二水物湿法磷酸工艺计算

第三章二水物湿法磷酸工艺计算第一节物料及热量计算（一）工艺计算基础数据1.原料表3.1磷矿（开阳磷矿）组成表组分P2O5CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFCO2其他%32.045.500.501.631.527..641.640.360.403.0140481.02(2)硫酸:选浓度为98%的H2SO42.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3.2磷矿中次要组分在反应过程中的分配表组分CO2FFe2O3Al2O3MgONa2OSiO2K2O其他率酸%╱7091829820101368石膏%╱13918280868732气相%1001700004003.过滤部分工艺数据(1)成品磷酸主要组成:P2O525.5%;游离H2SO43.0%(2)过滤时对成品磷酸的稀释率取0.5%(3)P2O5的回收率取96.5%(4)率饼的含液量(湿基)1.第一次过滤50%2.第二次过滤39%3.第三次过滤34%4.第四次过滤28%(5)第二次过滤后水溶性P2O5残留率R1==0.29第三次洗涤后水溶性P2O5残留率R2=0.15第四次过滤后水溶液中P2O5浓度为1.13%(二)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:kg2.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)3100010332.2%=1551.74的量：（）0.5=36.235的量：=406.8469的量：=611.3318(3)各种钙盐消耗硫酸量：=721.8620kg的消耗量：kg消耗量：kg(4)成品酸中的游离硫量kg(5)磷矿中含SO3折算成Ｈ2SO4量kg(6)消耗硫酸总计kg折算成93%的Ｈ2SO4为：kg折算成SO3的量为：kg2.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：SO3SiF4F等。金属及其他氧化物：Fe2O3Al2O3MgONa2OK2O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=2kmolSiO2=kmolF=[21.07-()]kmol小计：13.1430+0.6719+0.2542+0.3462=14.4153kmol阳离子组物质的量：Fe2O3=kmolAl2O3=kmolMgO=kmol假设Na2O及其他物质的量均用Na2O的值代替kmolK2O=kmol小计：0.5597+0.7332+0.7974+0.2470+0.01104=2.3483kmol结合水量：（14.4153-2.3483）kg由于在计算干物质时以氧原子代替SiF62-、F-等形式等量的氧为：SiO2→SiF6→OkgF→Okg小计：2.03394+2.7697=4.8036kg总干物质的量：311.0520+26.8747+14.8830+12.4640+7.6400+0.7200+0.5200+16.0720+21.0700+6.9360+108.6030-4.8036=521.9811kg自由水量：1135.2263-521.9811=613.2452kg（4）成品磷酸组成：表3.3成品磷酸组成表组分SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgONa2OK2O其他结合水自由水P2O5%2.321.291.082.661.831.400.060.050.609.5454.2827.3以上合计102.51调整-2.51，总计100调整后成品磷酸的组成：表3.4调整后成品磷酸的组成表组分SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgO%2.26321.25841.05362.59491.78521.3657组分K2O其他结合水自由水P2O5Na2O%0.04880.58539.306452.534927.30.05854.磷石膏组成（1）磷石膏的组成量（kg）CaO=P2O5=SO3=Fe2O3=Al2O3=SiO2=Na2O=MgO=K2O=F=0其他=结晶水（2）干物质中扣除与F相当的氧的物质的量为：F→O（3）干物质总两量为：455.6000+10.9480+641.0805+1.4670+2.7360+65.7040+2.8800+0.3280+3.4800+3.9130+3.2640+288.4862-1.6476=1478.1756kg（4）磷石膏的组成表3.5磷石膏的组成表组成CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFP2O5其他结晶水%30.8243.380.100.194.440.020.190.240.260.720.2219.52以上合计100.1，调整-0.1，总计100表3.6调整后的磷石膏组成组成CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFP2O5其他结晶水%30.789243.340.09990.18984.4360.019980.18980.23980.25970.71930.219819.50055.反应料浆量反应后磷酸料浆中固体含量即干物质总量为1478.1756kg.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：反应槽排出的水与闪蒸冷却蒸发水的计算，假定其总和为Skg7.回磷酸量及其组成：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=4479.32+（44.80+5.2883+1.318）+S+1562.5-871.818=2096.4083+S8.磷酸料浆反应热（1）Ca5F(PO4)3＋5H2SO4＋2H2O=5CaSO4.2H2O＋3H3PO4＋HF＋Q1Q1=140.6KJ/mol（2）CaF2＋H2SO4＋2H2O=CaSO4.2H2O＋2HF＋Q2Q2=-110.24KJ/mol（3）HF＋1/6SiO2=1/6H2SiF6＋1/3H2O＋Q3Q3=61.25KJ/mol（4）Fe2O3＋2H3PO4=2FePO4＋3H2O＋Q4Q4=47.07KJ/mol（5）Al2O3＋2H3PO4=2AlPO4＋3H2O＋Q5Q5=71.09KJ/mol（6）、CaCO3＋H2SO4＋H2O=CaSO4.2H2O＋CO2＋Q6Q6=34.68KJ/mol（7）、MgCO3＋H2SO4=MgSO4＋CO2↑＋H2O＋Q7 Q7=-42.92KJ/mol（8）、SiO2＋4HF=SiF4＋2H2O＋Q8 Q8=126.30KJ/mol（9）、1000kg磷矿中各组分的物质的量①、Ca5F(PO4)3：=1511.7371mol②、CaF2：=36.2353mol③、MgCO3：=406.8469mol④、CaCO3：=611.3318mo⑤、Fe2O3：=102.0664mol⑥、Al2O3：=149.0196mol⑦、生成SiF4所消耗SiO2的量为：=5.2883×103×EQ\F(1,104)=63.5606mol；⑧、生成H2SiF6所消耗HF的量由于磷酸中HF过量，故以SiO2的量计算H2SiF6的量为：=7.4600×103×EQ\F(1,60.1)=127.1215mol；（10）、反应热：Q==241901.1667kJ；9.硫酸的稀释热假如在反应过程中加入反应器的浓硫酸先稀释到料浆液相的硫酸根浓度，然后再与磷矿反应。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P2O2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52.53%，磷酸料浆液相中含自由水为：（4）(5)93%H2SO4稀释到2.9529%H2SO4的稀释热为：=10.热损失（1）反应槽热损失热辐射系数：试中：hr＿热辐射系数℃E＿黑度（一般取0.9）t0＿容器表面温度（取50℃ta＿环境温度（取15℃.℃(2)给热系数直立面计算公式：.℃水平面计算公式：.℃反应槽盖及槽壁热损失：辐射热+对流给热槽盖面积F1=槽壁面积F2=热损失：Q=hr×（F1+F2）×(t0－ta)+hc1F2×(t0－ta)+hc2F1×(t0－ta)=21.3782×(107.9896+163.2476)×(50-15)+15.2748×107.9896×(50-15)+21.3799×163.2476×(50-15)=382840.5001KJ/h=20861.3099kJ/（1000kg矿）11.热平衡（单位：kJ/1000kg矿）输入热量磷矿浆显热：41234.3750kJ硫酸显热：48547.1853kJ回磷酸显热：315939.2129+150.705S搅拌产生热：23809.4090kJ反应热：241901.1667kJ稀释热：490633.452kJ总和：1162064.8810+150.705SkJ料浆带出显热：2.218×4479.32×（77-15）=615978.1691kJ热损失：20861.3099kJ则总和为：636839.4790kJ冷却器系统及反应槽尾气移走的热量为：1162064.8810+150.705S-636839.429=525225.4201+150.705SkJ12.料浆真空冷却蒸发水量取小时料浆真空冷却量/小时过滤料浆量=20，则真空冷却料浆量为：磷矿干基量：磷矿浆量:反应料浆量:则真空冷却水量为:料浆经真空冷却系统温度降低2.6度时移走的热量为:=矿77℃时水的蒸发潜热为2316.4料浆真空冷却系统蒸发的水量为:反应槽尾气带走的热量为:525225+150S-516626.6702=8598.7319+150.750S其中HFSiF4带走的热量为:150.705S+8598.7319-2214.5650=6384.1669+150.705S又空气带走的热量进入反应槽时空气的状态参数:温度15度相对湿度为70%.大气压力为90.24kpa,饱和空气的压力为1.71kpa经计算得空气的湿焓值为36.2645kJ反应槽的空气状态参数:温度62度,相对湿度75%,大气压力为90.24kpa,空气的饱和真汽压为21.9760kpa.经计算空气的湿焓值为37.7788kJ进入反应槽的干空气量为:由空气带走的水分量为:(99.5212S+4215.9195)(0.009011-0.008410)=0.02981S+2.5338真空蒸发和反应槽尾气蒸发的水量之和S223.03+0.05918S+2.5338=S解得S=239.9104即真空蒸发的水量为223.03kg尾气带走的水量为:239.9104-223.03=16.880413.第一次过滤（1）过滤机给料量：4479.32kg（2）过滤机给料量中的固相量：1478.1756kg（3）从料浆中分离出的液相量：(4479.32－1478.1756)－[1478.1756×]=1522.9688kg（4）滤布带入水量1522.9688×(0.5%＋27.4%)×－1522.9688=27.7914kg（5）第一次过滤后滤饼含液量：1478.1756×=1478.1756kg（6）第一次过滤滤液总量1522.9688+27.7914=1550.7602kg其中成品磷酸量为：1135.2263kg并入回磷酸的量为：1550.7602-1135.2263=415.5339kg（7）滤饼中液相P2O5浓度为27.4%，滤饼中可溶性P2O5量为：1478.1756×（27.4%+0.5%）=412.4110kg14.第二次过滤（1）由第一次过滤来的固相量：1478.1756kg由第一次过滤来滤饼中的液体量：1478.1756kg去第三次过滤的固体量：1478.1756kg去第三次过滤的液体量：1478.1756××39%=954.0631kg回磷酸量：2096.4083+S=2096.4083+239.9104=2336.3187kg第二次过滤的滤液量：2336.3187－415.5339=1920.7848kg（2）对第二次过滤作物料平衡得到一洗滤液量1478.1756+954.0631+1920.7848-1478.1756-1478.1756=1396.6723kg对第二次过滤作P2O5平衡：对反应槽进行P2O5平衡可以得回磷酸中P2O5含量：则第二次过滤液中P2O5浓度为：第一次过率后滤饼液相中含可溶性P2O5量为412.4110kg第二次过滤带出滤液的P2O5量：2336.3187×22.41%－412.4110×27.4%=410.5684kg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回收率，则在磷石膏排渣中可溶性P2O5量为：kg则可计算到第二次过滤后滤饼中含有可溶性P2O5量为:kg（R1=0.29R2=0.15）由得x=61.0769kg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：15.第三次过滤（1）由第二次过滤来的固相量：1478.1756kg由第二次过滤来滤饼中的液体量：954.0631kg第三次过滤滤液量（一洗液）：1396.6723kg去第四次过滤的固体量：1478.1756kg去第四次过滤的液体量：kg（2）二洗液量1396.6723+1478.1756+785.2808-1478.1756-954.0631=1227.89kg（3）对第三次过滤作P2O5平衡由第二次过滤带入可溶性P2O5量为：62.9195kg由第二次洗液带入P2O5量xkg第三次过滤滤液带出P2O5：61.0796kg第三次过滤饼中带出可溶性P2O5为y则：kg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：16.第四次过滤（1）由第三次过滤来的固相量：1478.1756kg由第三次过滤来滤饼中的液体量：785.2808kg加入的洗涤水量x，去排渣系统的固相量：1478.1756kg去排渣系统的液相量：kg第四次过滤的滤液量（二洗液）：1227.89kg因此，洗涤水量：x=1478.1756+574.8461+1227.89－1478.1756－785.2808=1017.4553kg排渣时磷石膏中可溶性P2O5量为2.737kg，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：0.4761%表3.7湿法磷酸物料平衡表输入输出项目流量，kg/t矿项目流量，kg/t矿磷矿浆1562.5000成品酸1135.2263滤布洗涤水27.7914尾气带走水16.8804尾气带走CO2、SiF4及HF51.4063硫酸871.8180真空蒸发带出水223.0300洗水1017.4553石膏浆（总量）2053.0217合计3479.5647合计3479.5647表3.8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41234.3750反应槽料浆带出615978.1691硫酸带入48547.1853热损失20861.3099回磷酸带入352094.9099水分蒸发带出42539.8637反应热+稀释热732534.6187CO2、SiF4及HF气体带出2214.5650搅拌产生热23809.4890冷却空气带出516626.6702合计1198220.578合计1198220.578表3.9五氧化二磷平衡表输入输出项目计量单位kg/t矿项目计量单位kg/t矿磷矿浆带入322石膏带出10.948磷酸带出311.052第二节设备计算1.反应器(同心圆多桨单槽)磷酸产量：料浆流量：料浆密度为：反应时间：5.5h料浆体积流量：反应槽有效容积为：反应槽由同心圆单槽以及料浆真空冷却密封槽，过滤机给料槽和调整槽组成，其中同心圆单槽体积占69%，其余占31%；单槽体积为：299.2616×69%=206.4905m3设隔墙及挡墙占容积约110m3；设同心圆单槽中直径为D有效，高度为H，取H/D=0.25，则有效容积为：206.4905+110=D2H=×D2×0.3D=0.1963D3解得D=11.7259m；H=2.9315m（11）自由度空间取1.5m，则反应槽总高度为：2.9315+1.5=4.4315m；（12）同心圆单槽内筒直径d取d/D=0.3333，则d=3.9082m2.搅拌器（1）单槽尺寸：直径=11.7259m，内筒直径=3.9802m，槽高为4.4315m，料浆深度约3.6m；（2）搅拌桨的布置，将全槽分为9个搅拌区，其中外筒布置8台桨、中心筒布置1台桨。（3）桨型选择及功率计算①平板桨：上述9台搅拌桨全部选用平板桨但在加矿区域要求搅拌强度大，则选择45度平板桨，在2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、区域选用32°平板桨，搅拌强度次之，以满足工艺上要求，在9#区域选用32°平板桨，搅拌强度再次之。某研究单位拥有标准模型桨叶，并且有关类似工艺的功率参数，在计算