段的工艺参数，并进行了主要设备框板过滤机、液体贮槽的设计、选型及工艺计算，主要确定设备的工艺参数如：过滤面积、框板层数、贮槽容积。关键词：三氧化二锑；工艺设计；焙烧；氨解法；框板过滤机；液体贮槽The Process Design Of 5,000 Tons Antimony trioxide Per YearFrame filter designCaili Fang(Baoji University of Arts and Sciences,The Departement of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi Baoji 721013)Abstract: antimony oxide also called antimony trioxide (Sb2O3 flame retardant inorganic kind) is the most widely used in varieties. The paper summarized antimony oxide properties, applications and market prospect and the synthesis process, This design with stibnite (mainl Sb2S3) as raw materials roasting system (mainly Sb2O3 coarse antimony white, white again coarse antimony) by ammonia solution reaction was finally over 99% purity of antimony trioxide. The design of5,000 tons of antimony trioxide production process, determine the parameters of the stages, and the main equipment box board filter, liquid storage tank design, selection and calculation of main equipment, process parameters determined as: filter layer board area, box, storage tank capacity.Keywords: antimony trioxide, Process design, Roasting, Ammonia solution, Frame board purifier, Liquid storage.1 概述1.1 三氧化二锑的性质三氧化二锑，又名锑白；锑华；锑氧；亚锑酐；氧化锑；氧化亚锑；三氧化锑；亚锑酸酐。英文名：Antimony trioxide 。三氧化二锑分子式：Sb2O3 分子量：291.50。理化性质：稳定的白色或灰白色结晶粉末，加热变为黄色，冷却后重新变为白色或灰色，在570以下为等轴晶体，570以上为斜方晶体，理论上含83.53%的三价锑，其余则为氧。三氧化二锑呈立方晶体结构，三氧化二锑的密度是5.19 g/cm3（立方晶系），5.67 g/cm3（正交晶系），熔点656，沸点1550（升华），比重5.2，折射率2.09，吸油性11，有毒，其产品具有刺激性。是两性氧化物，其碱性比三氧化二砷强。能溶于盐酸、浓硫酸、浓硝酸、苛性钠、硫化钠、酒石酸，难溶于醇，不溶于水、稀硫酸、稀硝酸、醋酸。1.2 三氧化二锑的作用与用途三氧化二锑最初用于降低锐钛型二氧化钛的粉化，该颜料呈惰性，透光性差。因为它是一种很重的气体,能熄灭火焰，目前主要用于防火涂料。作为阻燃剂可广泛用于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙、工程塑料（ABS）、橡胶、油漆、涂料、合成树脂、纸张等材料的阻燃。作为消泡剂用于熔化玻璃清除气泡、在聚酯纤维中作催化剂。用于搪瓷与陶瓷制品中作遮盖剂、增白剂。用于石油中重油、渣油、催化裂化、催化重整过程中的钝化剂、催化剂、媒染剂；织物、纸张、塑料阻燃剂；玻璃脱色剂。用于制备酒石酸锑钾，釉彩，防火剂，制造铅软化剂。用于制搪瓷、颜料、吐酒石、药物，并用作填充料。1.3三氧化二锑的阻燃机理一般而言，有机材料进行燃烧应具备三个条件：外界热能的供应、氧气的存在和材料本身降解生成的可燃性气体。材料燃烧过程的主要反应为RH + O2 CO + H2ORH + O2 R + HOHO + CO CO2 + HH + O2 HO + O当材料受热后温度升高，一定温度后，发生热降解和氧化热降解反应，在氧的参与下生成活波性较高的羟基自由基HO ，它决定着燃烧的速度。接着，羟基自由基与CO发生反应，生成的H自由基与O2反应生成HO ，如此反应循环进行，具有连锁反应的特征，因此反应速度极快。由此可知，为了阻止材料燃烧，其基本方法是抑制可燃性气体的发生和阻断氧气的供应。三氧化二锑作为阻燃剂，本身并无良好阻燃效果，但与卤化物阻燃剂并用时却表现出良好的阻燃性，并超过了这两种阻燃剂中的任何一种，反映了他们之间的化学作用改变了原来的性质。三氧化二锑与卤化物并用时在高温下生成卤化锑，其反应为：Sb2O3 + 6RX 2SbX3 + 3R2O三卤化锑沸点较高（SbCl3沸点223，SbBr3沸点288），密度大，可以长时间地在火焰区域起作用。卤化锑在聚相时，能促使聚合物阻燃剂体系脱卤化氢和使聚合物表面炭化。同时在气态时又能捕捉自由基。这些反应都有利于阻燃。1.4 市场需求及发展前景我国锑资源极其丰富，储量占世界总储量的一半，也是锑品生产与出口大国。以锑精矿、精锑和一般锑白出口。同时又进口锑深度加工产品，因而损失大量外汇。三氧化二锑是深度加工的主要产品。用于塑料、化纤等制品中阻燃剂。随着我国合成材料工业的发展和应用领域的不断拓展，阻燃剂在化学建材、电子电器、交通运输、航天航空、日用家具、室内装饰、衣食住行等各个领域中具有广阔的市场前景。此外，煤田、油田、森林灭火等领域也促进了我国阻燃、灭火剂生产较快的发展。我国阻燃剂已发展成为仅次于增塑剂的第二大高分子材料改性添加剂，目前的生产能力20万t/a左右，年生产量在15万17万t之间，年消费量20万t左右。我国阻燃剂生产厂60余家，能够生产50余种产品，主要为溴磷系列，三氧化二锑多与他们并用，并且随着下游市场需求的增加，所以有很好的市场前景。1.5三氧化二锑的合成方法简介三氧化二锑的生产方法可分为湿法和火法。湿法主要是三氧化二锑的水解法和氨解法。火法又可分为直接法和间接法，直接法是利用有害杂质很低的硫化精矿作为原料，通过直接氧化挥发生产符合要求的产品。间接法是用高品位的金属锑作为原料，通过熔化，氧化挥发，冷却，升华等步骤获得纯净的产品。间接法的锑白炉分为自热炉及外热炉两种，自热炉是利用锑液本身氧化放出的热量维持锑液的作业温度；而外热炉是靠外供热源保证过程的正常进行。工业上用的最多的是氨解法和直接法。 1.5.1 直接法（辉锑矿法）将粉碎的辉锑矿精矿与焦碳以重量比为7：1的比例混合均匀，置于沸腾焙烧炉（或反射炉）内，于1000左右氧化焙烧，将炉气冷凝，收集挥发出的三氧化二锑蒸气，此时因含较多的杂质，需将其转移至还原炉中，在焦碳存在下，用纯碱作助熔剂加热还原成金属锑。再将其放入氧化炉中用空气氧化成三氧化二锑（蒸气），再送入冷却器冷却收集。即得三氧化二锑含量大于90的成品。2Sb2S3 + 9O2 2Sb2O3 + 6CO22Sb2O3 + 3C 2Sb + CO4Sb + O2 2Sb2O3 1.5.2 间接法以高品位的金属锑作为原料，通过熔化，经锑白炉氧化挥发出三氧化二锑蒸汽，三氧化二锑蒸汽再经冷却、升华等步骤最终获得纯净的产品。间接法的锑白炉分为自热炉及外热炉两种，自热炉是利用锑液本身氧化放出的热量维持锑液的作业温度；而外热炉是靠外供热源保证过程的正常进行。4Sb + O2 2Sb2O3 1.5.3 水解法将 SbCl3粉晶溶于无水乙醇中，磁力搅拌使其充分溶解后，往溶液中缓慢滴入去离子水，并不断搅拌即得胶乳状白色沉淀。然后用水多次倾析，并过滤洗涤，干燥后即得三氧化二锑粉末。2SbCl3 + H2O 2Sb2O3 + 6HCl 1.5.4 氨解法以辉锑矿精矿或粗锑白（锑氧粉）为原料置于反应釜内，按重量比为0.3:1的比例加入浓度为30的盐酸，搅拌，让其溶解，生成三氯化锑，过滤后将滤液转入水解槽进行水解。水解过程可在常温搅拌下实现。水解产物过滤后的滤饼，由于含有水分和少量杂质，洗涤除去杂质。由于金属杂质的硝酸盐溶解度大，且稀硝酸并不会使Sb氧化，可用稀硝酸洗涤效果更好。净化后的滤饼放入中和槽中用氨水中和，以除去Cl- 即生成锑白，中和时的碱度应控制在PH78。太高时锑会溶解，增大损失。太低则除Cl-不完全。碱液中和，过滤干燥即可获得三氧化二锑含量高于99.5的高质量锑白。Sb2O3 + 6HCl 2SbCl3 + 3H2OSbCl3 + H2O SbOCl + 2HCl4SbOCl + H2O Sb2O32SbOCl + 2HCl2SbOCl + 2NH3H2O Sb2O3 + 2NH4Cl + H2O Sb2O32SbOCl + 2NH3H2O 2Sb2O3 + 2NH4Cl + H2O2设计任务设计项目：年产5000吨三氧化二锑的生产工艺设计，本工艺过程主要分为七个阶段，分别是矿石焙烧、粗锑白反应、过滤、水解、中和、洗涤和干燥。本文完成的是第三阶段过滤的工艺设计，确定生产的最佳工艺条件。 已知条件：（1）按一年生产300天，一天生产24小时分3班生产计算 （2）每批反应时间6小时，每批过滤时间50分钟3 原料及产品的主要技术规格表1 原料规格主要成分含量辉锑矿Sb2S3，71.4%Sb，28.6%盐酸30%-氨水pH=78-盐酸或硝酸0.1molL-表2 产品的主要技术规格零级品一级品二级品色泽纯白纯白白色略带微红（Sb2S3），%99.509998(PbO)，%0.130.20.3（As2O3），%0.060.120.2杂质总和，%0.501.0325目筛余量，%0.10.5100目余量全通过4 三氧化二锑工艺介绍目前生产三氧化二锑的方法主要有：直接法、间接法、水解法和氨解法。工业上主要应用的是直接法和氨解法。4.1 生产方法的选择生产三氧化二锑的方法分为干法和湿法。目前国内采用较多的是湿法（水解法和氨解法），新近制备三氧化二锑的方法还有等离子体法和胶体沉淀法等。这些方法生产三氧化二锑最大的缺点就是杂质含量过高,白度低,粉末分布不均匀,满足不了精细化生产的要求。国内一般采用火法生产三氧化二锑，俗称锑白。平均直径为16微米。颗粒愈大在产品中的分布愈不均匀，化学活性也愈低。其阻燃效率也低，用量大而成本高。本设计采用氨解法生产，产品白度好、纯度高。反应条件不苛刻，反应周期短，能耗低，设备简单，并且过量可用水吸收或用酸吸收生成铵盐。4.2工艺流程介绍 本文选用氨解法制造氧化锑，其具体的工艺流程分为以下几步：（1）焙烧 锑辉矿在860左右进行焙烧为粗锑白。（2）溶解 辉锑矿焙烧得粗锑白（锑氧粉）为原料置于反应釜中，按重量比0.3：1的比例加入浓度为30的盐酸，搅拌，让其充分溶解，生成三氧化锑。（3）过滤 过滤（2）中的反应液，滤液存用。（4）水解 将（3）中滤液转入水解槽进行水解，常温搅拌。注：水解完全的程度取决于水解液中剩余酸度的高低，一般水解产物控制在Sb2O32SbOCl阶段时，其相应母液的酸度为0.50.6mol/K盐酸。这时大量杂质仍留在母液中，水解过程可在常温下搅拌实现。水解产物过滤后的滤饼，由于含有少量杂质，可用0.1mol/K或0.1mol/L HNO3洗涤除去（由于金属杂质的硝酸盐溶解度大，且稀硝酸不会使Sb3+氧化，效果更好）。(5)中和净化后的滤饼放入中和槽，以除Cl即生成锑白，中和时的碱度控制在PH=78，太高锑溶解，增大损失，太低则除Cl不完全。 中和时，用碱液(PH=78)调，在常温下搅拌进行，当PH稳定到8时，中和即完成。（6）洗涤（7）干燥中和过滤后的产品含湿量为40左右，在干燥箱100150温度下烘干两小时，即可获得99.5Sb2O3高质量锑白。（8）粉碎 干燥好的产品转入粉碎机粉碎至理想粒度既得最终产品。简单工艺流程图： 辉锑矿 盐酸 水过滤水解冷凝器焙烧炉过滤反应釜 水 氨水干燥炉洗涤槽中和槽过滤粉碎机产品主要化学反应方程式：Sb2O3 + 6HCl 2SbCl3 + 3H2OSbCl3 + H2O SbOCl + 2HCl4SbOCl + H2O Sb2O32SbOCl + 2HCl2SbOCl + 2NH3H2O Sb2O3 + 2NH4Cl + H2O Sb2O32SbOCl + 2NH3H2O 2Sb2O3 + 2NH4Cl + H2O5 工艺计算5.1 设计生产能力年生产5000吨阻燃型添料三氧化二锑 一年生产300天 每天生产三氧化二锑16.667t即16667 采用每天3班间歇式生产 焙烧段收率95%，反应段收率98%，板框压滤段收率98%，水解段收率98%，中和段收率98%，洗涤段收率98%，干燥段收率98% 。 为满足年产3000吨要求： 即：16.667吨16667三氧化二锑每天。 因为干燥损失2%，所以干燥所需水洗产物为：16.667 （1-2%）=17.007吨 水洗的损失量也为2%，所以水洗所需原料即中和产物的量为：17.007 （1-2%）=17.354吨 中和损失量为2%，中和所产生的三氧化二锑为：17.354 （1-2%）=17.708吨 由中和反应方程式： 2SbOCl + 2NHHO = 2SbO + 2NHCl + HO = 解得X=19.378吨每天 即中和反应所需原料2SbOCl为19.378吨每天。 产物2SbOCl由SbCl水解所得，而且水解过程损失量为2% 所以水解共产生2SbOCl为19.378 （1-2%）=19.773吨 由水解反应方程式：4SbCl + 5HO =2SbOCl + 10HCl = 解得X=28.295吨每天 即水解所需原料SbCl为28.295吨，由于过滤损失量为2% 所以过滤所需SbCl为28.295 （1-2%）=28.872吨 即酸浸取为过滤所提供的SbCl为28.872吨 因为算浸取过程中的损失量为2% 所以酸浸取共产生SbCl的量为28.872 （1-2%）=29.461吨 酸浸取反应方程式：SbO + 6HCl = 2SbCl + 3HO = 解得 X=18.813吨SbO由焙烧所得，所以焙烧的产出量为18.813吨每天，焙烧过程的损失率为5% 即焙烧共产生SbO为 18.813 /（1-5%）=19.803吨 由焙烧反应方程式：2SbS + 9O = 2SbO + 6SO = = 解的X=23.064吨，Y=9.782吨 因为SbS的含量为80% 所以每天处理矿量为23.064 80% =28.830吨 即：每天焙烧需要进料（辉锑矿）28.830吨； 反应釜进料（粗锑白）19.803吨； 压滤机进料（三氯化锑的稀盐酸悬浮液）29.461吨； 水解釜进料（三氯化锑的稀盐酸溶液）28.872吨； 中和釜进料（Sb2O32SbOCl）19.378吨； 水洗釜进料（Sb2O3）17.354吨； 干燥器进料（Sb2O3）17.007吨。5.2 板框压滤机的设计过滤是化学工业生产中常采用的固液分离技术，它即是一种历史悠久的古老操作，也是现代广泛应用的一种必不可少的重要处理过程。过滤乃是利用多孔介质截住固体粒子而让液体通过，使固体粒子从液相悬浮液中分离出来的方法。精细化工生产中经常遇到悬浮液的固液分离问题。悬浮液指液体中含有固体颗粒的两相混合物，各种固体颗粒具有不同的几何形状，如粒状、片状、纤维状和不规则形状等。根据产品的不同要求，有的是要分离以得到的液体，有的是要求得到固体颗粒，也有的是要求两种兼得。由于在精细化工生产中悬浮液的种类很多，因此在分离时要根据悬浮液的不同特性采用不同的分离方法。悬浮液中固体颗粒的直径大小与分离的关系很大。一般固体颗粒的直径愈大，愈容易分离。固体颗粒的粒径小于0.0005mm时，分离较为困难。悬浮液的粘度、密度的差异也影响分离，尤其是粘度愈大，愈难于分离。此外组成悬浮液的固体颗粒与液体的密度相差愈大，愈容易分离。过滤属于机械分离操作，它们需要的能量较蒸发和干燥少得多，后两类操作要提供的是液体气化所需的潜热。过滤操作分为两大类：一类为饼层过滤，其特点是固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的一侧，适用于处理固相含量稍高的悬浮液。另一类为深床过滤，其特点是固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部。悬浮液中的颗粒直径小于床层孔道直径，当颗粒随流体在床层内的曲折孔道中穿过时，便粘附在过滤介质上。这种过滤适用于悬浮液中颗粒甚小而且含量甚微的场合。例如，自来水厂里用很厚的石英砂层作过滤介质来净化水。化工厂中所处理的悬浮液浓度往往较高。过滤悬浮液的设备可按其操作方式分为两类：间歇式过滤机与连续式过滤机。间歇加压过滤机广泛应用在精细化工生产中的燃料、颜料、农药、医药、粘合剂、表面活性剂、食品添加剂、涂料等。加压过滤的优点如下： (1)对悬浮液特性的适应性强； (2)结构简单、容易操作； (3)过滤压力高，滤饼含湿率低； (4)过滤面积的选择范围广； (5)操作稳定，单位过滤面积占地小。板框压滤机是由许多块滤板和滤框交替排列而成，板和框都用支耳架在一对横梁上，可用压紧装置压紧或拉开。板框压滤机的结构形式，有滤板和滤框交替排列以形成内部覆有过滤介质的复式滤室和没有滤框而在较厚滤板的两侧形成凹入部分的单式滤室。板和框多做成正方形，板、框的角端均开有小孔，装合并压紧后则形成供滤液或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种，其结构与作用有所不同。为安装时易于辨别，常在板、框外侧铸有小钮及其他标志，故有时洗涤板又称三钮板，非洗涤板又称钮板，二滤板则带二钮。安装时即以123212的顺序排列板与框，所需板数由生产能力及滤浆浓度等因素决定。每台压滤机的总框数不超过60个。当所需框数不多时，可取盲板插入，以切断滤浆流通的孔道，后面的板和框即失去作用。5.2.1 板框压滤机的过滤过程过滤时，悬浮液在指定的压力下经滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内，滤液分别穿过两侧滤布，再经邻板板面流到滤液出口排走，固体则被截留于框内，待滤饼充满滤框后，即停止过滤。滤液的排出方式有明流与暗流之分。若滤液经由每块滤板底部侧管直接排出（如图3-23所示），则称为明流。若滤液不宜暴露于空气中，则需将各板流出的滤液汇集于总管后送走（如图3-21所示），称为暗流。若滤饼需要洗涤，可将洗水压入洗水通道，经洗涤板角端的暗孔进入板面与滤布之间。此时，应关闭洗涤板下部的滤液出口，洗水便在压力差推动下穿过一层滤布及整个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下部的滤液出口排出，如图3-23（b)所示。这种操作方式称为横穿洗涤法，其作用在于提高洗涤效果。洗涤结束后，旋开压紧装置并将板框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组合，进入下一个操作循环。板框压滤机的操作表压，一般在31058105Pa的范围内，有时可高达15105Pa。滤板和滤框可由金属材料(如铸铁、碳钢、不锈钢、铝等)、塑料及木材制造。我国已有板框压滤机系列标准及规定代号，如BMS20/63525，其中B表示板框压滤机，M表示明流式（若为A，则表示暗流式），S表示手动压紧（若为Y，则表示液压压紧），20表示过滤面积为20m2，635表示滤框边长为635mm的正方形，25表示滤框的厚度为25mm。在板框压滤机系列中，框每边长3201000mm，厚度为2550mm。滤板和滤框的数目，可根据生产任务自行调节，一般为1060块，所提供的过滤面积为280m2。 板框压滤机结构简单、制造方便、占地面积较小而过滤面积较大，操作压力高，适应能力强，故应用颇为广泛。它的主要缺点是间歇操作，生产效率低，劳动强度大，滤布损耗也较快。近来，各种自动操作板框压滤机的出现，使上述缺点在一定程度上得到改善。5.2.2 的计算（滤饼体积与滤液体积之比） 每天处理固相重10%的悬浮液65.72吨，反应釜反应时间为6小时，每批过滤时间为50min，反应釜每次出料。即：5.2.3 的计算（过滤介质的当量滤液体积）查资料可得：重复使用的过滤介质，由于滤孔的堵塞其阻力约为6mm厚的平均滤饼的阻力，所选滤框尺寸为： 又由于根据试验测得反应完成料液的黏度为5.2.4 比阻r的计算（单位厚度滤饼的阻力）公式：由资料查得：孔隙率： ； 球形颗粒的比表面：所以比阻： 5.2.5 值的计算（过滤常数由物料特性及过滤压强差所决定）对于不可压缩滤饼,过滤常数K值的计算公式为：查资料知：板框压滤机的过滤压力为0.40.6MPa 此取=0.5Mpa，其中=1.05.2.6 的计算（获得体积为的滤液所需的虚拟过滤时间）公式：所以 5.2.7 所需过滤面积和板框数的计算由公式 需要在每批50分钟内过滤完滤液,所以 5.2.8 板框压滤机的选型及材料板框压滤机的型号为：BAS 2.45/320-25代表：滤液排出方式为暗流式，手动压紧，过滤面积为2.45m2,框内每边长320mm，框厚25mm，板框数为24。板框压滤机的体积为：板框压滤机的材料选择聚丙烯的，它的优点是：耐腐蚀，质量小，能耐高温。所