毕业设计（论文）-年产25万吨湿法磷酸工艺设计重点设计：萃取和过滤工序.doc

贵州理工学院本科毕业设计（论文）设计（论文）题目：年产25万吨湿法磷酸工艺设计重点设计：萃取和过滤工序学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 煤磷132班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2017年 6 月 9 日贵州理工学院本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录摘 要IVAbstractV1前言11.1湿法磷酸的发展11.2设计对象21.2.1 规格21.2.2 产品品种21.3 产品的说明21.3.1 磷酸的物化性质21.3.2 磷酸的化学性质21.3.3 磷酸的应用领域和在国民经济中的作用31.3.4 磷酸的国内现状31.4 磷酸的生产原料31.4.1磷矿石31.4.2硫酸51.5磷酸的主要生产工艺51.5.1热法磷酸51.5.2湿法磷酸61.6 磷酸的过滤方法（重点工段）62工艺设计82.1工艺条件的选择82.1.1反应温度82.1.2固液比82.1.3液相SO42-的含量82.1.4 P2O5浓度82.1.5过滤过程工艺条件的选择92.1.6过滤设备的选择（重点设计阶段）92.2 建厂位置选择102.2.1矿产资源102.2.2交通便利102.2.3气象条件102.2.4地形条件112.2.5水资源112.3 工艺设计的选择论证112.3.1原料工序112.3.2 磷酸生产方法122.3.3 磷酸的分离方法122.4 二水物湿法磷酸生产流程图132.5年工作日和工作制度133 工艺计算143.1 物料恒算143.1.1 计算基础数据143.1.2数据计算153.1.3 物料汇总193.2热量平衡计算203.2.1反应热的计算203.2.2稀释热的计算233.2.3热量衡算243.3 重点设计部分的计算263.3.1 萃取工序计算263.3.2 过滤工序的物料计算293.3.3 物料平衡图313.3.4 过滤工序的热量衡算333.4 设备计算及选型343.4.1反应槽设备计算343.4.2 搅拌器343.4.3 过滤机的计算和选型354非工艺部分364.1“三废”处理364.1.1废气364.1.2废水364.1.3废渣364.2全厂经济估算374.2.1 项目总投资估算374.2.2 产品成本费用估算384.2.3 经济评价39参考文献41致 谢42III年产25万吨湿法磷酸工艺设计(重点设计：萃取和过滤工序）摘 要本设计进行年产25万吨湿法磷酸生产工艺设计，根据二水硫酸法工艺即磷矿石与硫酸反应生成磷酸和硫酸钙的原理来制取磷酸，即湿法磷酸。 本设计的主要内容有设计总论、工艺设计和非工艺设计三部分。总论部分详细介绍了产品的规格、原料选取、全厂生产路线的选择以及磷酸在国民生产中的重要性。工艺部分主要是分析湿法磷酸生产的基本原理、生产方法选择、工艺条件的确定、设备的选择、物料衡算、热量衡算和设备计算。非工艺部分主要介绍了地面水污染、大气污染和废气污染的处理情况。根据设计画出了湿法硫酸车间的生产工艺流程图 关键词：湿法磷酸，工艺设计，工艺计算。Technology Design of 250,000 Tons of Wet - process Phosphoric Acid( foucs extraction and filtration processes )Abstract The design of an annual output of 250,000 tons of wet-process phosphoric acid production process design, according to dihydrate sulfuric acid process that phosphate rock and sulfuric acid reaction to produce phosphoric acid and calcium sulfate principle to produce phosphoric acid, that is, wet phosphoric acid. The design mainly introduced uses the sulfuric acid decomposition phosphorus ore (aqueous method phosphoric acid) the system to take the phosphoric acid. The design main content has the design general remarks, the technological design and the non- technological design three parts. The general remarks partial in detail introduced the product specification, the raw material selection, the entire factory produce the route the choice as well as the phosphoric acid lives the mid-production importance in the national. The craft are partial mainly is analyzes the aqueous method phosphoric acid production the basic principle,the production method choice, the craft condition determination, the equipment choice, Material balance ，the thermal graduated arm calculates with the equipment computation. The non- craft partial mainly introduced the ground water pollution, the air pollution and the waste gas pollution processing situation. According to designed has drawn the aqueous method sulfuric acid workshop production flow chart. Key word: Aqueous method phosphoric acid, technological design, process designV 贵州理工学院本科毕业设计（论文）第 43 页1前言1.1湿法磷酸的发展湿法磷酸成批生产用于肥料及其它工业迄今已有一百多年的历史了，1870-1872年间德国首次开始成批生产磷酸，反应槽和过滤机都是用木材制成的，用间歇方式分批生产，每批约l-2吨磷酸，直到十九世纪末期这种生产方式仍没有太大的改变生产的磷酸浓度只有8.0P2O5，1890年-1915年间已开始采用间歇式的压滤机来分离磷石膏固化同时，为了解决碳酸强烈的腐蚀性，磷酸浓缩也开始用岩石或铅作设备材料，加热器也是用铅管制成的。用连续方式生产湿法磷酸是相在1915年采用道尔流程(Dorrr Process)以后，当时己开始用几只连续的稠厚器。用逆流程浸取的方式连续进行磷石膏的分离，磷酸的浓度可达22-23%P2O5 。1920年后该流程采用连续鼓式过滤机以取代最后一只稠厚器，使磷酸浓度提高到25%P2O5。1932年道尔公司在特里尔(Trai)建成磷酸工厂，在生产技术上作了两项重大的改革，不仅强化了湿法磷酸的生产而且还可以制得浓度为32P2O5的磷酸。这个生产流程当时称为“道尔浓酸流程”，在生产技术上是具有划时代的进步意义的，并为以后半个多世纪中二水物流程的发展奠定了良好的基础。与此同时道尔公司还在研究能直接制取浓磷酸的生产方法。他们开发了一个新的流程，并以拉森名义获得了一系列专利。该流程是将磷矿用硫酸分解，首先形成半水硫酸钙，料浆经过滤后再将滤渣进行水化，使半水物转化为二水物，得到的磷酸浓度为35% P2O5实际这是六十年代末期到七十年代初期开发的半水二水再结晶流程的雏型。但在当时的技术条件下要实现这样的工业生产显然是很困难的。我国湿法磷酸工业是从1953年开始的，迄今只有二十余年历史,很多的研究工作是向上海化工研究院进行的，不少省、市的科研单位以及有关院校也做了大量工作上海化工研究院采用国产磷矿研究了二水物流程的工艺过程，1963年完成中间试验以后，在南京建成年产2万吨磷酸的试验性工厂。1957年以后开始了半水物流程的研究，持续多次中间试验后于1968年结束试验阶段接着于1971年开始进行二步法半水二水再结晶流程的开发。到目前止，全国建成十多个中、小型的湿法磷酸工厂，用以生产磷酸铵及工业磷酸盐。现在随着磷肥生产的需要我国湿法磷酸正在积极发展中。11.2设计对象1.2.1 规格年产25万吨湿法磷酸工艺设计（成品磷酸：P2O5为45.00。重点设计：萃取和过滤工序）。1.2.2 产品品种最终产品为磷酸。1.3 产品的说明1.3.1 磷酸的物化性质磷酸，又名正磷酸、一缩原磷酸、缩原磷酸。分子式H3PO4 ，分子量98。纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度1.88 gcm-3 ，熔点42.4磷酸与水能以任意比互溶且易溶于乙醇；88%的磷酸长时间放在冷处，易生成结晶(熔点29.32，半水磷酸) ；当温度升到150时变为无水物，约在284时脱水并转变为焦磷酸。高于300时变为偏磷；纯磷酸含P2O5 72.4%；当正磷酸溶液加热蒸发时，可以得到一组各种链长不同的缩合磷酸混合物，通常称为过磷酸。提高加热温度或延长加热时间，磷酸的脱水作用将达到更高的程度，亦即正磷酸不断减少，缩合磷酸（如三聚磷酸、四聚磷酸、偏磷酸等）不断增加。这时，磷酸的含量已经大于100%H3PO4，所以在工业生产中，常常用P2O5含量来表示磷酸的含量，而不是用H3PO4的含量来表示。1.3.2 磷酸的化学性质磷酸为三元中强酸，具有酸的所通性，在室温下有较活泼的化学性质，在高温下还可以和金属及其氧化物发生化学反应。当磷酸加热至浆状的时候还能腐蚀石英。浓溶液能刺激皮肤、黏膜。磷酸的氧化性很弱即使在350400下和氢、碳等强还原剂作用也不能发生明显的化学反应。磷酸在水溶液中的电离分三步进行，并且电离度越来越弱：H+ + K1=0.9310-2H+ + K2=0.9910-8 H+ + K3=1.810-12磷酸溶液的PH值对磷酸和磷酸盐溶液的离子存在形式有决定性作用。当PH=2时，溶液中约有一半以一代磷酸离子存在；当PH=4.5时，才是稳定的；而则必须在强碱性溶液(PH=12.52)中才能稳定存在。21.3.3 磷酸的应用领域和在国民经济中的作用磷酸是重要的中间产品，主要用于生产化学肥料、工业磷酸盐、饲料磷酸盐及食品磷酸盐。（1）农业：磷酸是生产重要的磷肥（过磷酸钙、磷酸二氢钾等）的原料3，也是生产饲料营养剂（磷酸二氢钙）的原料。4（2）工业：磷酸是一种重要的化工原料，主要作用如下： 处理金属表面，在金属的表面生成难溶的磷酸盐薄膜，从而保护金属免受腐蚀。 和硝酸混合作为化学抛光剂，用以提高金属表面的光洁度。 生产洗涤用品、杀虫剂的原料磷酸酯。 生产含磷阻燃剂的原料。（3）食品：磷酸是食品添加剂之一。常作食品的酸味剂、酵母营养剂等。5（4）医学：磷酸可用于制取含磷药物，例如甘油磷酸钠等。1.3.4 磷酸的国内现状 我国已建立起较为完善的磷化工生产体系，从资源开采到基础原料的生产，从各种大宗磷化工产品生产，到精细的无机、有机磷化工产品的生产，已基本满足国内各行业的需求，并有大量产品出口。其中，出口量较大的有黄磷、磷酸、三聚磷酸钠、饲料和牙膏级磷酸氢钙、次磷酸钙等，在世界贸易中占重要地位。尤其是云、贵、川、江、浙的磷化工发展速度较快，已经占领大部分的国内区域磷化工市场并向国外大量出口产品。近年来，由于磷矿资源的紧张，以及磷化工生产造成的环境污染问题，使得生产成本逐步提高，环保压力提高，对行业发展造成不利影响。1.4 磷酸的生产原料1.4.1磷矿石磷块岩是几百万年甚至数亿年前含磷物质的最小颗粒在海底或湖底沉积而成的，属于水成岩，这种成矿理论称为洋流成矿理论。沉积磷块岩矿床通常比磷灰石矿床的P2O5含量高、贮量大，因此，它是磷肥生产最主要的原料来源。磷块岩中的富矿（高品位矿）或经富集处理后的精矿适合于各种传统的酸法加工；含杂质偏高的中品位以上的磷块岩可用于料浆法磷铵的生产。磷灰石矿一般由熔融的岩浆冷却结晶而成，属火成岩矿物，其中的磷呈现磷灰石结晶形式。磷灰石的主要存在形式是钙氟磷灰石，其化学式为Ca5F(PO4)3。纯的钙氟磷灰石含42.26%的P2O5、55.65%CaO和3.77%的F。但由于同晶取代作用与伴生杂质的影响，天然磷灰石往往都比纯氟磷灰石品位低，其P2O5最高含量为40.70%，F为2.8%3.4%。同晶取代是指氟磷灰石Ca5F(PO4)3晶格的一些独立离子被某些结晶化学半径相近的其他离子所取代：如Ca5F(PO4)3中的阳离子Ca2+，可部分被Ba2+、Mg2+、Sr2+、La2+、Ce2+、Pr2+、Na+等其他阳离子取代；阴离子F-和的一部分可被OH-、Cl-、O2-、和等离子取代。在同晶取代的情况下，磷灰石矿物可以用Ca10R2(PO4)6通式表示，式中R代表F-、Cl-、OH-等离子。在多数情况下，天然磷灰石中以氟磷灰石最多，其次为羟基磷灰石Ca10(OH)(PO4)6,氯磷灰石则很少。和氟磷灰石伴生的主要杂质矿物有霞石(Na,K)AlSiO4nSiO2,辉石-霓石NaFe(SiO3)2,钛磁铁矿Fe3O4FeTiO3TiO2,钛铁矿FeTiO3,榍石CaTiSiO2,长石等。6磷矿的品位一般就指磷矿中P2O5的含量，我国习惯用百分含量来表示，而国际上经常用BPL含量来表示，BPL含量就是将磷矿里的P2O5含量折算为磷酸三钙（Ca3(PO4)2）的含量来表示，一般而言磷酸三钙中的P2O5理论含量是45.76%，所以两种表示方法可按下式换算： %BPL0.4576=% P2O5随着开采的规模扩大，现在高品位的富矿已经越来越少了。目前来说对于磷矿的要求为：只要不超过杂质含量符合的规定，品位大于68%-78%BPL（31.11%-32.03% P2O5）就可以。中国现在开采的磷矿按品位的高低分为高、中、低三种品位。含量在30%以上的为高品位矿，含量在26%-30%之间的为中品位矿，含量在26%以下的为低品位矿。含量之间的划分方法并不是一成不变的，不同品位之间也没有严格的界限来区分。据分析我国的磷矿资源当中，相当大一部分是含较高有害杂质并且不容易富集的中、低品位磷矿项目 BPL%(P2O5%) CaO (Fe2O3+Al2O3) MgO 基本要求 68%-70%（31%-33%） 1.4-1.45 3% 0.5% 最低要求 68%（31%） 1.45 10% 2% 国外对商品磷矿的要求项目 优等品 一等品 合格品 五氧化二磷含量/% 34 32 30 28 24 氧化镁（MgO）/五氧化二磷（P2O5）/% 2.5 3.5 5 10 三氧化二物（R2O3）/五氧化二磷（P2O5）/% 8.5 10 12 15 二氧化碳含量/% 3 4 5 7 中国湿法磷肥用矿化工行业标准（HG/T 267395） 磷矿中有害杂志的允许含量常与品位有关。P2O5品位高的磷矿允许有较多的杂质存在。为此，规定杂质含量的绝对值意义不大.正确的方法是规定某一杂质对P2O5含量的比值（质量比），例如CaO/ P2O5、MgO/ P2O5等。71.4.2硫酸 无水硫酸为无色油状液体，10.36时结晶，通常使用的是它的各种不同浓度的水溶液，用塔式法和接触法制取。前者所得为粗制稀硫酸，质量分数一般在75%左右;后者可得质量分数98.3%的纯浓硫酸，沸点338，相对密度1.84。硫酸是一种最活泼的二元无机强酸，能和许多金属发生反应。高浓度的硫酸有强烈吸水性，可用作脱水剂，碳化木材、纸张、棉麻织物及生物皮肉等含碳水化合物的物质。与水混合时，亦会放出大量热能。其具有强烈的腐蚀性和氧化性，故需谨慎使用。是一种重要的工业原料，可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池等，也广泛应用于净化石油、金属冶炼以及染料等工业中。常用作化学试剂，在有机合成中可用作脱水剂和磺化剂。1.5磷酸的主要生产工艺现今磷酸工业生产的方法被分为热法磷酸生产和湿法磷酸生产两种。1.5.1热法磷酸 以黄磷为原料，经氧化，水化等反应而制取的磷酸称为热法磷酸。根据不同的温度下的P2O5不同的水合反应，可得到正磷酸(简称为磷酸)、焦磷酸与偏磷酸等多种，但其中最重要的是正磷酸。 与湿法磷酸不同的是，热法磷酸可以得到纯度较高的磷酸，而湿法磷酸则只能得到含有一定杂质的磷酸。热法磷酸的生产方法国内外普遍采用的均是电炉两步法，此法是将电炉还原磷矿所得的升华磷经过除尘后使磷冷却呈液态。然后将液态磷经燃烧、水化、除雾制成磷酸。 除此外还有高炉一步法、富氧空气氧化磷法、优化氧化法及水蒸气磷法等。1.5.2湿法磷酸 用硫酸、硝酸或盐酸分解磷矿制得的磷酸统称为湿法磷酸，而用硫酸分解磷矿制得的磷酸的方法是湿法磷酸生产中最基本的方法。湿法生产是利用无机酸来分解磷矿粉，从而把粗磷酸分离出来，最后经过净化之后得到磷酸产品。湿法磷酸比较经济，生产比热法磷酸成本低20%-30%，成品经合适的方法净化后，得到的磷酸纯度可以追上热法磷酸，因此湿法磷酸工艺现今居于磷酸生产的主导地置。根据其所用无机酸的不同湿法磷酸工艺可分为三种：硫酸法、硝酸法、盐酸法。8 矿石分解反应式表示如下：Ca5F(PO4)3+10HNO3 = 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF （1-1）Ca5F (PO4)3 + 10HCl = 3H3PO4 + 5CaCl2 + HF （1-2）Ca5F(PO4)3+5H2SO4+ nH2O =3H3PO4 + 5CaSO4nH2O +HF （1-3） 上述反应的相同点是都能够得到磷酸。但是，不同磷矿里的钙生成怎么样的钙盐是不一样的，每种都有自己的特点。同时在反应终止后，要考虑怎样将钙盐分离出去。相对应的，湿法磷酸的生产工艺可以分为三种：无水物法、半水法、二水法及半水-二水法。在三种工艺里，二水法因为技术成熟、工艺简单、对矿石的适应能力强、操作稳定可靠、特别适用于中低品位矿石等特点，在湿法磷酸工艺中处于主导地位。据统计我国80%以上的磷酸生产都采用湿法磷酸二水法流程来进行生产。91.6 磷酸的过滤方法（重点工段） 湿法磷酸生产中产生的磷石膏的过滤是把反应过程得到的磷酸料浆送至过滤机上，采用真空过滤的方式，使其连续不断的通过滤布最终实现磷酸与磷石膏分离。得到的磷石膏滤饼，用逆流洗涤法把吸附在磷石膏表面上的绝大部分磷酸溶液充分清除并予以回收。 过滤所得的石膏滤饼经洗涤后卸入螺旋输送机并经过皮带送至磷石膏厂内堆放。滤饼用三次逆流洗涤流程，冲洗过滤机滤盘的污水送至污水封闭循环系统。各次过滤洗液集中于气液分离器的相应格内，经过气液分离后，洗液也进入相应滤洗液中间槽的洗液格内。滤液磷酸经滤液泵，一部分送到磷酸中间储槽储存另一部分返回一洗格内。一洗液由一洗液泵全部送到酸解槽。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进入滤洗液中间槽三洗液格内。水循环真空泵的压出气则送至过滤机作反吹石膏渣卸料用。过滤工序所需真空由水环式真空泵产生。2工艺设计2.1工艺条件的选择 磷矿和硫酸的反应过程是二水硫酸钙的结晶过程，工艺要并尽可能生产浓的磷酸。要提高石膏结晶质量从而P2O5回收率，可通过反应温度、液相SO42-的含量、P2O5浓度等等。2.1.1反应温度 生产过程中去控制和选择反应温度是十分重要的。随着反应温度的提高，会导致反应速率加快，分解效率提高，液相粘度降低。于此同时又因为溶液里面的硫酸钙溶解度会随着温度的升高而增加，还会相对应地降低过饱和度，以上的这些都对形成粗大的晶体和提高过滤强度起促进作用。杂质溶解度也会随着温度的升高而相应的增大，这一定影响产品质量。反应过程中的温度控制指标为7080（一般使用二水物工艺）。2.1.2固液比 生产过程中反应料浆里面固体物的浓度就是料浆的液固比（即料浆之中液相和固相的重量比值）。如果料浆里面的固相含量比较高，固相含量则会导致料浆的粘度增高，将会不利于磷矿的分解和晶体的成长。把液相含量提高会改善操作的条件，可是液固比太大则会大大降低设备的生产能力。本次设计的固液比为2:1。2.1.3液相SO42-的含量在生产中，由于使用磷矿品位与杂质含量不同，所以要控制的SO42-浓度范围也有差异，有时差异还很大.因此，最佳SO42-浓度范围应通过试验确定.但一般规律是磷矿的杂质含量越高，相应的SO42-浓度范围也越高我国的磷矿品位SO42-浓度范围一般控制在0.035-0.055gml. 102.1.4 P2O5浓度 硫酸钙晶体的形成要求反应料浆里面的P2O5浓度要十分稳定，才能保证在磷酸介质里面慢慢的形成晶核并逐渐的长成晶体。同时还可以保证硫酸钙溶解度变化不大和相应的过饱和度保持稳定。一般在二水法流程工艺里，当操作温度在7080范围里时，料浆里面的P2O5浓度一般为2530%，含有杂质比较多的磷矿料浆里P2O5浓度一般为2225%。反应中要想控制反应料浆中的磷酸浓度，就要控制进入系统中的水量。2.1.5过滤过程工艺条件的选择（1）适当提高过滤真空度（一般以5360kPa为好）。（2）选择适宜的滤饼厚度（一般为3040mm）。（3）调节好洗涤分布器的位置。（4）提高洗涤率（本设计取98%）。 （5）控制适当的反应温度（一般选取7080，本设计取80）（6）控制适当的洗涤水温度（本设计控制在60）（7）选取适合的石膏温度（本设计的三洗石膏温度为50）（8）选取适合的成品酸和返回稀磷酸温度（成品酸为75，返回稀磷酸温度为70）（9）提高过滤速率（一般利用100mg/kg以下的添加剂）。（10）选择适合的滤布（多为国产涤纶734型滤布）。（11）降低P2O5的损失（本设计损失率取4%）。2.1.6过滤设备的选择（重点设计阶段）萃取槽 反应槽是湿法磷酸生产的主体设备，随着生产规模的扩大，反应器已从过去的多台串联的多槽系统，倾向于单一分解槽的单槽系统，但磷酸反应器工艺仍采用多种不同的设计。 现在常用的反应槽有多浆同心圆单槽，方格多浆单槽，单桨单槽及等温反应器等。单槽多浆反应器的回浆量很大、可以避免出现硫酸根含量过高或过低的区域，有利于形成过滤、洗涤性能良好的石膏结晶；反应器中设有冷却装置、以导出分解反应多余的热量；反应器的顶盖上设有排气孔，可以将分解反应释放出的含氟气体抽入净化系统。单桨单槽反应器，矿粉是从中央喂料管中加入，落入搅拌浆附近的位置，硫酸加到表面搅拌器上设置的硫酸分布盘上，利用搅拌桨旋转时的离心力分散到周围的料将表面。故本次设计采用多浆同心圆单槽反应器。过滤机 湿法磷酸生产中，常用的过滤机有转台式过滤机、盘式过滤机和带式过滤机三种，前两种使用最多。转台式过滤机的优点：采用螺旋卸料机卸料，不用翻盘，没有残留酸排除，机械损失少。不用反复排渣，能耗小；斜度大，滤液流速快，生产能力大；过滤面积省；效率高，生产成本低等。翻盘式过滤机的优点有：连续能完成加料、过滤、滤饼洗涤、翻盘排渣、滤布冲洗、吸干、复位等操作；真空吸滤的方向与重力沉降方向一致；结构合理；对性质不同的料浆、可根据要求调整最佳转速，使生产能力最大。因此本次设计采用转台式过滤机过滤机。2.2 建厂位置选择 根据地形条件、水电资源、交通运输、气象条件等因素的综合考虑，决定把磷酸厂建在贵州省开阳县后坝。理由如下：2.2.1矿产资源 贵州是全国富磷矿居第一的省区，“下磷矿”品位高，级品占全国的43%，是国内不经过选矿即可生产高浓度磷复合肥的矿石，我县是贵州富磷矿(P2O5含量大于30%)最集中的产区。县内磷矿具有资源丰富，分布广泛又相对集中、矿石质优、地勘程度高等突出优势。至2004年，全县累计探明的磷矿资源储量达4.4亿吨，主要资源储量产地24处，经多年开采消耗与核实，保有资源储量仍达2.88亿吨，占全省总量的12.5%，其中富磷矿高达2.39亿吨，占全国富磷总量的28.5%。2.2.2交通便利 开阳县位于贵州省中部偏北，隶属贵阳市，全县南北长64.5km，东西宽53km，面积2020.2km2。地理坐标：东经1064510717；北纬26462722。东与瓮安县、福泉县接壤，南与龙里县、贵阳市乌当区毗邻，西与修文县、息烽县相连，北与遵义县隔乌江相望，处在黔中经济圈与黔北经济带之间，具有良好的区位优势。 县城南距贵州省省会贵阳市中心86km，北距历史名城遵义市116km。县境内的金中镇有铁路西行30.6km至小寨坝火车站与川黔铁路接轨，南达贵阳88km、北至遵义67km。有省级干线公路两条(S103-S302)及县级公路8条，公路总里程2037km，与贵阳、遵义、修文、息烽、瓮安、福泉、龙里、乌当等市、县、区相通；开(阳)久(长)三级公路连接贵遵高等级公路，是开阳县对外联系的主干路线；县内村村通公路，全县公路网基本形成，交通便利。2.2.3气象条件 开阳县县域属亚热带季风湿润气候，气候温凉，四季分明，冬无严寒，夏无酷暑。年平均气温10.615.3，最热月(7月)平均22.3，极端最高35.4，极端最低-10.1，年平均无霜期270天，年平均日照数1241.2h。最大年降雨量1419.51mm，最少年降雨量720.4mm，最大日降雨量171.4mm，年平均降雨量1305.7mm，集中于下半年，年平均降雨日数192天。年平均风速2.5m/s，常年以北东东风向为多，风向频率12%。主要灾害性天气有暴雨、伏旱、凝冻、冰雹等，其出现的频率均较高。2.2.4地形条件 开阳县在大地构造单元上属扬子准地台之上的黔中隆起东南部，出露地层有新元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、上白垩统及不同成因的第四系。地貌属黔中丘原盆地分区，处于云贵高原贵州斜坡的第二阶梯上，地形西南高，东北低，大部分地区海拔标高9001400m之间，最高处为双流镇的狼鸡岭，高达1702m，最低点系龙水乡的小河口，海拔标高为506.5m，相对高差近1200m。地貌类型复杂多样，地势起伏较大，山地、丘陵、盆地、河谷阶地交错分布，总面积中，山地占92.7%，丘陵占4.9%、盆地和谷地占2.4%。2.2.5水资源 开阳县境内河流均属长江水系的乌江流域区，有大小河流60余条，主要河流有乌江干流及其支流清水江、鱼梁河、谷撒河、洋水河、那卡河等。水利资源比较丰富，地表水年平均径流量6.87亿m3，地下水年平均径流量3.26亿m3，全县水能理论蕴藏53万kw，河流切割深，落差大，造价低，开发利用条件好，可开发量21万kw。建厂位置图如下：2.3 工艺设计的选择论证2.3.1原料工序 开阳磷矿品位一般为中低品位，在磷酸的实际生产之中，对系统平衡起决定性因素的是磷矿品位，生产过程里控制生产的磷酸浓度为定值时，磷矿品位越低，那么相对应的加入过滤系统的洗涤水量应该越少，并且废渣的洗涤程度也会受到一些影响。所以在生产中应该尽可能选择矿富集，以此来提高磷矿石的品位。选矿工艺一般使用常规的浮选法就可获得质量较好和成本较低的精矿。现今我国磷矿和磷矿资源所提供的绝大部分都是磷块岩，其中含有很多的白云石和一些硅质磷矿物，所以富集会比较困难。因此对于这种磷矿一般采用反浮选法，即工艺上一般先浮选碳酸盐矿物，然后再浮选磷酸盐矿物，当然也可根据实际和当地特色来进行选择。2.3.2 磷酸生产方法 根据前言部分的磷酸生产方法可知湿法磷酸工艺按可以分为硝酸法、盐酸法、硫酸法三种。硝酸法在工业上极少应用，因为有价格高、硝酸能耗高、流程长等缺点；盐酸法副产物氯化钙不仅不容易经济的进行回收、而且回收工艺十分复杂，因此工艺上也极少应用；硫酸法的最大特点是产物之间采用最简单的液固分离，具有前两种不可比较的优势。因此，综上考虑本次设计选用硫酸法。 湿法磷酸工艺流程有二水法、半水法、半水-二水法、二水-半水法和无水法五种，上述五种方法除了无水法之外其余几种的都是比较成熟的生产工艺，在磷收率、物耗、能耗、磷矿适应性、磷石膏活性等方面各有其优缺点9 。几种方法里面只有二水法工艺拥有矿种适应能力强，流程方便操作等特点；从现今存在的装置运行稳定程度和可靠性方面而言，二水法工艺是最优越的，它的作业率最高；就工业生产的操作弹性而言，二水物的结晶范围较其他方法比较大，所以二水法操作条件的波动对整个生产装置运行效果的影响比较小。因此鉴于上述二水法的这些优点，本次设计我选用二水法来进行磷酸生产。2.3.3 磷酸的分离方法 湿法磷酸生产里面产生的磷石膏进行分离，就是把从反应过程里面得到的磷酸料浆输送到过滤机上，然后利用真空过滤的办法，使磷酸料浆连续不停的通过滤布使得磷酸与磷石膏得到分离。过滤后得到的磷石膏滤饼，利用逆流洗涤法可以进行磷酸溶液回收。 过滤过程所得的石膏滤饼在经过了洗涤之后，把滤饼卸入螺旋输送机之后通过皮带输送到磷石膏厂里面进行堆放。滤饼用了三次逆流洗涤，每一次过滤洗液都集中在气液分离器的相对应格里面，在经过了气液分离后，过滤洗液也相对应的进入滤洗液中间槽的洗液格里面。滤液磷酸通过滤液泵，一部分送到了磷酸中间储槽进行储存，另外一部分就返回到一洗格内。一洗液通过一洗液泵全部都送到了酸解槽，二洗液和三洗液也分别通过二洗液泵和三洗液泵后返回到过滤机逆流洗涤滤饼里面。过程产生的吸干液通过气液分离器进入到了滤洗液中间槽三洗液格里面。2.4 二水物湿法磷酸生产流程图 二水湿法磷酸生产包括酸解（磷矿分解反应）与过滤（磷酸与磷石膏的分离）两个主要工序，其工艺流程见下图。2.5年工作日和工作制度 一般化工厂里湿法磷酸工业生产的装置运行率一般为80%90%,剩下的时间一般用来清洗和维修。除垢是装置清洗的最重要的一个部分，其中管线和泵，过滤系统和浓缩系统则需要经常清洗。年工作日为定为每年300天，24h连续进行。全年按365天计算，可进行一次20天的大修，5次每次5天的中修和10次每次2天的小修。工作制度可以按照按三班倒实行，即0：008：00；8：0016:00；16:000:00依次循环工作。3 工艺计算3.1 物料恒算3.1.1 计算基础数据（1） 磷矿组成成分表组分 P2O5 CaO Fe2O3 Al2O3 MgO CO2 SO3 SiO2 Na2O K2O F 其他 % 28.01 47.76 1.731.96 1.62 3.90 1.81 8.95 0.23 0.22 2.70 1.11 （2）硫酸浓度是95%，是理论用量的106%（3）料浆液固比是2:1（4）磷矿中P2O5转化率为98%（5）滤饼含液量：名称过滤滤饼一洗滤饼二洗滤饼三洗滤饼含液量/%45352720（6）过滤工艺里面P2O5的回收率为96%，成品磷酸主要组成P2O5的含量为25%（7）水分蒸发率取20（水分蒸发量以100kg磷矿计）（8）第一次洗涤率取98（9）第二次洗涤之后滤饼里面水溶性P2O5残留率为0.35，第三次洗涤之后滤饼里面水溶性P2O5残留率为0.2。残留率R=（10）磷矿里面次要组分在反应过程中的分配表组分 CO2 F Fe2O3 Al2O3 MgO Na2O SiO2 K2O 其他 酸液% 7091829820101368石膏%13918280868732气相%100170000400（11）产品纯度要求成品磷酸里P2O5 浓度为45%（12）机械损失取4%3.1.2数据计算按照上面的这些已知条件，计算物料衡算如下(以100kg磷矿来计算)：（1）硫酸用量根据化学反应式：CaO + H2SO4 CaSO4 + H2O56 98 1000.4776 m得到硫酸用量：把磷矿里面的SO3折算为2SO4量： 因此：（2）逸出气体量根据分配表可知排出气体里面含有CO2、HF、SiF4和H2O。各组分的量分别为：CO2： SiF4： HF：又因为水分蒸发率为20，水分蒸发量以100kg磷矿计 所以： （3）磷石膏值 CaO CaSO42H2O 56 172 1000.4776 m 根据次要组分分配表得到不溶性酸的含量：m=0.15570.35287.69700.18400.03240.19140.35100.3552=9.3195kg (式子98%是转化率，98%是洗涤效率) （4）生成反应料浆量 料浆的液固比为2:1，即液相：固相=2:1 （5）成品磷酸量 （6）机械损失 （7）过滤后滤饼含液量 滤饼含液量（以干磷石膏为基准）为45% 过滤后滤饼含液量为：（8）一次洗涤后滤饼含液量 一次洗涤后滤饼含液量（以干磷石膏为基准）为35% （9）二次洗涤后滤饼含液量 二次洗涤后滤饼含液量（以干磷石膏为基准）为27% （10）三次洗涤后滤饼含液量 三次洗涤后滤饼含液量（以干磷石膏为基准）为20% （11）回入系统的滤液量 （指返回到萃取槽的滤液量=料浆中的液相量-成品酸-滤饼中含液量） （12）洗涤用水量磷石膏洗涤用水磷矿 系统硫酸逸出气体成品酸 对系统作物料衡算：已知： 其中： = = =190.784kg+ 因为： 则： =（13）淡磷酸量稀磷酸硫酸生成循环料浆逸出气体磷矿反应槽 对萃取槽作物料衡算：已知：其中：= =所以：= =校正：= =返回系统稀磷酸中含有的P2O5: = =P2O5浓度：3.1.3 物料汇总输入输出名称及规格物料量（kg）%名称及规格物料量（kg）%磷矿粉（28.01%P2O5）100.00030.86成品磷酸（25%P2O5）103.29931.89硫酸（95%H2SO4） 90.78428.02逸出的气体24.5277.57洗涤用水133.17641.12机械损失1.1200.35三洗石膏195.01460.19总计323.960100.00总计323.960100.00设计要求年操作日取300天，每天24小时连续运行，则装置每小时成品磷酸产量为：由于以 100kg 磷矿为基准可得成品磷酸103.299kg，所以换算为上列物料时的系数为：将物料平衡汇总表中的各量均乘以系数336.133，得到物料流量平衡列于下表所示。总物料平衡汇总表输入输出名称及规格流量（kg/h）%名称及规格流量（kg/h）%磷矿粉（28.01%P2O5）33613.3030.87成品磷酸（25%P2O5）34722.2031.89硫酸（95%H2SO4） 30515.5028.02逸出的气体8244.337.57洗涤用水44764.8541.11机械损失376.470.35三洗石膏65550.6560.19总计108893.65100.00总计108893.65100.003.2热量平衡计算热量衡算是基于上面的物料衡算来进行