二水物湿法磷酸工艺计算

1、第四章 二水物湿法磷酸工艺计算1 工艺计算基础数据(1) 原料表4.1 磷矿成分组成表（干基）组分P2O5CaOFe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFCO2其他%30.5648.860.660.5711.320.760.320.183.22.910.75(2) 硫酸：选浓度为98%的H2SO4。2 反应部分工艺数据(1) 磷矿浆的含水率取36%(湿基)。(2) 磷矿浆中P2O5的萃取率96.5%。(3) 磷矿中次要组分在反应过程中的分配如下： 表4.2磷矿中次要组分在反应过程中的分配表组分CO2FFe2O3Al2O3MgONa2OSiO2K2O其他率酸%70918298201013

2、68石膏%13918280878732气相%1001700003003.过滤部分工艺数据(1) 成品磷酸主要组成： P2O5 25%。(2) 过滤时对成品磷酸的稀释率取0.5%。(3) P2O5的回收率取96.0%。(4) 率饼的含液量(湿基) 1.第一次过滤50% 2.第二次过滤40%3.第三次过滤35% 4.第四次过滤29%(5) 第二次过滤后水溶性P2O5残留率R1=0.3(6) 第三次洗涤后水溶性P2O5残留率R2=0.15(7) 第四次过滤后水溶液中P2O5浓度为1.13%4 计算过程及结果以1000Kg磷矿(干基)为准:1）磷矿用量：1000kg(干基)磷矿浆量:kg已知成品磷酸为

3、80万t/a，折成小时磷矿消耗量为：干基量 矿浆量 2）硫酸用量(1) 假定磷矿中的MgO全部以MgCO3形式存在,多余的CO2则以CaCO3形式存在，矿中的F及P2O5分别以Ca5F(PO4)3及CaF2形式存在。MgCO3与H2SO4反应生成MgSO4，而MgSO4在磷酸溶液中呈离子状态，故计算成品磷酸中游离硫酸时将MgSO4计入，而计算硫酸消耗时不再列入。假定成品磷酸中不含Ca2+。（2）计算1000Kg磷酸矿中各种Ca的量。Ca5F(PO4)3的量：100010330.56%=1434.742mol的量：（）0.5=124.735 mol的量： mol的量：=472.825 mol(3

4、) 各种钙盐消耗硫酸量：Ca5F(PO4)3的消耗量=678.418kg的消耗量： kg消耗量： kg(4)成品酸中的游离硫量 kg (5)消耗硫酸总计 kg折算成98%的2SO4为 ： kg折算成SO3的量为： kg3）成品磷酸组成：(1)成品磷酸中个组分量P2O5= kgSO3= kgFe2O3= kgAl2O3 = kgSiO2= kgK2O= kgNa2O= kgMgO= kgF= kg其他= kg（2）总磷酸量： kg（3）成品磷酸中水的计算在磷酸中的水可以分为自由水和结合水两种，结合水的计算采用阴阳离子平衡方法。非金属和其他氧化物： SO3 SiF4 F等。金属及其他氧化物：Fe2

5、O3 Al2O3 MgO Na2O K2O等。判断F与Si是否平衡，首先判断磷酸中F与Si是否平衡，如果是Si过量，则酸中F以SiF62-的形式存在，多余的Si以SiO2的形式存在，如果是F过量，则酸中Si全部以 SiF62-的形式存在，多余的F以F-形式存在。=0.1667 说明F过量。阴离子组 物质的量：P2O5 =kmolSO3= kmolSiO2= kmolF= kmol小计：13.561 kmol阳离子组物质的量：Fe2O3= kmolAl2O3= kmolMgO= kmol Na2O、K2O及其他物质的量均用Na2O的值代替 kmol小计：1.067 kmol结合水量：kg由于在计

6、算干物质时以氧原子代替SiF62-、F-等形式等量的氧为：SiO2SiF6OkgFO kg小计 ：3.405 kg总干物质的量：294.904+26.948+6.006+4.674+11.32+0.64+0.234+7.448+22.4+5.1+112.446-3.405=488.715 kg自由水量：1179.6-488.715=690.885 kg（4）成品磷酸组成：表4.3成品磷酸组成表组分P2O5SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgONa2OK2O其他结合水自由水%252.2840.5090.3960.9601.8990.6310.5420.0190.4259.53258.569以

7、上合计 100.766 调整-0.766，总计1004 磷石膏组成（1）磷石膏的组成量（kg）CaO=P2O5=SO3=Fe2O3=Al2O3=SiO2=Na2O=MgO=K2O=F=其他=结晶水（2）干物质中扣除与F相当的氧的物质的量为：FO kg（3）干物质总两量为：488.6+10.696+601.615+0.594+1.026+98.484+0.152+1.84+1.566+4.16+2.4+270.767-1.751=1480.149 kg（4）磷石膏的组成 表4.5磷石膏的组成表组成CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFP2O5其他结晶水%30.0140.6

8、40.040.086.650.010.120.110.280.720.1618.29以上合计100.1，调整-0.1，总计1005 反应料浆量反应后磷酸料浆中固体含量即干物质总量为1480.149 kg已知料浆含固量为33%所以料浆量： kg6.反应过程中排出气体的量，排出气体含CO2、HF、SiF4和H2O。各组分的量分别为： CO2： kgSiF4： kgHF： kg反应槽排出的水与闪蒸冷却蒸发水的计算，假定其总和为S=164.35 kg7.回磷酸量及其组成：(1) 对反应槽进行物料衡算，则有回磷酸量+磷矿浆量+硫酸量=磷酸料浆量+反应过程中排出的气体量+闪蒸冷却水量+反应槽蒸发水量回磷酸

9、=4485.3+(29.1+5.877+1.206)-1562.5-785.704+S=2173.279+170.34=2343.619 kg(2) 对反应槽进行P2O5平衡(3) 假定回磷酸是由成品磷酸稀释而成，故回磷酸组成（%）如下：表4.6 回磷酸组成表组分P2O5SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgONa2OK2O其他结合水自由水%252.2840.5090.3960.9601.8990.6310.5420.0190.4259.53258.56920.1151.8380.4100.3190.7721.5280.5080.4360.0150.3427.66966.0488 热平衡计算

10、数据(1) 物料温度：磷矿浆 40 磷酸料浆温度 78回磷酸 6298% H2SO4 40磷酸料浆闪蒸冷却温差2.7萃取槽尾气 65(2) 大气参数：环境温度 15 相对湿度 78% 大气压 91.9KPa (3) 比热容干磷矿粉比热容：0.92 KJ/(kg·)矿浆比热容：98%硫酸比热容：磷酸料浆比热容：回磷酸比热容：(4) 生成热 （25 KJ/mol）Ca5F(PO4)3(s) -6813.8 Fe2O3(s) -824.80H2O(l) -286.03FePO4(s) -1297.0CaSO4.2H2O(s) -2022.47Al2O3(s) -1676.80MgCO3(s

11、) -1113.68 AlPO4(s)-1735.0 MgSO4(s) -1278.88 CaCO3(s) -1207.68 HF(g) -271.30 CO2(g)393.77 CaF2(s) -1215.40 SiF4(g) -1549.10 SiO2(s) -909.66 H2SiF6(g) -2332.88 H2SO4(l)(100%) -909.8759 显热热量平衡计算的温度基准25，单位KJ(1) 磷矿浆 (2) 98%硫酸 (3) 回磷酸 (4) 搅拌产生热量：搅拌桨装机功率850kW10 热损失计算反应槽和过滤热量损失为5%11硫酸的稀释热假如在反应过程中加入反应器的浓硫酸先

12、稀释到料浆液相的硫酸根浓度，然后再与磷矿反应。（1）稀释热计算公式：试中Q稀释热 n1稀释前水与硫酸的摩尔比 n2稀释后水与硫酸的摩尔比已知成品磷酸中SO42-为2.9%，过滤操作时磷酸中P2O5浓度被稀释到0.5%，故磷酸料浆液相中的SO42-浓度为： 已知成品磷酸中含自由水58.569%，磷酸料浆液相中含自由水为： (4) (5) 2.958% H2SO4的生产热Q生生成热，；n100.437则 Q生=1548.830(6) 98%H2SO4稀释到2.958% H2SO4的稀释热 Q=69.099=705.092 （100% H2SO4） 12 磷酸生成热(1) 将料浆中P2O5浓度折成H

13、3 (PO4)3浓度(2) H3 (PO4)3 在自由水中的浓度自由水：54.568%在自由水中的浓度：(3) 查表得38.739%的H3 (PO4)3生成热为：1290.1213.反应热(1) 磷矿中各组分在与硫酸进行反应时，发生如下反应，各组分反应热见下面各式： Ca5F(PO4)3 5H2SO42H2O = 5CaSO42H2O3H3PO4HFQ1 Q1 = 140.6 KJ / mol CaF2H2SO42H2O = CaSO42H2O2HF Q2 Q2 = -110.24 KJ / mol HF1/6 SiO2 = 1/6 H2SiF61/3 H2OQ3 Q3 = 61.25 KJ

14、/ mol Fe2O32H3PO4 = 2FePO43H2OQ4 Q4 = 47.07 KJ / mol Al2O32H3PO4 = 2AlPO43H2OQ5 Q5 = 71.09 KJ / mol CaCO3 H2SO4 H2O = CaSO4.2H2O CO2Q6 Q6 = 34.68 KJ / mol MgCO3H2SO4 = MgSO4CO2 H2OQ7 Q7 = -42.92 KJ / mol SiO24HF = SiF42H2OQ8 Q8 = 126.30 KJ / mol（2）1000kg磷矿中各组分的物质的量、Ca5F(PO4)3 ：=1434.742 mol、CaF2 ： =

15、124.734 mol、MgCO3 ： =188.539 mol、CaCO3 ： =472.825 mol、Fe2O3 ：=41.327 mol、Al2O3 ： =55.882 mol、SiF4 计算已知1000kg磷矿在反应产生气体5.877kg5.877×103 × =56.510 mol；、H2SiF6 由于磷酸中 HF过量，故以SiO2 的量计算H2SiF6 的量为：；(10) 反应热：14 反应热+稀释热15 热平衡 （单位：KJ/1000kg矿）(1) 输入热量磷矿浆显热：491010.563 硫酸显热： 16932.080 回磷酸显热：277345.206 搅

16、拌产生热：30298.530 反应热+稀释热：756725.574总和：130402.953(2) 输出热量 料浆带出显热：2.940 ×4485.3×(78-25)=698899.446 热损失：18683.869 则总和为：717583.315(3)需冷却系统及反应槽尾气移走的热量为：130402.953-717583.315=412819.638KJ16 料浆真空冷却蒸发水量 3200m3/h料浆经真空冷却系统温度降低2.7，移走热量为： 78时水的蒸发潜热为2313.317料浆真空冷却系统蒸发的水量为：17 (1)反应槽尾气带走的热量为：412819.638-382

17、300.431=30519.208KJ(2) 反应槽尾气有两部分组成：空气+水蒸气；+ HF +SiF4其中：；。(3)CO2、 HF 、SiF4、带走的热量为：(0.921×29.1+1.423×1.206+0.753×5.877) ×(65-25)=12958.704KJ(4) 由空气和水蒸气带走的热量为30519.208-12957.704=17561.504KJ(5) 空气带走热量，进反应槽空气状态参数环境温度：15 相对湿度：78% 大气压力：91.9KPa此时空气饱和蒸汽压力为：水蒸气量为：空气焓值为：出反应槽空气状态参数：温度 65 相对湿

18、度：75% 大气压：91.9KPa此时空气饱和蒸汽压力为：水蒸气量为：空气焓值为：(6) 进反应槽干空气量为：(7) 由空气带走的水分量为：18 计算出真空蒸发和反应槽尾气蒸发的水量165.261+5.078=170.339kg该值与原假定值170.34很接近，故计算通过 19 第一次过滤（1）过滤机给料量：4485.3kg（2）过滤机给料量中的固相量：1480.149kg（3）从料浆中分离出的液相量：(4485.31480.149)1480.149×=1525.002kg（4）滤布带入水量1525.002×(0.5%25%)×1525.002=30.500kg（

19、5）第一次过滤后滤饼含液量：1480.149×=1480.149kg（6）第一次过滤滤液总量1525.002+30.5=1555.502kg其中成品磷酸量为：1179.616kg并入回磷酸的量为：1555.502-1179.616=375.886kg（7）滤饼中液相P2O5浓度为25%，滤饼中可溶性P2O5量为：1480.149×（25%+0.5%）=377.438kg20 第二次过滤（1）由第一次过滤来的固相量：1480.149kg由第一次过滤来滤饼中的液体量：1480.149kg去第三次过滤的固体量：1480.149kg去第三次过滤的液体量：1480.149×

20、×40%=986.768 kg第二次过滤的滤液量：2343.619-375.886=1967.733 kg(2) 对第二次过滤作物料平衡得到一洗滤液量1480.149+986.768 +1967.733-1480.149-1480.149=1474.352kg(3) 对第二次过滤作P2O5平衡：已知回磷酸浓度为20.115%，则第二次过滤滤液中P2O5浓度为：第一次过率后滤饼液相中含可溶性 P2O5量为377.438 kg第二次过滤带出滤液的P2O5量：=377.447 kg设第二次过滤时滤饼中带出的可溶性P2O5量为y，第一次带入的P2O5量为x 因为以知磷矿的分解率以的P2O5回

21、收率，则在磷石膏排渣中可溶性P2O5量为： kg 又R1=0.3 R2=0.15可计算到第二次过滤后滤饼中含有可溶性P2O5量为: 因此得 x=33.964 kg一洗液的P2O5浓度为：去第三次过滤的操作的滤饼中可溶性P2O5浓度为：21 第三次过滤（1）由第二次过滤来的固相量：1480.149kg由第二次过滤来滤饼中的液体量：986.768kg第三次过滤滤液量（一洗液）：1474.352kg去第四次过滤的固体量：1480.149kg 去第四次过滤的液体量：kg（2）二洗液量1474.352+1480.149+797.003-1480.149-986.768=1284.587kg（3）对第三次

22、过滤作P2O5平衡 由第二次过滤带入可溶性P2O5量为：33.955kg由第二次洗液带入P2O5量x kg第三次过滤滤液带出P2O5：33.964kg第三次过滤饼中带出可溶性P2O5为y则：又 故得：y=10.186 x=10.195 因此二洗液的P2O5浓度为：去第四次过滤的滤饼中可溶性P2O5浓度为：22 第四次过滤（1）由第三次过滤来的固相量：1480.149kg由第三次过滤来滤饼中的液体量：797.003kg加入的洗涤水量x去排渣系统的固相量：1480.149kg去排渣系统的液相量：kg第四次过滤的滤液量（二洗液）：1284.587 kg因此，洗涤水量：x=1480.149+604.5

23、68+1284.587-1480.149-797.003=1092.152kg 排渣时磷石膏中可溶性P2O5量为1.528kg，折算成液相P2O5浓度为： 即排出的磷石膏滤饼中液相含可溶性P2O5的浓度为：0.253%表4.6湿法磷酸系统热量衡算表输入输出项目名称热量KJ/t矿项目名称热量KJ/t矿磷矿浆带入49101.563反应槽料浆带出698899.446硫酸带入16932.08热损失18683.869回磷酸带入277345.206冷却空气带出17561.504反应热+稀释热756725.574CO2、SiF4及HF气体带出12957.704搅拌产生热30298.530二水分蒸发382300.431合计1130402.953合计1130402.953图 4.1二水物磷酸反应和过滤部分物料平衡图（以1000kg干基磷矿为基准）磷矿浆157.805（含水36%）硫酸785.704（98%）回磷酸 2343.61920.115%滤布带入水 30.5并入回磷酸375.886（25%）滤液 1967.773（19.182%）滤液 1474.352（2.304%）反应料浆 4