毕业论文《湿法磷酸生产工艺设计》

word文档可自由复制编辑摘要磷酸是一种三元酸，属中强酸,它的工业生产方法可分为两大类。一类是热法生产,制得的产品为热法磷酸,酸的质量较好。另一类是湿法生产,产品称为湿法磷酸,酸的质量较差,通常用以生产肥料或制造某些磷酸盐产品。此次设计采用的是湿法生产中的二水物法生产磷酸。湿法磷酸生产的主要原料是磷矿及硫酸。此法的特点是矿石分解后的产物磷酸为液相，副产物硫酸钙是溶解度很小的固相。两者的分离是简单的液固分离，具有其他工艺方法无可比拟的优越性。因此，二水法生产磷酸工艺在湿法磷酸生产中处于主导地位。关键词：热法磷酸；湿法磷酸；二水物法AbstractPhosphoricacidisakindofternaryacidwhichbelongstothestrongacids,themethodsofitsindustrialproductioncanbedividedintotwocategories.Onekindishotmethodproduction,itsproductioniscalledphosphoricacidbyheatmethod,thequalityofthephosphoricacidisbetter.Anotherkindiswetproduction,itsproductioniscalledphosphoricacidbywetmethodandtheacidisinpoorquality,itisusedtomakefertilizerormakephosphateproductionusually.Themethodofitsindustrialproductionthisdesignusedisphosphoricacidproductionwithdihydratewetmethod.Themainrawmaterialsofwet-processphosphoricacidproductionarephosphateandsulphuricacid.Thecharacteristicofthismethodisthattheproductofphosphateoredecompositionisliquidandthesmallsolubilitysolidphaseistheby-productcalciumsulfate.Theseparationofthemissimplesolid-liquidseparationwhichhasincomparableadvantagecomparedtootherprocess.Thus,phosphoricacidproductionwithdihydratewetmethodisinadominantpositionforwet-processphosphoricacidproduction.KeyWords:phosphoricacidbyheatmethod;phosphoricacidbywetmethod;dihydratewetmethod目录引言 1第一章绪论 21.1磷酸生产的发展简况 21.2设计依据 31.3产品概况 31.3.1磷酸的物化性质 31.3.2磷酸的用途 31.4原料的选取 41.4.1磷矿的选取 41.4.2硫酸的选取 41.5建厂地理位置概况 41.5.1气象条件 51.5.2交通运输 51.6辅助设施 61.6.1场内原材料的储存 61.6.2工厂维修及人数确定 6第二章复合肥磷酸工段化工工艺系统 72.1生产方法及技术方案 72.2设备的配置 72.3生产制度 72.4存在的问题 72.5三废的治理 82.5.1废水的处理 82.5.2废气的处理 82.5.3废渣的处理 9第三章复合肥磷酸工段生产工艺 103.1生产方法的评述 103.2湿法磷酸的工艺流程 103.2.1按无机酸不同分类 103.2.2按硫酸钙水合结晶的不同分类 113.2.3各种流程的分析 133.2.4工艺流程叙述 14第四章复合肥磷酸工段物料衡算 154.1已知条件 154.2物料衡算 154.2.1全系统平衡 154.2.2酸解系统平衡 174.2.3过滤系统平衡 174.2.4三次洗涤平衡 184.2.5二次洗涤平衡 184.2.6一次洗涤平衡 194.2.7P2O5平衡 194.3总物料平衡表 20第五章复合肥磷酸工段热量衡算 215.1反应热的计算 215.2稀释热的计算 235.3热量衡算 235.3.1输入热量的计算 235.3.2输出热量的计算 24第六章复合肥磷酸工段设备计算与选型 256.1反应器的选型与计算 266.2搅拌器的计算与选型 276.3过滤机的计算与选型 286.4料浆泵的计算与选型 306.5洗水泵的计算与选型 316.6鼓风机的计算与选型 32第七章设备布置 337.1设计依据和分工 337.2设计所采用的标准和规范 337.3设备布置原则 33结论 35参考文献 36谢辞 37word文档可自由复制编辑引言此次毕业设计的主要内容是是对三元复合肥磷酸工段进行工艺设计。该设计涉及的知识面很广，使我们在大学所学到的专业知识得到了充分的发挥与利用。设计的重点是确定磷酸工段的具体工艺流程，对于磷酸工段的主要单元操作和主要的设备进行物料衡算和能量衡算，并对工艺过程中所用到的主要设备进行选型计算，确定设备的尺寸以及数量和型号，最后根据国家化工部颁布的标准画出物料流程图、带控制点的工艺流程图、管路布置图、设备平面布置图及设备一览表等。设计的过程经历了三个步骤：初期查阅资料并确定初选方案，中期方案的确定和进行相关的计算，后期绘制工程图纸并进行厂房及设备的布置。通过此次毕业设计，使我们能深入了解磷酸的生产过程，得到较全面的工程设计训练，并培养我们具有较强的工程素质。第一章绪论1.1磷酸生产的发展简况磷酸是一种三元酸，属中强酸,它的工业生产方法可分为两大类。一类是热法生产,制得的产品为热法磷酸,酸的质量较好。另一类是湿法生产,产品称为湿法磷酸,酸的质量较差,通常用以生产肥料或制造某些磷酸盐产品。热法磷酸是以元素磷为原料进行生产。在20世纪30年代以前,是磷酸生产的主要方法。美国田纳西流域管理局(TVA)为了开发田纳西流域的自然资源,决定利用该地区丰富的水电资源和田纳西磷矿相结合,生产黄磷、磷酸、并加工成磷肥。其下属的化学工程部,与1962年改名为国家肥料开发中心,自1933年起就致力于元素磷、磷酸和磷肥的研究和开发工作。1934～1977年间,TVA曾有5台电炉在生产黄磷和磷酸。据60年代末的技术经济比较,单位的投资,电热法(含磷炉)是湿法(含硫酸)的2.1倍;而生产成本是湿法的1.2倍.进入70年代以后,出现能源危机,电热法加工路线已经完全无法与硫酸法加工路线竞争。1977年,TVA被迫全部关闭了电炉黄磷的生产。到1982年为止,世界磷酸能力3900万t,其中热法磷酸能力为323万t,仅占8.3%。以无机酸(主要是硫酸)分解磷矿制得的磷酸称为湿法磷酸。1872年,德国建成了世界上第一个湿法磷酸工程,采用间歇法生产。1932年美国多尔公司采用“返浆”工艺和连续洗涤过滤,在加拿大Trail建厂,将磷酸浓度进一步提高,从而奠定了现代二水物磷酸生产技术的基础。但是,湿法磷酸真正获得了飞跃的发展,是从60年代开始，首先是能力成倍增长,1965年时世界湿法磷酸能力为540万t,到1985年时达到3488万t,20年间增加了6倍。1952年前最大规模为100t/d,1960年前达到250t/d,而60年代后已经达到了1000t/d。现在世界上1000t/d级的湿法磷酸装置共有28套,最大的单系列能力达到1800t/d。为了节能降耗,开发了半水法、半水-二水法和二水-半水法等工艺,直接制取42%～45%浓磷酸。但世界湿法磷酸的产量中,二水法仍占85%以上。[1]1.2设计依据本次设计依据内蒙古工业大学本科毕业设计任务书进行设计，具体内容如下：选用的原料：硫酸、磷矿选用的生产方法：二水法建厂地址：呼和浩特建设规模：200kt/a复合肥年工作日：300天1.3产品概况1.3.1磷酸的物化性质物理性质：纯净的磷酸是无色晶体，熔点42.3摄氏度，高沸点酸，易溶于水。市售磷酸试剂是粘稠的、不挥发的浓溶液，磷酸含量83-98%。化学性质：磷酸是三元中强酸，分三步电离，不易挥发，不易分解，几乎没有氧化性。具有酸的通性蒸气或雾对眼、鼻、喉有刺激性。口服液体可引起恶心、呕吐、腹痛、血便或休克。皮肤或眼接触可致灼伤。慢性影响：鼻粘膜萎缩、鼻中隔穿孔。长期反复皮肤接触，可引起皮肤刺激。纯净的湿法磷酸是无色的，但由于一般都含有一些杂质，因而湿法磷酸一般呈灰色，视杂质含量的多少其灰色或深或浅。1.3.2磷酸的用途磷酸（H3PO4）一种重要的无机酸，是化肥工业生产中重要的中间产品，用于生产高浓度磷肥和复合肥料。磷酸还是肥皂、洗涤剂、金属表面处理剂、食品添加剂、饲料添加剂和水处理剂等所用的各种磷酸盐、磷酸酯的原料。作为磷肥生产的原料，是正磷酸或多磷酸的水溶液。湿法磷酸主要用于生产重过磷酸钙和磷酸铵类肥料，还可以用来生产各种工业磷酸盐及磷饲料。1.4原料的选取1.4.1磷矿的选取世界上几乎所有的国家都有磷矿床分布，但只有为数不多的国有拥有经济意义较大的磷矿资源。目前世界磷矿石总储量约457.8亿吨，主要集中分布在摩洛哥、美国、原苏联、中国、南非等国。中国是世界上主要产磷国之一，磷矿资源相当丰富，资源总量接近500亿吨，磷矿储量仅次于摩洛哥，居世界第2位。

中国磷矿资源比较丰富。全国26个省(区)有磷矿产出。探明储量的矿区有412处，总保有储量矿石152亿吨，居世界第2位。从分布看，以湖北、云南为多，分别占22%和21%；贵州、湖南次之。以上4省合计占全国储量的71%。我国重要磷矿床有云南昆阳磷矿、贵州开阳磷矿、湖北王集磷矿、湖南浏阳磷矿、四川金河磷矿、江苏锦屏磷矿等。磷矿矿床类型以沉积磷块岩型为主，储量约占80%；多为磷灰石矿床、沉积变质型磷矿床次之；鸟粪型磷矿探明储量极少。[2]其中最早发现和首先进行开采的磷矿是江苏海州磷矿。清朝同治年间发现海州磷矿(现名锦屏磷矿)，并于1914年对该矿正式开采。本世纪20至30年代地质学家曾对锦屏磷矿作了地质调查，1947年确认该磷矿为沉积变质磷矿床。新中国成立后国家首先对锦屏磷矿进行了勘探和开发。此次设计磷矿的来源便是江苏的锦屏磷矿，锦屏镇属近郊区东临运输繁忙的东盐河，西傍景色如画的蔷薇河地理位置十分优越，距连云港市民航机场8km，距中国八大港口之一连云港港口20km，连徐、同三高速公路交汇于此，东陇海铁路延伸至镇区。1.4.2硫酸的选取本次设计采用浓度为92.5%H2SO4，由火车送来，卸车后贮存在硫酸大罐中，经泵送至本工段的酸解槽装置内。1.5建厂地理位置概况本次设计的厂区是建在内蒙古呼和浩特市。其主要分为两大地貌单元，即：北部大青山和东南部蛮汉山为山地地形．南部及西南部为土默川平原地形。地势由北东向南西逐渐倾斜。海拔最高点在大青山金銮殿顶部，高度为2280米，最低点在托克托县中滩乡，高度为986米，市区海拔高度为1040米。大青山为阴山山脉中段，生成很多纵向的山脉山峰。境内，由西向东主要山峰有九峰山、金蜜殿山、蟠龙山，虎头山等，东南部是蛮汉山。河流有大黑河、小黑河、什万立米水磨沟，流域面积1380.9平方公里，沟长68.2公里，年平均径流量4972万平方米。1958年在沟口兴建红领巾水库1座，库容1650万立米，灌溉面积11万亩。哈拉沁沟，沟长55.6公里，流域面积708.7平方公里，年均径流量2622万立米。全市河流总长度1075.8公里，河网密度为0.177公里/平方公里。1.5.1气象条件呼和浩特属中温带大陆性季风气候，四季气候变化明显，差异较大，其特点：冬季漫长严寒，夏季短暂炎热，春秋两季气候变化剧烈。年平均气温由北向南递增，北部大青山区仅在2℃左右，南部达到6.7℃。最冷月气温-12.7～16.1℃；最热月平均气温17-22.9℃。平均年较差为34.4-35.7℃，平均日较差为l3.5-13.7℃。极端气温最高38.5℃，最低-41.5℃。无霜期:北部山区为75天，低山丘陵区110天，南部平原区为113-134天：日照年均1600小时。降水量：年平均降水量为335.2-534.6毫米，其地域分布是西南最少，年雨量仅350毫米；平原区在400毫米左右；大青山区在430-500毫米；最多是大青山乡一前响村，年均降水达到534．6毫米；其次是井乡，年均降水量为489.3毫米；最少是在南坪乡、黑城乡、新营镇一带，年均降水量仅为335.2-362.8毫米。主要气象灾害有干旱、霜冻、冰雹、大风、洪涝、沙尘暴、寒潮等。1.5.2交通运输近年来，呼和浩特市交通发展很快，已初步形成了市内市外、空中地面互相配套的立体交通网络。乘火车、汽车极为方便。铁路：呼和浩特铁路局所在地，京包铁路途经呼和浩特市，有始发北京、成都、兰州、满洲里、乌兰浩特、通辽、赤峰、锡林浩特等地方的列车，基本覆盖全区所有地级市。公路：先进的呼包高速公路已建成使用，并且可以直达西部各盟市，以及南方各省市，京呼高速公路使得草原都市离首都更近了，驾车从北京到呼和浩特只需5个小时左右。内部交通运输：以市区为中心辟有100多条公共汽车线路，通往城区各地。1.6辅助设施1.6.1场内原材料的储存本工段主要的原理是浓硫酸和固体磷矿，浓硫酸选用储槽存放，用泵输送到酸解槽。而对于固体磷矿选择通风干燥的地方在室温下储存，在工厂生产过程中，把磷矿制成料浆（含水量为磷矿的60%），送入酸解槽中发生反应。存放地点的选取要避免雨淋和阳光暴晒，保证原料的可用性。1.6.2工厂维修及人数确定在本次的工艺设计过程中，在厂房内设置了维修车间，车间的主要任务是保持定期对设备的维护和检修。在发生事故时能及时采取相关措施保证人员的安全并使损失降到最小，使各部门的工作都协调一致，各个生产环节都安全有序的进行，为工厂的生产创造安全有效的环境。磷酸工段车间实行四班三倒连续操作，每班4人，其中一人为技术人员。另外还有车间管理人员1名，设备维修人员2名，共计19人。第二章复合肥磷酸工段化工工艺系统湿法磷酸生产的主要原料是磷矿及硫酸。此法的特点是矿石分解后的产物磷酸为液相，副产物硫酸钙是溶解度很小的固相。两者的分离是简单的液固分离，具有其他工艺方法无可比拟的优越性。2.1生产方法及技术方案本设计采用二水物流程生产磷酸。磷酸的生产由于反应生成硫酸钙结晶中的水合物形成不同而有多种流程，其中二水物流程比较成熟，而且对磷矿的品位和类型的适应性较广，因而在国内外获得广泛的采用。本次设计的磷酸生产采用传统的二水物流程。2.2设备的配置本次磷酸工段的设备是针对产品的生产规模和本工段的特点进行设计配置的，大致可以分为原料输送、反应、过滤、尾气吸收这四个工序。在原料输送工序里面，主要用的是运输和输送机械，主要有泵、风机；反应阶段则主要是在酸解槽里进行；过滤阶段主要由过滤机进行三次洗涤过滤；尾气吸收部分设计了文丘里吸收塔对废气进行吸收。2.3生产制度本次设计的磷酸生产装置每天三班连续操作，每年运行300天，每天运行24h即每年运行7200h。剩余的天数是对工厂设备进行维修。2.4存在的问题二水法流程至今仍存在着一些难以克服的缺陷。由于加工工艺粗放，矿石中的有害杂质大部分进入磷酸中。特别是氟元素，一旦进入液相，很难再分离出来。更严重的是，产生大量的磷石膏废料，造成严重的污染和浪费。同时，在磷石膏的长期堆积处，天然铀系列放射性元素和其他杂质严重影响了环境也阻止了石膏本身的使用。[2]2.5三废的治理湿法磷酸生产过程中必须处理几种造成污染的废物，其中主要的有害组成是氟化物利粉尘，两者均可能造成大气和水质的污染。2.5.1废水的处理湿法磷酸生产的氟化物和酸性废物将造成严重的水质污染问题。磷矿中含有3%～4%的氟化物，用硫酸处理时，这些氟化物几乎全部被释放并转化成某种其他的形式。氟化物经硫酸分解后的分配情况；大约有20%～30%留在成品磷酸中，20%～40%混合在磷石膏(二水硫酸钙)中，30～50%留在石膏池水中。而且由于生产的方法和操作管理等因素各不相同，各个工厂测定的氟化物分配结果有很大的差异。磷酸生产中当滤盘翻转倾倒石膏后，残存在滤盘滤布上的磷石膏需用水冲洗，以使滤布再生。冲洗后产生含有少量磷石膏的含P2O5、F的污水，将污水封闭循环使用，即将冲洗滤盘后的污水通过稀浆槽经旋流器将少量颗粒较大的磷石膏先行分离进入稠浆槽，含有细小磷石膏颗粒的浆液(沉降速度很慢)，由漩流器顶部流出流入混合槽，在此加入已配制好的絮凝液，使污水中的石膏细颗粒形成絮团状沉降，然后进入沉降槽进行第二次分离。由底部流出的稠浆也流入稠浆槽。清液(含颗粒＜200mg/Kg的液体)溢流至清液槽。该清液继续用来冲洗滤盘的滤布，循环使用。而一、二分离后所得的含P2O5、F及含石膏固相达25～35%的稠浆，用泵送至过滤机的二洗区，由于此时滤盘上已有一定厚度的滤饼，故稠浆中的石膏会覆盖在滤饼的表面，而含P2O5、F的污水进入磷酸液相系统。这一技术不但不外排含P2O5、F的污水，节省了新鲜水用量而且还使污水中的P2O5进入磷酸成品中，提高了磷酸生产P2O5总收率。当磷酸装置刚开车或生产不正常需要排出含P2O5、F的污水时，可进入废水收集池，待生产正常后，适当减少进入文丘里吸收塔的水量，而将废水收集池中的污水慢慢补充入清液池，就可做到污水不外排。[2]2.5.2废气的处理磷酸生产中排出气体对大气造成的污染是极为严重的，与水质的污染比较要复杂得多，但主要的污染仍然是排入大气的氟化物。随着高效磷肥的发展，湿法磷酸的生产急剧增加，对大气的污染问题也日趋突出，同时，磷酸工厂由于经济效益上的考虑，生产的规模愈来愈大，从而，使得在生产区附近排出的氟化物也愈加集中，严重地影响厂区附近的农业及畜牧业的发展。磷矿中含有F约4.58%，在磷矿反应时，氟的分布因磷矿种类及所用的工艺不同而有所不同，以二水法为例，呈气态逸出的氟约占磷矿含氟量的2%～12%，留在磷酸中的约为20%～75%，石膏中约占磷酸含氟量的15%～25%，排出的氟的形态，主要以四氟化硅(SiF4)存在，排出的气量同反应热的排出方式有关。酸解槽反应完成后排出含氟尾气，在文丘里吸收塔内用水将四氟化硅(SiF4)吸收生成氟硅酸溶液，然后送污水处理站处理，经洗涤后的尾气由排气筒放空。[2]2.5.3废渣的处理湿法磷酸生产中将生成大量的废渣—磷石膏。当采用二水物流程进行生产时，随磷矿中CaO含量的不同，每生产1吨P2O5将得到大约4～4．5吨磷石膏。磷酸过滤机排出的磷石膏是储存还是综合利用，往往是大中型磷酸项目建设的重大研究内容之一。因为磷石膏排放量大，常年堆存不但占用大量土地，耗用巨额资金，而且处理不好会于推存过程造成水溶性P2O5、F对环境的污染。排放磷石膏最简单的方法是把石膏用水调成稀浆(一般石膏10%)，再把石膏浆经泵送到水流量大的河流或海洋里。为加大经济收入，磷石膏堆放在厂区内，由卡车送出外卖，磷石膏可以制成熟石膏、石膏板、水泥缓凝剂及石膏砖等建筑材料。[2]第三章复合肥磷酸工段生产工艺3.1生产方法的评述磷酸是一种三元酸，属中强酸,它的工业生产方法可分为两大类。一类是热法生产,制得的产品为热法磷酸,酸的质量较好。另一类是湿法生产,产品称为湿法磷酸,酸的质量较差,通常用以生产肥料或制造某些磷酸盐产品。热法是以黄磷为原料，使之在过量的空气中燃烧再水合而制得。其特点是产品纯度高，可得到食品级、试剂级的磷酸；缺点是成本高。而湿法磷酸是由酸性较强的无机酸分解磷矿而得。其优点是成本低；缺点是产品的浓度低，杂质含量高，提纯困难。目前世界各国大多采用湿法，并不断研究湿法磷酸的提纯技术以达到以较低的生产成本制得纯度较高的磷酸。[1]3.2湿法磷酸的工艺流程3.2.1按无机酸不同分类湿法磷酸生产中，用来分解磷矿的无机酸有硫酸、硝酸、磷酸、盐酸等。用这些酸与磷矿反应都生成磷酸和氟化氢，而不同的酸根则与磷矿中的钙结合生成不同的钙盐。从磷酸溶液中分离这些不同的钙盐，因其性质不同，分离的方法各异，从而生成了各种不同的湿法磷酸生产工艺过程。[2](1)硝酸法最早由奥达公司开发，称为奥达法。它是用硝酸分解磷矿生成磷酸和水溶性硝酸钙，然后采用冷冻、溶剂萃取、离子交换等方法分离出硝酸钙。受硝酸价格、能耗高、流程长等条件的影响，目前工业应用极少。(2)盐酸法上世纪60年代初，以色列矿业工程公司（I.M.I）开发了著名的IMI法，首次实现了盐酸法生产磷酸的工业化。它是将磷矿与盐酸反应，生成磷酸和氯化钙水溶液，然后用有机溶剂（如脂肪醇、丙酮、三烷基磷酸脂、胺或酰胺等）萃取分离出磷酸。但该法存在工艺复杂、副产物氯化钙难以经济回收等问题。(3)硫酸法通常所称的“湿法磷酸”实际上是指硫酸法湿法磷酸，即用硫酸分解磷矿生产得到的磷酸。硫酸法的特点是矿石分解后的产物磷酸为液相，副产物硫酸钙是溶解度很小的固相。两者的分离是简单的液固分离，具有其他工艺方法无可比拟的优越性。因此，硫酸法生产磷酸工艺在湿法磷酸生产中处于主导地位。本次设计中选用的无机酸是硫酸。3.2.2按硫酸钙水合结晶的不同分类湿法磷酸按硫酸钙水合结晶的不同分为:二水物流程；半水物流程;无水物流程；二水—半水再结晶流程；半水—二水再结晶流程。此次设计我们选用的是二水物流程。[2](1)二水物流程硫酸分解磷矿制湿法磷酸时，控制硫酸钙以二水物(石膏CaSO4·2H2O)形式沉淀的工艺流程称为二水物流程，反应式如下：Ca5F(PO4)3+5H2SO4+10H2O＝3H3PO4+5CaSO4·2H2二水物流程的反应机理和工艺条件与半水物流程，无水物流程等截然不同，这就是湿法磷酸生产流程要以硫酸钙结晶水形式来分类的原因。二水物湿法磷酸生产工艺流程图[3]：图3-1二水物湿法磷酸生产工艺流程图1-硫酸计量槽;2-硫酸泵;3-鼓风机;4-料浆泵;5-酸解(萃取)槽;6-盘式过滤机;7-氟吸收液循环泵;8-文丘里吸收塔;9-排风机;10-排气筒;11,12-气液分离器;13-冷凝器;14-石膏运输皮带;15a,15b,15c,15d-滤洗液中间槽;16,18-水环式真空泵;17-液封槽;19-冷却水泵;20-冷却水池;21-冷凝水池;22-冷凝水泵目前中小型化工企业中，二水物湿法磷酸生产流程占主导地位，其优点是：①二水物结晶在稀磷酸溶液中具有很好的稳定性，能形成足够大而且比较整齐的结晶有利于过滤和洗涤，相应的减少磷酸的损失；②生产中工艺条件控制幅度相对地大一些，运转时间长或开工率高，通常可达有效操作时间的85%～95%(不包括每年两周的定期清理)，每年操作时间一般为298～333天；③对设备，材料腐蚀也相对小一些；④对矿种的适应性强，生产用矿可以改变；正因为上述的原因，湿法磷酸的生产以二水物流程起步至今已有百余年的历史，经过不断改进，完善，二水物流程已发展成为一个现代化的工业流程。(2)半水物流程半水物流程的最大优点在于半水物结晶能在高的磷酸浓度及温度下以介稳定形式存在；同时，半水物结晶可以形成粗大的晶体，在浓磷酸介质中有较好的过滤性能，这就使半水物流程具备了实现工业化的必要条件。目前，大部分半水物结晶都可以控制形成粗大的聚合晶体，这类晶体过滤速度快，洗涤容易，且稳定性好。然而，作为工业化装置，半水物流程也有它的不足。首先是P2O5转化率低，影响经济效益，在一般控制条件下，转化率可降至92%～94%，其实，介稳定的半水物结晶在操作运转中，常会带来许多难以预期和克服的麻烦。(3)半水-二水再结晶流程再结晶流程中，硫酸钙结晶先以半水物析出，再转化成二水物的流程称为“半水—二水再结晶流程”，其中只一次过滤的，称为“一步法”流程。同所有的再结晶流程一样，稀酸(一步法)流程也是由磷矿分解过程(半水部分)与结晶转化过程(二水部分)组成的。由于只安排了最后一次过滤，这就决定了前，后两个过程的磷酸浓度相同，或基本相同。一般选用30%～32%P2O5，在此浓度下，即使转化过程中吸水转化仍能进行，其困难的程度也是可以想象的。磷矿分解过程中，要在稀的磷酸溶液中形成半水物结晶也是困难的，流程中采取的措施是提高分解温度到80～110℃。(4)二水-半水再结晶流程该流程是以二水物流程为基础的再结晶过程，只能生产与二水物流程相接近的稀磷酸，全系统也可以分为磷矿分解过程及结晶转化(再结晶)过程。磷矿在分解过程中酸化，并首先析出二水物，在转化过程中又脱水转化为半水物。该流程的特点是：①全系统只经一次过滤，所以是“一步法”的再结晶流程，转化过程的磷酸浓度与分解过程基本相同；②只能得到与二水物相似的磷酸浓度；③结晶转化过程是由二水物脱水转化成半水物，这种从溶液中析出的半水物为α型(α-CaSO4·1/2H2O)；3.2.3各种流程的分析从表面上分析，这类流程存在着某些不足之处。第一，成品磷酸浓度偏低与二水物流程相接近。第二，全系统的热过程不尽合理，如在分解过程中为了形成二水物结晶相对比较低的温度，需移走大量的热，但在转化过程中为了二水物的脱水，又需加大量的热来提高脱水的温度。第三，半水物结晶是一个稳定的固相，在稀磷酸溶液中形成的半水物的稳定性更差。因此，对滤渣的处理经常碰到麻烦，通常的做法是令其自行吸水转化为二水物。这样，全系统的转化过程实际上成了二水物→半水物→二水物。第四，在转化过程的溶液中，形成的半水物“过渡脱水”成无水物的趋势是存在的。综上所述，选择二水物流程生成磷酸是最好的工艺流程。3.2.4工艺流程叙述由原料工序送来的磷矿浆、硫酸由泵等设备送入酸解槽进行反应。酸解槽反应后所获得的H3PO4和CaSO4结晶混合料浆通过料浆泵送至盘式过滤机进行过滤。为了降低酸解槽中料浆的温度，用鼓凤机送入空气冷却。萃取槽排出的含氟气体通过文丘里吸收塔用水循环吸收，吸收液用氟吸收循环泵送至文丘里吸收塔进行循环吸收，净化尾气经排气机和排气筒排空。酸解料浆经过过滤所获的滤液，通过气液分离器分离后，液体即为成品磷酸，并进入滤洗液中间槽，由成品磷酸泵送入成品磷酸槽中。过滤所获石膏滤饼经洗涤后，由滤盘翻转卸入螺旋输送机，并用胶带输送机送往磷石膏堆场。滤饼的洗涤采用逆流三次洗涤流程。清液池中的含氟以及含磷污水经清液循环泵送去冲洗滤布，由此下来的含有石膏的污水于沉降槽中沉降，清液溢流回至清液池中再利用，含石膏的稠浆进入稠浆槽，通过蒸汽加热后，再用稠浆泵送往过滤机用以洗涤滤饼。与此同时，稠浆中的石膏亦被滤出，并与大宗石膏一起被排除。各洗液进入气液分离器的相应格内，被分离出的液体经三洗泵，二洗泵将洗液相继返回过滤机洗涤滤饼，一次洗液和滤液将由泵送至酸解槽内。过滤工序所需真空由水环式真空泵产生。抽出的气体经冷凝器用水冷却。从冷凝器中排出的水作为洗水由泵送至过滤机内。[4]第四章复合肥磷酸工段物料衡算4.1已知条件二水法湿法磷酸的物料衡算条件[5]：规模：年产200kt/a复合肥折合成30%P2O5的湿法磷酸。由于制一等品,由国家标准查得复合肥含P2O59%。故湿法磷酸的量为：20030%=60kt/a年工作日：300天原料磷矿的主要成分（%）：P2O5：32.39；F：4.02；CaO：44.98；Fe2O3：1.46；Al2O3：1.63；A·I：2.27；CO２：2.56；SiO2：2.17；MgO：0.4硫酸：92.5%H2SO4,用量为理论用量的104%转化率：（）98.1%洗涤率：98.6%成品磷酸质量分数：30%料浆液固比：2.8机械损失：3%水分蒸发量：18.65kg氟逸出率：1.42%滤饼含湿量（湿基）：滤饼过滤后滤饼一洗滤饼二洗滤饼三洗滤饼%4131219洗液浓度（）%：二洗液：6.5三洗液：1.9选取计算标准：100kg磷矿4.2物料衡算废气磷矿100全系统4.2.1全系统平衡废气磷矿100全系统成品酸H2SO4成品酸H2SO4机械损失水机械损失水二水石膏二水石膏A.进料a.磷矿：J1=100kgb.硫酸：J2=44.98×98÷56×1.04÷0.925=88.50kgc.洗水：J3=？进料总和：∑J=J1+J2+J3=188.50+J3B.出料a.成品磷酸：C1=磷酸中质量分数为：30%b.逸出废气C2（a）CO2100×2.56%=2.56kg标准状况下的体积VCO2=2.56÷44×22.4=1.30m（b）F100×4.02%×1.42%=0.057kg折合SiF40.057×104÷76=0.078kg标准状况下的体积VSiF4=0.078÷104×22.4=0.0168m(c)水汽100×0.1865=18.65kg标准状况下的体积V水汽=18.65÷18×22.4=23.21mC2=2.56+0.078+18.65=21.288kg标准状况下的废气体积：1.3+0.0168+23.21=24.53mc.机械损失3%C3=32.39×3%÷30%=3.239kg其中0.97kgd．磷石膏（a）石膏值=44.98×172÷56+2.27=140.42kg（b）湿石膏量（含湿量9%）C4湿石膏C4=140.42÷（1-0.09）=154.31kg其中液相154.31×9%=13.89kg出料总和：∑C=C1+C2+C3+C4=101.3+21.288+3.239+154.31=280.137kg∵∑J=∑C即188.50+J3=280.137∴加水量J3=91.637kg4.2.2酸解系统平衡磷矿酸解系统磷矿酸解系统废气H2SO废气H2SO4酸解料浆稀磷酸酸解料浆稀磷酸A.进料a.磷矿：J1=100kgb.硫酸：J2=88.50kgc.稀磷酸：J3=？B.出料a.废气C1b.料浆已知磷矿石膏值为140.42kg，料浆液固比为2.8∴生成料浆量为C2=140.42×（1+2.8）=533.596kg其中固相140.42kg，液相393.176kg出料总和：∑C=C1+C2=21.288+533.596=554.884kg∵∑J=∑C即100+88.50+J3=554.884∴返回系统稀磷酸J3=366.384kg4.2.3过滤系统平衡成品磷酸过滤成品磷酸过滤滤饼料浆滤饼料浆机械损失机械损失配酸用滤液配酸用滤液A.进料酸解料浆J=554.884kgB.出料a.成品磷酸：C1=101.3kgb.过滤滤饼（湿含水分41%）：C2=140.42÷（1-0.41）=238kg其中固相140.42kg，液相97.58kgc.机械损失：C3=3.239kgd．用于配酸的滤液C4=？出料总和：∑C=C1+C2+C3+C4=101.3+238+3.239+C4=342.539+C4∵∑J=∑C即533.596=342.539+C4∴C4=191.057kg4.2.4三次洗涤平衡A.进料a.洗水：J1=91.6b.二洗石膏（湿基含水分21%）J2=140.42÷（1-21%）=177.75其中固相140.42kg，液相37.33kg进料总和：∑J=J1+J2=91.637+177.75=269.387kgB.出料a.三洗石膏：C1=154.31kgb.三洗液：C2=？出料总和：∑C=C1+C2=154.31+C2∵∑J=∑C即269.387=154.31+C2∴三洗液C2=115.077kg4.2.5二次洗涤平衡A.进料a.一洗滤饼：J1=140.42÷（1-31%）=203.51kg其中固相140.42kg，液相63.09kgb.三洗液：J2=115.077kgB.出料a.二洗滤饼：C1=177.75kgb.二洗液：C2=？∵∑J=∑C即203.51+115.077=177.75+C2∴二洗液C2=140.837kg4.2.6一次洗涤平衡A.进料a.过滤滤饼：J1=238kgb.二洗液：J2=140.837kg进料总和：∑J=J1+J2=378.837kgB.出料a.一洗滤饼：C1=203.51kgb.一洗液：C2=？出料总和：∑C=C1+C2=203.51+C2∵∑J=∑C即378.837=203.51+C2∴一洗液C2=175.327kg4.2.7P2O5平衡A．磷矿中量=32.39kgB．石膏中不溶量=32.39×（1-98.1%）=0.615kgC．酸解料浆中的水溶量=393.176×30%=117.95kgD．返回稀磷酸中的水溶量=117.95+0.615-32.39=86.175kg返酸质量分数=86.175÷366.384×100%=23.52%E．成品酸中水溶量=101.3×30%=30.39kgF．配酸用滤液浓度与成品酸相同，所含的水溶量=191.257×30%=57.38kgG．过滤滤饼液相浓度与成品酸相同，所含的水溶量=97.58×30%=29.274kgH．一洗液中水溶量=返酸中水溶量-配酸滤液中水溶量=86.175-57.38=28.795kg一洗液质量分数=28.795÷175.327×100%=16.42%I．二洗液中水溶量=140.837×6.5%=9.15kg三洗液中水溶量=115.077×1.9%=2.19kgK．一洗滤饼中水溶量=29.274+9.15-28.795=9.629kg二洗滤饼中水溶量=9.629+2.19-9.15=2.669kg三洗滤饼中水溶量=2.669-2.19=0.479kg4.3总物料平衡表装置每小时的成品磷酸产量为：60000×103÷300÷24=8333.3kg由于以100kg磷矿为基准可得成品磷酸101.3kg，换算为上列物料时的系数为：8333.3÷101.3=82.26将物料平衡中的各项均乘以系数82.26，即得以小时物料量为基准的物料平衡表表4-1湿法磷酸总物料平衡表进料出料序号名称流量/（kg/h）%1磷矿粉822635.72硫酸7280.0131.63洗水7538.0632.7序号名称流量/（kg/h）%1成品磷酸8332.9436.22废气1751.157.63机械损失266.441.24二水石膏12693.5455合计23044.07100.0合计23044.07100.0第五章复合肥磷酸工段热量衡算热量衡算的参考温度选为0。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）与参考温度下的反应热（25，0.1013MPa）之间的差别。5.1反应热的计算以1kg磷矿为基准，计算矿中各组分的量[5]P2O5：32.39÷100×1000÷142=2.28molCaO：449.8÷56=8.03molFe2O3：14.6÷160=0.09molAl2O3：16.3÷102=0.16molMgO：4÷40.32=0.10molCO2：25.6÷44=0.58molF：40.2÷19=2.12molA·I：22.7÷60=0.38mol（以SiO2计）SiO2：21.7÷60=0.36mol将以上结果列表如下：表5-1磷矿中各组分的量组分P2O5FCaOFe2O3Al2O3A·ICO2SiO2MgO%32.394.0244.981.461.632.272.562.170.40mol/kg矿2.282.128.030.090.160.380.580.360.10由化学分析结果将矿中可能存在的化合物形式组成各种化合物，计算各物质的量。=1\*GB3①Ca5F(PO4)3磷矿中1.5molP2O5相当于1molCa5F(PO4)3，故Ca5F(PO4)3=2.28÷=2\*GB3②CaF2磷矿中含氟2.12mol，其中1.52mol来自Ca5F(PO4)3，故CaF2=（2.12-1.52）÷2=0.3mol=3\*GB3③MgCO3因1molMgO相当于1molMgCO3，1kg矿中含MgO0.10mol，故MgCO3=0.10mol=4\*GB3④CaCO3矿中CaO为8.03mol，扣除Ca5F(PO4)3中CaO及CaF2中CaO，故CaCO3=8.03-1.52×5-0.3=0.13mol表5-2磷矿中存在的化合物物质的量组分Ca5F(PO4)3CaCO3MgCO3Fe2O3Al2O3CaF2SiO2A·Imol/kg矿1.520.130.100.090.160.300.360.38发生的反应以及反应热如下：=1\*GB3①-6872-5×839.5-10×286-5×2023-3×1292-316

=-377.5kJ/molCa5F(PO4)=2\*GB3②-1215-815-2×286-2023-2×316kJ/molCaF2=3\*GB3③-316-1/6×841-1/6×2331-2/6×286kJ/molHF=4\*GB3④-824-2×1292-286-2×1871kJ/molFe2O3=5\*GB3⑤-1610-2×1292-286-2×2353kJ/molAl2O3=6\*GB3⑥-1207-815-286-2023-394kJ/molCaCO3=7\*GB3⑦-1110-815-1369-286-394kJ/molMgCO3根据每kg磷矿中各反应物的量，计算1kg矿的反应热：=kJ/kg矿5.2稀释热的计算酸解磷矿的理论用酸量是按矿中CaO计算的，没有考虑MgCO3消耗的硫酸，因而还应扣除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104%，1kg矿实际用92.5%硫酸0.885kg。因此硫酸的理论过量为：0.885×0.04÷1.04×0.925=0.315kg/kg矿1kg矿中有MgCO30.1mol，消耗硫酸也应是0.1mol，即0.1×98÷1000=0.0098kg，故实际硫酸过量。1kg矿中硫酸过量的值为：0.315-0.0098=0.31kg/kg矿5.3热量衡算表5-3物料衡算物流量和相关物质的比热容数据序号物料名称流量/（kg/h）温度/℃比热容/(kJ/kg·K)1磷矿粉(32.39%P2O5)8226250.7702硫酸(92.5%)7280.01251.5843稀磷酸(23.52%P2O5)30138.7703.0354酸解料浆43893.6772.295CO2(g)210.6700.8436SiF4(g)6.4700.7087H2O(g)1534.170汽化热:2625kJ/kg5.3.1输入热量的计算磷矿粉带入显热kJ/h硫酸带入显热kJ/hC．硫酸稀释带入显热根据经验公式计算硫酸的比稀释热为：-335×30%+2100×(92.5%-0.9)+585=537kJ/kg硫酸则硫酸稀释热为：=537×0.31×8226×92.5%=1.267×kJ/hD．稀磷酸带入显热kJ/hE．化学反应热kJ/hF．搅拌器作功转变为热量采用单槽多浆工艺，酸解槽共8台搅拌桨，功率平均值为0.801kw。设这部分功全变为热，应为：kJ/hkJ/h5.3.2输出热量的计算A．酸解料浆带出热kJ/hB．CO2气体带出热kJ/hC．SiF4气体带出热kJ/hD．水蒸气带出热kJ/hE．热损失设热损失为输入热量的3%kJ/hF．冷却空气带走热量kJ/h这部分热量全由进入的冷却空气以显热的形式带出。设进入酸解槽的空气温度为25℃，鼓风后排出温度为70℃，空气比热容为1.03kJ/kg·K，则所需空气量为：表5-4热量衡算结果输入输出名称热量×/（kJ/h）%磷矿粉带入0.1581.1硫酸带入0.2882.1硫酸稀释带入1.2679.1稀磷酸带入6.40345.7反应热5.88542.0搅拌功转换热0.0230.2名称热量×/（kJ/h）%酸解料浆带出7.74055.3水分蒸发带出4.02728.8冷却空气带出1.80112.9CO2及SiF4气体带出0.0120.1热损失0.4203.0合计14.000100.0合计14.000100.0第六章复合肥磷酸工段设备计算与选型磷酸生产中的主要设备是反应槽（又称反应器或萃取槽）、过滤机和泵。由硫酸分解磷矿生成的磷酸料浆其液相是磷酸；内含部分游离硫酸、氟硅酸以及由磷矿带入反应槽并溶解在磷酸中的铁、铝、镁磷酸盐；其固相是硫酸钙以及由磷矿带入反应槽的氟形成氟硅酸后多余的二氧化硅和部分未分解的磷矿和杂质等，这些固相物统称为磷石膏。因此磷酸料浆具有较强的腐蚀性和对材料的磨损，故反应槽、过滤机和泵与磷酸料浆、磷酸介质接触部分必需耐腐蚀。[4][6]6.1反应器的选型与计算反应器选择的是同心圆多桨单槽。同心圆多桨单槽二水物工艺的反应槽是由一个同心圆槽和一个分成三格的方格槽组成。同心圆单槽的环形部分分为七个区，中心筒为一个区，同心圆槽的第一区与第七区用隔墙封死，第六区与第七区之间也应隔墙，但在隔墙上部开有气相联通孔，在第六区和第七区与第八区（中心筒）之间，在中心筒的筒壁下部开有料浆联通孔，在第二和第三区之间的槽盖上开有尾气出气口。中心筒与外环之间的通气孔在第四、五及六区。磷矿浆加在第一区，硫酸与回磷酸的混合酸加在第五区或第八区。真空冷却的料浆自第七区下部抽出，冷却后的料浆经大气流入方格槽的其中一格—料浆冷却密封槽，部分料浆溢流至料浆调整槽，再流至过滤机给料槽。大部分料浆自料浆冷却密封槽经溜槽溢流至同心圆槽的第一区。[7]反应器的计算如下：=1\*GB2⑴产量为60t/d的磷酸装置=2\*GB2⑵料浆流量为43.89t/h=3\*GB2⑶料浆密度为1.47t/m3=4\*GB2⑷反应时间为4h=5\*GB2⑸料浆体积流量为：43.89÷1.47=29.86m3/h=6\*GB2⑹反应槽有效容积为：29.86×4=119.44m3=7\*GB2⑺反应槽由同心圆单槽以及料浆真空冷却密封槽、过滤机料浆给料槽和调整槽组成，其中同心圆槽体积占69%，其余占31%。=8\*GB2⑻同心圆单槽体积为：119.44×0.69=82.41m3=9\*GB2⑼同心圆单槽中的内筒、隔墙及挡墙占容积约10m3=10\*GB2⑽设同心圆单槽直径为D、有效高为H，去H/D=0.25，则反应槽的有效容积为：82.41+10=0.75D2×0.25D解得：D≈7.78mH=1.95m=11\*GB2⑾自由空间高度取0.5m，则反应槽总高度为：0.5+1.95=2.45m=12\*GB2⑿同心圆单槽内筒直径为d，取d/D=0.33,d=2.57m6.2搅拌器的计算与选型同心圆单槽内设有八台搅拌器。搅拌器的计算过程如下：=1\*GB2⑴单槽尺寸直径7.78m、同心圆直径2.57m、槽总高2.45m、料浆深度约1.95m=2\*GB2⑵搅拌桨的布置将全槽分为八个搅拌区，每个区的工作范围在2.33～2.59m，其中外圈布置七台桨，中心筒布置一台桨。=3\*GB2⑶桨型选择及功率计算平板桨：上述八台搅拌桨全部选择平板桨，但在加矿区要求搅拌强度大，则选择平板桨，在、、、、区域，选择平板桨，搅拌强度次之，以满足以上工艺要求，在区域，选择平板桨，搅拌强度再次之。根据标准模型桨叶来计算实际的桨叶，并得到实际功率。如下：表6-1、桨数据项目模型桨（1）实体桨（2）备注桨叶角度介质密度，t/相近1.47直径D，m0.230.70（上层）打泡桨0.67（中层）0.70（下层）层数12+1转速n，r/min18058功率N,kw0.041待求计算公式式中：代入公式求得：则电机功率为：1.004÷0.9=1.12kw对、、、、桨：计算公式同上式中：代入公式求得：则电机功率为：0.78÷0.9=0.87kw对桨：式中：代入公式求得：则电机功率为：0.50÷0.9=0.56kw6.3过滤机的计算与选型过滤机分为盘式过滤机、带式过滤机和转台式过滤机。此次设计选用的过滤机为盘式过滤机。盘式过滤机由滤盘、导轨、分配头、托轮、挡轮和驱动装置等主要部件组成。盘式过滤机由若干只滤盘，围绕过滤机中心垂线的360°内布置，滤盘的两端沿过滤机半径方向设有轴承，靠中心的轴承安装在转盘上，外侧的轴承则支承在轨道上。当过滤机旋转一周时，每个滤盘依次完成加料、初滤、过滤、三次洗涤、吹气排渣、冲水洗涤滤布、吸干滤布和复位等过程。滤盘出液口用胶管或金属管与位于中央配夹的上错气盘管相连接，上错气盘由传动杆通过转盘上拨块的推动，与转盘同步回转。下错气盘固定不转，盘下的滤洗液接受与真空系统相连接，反吹孔与真空泵出口相接。滤盘的水平移动、翻转和复位等动作通过导轨来控制。根据滤盘进行过滤、洗涤、反吹倒渣和滤布吸干等需要，在下错气盘的面上相应设置若干大小不等的环状形孔，与滤盘的操作过程相适应，并使初滤和过滤酸以及洗液在真空抽吸下进入各自的气液分离器或一个综合气液分离器的各自室隔内。根据滤盘的只数，在上错气盘上设有同样数目孔，分别与滤盘相连通。从初滤孔吸出的滤液往往被滤布中的残留洗水稀释并含固量较多，因而进入一洗液系统。[8]驱动装置是由电动机、销齿轮带动转盘进行传动。计算过程如下：=1\*GB2⑴产量为60t/d的磷酸装置=2\*GB2⑵小时产量为2.50t/h=3\*GB2⑶每天运行24小时=4\*GB2⑷根据锦屏磷矿的评价试验[2]，设计过滤强度为=5\*GB2⑸有效过滤面积为：2.50×24÷6=10m2=6\*GB2⑹过滤机设计富裕系数为1.25=7\*GB2⑺过滤机设计总面积为：10×1.25=12.5m2根据以上数据选择PF-14翻盘真空过滤机，此过滤机参数如下：有效过滤面积（m2）：11总过滤面积（m2）：14滤盘数：16滤盘翻转角度：电机功率（kw）：4操作真空度（mmHg）：≤-450外形尺寸（mm）：8220×2112设备质量（t）：14.126.4料浆泵的计算与选型料浆泵是负责将酸解槽中的料浆运输到过滤机中。根据输送介质的常用流速范围[7]，选W=1.3m/sW─通过管路的流体常用流速m/s管子直径：其中：体积流量=43893.6÷1470÷3600=0.0083则根据计算所得的管径数据，选择热轧无缝钢管，厚度选5mm，外径为127mm扬程计算公式为：=1\*GB3①=2\*GB3②由过滤机操作真空度决定，过滤机真空度为-450mmHg，即过滤机的表压为Pa，Pa=3\*GB3③雷诺准数的计算公式为：查得77℃下磷酸溶液粘度近似为1.17[9]则由于＞4000，属于湍流区，所以摩擦系数与雷诺准数Re及相对粗糙度有关，取0.25mm，则=0.25/117=0.0021查得=0.023=4\*GB3④取∑=45m则根据He=，Qe=29.86选择YPL80-30/20型液下料浆泵，其参数如下：流量（）：30扬程（）：20转速（）：970电机功率（）：1效率（%）：46总质量（）：10066.5洗水泵的计算与选型洗水泵是负责将洗水（即三洗液）送到过滤机进行洗涤。根据输送介质的常用流速范围，选W=1.5m/sW─通过管路的流体常用流速m/s管子直径：其中：体积流量=91.637÷1000÷3600=0.00003则根据计算所得的管径数据，选择热轧无缝钢管，厚度选2.5mm，外径为32扬程计算公式为：=1\*GB3①=2\*GB3②由过滤机操作真空度决定，过滤机真空度为-450mmHg，即过滤机的表压为Pa，Pa=