年产32000吨P2O5湿法磷酸工艺设计.doc

第16页 共16页设计任务书班级： 姓名： 学号：22一、设计题目：32000吨/年P2O5湿法磷酸厂工艺设计。二、设计条件：1、 原料磷矿的主要成分（%）：P2O5：28.46；F：3.26；CaO：48.34；Fe2O3：1.66；Al2O3：1.52；AI：3.05；CO：2.39；SiO2：2.95；MgO：0.352、 硫酸用量：为理论用量的103%3、硫酸浓度：含H2SO4 98%4、转化率：97.9%5、洗涤效率：98.2%6、料浆液固比：2.97、成品稀磷酸浓度：含P2O5 31%8、氟逸出率（%）：二水法：1.36 半水法：45。9、机械损失（P2O5）：5% 。10、水份蒸发量（以100kg磷矿为基准）：17.62 kg；如采用真空冷却，则冷却器中的蒸发水量占80%。11、滤饼含液量（以干磷石膏为准）%：过滤后滤饼68.72；一次洗涤后滤饼43.48；二次洗涤后滤饼25.39；三次洗涤后滤饼12.2812、洗液浓度（P205）%：一次洗液23.4 二次洗液5.9 三次洗液2.113、返回淡磷酸的温度（）：6114、萃取槽排出料浆的温度（）：7515、萃取槽排出废气的温度（）：5516、料浆循环比：6817、磷灰石分解率（%）9818、萃取槽排出废气的相对湿度：0.9519、料浆在萃取槽中的停留时间：5小时。20、料浆的密度（kg/m3）:145021、夏季最高月平均温度（）:3022、不考虑萃取槽中的热量损失；23、喷嘴风压：废气温度为60时取5000-6000Pa，废气温度为55时取1300-2800Pa。24、过滤机漏气量：1.35m3/m2min（按过滤机总面积计算）。25、原料硫酸温度：26；26、过滤常数：qe=0.94m3/m2；K过滤=5.25；K一洗=3.42。27、洗液粘度：一洗=1.610-3Pas，二洗=1.210-3Pas，三洗=1.110-3Pas。28、密度：成品磷酸1260kg/m3,一洗液1210kg/m3，二洗液1060kg/m3，三洗液1020kg/m3。3.3.1 物料平衡计算设磷酸工厂所用磷矿的主要组成以及已知条件如下：(1)原料磷矿的主要成分（%）：P2O5 ：28.46；F：3.26；CaO：48.34；Fe2O3 ：1.66； Al2O3：1.52；AI：3.05；CO：2.39；SiO2：2.95；MgO：0.35(2)硫酸用量：为理论用量的103%(3)硫酸浓度：含H2SO4 92.5%(4)转化率：97.9%(5)洗涤效率：98.2%(6)料浆液固比：2.9(7)成品稀磷酸浓度：含P2O5 31%(8)氟逸出率（%）：二水法：1.36；半水法：45。(9)机械损失（P2O5）：5 % (10)水份蒸发量（以100kg磷矿为基准）： 17.62kg；如采用真空冷却，则冷却器中的蒸发水量占80%。(11)滤饼含液量（以干磷石膏为准%）： 过滤后滤饼：68.72；一次洗涤后滤饼：43.48； 二次洗涤后滤饼：25.39；三次洗涤后滤饼：12.28(12)洗液浓度（P205）%：一次洗液：23.4；二次洗液：5.9；三次洗液：2.1(13)返回淡磷酸的温度（）：61(14)萃取槽排出料浆的温度（）：75(15)萃取槽排出废气的温度（）：55(16)料浆循环比：68(17)磷灰石分解率：（%）98(18)萃取槽排出废气的相对湿度：0.95(19)料浆在萃取槽中的停留时间： 5 h(20)料浆的密度（kg/m3）：1450(21)夏季最高月平均温度（）：30(22)不考虑萃取槽中的热量损失；(23)喷嘴风压：废气温度为60时取50006000Pa，废气温度为55时取1300-2800Pa。(24)过滤机漏气量：1.35m3/m2min（按过滤机总面积计算）。(25)原料硫酸温度：26；(26)过滤常数：qe=0.94m3/m2；K过滤=5.25；K一洗=3.42；(27)洗液粘度：一洗=1.610-3Pas；二洗=1.210-3Pas；三洗=1.110-3Pas；(28)密度：成品磷酸1260kg/m3；一洗液1210kg/m3；二洗液1060kg/m3；三洗液1020kg/m3按照上述已知条件，计算物料平衡如下(以100kg磷矿来计算) 5 6：(1)硫酸用量(kg)100%的H2SO4 1000.4834103%98/56=87.1392.5%的H2SO4 87.13/0.925=94.19(2)逸出气体量(kg)CO2： 1002.39%=2.39F ： 1003.26%1.36%=0.04434以SiF4计算 0.04434104/76=0.06068H2O： 17.62合计：2.39+0.06068+17.62=20.07(3)磷石膏值(kg)10048.34%172.1/56+1003.05%=151.61其中总含P2O5： 10028.46%(1-97.9%98.2%)=1.10未分解P2O5：28.46(1-97.9%)=0.60水溶性P2O5：1.10-0.60=0.50(4)生成循环料浆量(kg)151.61(2.9+1)=591.279液相量：591.279-151.61=439.669含P2O5：439.66931%=136.30(5)成品磷酸量(kg)10028.46%97.9%98.2%(100-5)%31%=83.8含P2O5:83.831% =25.98(6)机械损失(kg)28.495%=1.42(7)过滤后滤饼含液量(kg)151.6168.72%=104.19含P2O5：104.1931%=32.30(8)一次洗涤后滤饼含液量(kg)151.6143.48%=65.92(9)二次洗涤后滤饼含液量(kg)151.6125.39%=38.49(10)三次洗涤后滤饼含液量(kg)151.6112.28%=18.62(11)回入系统的滤液量(kg)439.669-83.8-104.19=251.7含P2O5: 251.731%=78.03(12)洗涤用水量(kg)83.8+151.61+18.62+20.07-(100+94.19)=79.91(13)淡磷酸量(kg)591.279+20.07-(100+94.19)=417.16含P2O5：136.30+1.42+0.6-28.46=109.86P2O5浓度：109.86/417.16100%=26.34%(14)一次洗涤量(kg)417.16-251.7=165.46含P2O5：109.86-78.03=31.8P2O5 的浓度：31.8/165.46100%=19.22%(15)二次洗涤量(kg)165.46+65.92-104.19=127.19含P2O5：127.195.9%=7.50(16)三次洗涤量(kg)79.91+38.49-18.62=99.78含P2O5：99.782.1%=2.10(17)一次洗涤后滤饼液相含P2O5(kg)32.30+7.5-31.8=8.00液相P2O5浓度：8.00/65.92100%=12.14%(18)吸干滤液计算(kg)设吸干滤液与一次洗涤混和后的总量为X，吸干滤液量为YXY=165.4623.4%X=31%Y+31.8解得：X=256.48 Y=91.02(19)吸干滤液含P2O5(kg)91.0231%=28.22(20)吸干溶液与一次洗涤混合液含P2O5(kg)256.4823.4%=60.02(21)回磷酸量(kg)251.791.02=160.68含P2O5：160.6831%=49.813.3.2 热量平衡计算7在工艺概述中已经阐述的那样采用鼓凤机吹入空气带走萃取槽中的热量。按每年生产300天，每天工作22.5h计算，为了完成32000吨/年P2O5湿法磷酸的生产。每小时的消耗量为：磷矿18.25吨，100%硫酸15.9吨，92.5%硫酸17.19吨，返回淡磷酸量76.13吨，料浆量107.91吨，原料硫酸温度23，淡磷酸含26.34%P2O5，返回淡磷酸的温度:69，空气温度30，萃取槽排出料浆的温度75，排出废气的温度55，废气相对湿度0.95。(1)收入热量：总的热量由下列物料带入的热量确定：磷矿粉（Q磷矿）；硫酸（Q硫酸）；淡磷酸（Q淡磷酸），以及反应热（Q反应）和萃取槽中硫酸稀释热（Q稀释）。另外，还有空气（Q空气）即：Q进=Q磷矿+Q硫酸+Q淡磷酸+Q反应+Q稀释+Q空气下面分别求每一项带入的热量：Q磷矿=182500.78330428.7106J(0.783磷精矿比热，kJ/kgK；30夏季月平均温度，即车间热负荷最大期间的温度)Q硫酸=171901.5626697.2106J(1.5992.5%H2SO4的比热，kJ/kgK) Q淡磷酸=761303.1536914642.3106J（3.15326.34%P2O5磷酸溶液的比热kJ/kgK）硫酸与磷精矿的反应热（磷精矿中的全部P2O5都按氟磷灰石计）：Ca5F(PO4)3+5H2SO4+10H2O=5CaSO42H2O+3H3PO4+HF+q2根据盖斯定律：q2=(52022.6+31278.2+269.6)-(6828.7+5839.5+10286.4)=327(kJ/mol)q2=327（kJ/mol）上式中反应物和生成物的生成热（kJ/mol）：CaSO4.2H2O(固体)： 2022.6；H3PO4（溶液）： 1278.2；Ca5F(PO4)3(固体)： 6828.7；H2SO4（溶液）： 839.5；H2O（液体）： 286.4；HF（气体）： 269.6由此可得：Q反应=182500.6730.9803271000/504 7809.5106J(0.28463142)2504=0.673磷精矿中氟磷灰石含量，单位分数；0.980氟磷灰石的分解率，单位分数；504氟磷灰石的分子量；142P2O5的分子量；) 萃取槽中H2SO4稀释热按下式确定：Q稀释=G硫酸q2/98=（15900q2）/98上式中：G硫酸无水硫酸的量；q2硫酸的比稀释热(kJ/mol)，按下式确定： 式中n1和n2为硫酸进入萃取槽稀释前后溶液中H2O/H2SO4摩尔比。n1=（298）/（1898）=0.11 ,为了确定n2，必须知道稀释后萃取槽中硫酸的浓度C2（假定硫酸同其他的液体组分混合以后，才同磷灰石反应）此浓度可根据100千克磷精矿为基准的物料衡算数据确定：C2=87.13100%/87.13+7.06+417.16(1-0.364)+591.279(1-0.428)=12.49%式中：87.13和7.06分别为无水硫酸量和含水硫酸带入的水量（kg）； 417.16和591.279分别为淡磷酸量和循环料浆液相量 kg 0.343和0.428分别为淡磷酸和循环料浆液相中磷酸的浓度单位分数从而 n2=（100-12.49）/18（98/12.49）=38.15算出 q2=67099.60因此Q稀释=1590067099.6098=10886.57106 J进入萃取槽空气带入的热量：Q空气=1.0041.2930 V +4242180.952555.35 V /(10132322.4-42420.9522.4)=123.91V(式中：1.004空气热容，kJ/kgK；1.290和1.013105Pa时的空气密度，kg/m3；424230空气中饱和水蒸气的分压Pa；0.95空气的相对湿度；2555.3530时水蒸气的焓，kJ/kg）所以，萃取槽的总收入热量为：Q收入=428.7+697.2+14642.3+7809.5+10886.57+123.91V=34464.3+123.91V(2)支出热量：带走的热量是下列热量总和：送去过滤的料浆（Q料浆）；从萃取槽排出的气体（Q气体）和热损失（Q热损）。下面分别求每一项带出的热量：76时，送去过滤的料浆带走的热量为：Q料浆=107910C料浆75（式中: 107910料浆量，kg75温度， ）C料浆料浆比热，kJ/kgK，其值按下式确定，C料浆=C液X液+C固X固（C液和C固料浆中液相和固相的热容，kJ/kgK; X液和X固料浆中液相和固相的质量分数）当不考虑杂质时，料浆中的液相就是磷酸溶液，而固相就是石膏。C料浆=(4.2324-0.0296842.8)439.669/591.279+1.072151.61/591.279=2.48 kJ/KgK（4.2324-0.0296842.8 浓度为31% P2O5即42.8% H3PO4的比热；1.072 石膏热容 ；439.669/591.279=0.74 液固比为2.9时料浆中磷酸的质量分数；151.61/591.279=0.26 料浆中石膏的质量分数；）从而：Q料浆=1079102.4875=20071.26106J55时，从萃取槽排出气体带走的热量 Q气体=V1.0041.2955 + V15731180.952600.02/(10132322.4-157310.9522.4) =432.7V(式中：1.004空气热容，kJ/kgK；1.290和1.013105Pa时的空气密度，kg/m3；0.95空气的相对湿度；1573155空气中饱和水蒸气的分压Pa；2600.0255时水蒸气的焓，kJ/kg ）则萃取槽总的支出热量为：Q支出=20071.26106+432.7VQ收入=Q支出即34464300kJ+123.91V=20071260kJ+432.7V则每小时鼓空气量V=46611.09m3选用风机： 离心通风机 型号： 4-68 全压范围(mmH20)： 20237风量范围(m3/h)： 1000239654功率范围(kW)： 0.55245输送介质最高允许温度t()：803.4 主要的设备选型与计算3.4.1 设备布置说明磷酸工段联合厂房呈长条型，跨度15m，总长度42.77m，座北向南看。自厂房的左端至右端（向北看）按照工艺流程顺序布置以上工序的设备：萃取槽，过滤机及配套设备，石墨列管换热器，轴流泵，氟回收及配套设备。萃取布置在厂房的最左端，从原料工段来的磷精矿、硅藻土经混合后进入萃取槽；此外考虑到萃取槽搅拌装置和料浆泵的安装检修，设单梁吊车一台。由于大气压的要求，盘式过滤机布置在三楼平面，二楼平面上设置了气液分离器和磷石膏胶带输送机等设备。一楼布置有滤洗液中间槽、水环式真空泵等。3.4.2 过滤机8，9该机系水平回转翻盘式连接真空过滤设备。在一个圆环形柜架上设置了20个梯形滤盘。每个滤盘两端用轴承支撑。滤盘小端出液口用贮管同位于中央的分配头上错气盘相连接，上错气盘在转动杆的带动下，与转盘同步回转、上错气盘固定不动，凭借吸液管与真空系统相连。滤盘的翻转是装在滤盘大端的，翻盘又和滚轮通过曲线导轨来控制的。每只滤盘公转一周，连接完成加料，出滤，过滤，洗涤，翻盘，反吹，卸渣，清洗滤布，吸干，复位等操作过程。该机主要特点如下：(1)渣斗大，使滤盘倾复后，滤饼全部落在干渣斗内，尽量减少磷石膏带入滤布清洗区，有利于污水循环系统的正常工作。(2)滤盘内所采用的聚丙烯栅板，格栅枞向筋条加高，增大断面尺寸，增加了刚性、不易变形。(3)滤板四周采用条加契紧扶压紧，避免因螺钉固定造成四角跷曲而漏气并损坏滤布的弊病。滤布的固定采用平压板结构，安装可靠，拆卸方便。(4)增加滤布冲洗水装置，使设备配套附件完善。(5)原转动杆断面尺寸加大，提高转动刚性。(6)三洗洗液汁底部由平底改成斜底，以防洗液堵塞。(7)分配头上，各个操作区间的作业界线可以调整，以利于个工序间协调工作。过滤机过滤面积计算方法：采用精确计算法：计算生产能力为30000吨/年P2O5所需盘式真空过滤机的有效过滤面积。表1 原始数据产物产量(t/h)密度(kg/m3)粘度(Pas)成品磷酸15.291260返回磷酸45.941260一次洗液30.2012101.610-3二次洗液23.2110601.210-3三次洗液18.2110201.110-3qe=0.94m3/m2；K主滤5.25 m2/h；K一洗3.42 m2/h；成品磷酸含P2O5：31。解：主过滤区的必需面积：A主滤=G主滤/q主滤 (m2)G主滤时间的滤液量(m3)。由恒压过滤方程式得：q2主滤+2q主滤qe=K主滤（以一小时为计算基准，即1小时）代入数据解二次方程得：q主滤1.54（m3/m2h）；而 G主滤=(15290+45940)/1260=48.60（m3/h） A主滤=48.60/1.54=31.56(m2)(2)一次洗涤区的必需面积：按照上述同样方法求得：q一洗1.13（m3/m2h）； A一洗=30200/(12101.13)=22.09(m2)(3)二次洗涤区的面积：其过滤常数K二洗由下式确定：K一洗一洗K二洗二洗0.8(式中：0.8考虑到滤布上滤饼密实度的系数)代入数据求得：K二洗5.7 m2/h代入恒压过滤方程式求得：q二洗1.62（m3/m2h）； A二洗=23210/(10601.62)=13.52(m2)(4)三次洗涤区的面积：由 K二洗二洗K三洗三洗0.8求得 K三洗7.77 m2/h；q三洗1.99（m3/m2h）； A三洗=18210/(10201.99)=8.97(m2)则 A有效A主滤A一洗A二洗A三洗76.14(m2)选用PF-盘式过滤机, 盘式过滤机是一种连续真空过滤设备，用于萃取磷酸生产中料浆的过滤，使磷酸与磷石膏分离。型号： PF-80总过滤面积m2： 80有效过滤面积： 71转速r/min： 0.50.1电动机功率KW： 11滤盘数量(个)： 24外形尺寸直径X高mm：1240018003.4.3 萃取槽8采用单槽多浆式，槽体为两个用钢筋混凝土捣制的同心圆筒组成，内外筒环形部分的器壁上装有导流板。槽体防腐衬里为酚醛泥粘石墨板，槽盖为碳钢板，衬贴酚醛环氧玻璃钢。环室换相等同心角设置，八台搅拌浆，中心圆筒设置一台搅拌浆，每个搅拌轴上装有通向双层涡轮式搅拌器，九浆转向相同。除第一浆向下翻动外，其余个浆均向上翻动，驱动装置采用BLA加长型专用摆线针轮减速器，使转动结构简单，安装维修方便。(1)料浆量 107910kg/h(2)料浆密度 1450 kg/ m3(3)反应时间 5h(4)料浆体积流量 107910/1450=74.42 m3 /hl (5)反应槽有效容积 74.425372.1 m3(6)在反应槽有效容积中同心圆单槽体积占69%,其余占31%(7)同心圆单槽体积372.10.69=256.75(8)同心圆中单槽中的内筒,隔墙及挡墙占容积约10 m3(9)同心圆中单槽直径为D，有效高度为H，取H/D=0.6 反应槽有效容积为：256.75+10=0.785 D2H D=6.98m H=4.2m(10)自由空间高度取0.4m，取反应槽总高度为5.0m(11)同心圆单槽内筒的直径d，取d/D=0.33，d=2.3主要参数：直径X 高度 m 7.744.6中心筒直径 mm 2600搅拌泵转速 r/min 101搅拌器直径 mm 680搅拌器形式 折叶二层透平 电机 q X 18.5 kW 380V主要用材：碳刚，不锈钢，石墨板，玻璃钢等。3.5 附属设备的选型与计算3.5.1 水环式真空泵10SZ型水环式真空泵及压缩机用于吸，压缩空气或其他无腐蚀性，不溶于水，不含有固体颗粒的气体，气体温度在2040为宜。性能范围气量： 1.52.7 m3/min真空度： 700760 mmHg压力： 01.5 kgf/cm3本设计中根据过滤机的漏气量1.35 m3/ m2min，则过滤机总漏气量为，80X1.35=108m3/ min根据漏气量查得：选用型号为SK-120的水环式真空泵，其主要参数：转速： 490 r/min电动机： 185 kW口径： 300 mm供应量： 200 L/min4 自动控制要求4.1 控制水平和范围4.1.1 控制水平(1)在萃取区域设置了控制室，其它区域分别设置就地设置操作仪表盘，实现集中控制操作或就地集中操作。(2)主要工艺参数可通过仪表盘上的指示仪，记录仪或半模拟盘进行监视报警，同时半模拟盘上显示出主要工艺路线及控制回路。(3)仪表和电器部分的控制操作分开设置。(4)控制室设有空洞、铺水磨石地面、格板吊顶和油漆墙裙。4.1.2 控制范围本设计包括了在生产装置区域内部原料、萃取等各种化工参数，包括流量、物位、温度、压力成分分析等参数的自动检测、自控和报警。4.2 仪表选型(1)变送采用电容式变送器。(2)对具有腐蚀和易结晶的工艺管路上设置的阀门，多数采用气动隔膜阀。(3)流量测量主要用电磁流量计。4.3 复杂控制系统矿粉和H2SO4比例调节。5 给、排水要求5.1 概况该矿用水来自蔷薇河，在蔷薇河东岸已有一级泵站一座，由直径500铸铁管输送至矿区净化，河水供水能力为771t/h。净化站内设有4000m3预沉池二座。目前，该矿的斜管沉淀池，竖流式沉淀池的总沉淀能力为347m3/h，无阀滤池过滤能力为370m3/h，实际使用为245m3/h。该矿区目前生产用水，来自于预沉池，生活用水来自于无阀滤池。5.2 设计范围本设计范围为装置区的室内外给排水，循环水站。本装置所需生产、消防、生活用水由厂方接管供至界区外1m，生活废水由泵送至尾砂转运泵站，雨水就近排入装置区附近。5.3 给水本装置根据生产工艺条件，分浑水(主要为消防)给水，生产给水，生活给水三个系统，供水方式分直流水、循环水，部分为二次、三次利用水。消防系统采用低压消费制，室外为地上式消火栓，室内主要厂房内设小型灭火器。5.4 循环水循环水含F为0.0114%，循环水量为500t/h，t=8，为考虑今后的发展，本设计选用200 t/h。鼓凤式冷却塔三座。5.5 排水装置区内的生产废水，经污水处理的清夜及生活用水，用管道自流入废水池，然后经泵送至2km外的尾砂转运泵站，雨水就近排近装置区附近的明沟。6 环境保护要求磷酸及重过磷酸钙生产过程排放的含氟废气中，氟主要以四氟化硅的形式存在，其次是HF、磷酸蒸汽及雾滴，四氟化硅与水接触生成氟硅酸。生产过程中排放的废水中也含有氟化物，磷酸盐；pH在1.52之间。过滤机排出的磷石膏，经浸泡或雨淋后，将有可溶性的氟化物及五氧化二磷流出，对环境产生危害。6.1 废气治理磷矿中含有大约3%的氟，在萃取反应中，呈气态逸出的氟约占磷矿含氟量的5%。在本设计中由于气量不大，故采用真空冷却流程，流程简述如下：萃取反应槽液相界面上的氟气体送入尾气吸收塔，用水吸收后放空，而萃取料浆在真空室内闪蒸时产生的含氟水蒸气则在冷凝器内被冷凝。四氟化硅即溶于冷凝液中形成稀氟硅酸溶液。不凝性气体则由真空泵排出。6.2 废水治理废水处理主要采用的是化学中和法，以石灰为中和药剂，根据本厂的实际情况所采用的污水处理工艺流程如下所述：污水经废水池经泵提升到中和槽，加石灰经一次，两次中和流入熟化槽，再进入混合槽和絮凝剂混合，进沉降槽增稠，清水进入出水池部分返回工艺系统重复使用。其余外排。沉降池底流中和渣浆，经真空过滤机过滤脱水，所得酸滤饼再利用或排放，滤液返回污水处理系统。6.3 废渣治理在制磷酸过程中主要所得废渣为磷石膏，对于废渣的处理主要是对废渣进行综合利用。例如：以磷石膏为原料，生产硫酸联产水泥，制水泥工艺流程如下：磷石膏，焦炭及其他辅助材料分别贮存并预先均化，用烘干机进行原料干燥与脱水。焦炭及其他辅助原料按要求分别粉磨，由微机控制磷石膏按一定比例配