年产2万吨硫酸法磷酸生产工艺设计

1、摘 要 本设计主要任务是 2 万吨/年硫酸法磷酸生产工艺设计。磷酸为中强三元酸，具有酸 的一切通性，在室温下磷酸的化学性质是很活泼的，高温下磷酸可与大部分金属及其氧 化物发生化学反应，磷酸的氧化能力很弱，即使在 350-400下，与氢，碳等强还原剂也 不发生明显的化学反应。 本文首先介绍了磷酸的基本性质及用途，随后确定了湿法制磷酸的生产方案。通过 工艺衡算包括物料衡算和热量衡算来对生产过程中所需要的设备进行工艺设计和选型， 主要设备就是反应搅拌釜。还对湿法制磷酸的消耗定额和所产生的“三废”进行了合理 的综合利用进行了描述。 关键词：关键词：磷酸 湿法制磷酸 工艺设计 三废 abstract t

2、he aim of this design is 20,000 ton per year manufacturing the phosphoric acid using wet method with sulfuric acid. the phosphoric acid for the strong tribasic acid, has acid all general characteristics, under the room temperature the phosphoric acid chemical property is very lively, under the high

3、temperature the phosphoric acid may has the chemical reaction with the majority of metals and the oxide compound. first,this article introduce the character of the phosphoric acid and its application. we design the method of manufacturing is the phosphoric acid,its name is the manufacturing the phos

4、phoric acid with wet method.we also detail material and the energy graduated arm calculated which is the base of design the devices .in the design also includes the flow chart, the equipment assembly drawing, the workshop general arrangement, the equipment general arrangement plan. involves raw mate

5、rial and the power consumption fixed quantity budgetary estimate in the article, and to produced the environmental protection which and the security measure existed has carried on the simple introduction. keywords: phosphoric acid ; the manufacturing of phosphoric acid with wet method; technological

6、 design;the three polluthion 第一章 总论 1.1 磷酸的性质 1.1.1 磷酸的物理性质 纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度 1.88g/cm3,熔点 42.3，高沸点酸，可与水以任意比互溶。市售磷酸试剂是粘稠的、不挥发的浓溶液， 磷酸含量 83-98%。 磷酸的稀释热随着稀释倍数的增大而增大。1mol h3po4在 1mol 水中的熔解热为 7.285jmol，而在 100 mol 水中则增大为 22.0446 jmol。 磷酸溶液的密度与粘度在一定温度下，均随磷酸中 p2o5含量的增加而增加。在 75 摄氏度下，当从 19.6% p2o5增加到

7、 70.5%p2o5时，磷酸水溶液的粘度相应从 1.976*10- 3帕每秒增加到 59.24* 10-2帕每秒。而密度从 1.15 克每立方厘米增加 1.49 克每立 方厘米。 磷酸水溶液在 20100范围内的比热容可按下式计算： cp=1.0109-0.00514x 式中 x 为磷酸中 p2o5含量, p2o5%。 1.1.2 磷酸的化学性质 磷酸是由五氧化二磷与水反映得到的化合物。一般情况下，磷酸系正磷酸的简 称，其分子式为 h3po4。五氧化二磷结合的水的比例低于正磷酸时可形成焦磷酸、三 聚磷酸、四聚磷酸、偏磷酸和多聚偏磷酸等。磷酸是三元酸，可以生成三种不同的取 代盐，即一代磷酸盐，二

8、代磷酸盐和三代磷酸盐。在水溶液中 25时，磷酸三个氢离 子的离解常数分别为： h3po4 h+ +h2po4- k10.93*10-2 h2po4- h+ hpo42- k20.99*10-8 hpo42- h+ po43- k11.8* 10-12 磷酸后磷酸盐的溶液中，各种离子的存在及其浓度由溶液的 ph 值决定。当 ph=2 时，溶液中约有一半以一代磷酸盐离子存在，当 ph=4.5 时（弱酸性） ，一代磷酸盐离 子才是稳定的；二代磷酸离子在 ph=9.5 时才是稳定的；而磷酸根则必须在强碱性溶 液中才能稳定存在。 磷酸为中强三元酸，具有酸的一切通性，在室温下磷酸的化学性质是很活泼的。 高

9、温下磷酸可与大部分金属及其氧化物发生化学反应。 当加热至浆状时，磷酸能侵蚀石英。 磷酸的氧化能力很弱，即使在 350 至 400 摄氏度下与氢、碳等强还原剂作用也不 发生明显的化学反应。 纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度 1.88g 每立方厘米，熔 点 42.4，含五氧化二磷 72.4。此外，还存在半水物结晶区，熔点 29.3，含 91.6的磷酸。 1.2.1 用于化学肥料的生产 制造高浓度磷肥和复合肥料，如重过磷酸钙、沉淀磷肥、磷酸铵类氮磷复合肥料 以及氮磷钾混配复合肥料等。 1.2.2 用于工业磷级酸盐生产 用磷酸制取的工业及磷酸盐产品很多。热法磷酸由于杂质含量少，绝大部

10、分用于 生产三聚磷酸钠和其他工业用磷酸盐。湿法磷酸经过净化也可以用于工业级磷酸盐生 产。 工业级磷酸铵是用作酵母培养剂及防火剂。 工业级磷酸钙是用氢氧化钙中和热法磷酸而制成。控制中和液的酸度可制的各种 磷酸钙盐。 磷酸一钙用作发酵剂和蔗糖的脱色剂。磷酸二钙用作动物的辅助饲料和牙膏的填 料，优质的磷酸二钙可用于医药。磷酸三钙用作粉状物料流动性的调节剂和陶瓷制品 的增白剂。 磷酸钾盐的工业应用比较少。只有焦磷酸钾几乎全部用于液体洗涤剂的生产。焦 磷酸钾可由磷酸氢二钾在高温下脱水而成。 磷酸一钠用于酸型去垢剂的缓冲剂，磷酸二钠用作软化剂，除去水中的金属阳离 子;也可以用于医药和织物染色以及陶瓷釉料。

11、磷酸三钠用作软化剂或重质洗涤剂的 配料。酸式焦磷酸钠用于发酵剂和配制油井钻孔泥浆。焦磷酸钠是肥皂和合成洗涤剂 的主要助剂，因为它有很强的螯合力。 1.2.3 用于饲料级磷酸盐的生产 在饲料添加剂中，饲料级磷酸盐占有很大的比重，目前中国饲料工业发展很快， 饲料级磷酸盐年需求只在 60 万吨以上。饲料级磷酸盐主要有磷酸氢钙、脱氟磷酸钙、 磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、尿素磷酸盐等。 1.2.4 用于食品级磷酸盐的生产 磷酸盐在食品或饮料加工中主要是作为品质改良剂和营养剂。食品级磷酸盐的品 种比较多，美国目前使用的有 31 种，日本有 26 种，中国正式批准的有磷酸、磷酸氢 钙、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、焦

12、磷酸钠、焦磷酸二氢钙、焦磷酸二氢钠等。过去食 品级磷酸盐都是以热法磷酸为原料。近年来，随着湿法磷酸净化技术的进步，湿法磷 酸也用于品级磷酸盐的生产。 1.2.5 其他的应用 电镀，抛光工业，水处理行业，洗涤剂行业等等。 1.3 磷酸的发展现状及前景 磷酸盐是无机盐中的重要系列产品，在工业、农业、国防和人民生活中已被广泛 应用。除在农业中大量用作肥料和农药、饲料外，在钢铁、机械、选矿、砖井、电镀、 颜料、制革、纺织印染、食品、医药、玻璃、陶瓷、耐火材料、日用化工、造纸、洗 涤剂、水处理、阻燃剂、灭火剂等方面也得到了广泛应用。近年来，高纯磷酸盐、特 种磷酸盐、功能磷酸盐等，在国防工业等方面又得到进

13、一步推广应用，出现了许多新 型磷酸盐产品。如磷酸盐电子电气材料、磷酸盐光学材料、磷酸盐电池材料、磷酸盐 传感元件材料、人工生物材料、催化剂、离子交换剂等。近年来，大量磷酸及其盐类 用于风味软性饮料，如可乐、香槟、果冻等。磷酸与枸橼酸、酒石酸等有机酸不同， 它是人类的基本营养物质。 第二章 湿法磷酸生产方案的确定 2.1 磷酸的生产方法 2.1.1 湿法磷酸 用酸（硫酸、硝酸、盐酸等）分解磷矿制得的磷酸统称湿法磷酸。湿法磷酸生产 中，硫酸分解磷矿是在大量磷酸溶液介质中进行的： ca5f(po4)3+5h2so4+nh3po4+aq=(n+3)h3po4+5gaso4.mh2o+hf+aq 根据磷

14、酸溶液中的磷酸浓度、温度及游离硫酸浓度的不同，反应生成的硫酸钙可能是 无水硫酸钙、半水硫酸钙、或者二水硫酸钙。即对应的方法是无水物法、半水物法、 二水物法。 在生产流程里，分解过程实际分为两个阶段进行，首先是氟磷酸钙溶解在磷酸溶 液中反应生产磷酸一钙，接着硫酸与磷酸一钙反应，从溶液中析出硫酸钙。 磷矿中所含的杂质能与酸作用，发生各种副反应，如碳酸钙悲酸分解生成硫酸盐 和磷酸盐，并放出二氧化碳。湿法磷酸生产中氟磷灰石和硫酸、磷酸反应以及过量硫 酸反应的稀释都能放出热量。用二水物法生产磷酸时，靠对流、辐射、热传导和水分 蒸发等方式的自然热损失不能消除过剩热量，因此应采用空气冷却或真空冷却等方法 以

15、除去过剩热量。半水法生产中放出的热量较少，若采用 90%95%的硫酸，则多余的 热量正好补偿自然热损失. 2.1.2 热法磷酸 热法磷酸工艺8即以电热法生产的黄磷为原料，经过燃烧水合而制成含量 85%的 磷酸。制造热法磷酸的方法很多，目前普遍采用液态磷燃烧法制热法磷酸，现将各种 方法简述如下： 1、完全燃烧法 将电升华磷时所得的含磷炉气去、直接燃烧，此时不仅磷氧化为五氧化二磷一氧 化碳也被氧化： p4+10co+10o2=p4o10+10co2 反应要放出大量热，但由于磷酸酐有强烈腐蚀作用，此反应热实际上不能利用，燃烧 后的气体必须冷却，以保证磷酸酐能完全吸收。 由于气体温度较高，所以磷酸酐与

16、水作用时首先生成偏磷酸，冷却后在转化成正 磷酸： p4o10+2h2o4hpo3 hpo3 +h2o h3po4 因此法效果较差，在工业上未被采用 2、液态磷燃烧法（又称二步法） 此法有多种工艺流程，在工业上采用较为普遍的有两种：第一种是将黄磷燃烧， 得到五氧化二磷用水冷却和吸收值得磷酸，此法称为为水冷流程；第二种流程是将燃 烧产物五氧化二磷用预先冷却的磷酸进行冷却和吸收而值得磷酸，此法成为酸冷流程。 3、优先氧化法 在 454523条件下，与为理论量 120%130%的空气混合，使磷蒸汽和磷化氢气 体氧化，而 co 仅氧化了 5.6%7%，然后用稀磷酸吸收磷酸酐制成热法磷酸，此法尚 未工业化

17、。 4、水蒸气氧化黄磷法 用铂、镉、铜作催化剂，用焦磷酸镐或偏磷酸铝作载体，使在 600800温度下 用水蒸汽氧化黄磷可以制得磷酸并副产氢气： p4+16 h2o= 4h3po4+10h2 此法尚未用于工业生产。 5、窑法磷酸 最近美国西方研究公司为了进一步减少电耗，研究在以油为燃料的旋转窑中，用 磷矿石、焦炭、和硅石的混合物生产热磷酸，在旋转窑中有两个性质完全不同的区域： 在底层的还原区中球状的反应物料用碳将磷还原并升华出磷蒸汽；在固体层上的砖窑 空间为氧化区，在这里升华出的磷蒸汽被氧化燃烧生成五氧化二磷，再将含 p2o5的热 炉气送入吸收装置冷却，吸收制成热法磷酸。碳还原磷酸钙所需的反应热

18、和反应温度 1600，由林氧化燃烧所产生的热提供，这样可大量节省电能。西方研究公司仅在炉 内进行过数次开发性研究，在窑体内严格分开氧化和还原区域使一项有待进一步开发 的难题。 二步法中，液态磷用压缩空气从喷嘴口喷入燃烧水化塔进行燃烧，冷酸沿塔内壁 表面淋洒，在塔壁上形成一层酸膜使燃烧气体冷却，同时 p2o5与水化合生成磷酸。塔 中流出的磷酸浓度微微 86%88% h3po4，酸的温度约为 85，出酸量为总量的 75%。 气体在 85100条件下进入电除雾器。电除雾器流出的磷酸浓度 75%77%h3po4，其 量约为酸总量的 25%。 从水化塔和电除雾器来的热磷酸先进入浸没式冷却器。后再在淋洒冷

19、却器冷却到 3035.一部分磷酸送至燃烧水化塔作为喷洒酸;另一部分作为成品送酸储库。 热法磷酸不仅比湿法磷酸浓度高，而且产品较纯，但电耗高。因而价格昂贵，在 水力发电充分发达的电价低廉的地区，热法是有发展前途的。 综上分析可知选用是法制磷酸比较符合目前的发展状况，尤其是二水法制磷酸。 2.2 生产方案的确定 综上分析可知选用是法制磷酸比较符合目前的发展状况，尤其是二水法制磷酸。 2.2.1 湿法磷酸生产的理论基础 用酸（硫酸、硝酸、盐酸等）分解磷矿制得的磷酸统称湿法磷酸。湿法磷酸生产 中，硫酸分解磷矿是在大量磷酸溶液介质中进行的： ca5f(po4)3+5h2so4+nh3po4+aq=(n+

20、3)h3po4+5gaso4.mh2o+hf+aq 根据磷酸溶液中的磷酸浓度、温度及游离硫酸浓度的不同，反应生成的硫酸钙可能是 无水硫酸钙、半水硫酸钙、或者二水硫酸钙。即对应的方法是无水物法、半水物法、 二水物法。 在生产流程里，分解过程实际分为两个阶段进行，首先是氟磷酸钙溶解在磷酸溶 液中反应生产磷酸一钙，接着硫酸与磷酸一钙反应，从溶液中析出硫酸钙。 磷矿中所含的杂质能与酸作用，发生各种副反应，如碳酸钙悲酸分解生成硫酸盐 和磷酸盐，并放出二氧化碳。湿法磷酸生产中氟磷灰石和硫酸、磷酸反应以及过量硫 酸反应的稀释都能放出热量。用二水物法生产磷酸时，靠对流、辐射、热传导和水分 蒸发等方式的自然热损

21、失不能消除过剩热量，因此应采用空气冷却或真空冷却等方法 以除去过剩热量。半水法生产中放出的热量较少，若采用 90%95%的硫酸，则多余的 热量正好补偿自然热损失. 2.2.2 湿法磷酸生产工艺条件的选择及操作控制 制造湿法磷酸是由硫酸分解磷矿制成硫酸钙和磷酸10，以及将硫酸钙晶体离和洗 净两个主要部分组成。湿法磷酸的生产工艺指标主要是保证达到最大的 p2o5回收率和 最地的硫酸消耗量。这就在要求分解磷矿部分硫酸耗量要低，磷矿分解率要高，并尽 量减少由于磷矿颗粒被包裹和 hpo42-同晶取代了 so42-所造成的 p2o5损失。在分离部分 则要求硫酸钙晶体粗大、均匀稳定过滤强度高和洗涤率高，尽量

22、减少水溶性 p2o5损失。 根据我国研究工作和生产经验，湿法磷酸制造过程中应选择和控制号下述生产操作条 件，以满足工艺指标的要求。 （1） 液相 so3浓度 液相 so3浓度是操作控制中的一个重要因素，它表示液相中游离硫酸的含量。实验 证明他对磷矿分解、硫酸钙晶核形成、晶体成长速度、晶体外形以及在 hpo42-晶格上 取代 so42均有很大影响。 一般认为，按二水物法制湿法磷酸时，so3控制在 0.0250.035g/ml；按半水物法 操作时控制在 0.0150.025 g/ml.矿种不同，操作控制的 so3范围也有一些差异，应 根据实验情况做适当的调整。操作的要点是控制液相中 so3浓度，使

23、其波动尽可能的 小。 （2） 反应温度 反应温度的选择和控制是非常重要的，提高反应温度能加速反应、提高分解率、降 低液相粘度；同时又由于溶液中硫酸钙溶解度随温度升高而增加，并相应的降低过饱 和度，这些有利于形成粗大晶体和提高过滤强度。但温度过高将导致生成不稳定地半 水物，甚至生成一些无水物，使过滤困难。而且随着温度的升高，杂质溶解度也相应 增大，势必影响产品质量。一般二水物流程控制的温度为 6580;半水物流程一般 为 95105.在生产上多采用空气冷却或真空闪蒸冷却以除去料浆中过多的热量，并 要求在生产操作中温度波动幅度不大。 （3） 反应料浆中 p2o5浓度 硫酸钙晶体是在磷酸介质中形成晶

24、核和长成晶体。因此反应料浆中 p2o5浓度稳定， 可以保证硫酸钙溶解度变化不大和相应的过饱和度稳定，这在湿法磷酸生产控制中也 很重要。反应料浆中 p2o5浓度由硫酸钙五氧化二磷水体系平衡图确定。一般在二 水法流程中，当操作温度控制在 7080范围内，料浆中 p2o5浓度为 2530； 含杂质较多的磷矿料浆中 p2o5浓度为 2225。控制反应料浆中磷酸浓度，就在 于控制进入系统中的水量，实质上是控制因洗涤滤饼而进入系统中的水量。 （4）反应料浆中固体物的浓度 反应料浆中固体物的浓度既是料浆的液固比。料浆中固体含量过高，会使料浆粘 度增高，对磷矿分解和晶体长大都不利；同时，过高的固相含量，会增大

25、晶体和搅拌 桨叶的碰撞几率，从而增大二次成核量并导致结晶细小。提高液相含量会改善操作条 件；但液固比过大会降低设备生产能力。一般二水物流程液固比控制在 2.5：13：1；半水物流程控制在 3.5：14：1，如果所用矿种镁铁铝等杂质含量高 时，液固比应适当提高一些。 （5）回浆 返回大量料浆可以提供大量晶种，并可以防止局部游离硫酸浓度过高可以降低过 饱和度和减少新生晶核量，这样。就有可能获得粗大均匀的硫酸钙晶体。在实际生产 操作中，回浆量一般为形成料将加入物料量的 100150 倍。 （6）反应时间 反应时间是指物料在反映槽内的停留时间，由于硫酸分解磷矿的反应速度快，反 应时间长短主要取决与硫酸

26、钙晶体的成长时间，一般反应时间控制在 46 小时左右。 （7） 料浆的搅拌 搅拌可以改善反应条件和结晶成长条件，有利于颗粒表面更新和消除局部游离硫酸 浓度过高，对防止包裹现象和消除泡沫起一定作用。但搅拌强度也不宜过高，以免碰 碎大量晶体导致二次成核过多。 第三章 湿法磷酸生产流程及主要设备 3.1 生产流程及主要设备 湿法磷酸包括酸解和过滤两个主要工序。从原料工段送来的矿浆经计量后送入酸 解曹，硫酸经计量槽用硫酸泵送入酸解曹，通过自控调节确保矿浆和硫酸按比例加入。 酸解得道德磷酸和磷石膏的混合料浆用料浆泵送值班室过滤机进行过滤分离。为了降 低酸解槽中料浆温度，用鼓风机鼓入空气进行冷却。酸解曹排

27、出的含氟气体通过文丘 里吸收塔用水循环吸收。吸收液用循环泵送至文丘里吸收塔进行循环吸收。净化尾气 经排风机和排气筒排空。 过滤所用的石膏滤饼经洗涤后卸如螺旋输送疾病竟交待输送机送到磷石膏厂内堆 场。滤饼采用三次逆流洗涤流程冲洗过滤机滤盘及地坪的污水送至污水封闭循环系统。 各次滤洗液集于气也分离器的相应格内，经气液分离后，滤洗液也相应进入滤洗液中 间槽的滤洗液格内。滤液磷酸经滤液泵，一部分送至磷酸中间槽储存。生产磷铵时， 用泵将磷酸送往磷铵工段的尾气吸收塔;另一部分返回一洗液格内。一洗液有一洗液泵 全部送至酸解曹。二洗液和三洗液分别经二洗液泵和三洗液泵返回过滤机逆流洗涤滤 饼。吸干液经气液分离器

28、进滤洗液中间槽三洗格内。水环真空泵的压出气则送至过滤 机作反吹石膏渣卸。 第四章 湿法磷酸的物料及热量衡算 4.1 湿法磷酸的物料衡算 （1）绘出物料衡算图 在上述工艺流程图的基础上，画出供物料平衡计算的简化方框图1 含氟废气 硫酸 返回稀硫酸 磷矿 机械损失 成品酸 二洗液 水 二水石膏 （2）明确计算任务和目的 任务：加入水量、硫酸量、成品酸量、返回稀磷酸及排出石膏量等。此外还要 计算料浆量、排出废气量、各次洗液量等。 （3）列出已知条件 规模 两万吨每年磷酸生产 年操作日 300 天 每天 22.5 小时 磷矿化学组成 组成 p2o5 cao fe2o3 al2o3 mgo f co2

29、ai % 26.84 40.23 2.70 4.03 1.50 2.65 5.78 11.43 硫酸 为 98h2so4 用量为理论量的 105 转化率 磷矿中主要组分进入磷酸中的百分率 组分 p2o5 fe2o3 al2o3 mgo 96 45 60 100 洗涤率 97.5 成品磷酸质量分数 22p2o5 料浆液固比 3：1 酸 解 过 滤 混 合 二 洗 一 洗 全 系 统 机械损失 2.5（磷酸溶液） 水分蒸发量 20100磷矿 氟分配 相态 气相 液相 固相 损失 3 70 17 10 滤饼含湿量（湿基） 滤饼 过滤后滤饼 一洗滤饼 二洗滤饼 45 35 25 二洗液 p2o5含量

30、2 （4）选取计算基准 100磷矿 (5) 进行物料衡算 全系统平衡 磷矿 100 废气 成品酸 h2so4 机械损失 二水石膏 水 a 进料 a 磷矿 j1=100 b 硫酸 j2=40.23*98*1.05/56*0.98=75.4 c 浠水 j3？ b 出料 a 成品磷酸 c126.84100（10096）（10097.5）2.5 /22111.0 其中 so375.4*0.05*0.98/1.05*80/98*95/111.02.46 fe2o32.70*45*95/111.01.04 al2o34.03*605*95%/111.0=2.07% mgo%=1.50*95%/111.0=

31、1.28% f%=2.65*70%*95%/111.0=1.59% 以上计算中 95是扣除洗涤和机械损失后的收率。 磷酸组成为： 组分 p2o5 so3 fe2o3 al2o3 mgo f 酸解 系统 22.00 2.46 1.04 2.07 1.28 1.59 b 逸出废气 c2 （a）co2 100*5.785.8 标准状况下的体积 v co25.8*22.4/443.0 (b) f 100*2.65*30.079 折合 sif4 0.079*104/76=0.1 标准状况下的体积 v sif4=0.1*22.4/104=0.02 m3 (c) 水汽 100*0.2020.0 标准状况下的

32、体积 v水汽20.0*22.4/1824.9 m3 c25.8+0.1+20=25.9 标准状况下废气的体积 3.00.0224.927.9 m3 c 机械损失 2.5 c326.84*2.5/223.1，其中 p2o5 0.67 d磷石膏 (a)石膏值=40.23172/56+11.43=135.0kg (b)湿石膏量（含湿量 25% c4=135.0/(1-0.25)=180.0kg 其中液相 45kg 总出料量：c=c1+c2+c3+c4=111.0+25.9+3.1+180.0=320.0k c=j,即 175.4+j3=320.0 加水量 j3=320.0-175.4=144.6k

33、酸解系统平衡 磷矿 废气 h2so4 稀磷酸 酸解料浆 a.进料 a磷矿 j1=100kg b硫酸 j2=75.4kg c稀磷酸 j3=? b.出料 a废气 c1=25.9kg b料浆 已知磷矿石膏值为 135.0kg，料浆液固比为 3：1 生成料浆量 c2=135.0(1+3)=540.0kg 其中固相 135.0kg，液相 565.5kg 过 滤 出料总和 c=c1+c2=25.9+540.0=565.9kg c=j,即 175.4+j3=565.5 返回系统稀磷酸 j3=565.9-175.4=390.5kg 过滤系统平衡 成品磷酸 料 浆 滤 饼 机械损失 配酸用滤液 a进料 酸解料浆

34、 j=540.0kg b出料 a成品磷酸 c1=111.0kg b过滤滤饼（含水分 45%） c2=135.0/(1-0.45)=245.5kg 其中固相 135.0kg，液相 110.5kg c机械损失 c3=3.1kg（磷酸） d用于配酸用的溶液 c4=？ 出料总和：c=c1+c2+c3+c4 =111.0+245.5+3.1+c4=359.6+c4 c=j,即 540.0=359.6+c4 c4=540.0-359.6=180.4kg 二次洗涤平衡 a进料 a洗水 j1=144.6kg b一洗石膏（含水分 35%） j2=135.0/(1-0.35)=207.7kg 其中固相 135.0

35、kg，液相 72.7kg b出料 a二洗石膏 c1=180.0kg b二洗液 c2=? 出料总和 c=c1+c2=180.0+c2 c=j,即 352.3=180.0+c2 二洗液 c2=352.3-180.0=172.3kg 一次洗涤平衡 a进料 a过滤滤饼 j1=245.5kg b二洗液 j2=172.3kg 进料总和 j=j1+j2=245.5+172.3=417.8kg b出料 a一洗滤饼 c1=207.0kg b一洗液 c2=？ 出料总和c=c1+c2=207.7+c2 c=j,即 417.8=207.7+c2 一洗液 c2=417.8-207.7=210.1kg p2o5平衡 a磷

36、矿中 p2o5量=26.84kg b石膏中 p2o5 不容量=26.84（1-96%）=1.07kg c酸解料浆中的 p2o5 水容量 =40522%=89.10kg d返回稀磷酸中的 p2o5 水容量=89.10+1.07-26.84=63.33kg 返酸质量分数=63.33/390.5100%=16.2% e成品酸中 p2o5 水容量=111.022%=24.42kg f配酸用滤液浓度与成品酸相同，所含的 p2o5 水容量 =180.422%=39.69 g过滤滤饼液浓度与成品酸浓度相同，所含的 p2o5 水容量 =110.522%=24.31kg h一洗液中含 p2o5 水容量=返酸中

37、p2o5 水容量 配酸滤液中 p2o5 水容量 =63.33-39.69=23.64kg i一洗液质量分数=23.64/210.1100%=11.3% j二洗液中 p2o5 水容量=172.32%=3.45kg k一洗滤饼中 p2o5 水容量=24.31+3.45-23.64=4.12kg 二洗滤液中 p2o5 水容量=4.12-3.45=0.67kg （1） 列出总物料平衡表并画出物料平衡图 生产中，以小时物料量为基准比较实用。因此，总物料平衡表与物料平衡图最终均 换算成以小时为单位。 先算出装置每小时成品磷酸成品磷酸产量：（20000103）/(30022.5)=2963 kg 由于以 1

38、00kg 磷矿为基准可得成品磷酸 111.0kg，所以换算为上列无聊时的系数为： 2963/111.0=26.7 将物料平衡中的各项均乘以系数 26.7，即得以小时物料量为基准的物料平衡。 以 100kg 磷酸为基准的物料平衡图见图 1。以小时物料量为基准的物料平衡列于表 1 并绘于 2 上。 生产 1t 实物磷铵消耗的磷矿（26.84% p2o5）： 废气 25.9 单位：kg 其中 co25.8 sif40.1 h2o20.0 硫酸（98%）75.4 返回稀磷酸（16.2p2o5） 磷矿 100 390.5 （总 p2o5 26.84） 料浆 540.0（水溶性 p2o5 63.38） 固

39、相 135.0 成品酸(22% p2o5) 液相 405.0 不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 89.10 111.0 配酸（22% p2o5） （水溶性 p2o5 4.42） 180.4 机械损失 3.1 （水溶性 p2o5 39.69） 滤饼 245.5 固相 135.0 水溶性 p2o5 0.68 液相 110.5 不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 24.31 二洗液（2% p2o5） 一洗液 （11.3% p2o5） 172.3 210.1 滤饼 207.7（水溶性 p2o523.64） 固相 135.0 水溶性 p2o5 3.45 液相 7 2.7 不溶性 p

40、2o5 1.07 水溶性 p2o5 4.12 洗水 144.6 石膏 18.0 固相 135.0 液相 45.0 不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 0.67 图 4-1 湿法磷酸物料平衡图（一） （以 100kg 磷矿为基准） 萃 取 过 滤 二 洗 一 洗 混 合 二 洗 上述主要原料的消耗定额列于表 4-2 废气 691.5 单位：kg 其中 co2 154.8 sif4 2.7 h2o 534 硫酸 2013.2 返回稀磷酸（16.2p2o5） 磷矿 2670 10426.35 （总 p2o5 716.6） 料浆 14418（水溶性 p2o5 1692.246） 固 3604

41、.5 成品酸(22%p2o5) 液相 10813.5 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 2378.97 2963.7 配酸（22% p2o5） （水溶性 p2o5 118.014） 4816.68 机械损失 82.77 滤饼 6554.85（水溶性 p2o5 1059.723） 固相 3604.5 水溶性 p2o5 18.156 液相 2950.35 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 649.077 二洗液（2% p2o5） 一洗液 （11.3% p2o5） 4600.41 5609.67 滤饼 5545.59（水溶性 p2o5631.188） 固相 / 液相

42、3604.5 水溶性 p2o5 92.115 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 110.004 洗水 3860.82 石膏 480.6 固相 3604.5 萃 取 过 滤 一 洗 混 合 液相 1201.5 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 17.889 图 4-2 湿法磷酸物料平衡图（二） （以小时物料量计） 表 4-1 湿法磷酸总物料平衡表 进 料 序号名称及规格流量/(kg/h)% 1磷矿粉（26.84%）2670.031.25 2硫酸（98%）2013.1823.56 3洗水3860.8245.19 合 计8544.0100.0 出 料 序号名称及规格流

43、量/(kg/h)% 1成品磷酸（22%p2o5）2963.7.034.69 2废气691.538.09 3机械损失82.770.97 4二水石膏480656.25 合 计8544.0100.0 表 4-2 主要原料消耗定额 序号名称及规格每吨 p2o5 磷酸消耗/t每吨磷铵产品消耗/t 1磷矿（26.84%p2o5）4.0951.904 2硫酸（98%h2so4）3.0881.436 3水5.9212.753 4.2 湿法磷酸的热量衡算 热量衡算是在物料衡算基础上进行的5。热量衡算的参考温度选为 0 摄氏度。化 学反应热和稀释热均按标准反应热计算。忽略标准反应热（25，0.1013mpa）与参

44、 考温度下的反应热（0，0.1013mpa）之间的差别。 （1） 反应热的计算 以 1kg 磷矿为基准，计算矿中各组分的量。 p2o5： （26.84/1001000）/142=1.89mol cao： 402.3/56=7.18mol fe2o3： 27/160=0.17mol al2o3： 40.3/102=0.40mol mgo： 15.0/40.32=0.37mol co2： 57.8/44=1.31mol f： 26.5/19=1.39mol ai： （以 sio2 计）144.3/60=1.91mol 将以上结果列表如下： 组分p2o5caofe2o3al2o3co2fmgoai

45、%26.8440.232.704.035.782.651.5011.43 mol/kg 矿 1.897.180.170.401.311.390.371.91 将化学分析结果按矿中可能存在的化合物形式组成各种化合物，并计算各物质的 量。 ca5f(po4)3。磷矿中 1.5mol p2o5相当于 1mol ca5f(po4)3，故 ca5f(po4)3=1.89/1.5=1.26mol caf2。磷矿中 1.39mol，其中 1.26mol 来自 ca5f(po4)3，故 caf2=（1.39-1.26）/2=0.065mol mgco3。因 1molmgo 相当于 1mol mgco3,1kg

46、 矿中含 mgo0.37mol，故 mgco3=0.37mol caco3。矿中 cao 为 7.18mol，扣除 ca5f(po4)3中 cao 51.26mol 以及 caf2中 cao0.065mol 后，剩下应为 caco3，故 caco3=7.18-（51.26+0.065）=0.82mol 将计算结果列表如下 组分ca5f(po4)3 caco3 mgco3 fe2o3 al2o3 caf2 sio2 mol/kg 矿 1.26 0.82 0.37 0.17 0.40 0.065 1.91 下面计算的标准反应热是从反应物和生成物的标准生成热得到的。各种物质的标准 生成热均写在反应式

47、中该物质的下方。 ca5f(po4)3（s）+5h2so4（98%）+10h2o( l ) -6872 -5815 -10286 5caso42 h2o（s）+3h3po4（30%）+hf（ aq ） -52023 -31292 -316 h1= -(52023+31292+316)-(-6872-5815-10286) =-500kg/mol ca5f(po4)3 caf2 ( s )+ h2so4（98%）+2h2o（1） -1215 -815 -2286 5caso42 h2o（s）+2hf( aq ) -2023 -2316 h2= -(-2023+-2316) -(-1215-815

48、-2286) =-53 kj/mol caf2 hf( aq ) + 1/6sio2( s ) -316 -1/6841 1/6h2sif6（aq）+2/6 h2o( l ) -1/62331 -2/6286 h3=-(1/62331+2/6286)-( -316+1/6841)=-27.7 kj/mol hf fe2o3 +2h3po4（30%）+ h2o( l ) -824 -21292 -286 2 fe po42 h2o（s） -21871 h4=-21871-( -824-21292-286)=-48 kj/mol fe2o3 al2o3 (s )+ 2h3po4（30%）+ h2o

49、( l ) -1610 -21292 -286 2al po42 h2o（s） -22353 h5= -22353-（-1610-21292-286）=-226 kj/mol al2o3 caco3 (s )+ h2 so4（98%）+ h2o( l ) -1207 -815 -286 caso42 h2o（s）+ co2（g） -2023 -394 h6 =-(2023+394)-( -1207-815-286)=-109 kj/mol caco3 mgco3 (s )+ h2 so4（98%） -1110 -815 mg so4（aq）+ h2o( l ) + co2（g） -1369 -

50、286 -394 h7=-(1369+286+394)-(-1110+815)=-124kg/mol mgco3 根据每千克磷矿各反应物的量，计算 1kg 矿的反应热： hr=1.26(-500)+0.065(-53)+1.26(-27.7)+0.17(-48)+0.40(-226)+0.82(-109) +0.37(-124)=-902kj/kg 矿 （2）稀释热的计算 在计算磷矿酸解过程的反应热3时，参加反应的硫酸和磷酸都是采用始末态世纪 浓度的标准生成热。按照盖斯定律，定压反应热只与始末态有关，因而不应该在计稀 释热。但所加过量硫酸部分则应计算稀释热。 酸解矿的理论用酸量是按矿中的 ca

51、o 计算的，没有考虑消耗 mgco3的硫酸，因 而还用扣除 mgco3消耗掉的硫酸才是酸解液中实际的过量硫酸。 从前面的物料衡算可知，硫酸用量为理论量的 105%，1kg 矿实际用 98% h2 so40.754kg。因此 h2 so4的理论过量亦应为： 0.754（0.005/1.05）0.98=0.0352kg/kg 矿。 1kg 矿中有 mgco30.37mol，消耗 h2 so4也应是 0.037mol，即： 0.03798/1000=0.036kg 因此实际过量硫酸为零。故作热衡算时可不计硫酸稀释热。 （3）热量衡算 物料衡算流量物流量和相关各物质的比热容数据如下： 编号物料名称流量

52、（kg/h）温度/比热容/(kj/kgk) 1磷矿粉（26.84% p2o5）2670250.770 2硫酸（98% h2 so4）2013.18251.445 3稀磷酸（16.3% p2o5）10426.35703.506 4酸解料浆14418802.745 5co2（g）154.8700.843 6sif4（g）2.7700.708 7h2o( g)53470汽化热 2625 kj/kg 输入热量 a.磷矿粉带入湿热： q1=26700.77025=0.514106kj/h b.硫酸带入湿热 q2=2013.181.44525=0.073106 kj/h c.稀硫酸带入湿热： q3=104

53、26.353.50670=2.559106 kj/h d.化学反应热 q4=9022670=2.408106 kj/h e 搅拌器做功转变为热量： 酸解槽共 9 台搅拌浆，实测功率平均为 16kw，设这部分功全变为热反应为： q5=1693600=0.518106 kj/h q输入=q1+ q2+ q3 +q4+q5=6.687106 kj/h 输出热量 a.酸解料浆带出热 q6=144182.74580=3.166106 kj/h b.co2气体带出热 q7=154.80.84370=0.009106 kj/h c. sif4气体带出热 q8=2.70.78770=0.00001106 kj

54、/h d.水蒸气带出热 q9=5342625=1.402106 kj/h e.热损失 设热损失为输入量的 5% q10= q输入0.05=6.0721060.05=0.3036106 kj/h f.冷却空气带走热量 q11= q输入-（q6+ q7+ q8+ q9+ q10）=1.191106 kj/h 这部分热量全由进入冷却空气以显热形式带出。设进入酸解槽的空气温度为 25， 含湿量为 0.015kg 水汽/kg 干空气，鼓风机排除温度为 70。空气比热容为 1.03kj/（kgk）则所需空气量： 1.191106/1.03（70-25）=25696 kj/h 出酸解槽空气的湿含量： h=5

55、34/（25696/1.015）+0.015=0.0211 热量衡算结果列于下表： 输 入输 出 项目名称热量106 kj/h%项目名称热量106 kj/h% 磷矿粉带入 硫酸带入 稀硫酸带入 反应热 搅拌功能转 换热 0.514 0.073 2.559 2.408 0.518 8.5 1.2 42.1 39.7 8.5 酸解料将带出 水分蒸发带出 冷却空气带出 co2 及 sif4气体带出 热损失 3.166 1.402 1.191 0.009 0.3036 52.1 0.2 19.6 23.1 5 合计6.072100合计6.072100 第五章第五章 设备计算与选型设备计算与选型 5.1

56、 搅拌釜的设计 5.1.1 罐体和夹套的设计计算 1 筒体和封头形式的选择 在固-液系统中搅拌的主要目的是固体颗粒在液体中的均匀悬浮，降低固体颗粒周 围的扩散阻力即促进固体颗粒在液体中的溶解。在低粘度牛顿型液体中的固体或固体 溶解要求搅拌器的溶液循环好，而且剪切作用只居次位，因此首选涡轮式搅拌器，槽 体为两个用钢筋混凝土捣制的同心圆筒组成内筒与外筒的比例一般按 1：3 进行分配， 即外筒的容积为内筒的 8 倍外筒的料浆溢流到内筒后再泵送去过滤。同心圆环室按相 等圆心角设置了 8 台搅拌桨并从工艺上依次相应分为 8 个区；中心圆筒设置 1 台搅拌 桨为第 9 区。每个搅拌轴上装有同向双层开启式涡

57、轮搅拌器，9 台浆的方向与搅拌率 都相同。除第 1 浆向下翻动外，其余各浆均向上翻动。反应搅拌釜一般选择圆柱形筒 体，标准椭圆形封头。 2. 筒体的直径和高度 因为容器内的介质为硫酸、磷矿粉。平均反应时间为 5 小时，物料为酸性介质料 将密度为 1.46gcm3 介质为液固相物料，选取一般反应釜 h/di。 表 5-1 几种搅拌罐的 h/di 值 种类罐内物料性质 h/di 液液相或液固相物料 11.3 一般搅拌罐 气液相物料 12 发酵罐类 1.72.5 所以取 h/di=1.3，又因为全容积 m3 7 . 51 10346 . 1 510 1 . 45 3 v 反应槽体积： m374 .

58、5 9 7 . 51 v = 51.7 m3 4 2h d v 取 h/d=1.3 =3.1416 则m778 . 1 3 . 1*1416 . 3 74 . 5 *4 )/( 4 3 3 dh v d 圆整后取 d=2m 所以 h=2.6m 选取封头为标准椭圆形封头，标准椭圆形封头的容积为 v封头料液 封头料液= m305 . 1 24 21415 . 3 24 33 d 由 h=v-v/(/4*d3)=1.493 m 圆整 h 取 hi=2000mm 核算 h/di，h/di=20002000=1 3.夹套的直径与高度 夹套直径 dj 的选取 dimm 500600700800200030

59、00 djmmdi+50di+100di+200 由上表可得，夹套的直径为 dj= di+200=2200mm 夹套的高度 hj 夹套的高度取决于传热面积 f 的要求，一般不低于液面高度故 hjh-v封头 4 2 d 装料系数通常取 0.60.85 磷矿反应有阻抗性取 0.6 hj=0.762m 4/4*1415 . 3 05 . 1 74 . 5 *6 . 0 圆整后取 hj=8000mm 校核传热面积 a 工艺要求传热面积大于 3，查表得标准椭圆形封头的的内表面积 a=0.35 di2=1.4 8000mm 高的筒体的表面积 a=5.0246 总传热面积 a=1.4+5.0246=6.42

60、643 4.内筒体及夹套的壁厚的计算11 选择材料确定设计压力 由建议分析工艺要求和腐蚀因素，推荐材料为 q-235-a，腐蚀较强，内衬聚乙烯则在 150 摄氏度以下许用压力表查得需用压力为 113mpa。常温屈服极限为 235 mpa 夹套为 一内压容器，去设计压力等于夹套内最高工作压力 0.1 mpa.内筒体和底封头即受内压 又受外压的作用，按内压取设计压力等于夹套内最高工作压力 0.2 mpa，按外压取设 计压力 0.1 mpa. 夹套筒体和夹套封头壁厚计算 a 夹套筒体计算厚度 应力要求 c 外压试验校核 已计算当内筒筒体取 7mm，他的许用因为夹套采用双面焊，局部探伤。由表知，夹 套