毕业设计（论文）-年产10万吨磷酸设计.docx

本 科 生 毕 业 论 文（设计）学 院 化学与环境学院 专 业 化学工程与工艺 届 别 2017届 题 目 年产10万吨磷酸设计 学生姓名 学 号 指导教师 教 务 处 制目录第一章前言11.1磷酸的简介和发展历程11.1.1磷酸的简介11.1.2磷酸的发展历程11.2磷酸的生产原料和方法21.2.1磷酸的生产原料21.2.2磷酸的生产方法21.3湿法磷酸工艺21.3.1硝酸法31.3.2盐酸法31.3.3硫酸法31.4硫酸法湿法磷酸生产工艺31.4.1湿法磷酸生产工艺31.4.2湿法磷酸反应条件的选择51.4.3反应料浆过滤61.4.4磷酸的浓缩6第二章 工艺设计72.1设计任务和产品概况72.2产品方案72.2.1产品方案和建设规模72.2.2生产方法和主要技术方案72.3湿法磷酸工艺流程7第三章 工艺过程的衡算及设备选型93.1物料平衡计算93.1.1物料衡算的作用93.1.2收集数据93.1.3物料衡算103.1.4物料平衡图163.2热量平衡计算173.3主要的设备选型与计算223.3.1湿法磷酸生产中的设备介绍及选材223.3.2过滤机的选型233.3.3萃取槽的选型253.3.4水环式真空泵26第四章三废治理与综合利用274.1废气治理274.2废水治理274.3 废渣治理284.4设计小结28致谢29参考文献30附图31年产10万吨磷酸工艺设计杜永平2013级化学工程与工艺班摘 要：本设计进行年产10万吨湿法磷酸工艺设计。采工艺采用用二水法工艺流程，此方法工艺简单、技术成熟、对矿石种类适应性强的特点。磷矿浆和硫酸反应在经过萃取、过滤、净化和洗涤等一系列操作后得到磷酸。并根据这一过程对整个工艺过程进行计算。以1000kg磷矿对生产过程进行物料衡算、热量衡算。由热量衡算数据来选取所需的反应设备并画出磷酸生产的工艺流程图。最后进行三废治理。关键词：湿法磷酸；二水法；三废治理Annual production of 100,000 tons of phosphoric acid process designDu Yongping2013 Chemical Engineering and Technology ClassAbstract: The design of an annual output of 100,000 tons of wet phosphoric acid process design. Mining process using dihydrate process, this method is simple, mature technology, the adaptability of the characteristics of the type of ore. Phosphate pulp and sulfuric acid reaction in the extraction, filtration, purification and washing a series of operations to get phosphoric acid. And according to this process to calculate the entire process. To 1000kg of phosphate rock on the production process of material accounting, heat accounting. By the heat balance data to select the required reaction equipment and draw the phosphoric acid production process flow chart. Finally, waste management.Key words: Wet phosphoric acid; dihydrate method; waste treatment第一章前言1.1磷酸的简介和发展历程 1.1.1磷酸的简介 (1)磷酸性质磷酸（H3PO4），其相对分子质量为98。它是一种无色透明的液体，可与水任意比互于水并放热，加热后失水得到焦磷酸，持续加热再进一步失水得到偏磷酸。磷酸具有腐蚀性，在空气中易潮解，应密封保存。磷酸在制药、食品、肥料、化学试剂有广泛应用。(2)磷酸对人的危害磷酸蒸气能引起呼吸道黏膜萎缩；对皮肤有很强的刺激性、腐蚀性；能造成全身中毒现象。(3)磷酸的主要用途农业:磷酸是磷肥的重要生产原料，也是生产动物性饲料磷酸二氢钙的原料。工业:磷酸是一种十分重要的化工原料: 处理金属表面，使金属免受腐蚀。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。食品:磷酸及其部分盐类是食品添加剂之一，可作为营养增强剂。医学:磷酸可用于制取含磷药物，例如甘油磷酸钠等。 1.1.2磷酸的发展历程1870-1872年间德国首先开始成批生产磷酸，采用间歇方式分批生产，每次产量1-2 吨，磷酸浓度为8.0P2O5；1890 -1915年间采用间歇式的压滤机来分离反应产生的磷石膏，浓缩磷酸的设备也由岩石或铅替代了木材设备，使用铅管制成的加热器；1915年采用道尔流程连续性湿法磷酸。磷石膏的分离采用逆流浸取的方式进行， 22-23% P2O5的磷酸浓度；1932年道尔公司在特里尔建成磷酸工厂，在生产技术进行重大改革，首先提高了成品磷酸浓度，制得浓度为32P2O5的磷酸。开发了“道尔浓酸流程”，此技术为此后的半个多世纪中二水物流程的发展奠定了良好的基础。其次道尔公司还在研究能直接制取浓磷酸的生产方法；四十年代特别是第二改世界大战以后,世界湿法磷酸的生产技术获得了明显的进展,它的特征表现在: (1)新的生产流程逐步取代了此前的道尔流程。(2)产设备上不断推陈出新，提高了生产强度。(3)加强了理论研究。1953年我国湿法磷酸才刚刚起步。 1963年中间试验完成后，在南京建成年产2万吨磷酸的试验性工厂。到目前止，全国建成许多湿法磷酸工厂，用以生产磷酸铵及工业磷酸盐。1.2磷酸的生产原料和方法1.2.1磷酸的生产原料 (1)磷矿石 磷矿的形态主要为细晶磷灰石矿物（含caco3的氟磷灰石）。用于磷酸生产的磷矿大多数属于水成岩， 世界各地磷矿蕴藏丰富。世界全部磷矿储藏估计超过500亿吨。我国磷矿资源比较丰富，已探明的资源储量居世界第3位仅次于摩洛哥和美国。我国主要磷矿资源储藏地区云南、贵州、四川、湖北和湖南较为丰富，储量达98.6亿吨，占全国总储量的74.5%。其开采方式分为地下开采和露天开采两大类。地下开采约占开采总量的60%，其余大多为露天开采。 (2)硫黄 用湿法生产每吨P2O5的磷酸，需要硫酸的量相当于1吨硫黄。硫酸的来源和价格都是湿法磷酸生产中非常重要的因素。硫酸的来源一般有两个:第一，开采元素硫矿并建造一个硫酸与磷酸联合生产工厂。第二是热电厂烟道气中的二氧化硫。1.2.2磷酸的生产方法磷酸的生产方法有两种:热法和湿法生产。热法磷酸的生产是由黄磷燃烧成P2O5，然后溶于水制得。湿法生产磷酸是用硫酸(或盐酸、硝酸等)分解磷矿石然后净化制得。本文着重介绍研究湿法磷酸的生产，热法磷酸生产大致包括下列四种，介绍如下:湿法磷酸投入较少、设备简单、便于操作，技术生产工艺流程都较为完善。其中二水物流程优点突出，生产量占全世界湿法磷酸的产量的80%。热法磷酸杂质含量低，浓度高。但由于原料供给以及经济性不佳等原因，其市场占有率较低。1.3湿法磷酸工艺湿法生产是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸分解磷矿粉，得到粗磷酸，再经过净化处理后得到浓度较高的磷酸产品。湿法磷酸比热法磷酸成本低20%-30%。目前，湿法磷酸工艺仍处于磷酸工业的领军地位。 湿法磷酸生产工艺按用无机酸的种类分为硫酸法、硝酸法、盐酸法等1。矿石分解反应方程式表示如下 : Ca5F(PO4)3 + 10HNO3 = 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF Ca5F(PO4)3 + 10HCl = 3H3PO4 + 5CaC12 + HF Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 +nH2O = 3H3PO4 + 5CaSO4nH2O +HF 1.3.1硝酸法 硝酸法磷酸的路线有两种工艺:1、将溶液冷冻结晶，分离出其中95%的硝酸钙，剩余钙以硫酸钙形式除去。反应剩余硝酸以硝酸钡的沉淀形式除去，硝酸钡采用氮和二氧化碳处理。2、用硫酸处理上述方法中部分分离了硝酸钙的磷酸溶液，使其形成硫酸钙沉淀除去，再用真空蒸发回收磷酸，蒸发过程可将磷酸浓缩至60%-65% P2O5，回收的硝酸可循环用于分解磷矿。 1.3.2盐酸法盐酸法磷酸的生产工艺:酸的分解不溶性残渣的分离液液溶剂萃取蒸发浓缩蒸馏回收溶剂五个部分组成。制成的酸可以浓缩到相当高的浓度或制成过磷酸。成品磷酸的纯度比硫酸法高，可直接用于对纯熟要求较高的场合。盐酸分解后的物料易于输送和处理。但是，盐酸法磷酸工艺氯化钙分离困难，工艺复杂，不易大规模生产，氯化钙不易分离也是盐酸法磷酸未得以大规模工业化的原因2。 1.3.3硫酸法 “湿法磷酸”即为硫酸法湿法磷酸，硫酸法采用磷灰石与硫酸反应生成磷酸和硫酸钙。硫酸钙在溶液中溶解度很小，可用简单的液-固相分离的单元操作来实现。正是由于这一特点，在硫酸法的生产工艺过程中，反应机理、工艺控制条件以及生产设备选型等都与其他方法有很大不同。硫酸法需要消耗大量的磷酸，每生产1吨磷酸需要消耗硫酸1.35吨并产生5吨的磷石膏。磷酸生产的同时产生大量的磷石膏，因此磷石膏的开发利用是每一个磷酸生产厂家急需解决的难题3。 1.4硫酸法湿法磷酸生产工艺1.4.1湿法磷酸生产工艺 总反应方程式: Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + nH2O = 3H3PO4 + 5CaSO4nH2O + HF 反应式中n的值表示硫酸钙结晶的形式（取值为0、0.5、2）。当n=0,可能生成无水硫酸钙(CaSO4)；当n=0.5, 可能生成半水硫酸钙(CaSO40.5H2O)；当n=2，可能生成二水硫酸钙(CaSO42H2O)所以，湿法磷酸的生产工艺可分为无水物法、半水法、二水法及半水一二水法等。其中，二水法在湿法磷酸中运用较多。但是，二水法流程由于加工工艺粗放，矿石中的有害杂质大部分进入磷酸中，并且产生大量磷石膏，资源浪费严重。因此，现行的工艺过程进行了改进，分两步进行反应。 第一步:采用磷酸浸取磷矿石。磷酸与磷矿的主要反应方程式如下: Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5H2O 5Ca(H2PO4)2H2O + HF 第二步:选择适宜的结晶条件，降低磷石膏中磷含量，提高磷回收率，使磷石膏满足建筑材料生产的要求，从源头上解决磷石膏开发利用困难的问题。硫酸的离子化反应可瞬时完成: Ca(H2PO4)2H2O+ H2SO4 +(n-1)H2O CaSO4nH2O+2H3PO4 这种分步反应的思想方法符合绿色化学的基本原理和可持续发展战略的要求4。 磷矿石制取磷酸的流程:磷矿、硫酸和返回的磷酸被一同送入酸解反应器。磷矿酸解的主要反应如下，aq表示溶液: Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + nH3PO4 + aq(n+3)H3PO4 + 5CaSO4mH2O + HF + aq 反应式中，n为磷酸所占份额，若n=0，则为硫酸与磷矿作用的总反应式；m为硫酸钙所含结晶水的量，根据磷酸的浓度和温度不同，在反应中硫酸钙存在三种形式，即无水化合物CaSO4(硬石F膏)，半水物CaSO40.5H2O(半水石膏)，二水物CaSO42H2O(二水石膏)。 在硫酸混酸分解磷矿的化学反应机理上，可以认为反应分两步进行，磷矿先被磷酸分解，生产磷酸一钙，然后磷酸一钙再与硫酸反应生成磷酸，反应过程如下。Ca5(PO4)3F + 7H3PO4+aq5Ca(H2PO4)2+ HF + 5Ca(H2PO4)2+ 5H2SO4+aq5Ca(H2PO4)2+ HF + 5Ca(H2PO4)2+ 5H2SO4+aq10H3PO4+5CaSO4mH2O + aq反应中生产的氢氟酸HF与磷矿中带入的SiO2生成氟硅酸。 6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O氟硅酸的气相分压将随磷酸浓度和温度的升高而增大，可能分解成四氟化硅气体逸出。 H2SiF6 = SiF4+2HF 少量的H2SiF6将与SiO2反应生产SiF4 , 使氟硅酸的分解加剧。2H2SiF6+SiO2 = 3SiF4+2H2O 溢出的四氟化硅气体与水蒸气作用 ，可能在设备的壁上或管路析出硅胶沉淀 3SiF4+(n+2)H2O = 2H2SiF6 + SiO2nH2O 磷矿中的铁、铝、钠、钾等杂质有多种存在形式，它们将同时与磷酸发生反应（当磷酸浓度为37%(P2O5)以下时），反应表示如下:(Fe,Al)2O3+2H3PO4 = 2(Fe,Al)PO4nH2O +(3-n)H2O溶液中的氟硅酸将与钾钠盐发生反应。 (Na,K)2O+ H2SiF6 = (Na,K)2SiF6 + H2O 镁主要以碳酸盐如白云石的形式存在，它们与磷酸反应较快，产物进入溶液，其反应可表示如下。2CaMg(CO3)+3H2SO4+2H3PO4=2CaSO4mH2O+MgSO4+Mg(H2PO4)2+(4-2m)H2O +4CO2 MgCO3 + 2H3PO4 = Mg(H2PO4)2 + H2O + CO2这些反应均为放热反应，二水法流程必须通过空气冷却或真空冷却除去多余热量。 1.4.2湿法磷酸为获得易于过滤和洗涤的石膏结晶，提高P2O5回收率，生产尽可能浓的磷酸，影响石膏结晶质量的主要因素有反应温度、含固量、液相SO3浓度、P2O5浓度。 磷酸浓度及温度的确定首先必须保证二水石膏结晶的稳定存在。从理论上讲，80时，在纯磷酸溶液中石膏能稳定存在的磷酸浓度极限为33% P2O5。实际生产中，由于过量P2O5的存在，80时磷酸浓度不可能达到33% P2O5，一般低于30% P2O5。1.4.3反应料浆过滤 利用盘式过滤机分离反应料浆中液-固相，过滤后得到过滤酸和石膏滤饼，石膏滤饼经过洗涤充分回收滤饼中残余的P2O5。过滤排放出来的石膏滤饼中含有少量的水溶性P2O5和不溶性的P2O5，俗称磷石膏(分子式:CaSO42H2O)。 1.4.4磷酸的浓缩 (1)浓缩方法浓磷酸浓缩采用强制循环真空蒸发工艺，即在65-70KPa 真空条件下，采用酸加热器将磷酸加热至75-80，在蒸发室内蒸发水份，得到浓缩的磷酸。磷酸在蒸发过程中，氟硅酸受热分解，产生含氟气体，生成的含氟气体与蒸发出来的水蒸汽一起进入下道(氟回收工序)。(2)浓缩条件的选择 浓缩控制主要工艺指标：磷酸浓度；磷酸浓度要求达到44-46%P2O5；温度：温度为75-80；蒸发室真空度：蒸发室真空度65-70KPa；低压蒸汽压力和温度:低压蒸汽压力为0.13-0.20MPa，温度为135-140。第二章 工艺设计2.1设计任务和产品概况 本设计的任务年产10万吨 P2O5湿法磷酸，并进行工艺参数、湿法磷酸车间装置的计算和设计。2.2产品方案2.2.1产品方案和建设规模 (1)产品名称:磷酸 副产品: 磷石膏 (2)设计规模:年产磷酸10万吨吨(P2O5) (3)产品规格:成品磷酸中含32% P2O5 2.2.2生产方法和主要技术方案 萃取磷酸的生产有无水物法、半水法、二水法及半水-二水法等多种流程，其中，二水法由于技术成熟、操作稳定可靠、对矿石的适应性强等优点，在湿法磷酸工艺中运用较为广泛。目前，我国80%以上的磷酸都采用湿法磷酸二水法流程生产。本设计的萃取磷酸的生产采用传统的二水物流程。 2.3湿法磷酸工艺流程 (1)原料工段 本工段的主要任务是对汽车运输的磷矿石、硅藻土进行贮存，并通过机械运输设备将磷矿石与硅藻土按一定的配比计量混合后加入萃取槽。 (2)磷酸工段 磷酸生产工艺流程简图磷矿石经鄂式破粹机粗破碎、滚筒筛筛分后(图1)，块矿经圆锥式破粹机细破碎后进人球磨机研磨，后经滚筒筛振动筛进行二级筛分，筛分下的粉矿直接送球磨机研磨成矿浆，筛分出的细矿石颗粒返回至球磨机重新研磨，筛分后的矿浆计量后进入预反应槽，与来自磷酸澄清池的沉积淤酸、过滤的洗液反应，得到的磷酸一钙由浆泵送人萃取槽，硫酸经计量后进入萃取槽，磷酸一钙与硫酸反应得到的磷酸和磷石膏混合料浆由料浆泵送至盘式过滤机过滤。过滤所得的磷石膏滤饼经二次水流洗涤后卸人石膏堆场，过滤所得滤液送入磷酸澄清池澄清，澄清液作为成品磷酸送入磷酸贮槽，沉积淤酸与洗涤所得的洗液作为淡磷酸送至预反应槽。 第三章 工艺过程的衡算及设备选型3.1物料平衡计算 3.1.1物料衡算的作用作用:为设备工艺计算、辅助设备及公用工程设计计算、热量衡算、生产成本核算等提供依据。在确定生产装置及工艺参数的确定和生产线数量中起着十分重要的作用。是指导生产过程的重要依据。 3.1.2收集数据 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 :31.59%、F:4.12%、CaO:45.78%、Fe2O3:1.46%、Al2O3:1.63%、Al:2.27%、CO2:2.56%、SiO2:2.17%、MgO:0.5%(2)硫酸用量:为理论用量的106%(3)硫酸浓度:含H2SO4 92.8%(4)转化率:98.25%(5)洗涤效率:96.9%(6)料浆液固比:2.5(7)成品稀磷酸浓度:含P2O5 32%(8)氟逸出率(%):半水法:45；二水法:1.42。(9)机械损失(P2O5):2.9 %(10)水份蒸发量(以1000kg磷矿为基准):18.65kg；则冷却器中的蒸发水量占80%（真空冷却）。(11)滤饼含液量(以干磷石膏为准):过滤后滤饼:62.8 %；一次洗涤后滤饼:43.25 %； 二次洗涤后滤饼:24.88 %(12)洗液浓度(P2O5)%:一次洗液:20；二次洗液:5.89(13)返回淡磷酸的温度:63(14)萃取槽出料浆的温度:77(15)萃取槽排出废气的温度:56(16)料浆循环比:72(17)磷灰石分解率: 97.7%(18)萃取槽排出废气的相对湿度:0.93(19)料浆在萃取槽中的停留时间:5 h(20)料浆的密度:1470 kg/m3(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: 5000-6000Pa（废气温度为60），1300-2800Pa（废气温度为55）。(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:27；(26)过滤常数:qe=0.935m3/m2；K过滤=5.25；K一洗=3.42；(27)洗液粘度:一洗=1.5710-3Pas；二洗=1.1610-3Pas；(28)密度:成品磷酸1260kg/m3；一洗液1210kg/m3；二洗液1060kg/m33.1.3物料衡算 按照上述已知条件，以1000kg磷矿来计算物料衡算如下:(1)硫酸用量根据化学反应式:CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O56 9810000.4578 m硫酸用量= 10000.45789898=801.15kgm(100%硫酸)= 801.15106%=849.22kg(2)逸出气体量已知:m磷矿=1000kg，磷矿中CO2的为2.56%，氟逸出率为1.42% 。m(二氧化碳)=10000.0256=25.60kg以SiF4计算4F SiF476 1040.0585 mm(siF4)=(0.585104)/56=0.005kgm(H2O)=186.50Kgm(逸出气体量)= 25.60+0.8005+186.50=212.90kg(3)磷石膏值CaO CaSO42H2O56 17210000.457 mm(磷石膏)=10000.457817256+10000.027=1433.10kgm(P2O5总含量)=100031.59%(1-98.25%96.9%)=15.15kg(其中转化=98.25%，洗涤效率96.9%)m(P2O5未分解)=31.59(1-98.25%)=5.53kgm(水溶性P2O5)=15.15-5.53=9.62kg(4)生成循环料浆量因为料浆的液固比为2.5，液相:磷石膏=2.5:1液相量:m(循环料浆量)=1433.1(2.5+1)=5015.85kgm(液相量)=5015.85-1433.1=3582.75kg(5)成品磷酸量m(循环料浆量 )= 100031.59%98.25%96.9%(100%-2.9%)32%=912.29kgm(P2O5)=912.2932%=291.93kg(6)机械损失m(机械损失)=10002.9%=9.16kg(7)过滤后滤饼含液量m(磷石膏)=1433.10kg滤饼的含液量(以干磷石膏为基准)为62.8%所以过滤后滤饼含液量为:m(滤后滤饼含液量)=1433.100.628=899.99kgm(P2O5)=899.9932%=288.00kg(8)一次洗涤后滤饼含液量以干磷石膏为基准，一次洗涤后滤饼含液量=43.25%m(一洗后滤饼含液量)=142.8843.25%=619.82kg(9)二次洗涤后滤饼含液量以干磷石膏为基准，二次洗涤后滤饼含液量=24.88%m(二洗滤饼含液量)=1433.1024.88%=356.56kg(10)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) m(回入的滤液量)=3582.75-912.29-899.99=1770.47kg(11)洗涤用水量 图二对系统进行物料衡算: 其中:m成品酸=912.29kgm(逸出气体)=212.90kgm(磷石膏)=1433.10kgm(洗涤后滤饼含液量)=149.33k m(硫酸)=915.11kg m(磷矿)=1000kg m(输出系统)= m(成品酸)+m(逸出气体)+m(磷石膏)+m(洗涤后滤饼含液量) =2707.62kg m(输入系统) = m(硫酸)+m(磷矿)=1915.11kg校正m(输出系统)= m(输入系统)校正合格(12)淡磷酸量 图三对萃取槽作物料衡算: 其中:m(循环料浆)=5.15.85kg m(逸出气体)=212.90kgm(硫酸)=915.11kg m(磷矿)=1000kgm(输出系统)=m(循环料浆)+ m(逸出气体) =2015.85+212.90 =5228.75kgm(输入系统)=m(硫酸)+m(磷矿)=1915.11kgm(淡磷酸)=m(输出系统)-m(输入)=5528.75-1915.11 =3313.64kg校正:m(输入系统)= m(输出系统)校正合格。淡磷酸中的P2O5含量:m(P2O5)=m（系统P2O5）+m（机械损失P2O5）+m（未分解P2O5）-m（磷矿P2O5） =1146.48+9.16+5.53-315.90=845.27kgP2O5（浓度）=m(P2O5)/m(淡磷酸)100%=25.51%(13)一次洗涤量图四其中:m(淡磷酸)=3313.64kg m(回入系统的滤液量)=1770.47kgm(一次洗涤量)=m(淡磷酸)+ m(回入系统的滤液量)=1543.17kgP2O5含量:m(P2O5)=m(淡磷酸P2O5)+m(回入系统的滤液量P2O5)=845.27-566.55=278.72kg一次洗涤液中P2O5浓度:P2O5浓度=m(P2O5)/m(淡磷酸)100%=19.18%(14)二次洗涤量P2O5 图五对一次洗涤进行物料衡算: 一次洗涤后:m(出来的洗涤量)=1453.17kgm(过滤后滤饼含液量)=619.82kg一次洗涤前:设二次洗涤量为c m(过滤后滤饼含液量)=899.99kgm(出来的洗涤量)+ m(滤饼含液量)= m(过滤后滤含液量)+c1433.17+619.82=899.99+c解得:c=1173kgP2O5含量:11730.589=69.09kg(0.589为二次洗液P2O5浓度)(15)一次洗涤后滤饼液相含P2O5 对一次洗涤中液相中P2O5进行物料衡算: 一次洗涤前:m(过滤后滤饼液相中含有的P2O5)=288.00kgm(二次洗涤液中含有的P2O5)=288.00kg一次洗涤后:m(一次洗涤液中含有P2O5)=278.72kg设一次洗涤后滤饼液相中含有的P2O5为c则:m(过滤后滤饼液相中含有的P2O5)+m(二次洗涤液中含有的P2O5)=m(一次洗涤液中含有P2O5)+c带入数据解得 c=78.37kg液相P2O5浓度: m一次洗涤后滤饼含有P2O5 m一次洗涤后滤饼含液量 100%=12.64%(16)吸干滤液计算 设吸干滤液与一次洗涤混合后总质量为c，吸干滤液量为y(20%为P2O5浓度，32%为成品稀磷酸浓度) c-y=1453.17 20%c=32%y+278.77解得: c=1552.45kg y=24.5kg(17)吸干滤液中P2O5含量:(18)吸干溶液与一次洗涤混合液中P2O5含量: (19)回磷酸量 其中:3.1.4物料平衡图图六 表一 物料汇总表3.2热量平衡计算按照年产10万吨P2O5湿法磷酸， 每天工作24小时，每年生产300天。已知1000kg磷矿中生成成品磷酸中含P2O5的量为291.93kg，消耗100%硫酸量为849.22kg、92.8%硫酸量为915.11kg，料浆量为5015.85kg，淡磷酸量为3313.64kg。 硫酸的比稀释热(KJ/mol)，按下式确定: 每小时消耗量:已知：淡磷酸中含有25.52%P2O5，原料H2SO4温度为27，返回淡磷酸温度为63，萃取槽排出废气温度56，萃取槽排出料浆温度77，空气温度30，萃取槽排出废气相对湿度0.93。(1)收入热量总热量由下列物料带入的热量确定:磷矿粉；硫酸；淡磷酸，以及反应热和萃取槽中硫酸稀释热。另外，还有空气。 其中磷精矿比热为0.783KJ/kgk，25.52%P2O5的比热为3.246 KJ/kgk ，92.8% H2SO4的比热为1.49 KJ/kgk，夏季平均温度为30。 H2SO4与磷精矿的反应热为q2:Ca5(PO4)3F+5H2SO4+10H2OH3PO4+5CaSO42H2O+HF 其中已知:CaSO42H2O(S):2022.6KJ/mol H3PO4(aq):1278.2KJ/molCa5F(PO4)3(S):6828.7KJ/mol H2SO4(溶液):839.5KJ/molH2O(aq):286.4KJ/mol HF(g):269.6KJ/mol由盖斯定律得: (:反应进度1mol反应物的反应热=反应总的热效应)2Ca5F(PO4)3 3P2O5 2504 3142 m 0.3159磷精矿中氟磷灰石的含量:已知氟磷灰石的分子量为504，分解率为0.977。萃取槽中硫酸稀释热:其中:无水硫酸的量；式中n1和n2为H2SO4进入萃取槽稀释前后溶液中H2OH2SO4摩尔比。其中:设萃取槽中硫酸的浓度为C2 P2O5分子量为142，磷酸的分子量为196P2O5 2H3PO4142 196845.27 m淡磷酸中磷酸的质量分数:P2O5 2H3PO4142 196114.3 c 则循环料浆液相中磷酸的质量分数:则有: 进入萃取槽的空气带入的热量为:根据道尔顿分压定律:，其中:;=3945.06; 所以萃取槽的总收入热量为: =59.11109J+122.05V（2）支出热量带走的热量是下列热量的总和：送过去的料浆（Q料浆）;从萃取槽排出的气体（Q气体）和热损失（Q热损）。 77时，送去过滤的料浆带走的热量为：， 从而，56时，从萃取槽排出气体带走的热量为：已知：， ， 则萃取槽总的支出热量为：即，则每小时鼓空气量:3.3主要的设备选型与计算3.3.1湿法磷酸生产中的设备介绍及选材(1)球磨机的选用使用f36007500，1800KW电机的球磨机，确保供浆能力和供浆细度200目大于80%上。在球磨机出口设1台滚筒筛，将球磨矿浆进行筛分，之后用1台振动筛再次筛分，筛分出的细颗粒矿石返回球磨机，矿浆用矿浆泵送人预反应槽。 (3)泵类料浆泵，用于输送萃取料浆。料浆泵的材质由过去使用的CD4M-Cu改为Cr-30(主要是考虑料浆中石膏杂质的磨损)。它是高铬高硬质铸造合金，机加工性能好，制造技术复杂，具有较大的开裂倾向，脆性大。由于Cr30含铬和含碳量都较高，并采用特殊的冶炼技术，使其具有很好的耐磨性，又有良好的耐蚀性。它是湿法磷酸工业中抗磨蚀抗腐蚀的优质材料。3.3.2过滤机的选型圆盘真空过滤机，占地面积小，单位过滤面积价格最低。由于过滤面为立式，滤饼厚薄不均，不易洗涤，易开裂。易于处理沉降速度不高过滤容易的物料，不适合处理非黏性物料。圆盘真空过滤机主要特点：（1）扇形滤板脱水孔分布均匀，孔率合理。（2）滤液管过滤数面大，提高了抽气率和滤液排放效果。（3）滤布自动清洗装置，保持了其良好的脱水效果。（4）轴端采用橡胶、卧式强制高速搅拌和水压差三重密封不漏浆。（5）结构合理，减少了90%可能的漏气点。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10万吨/年P2O5所需盘式真空过滤机的有效过滤面积。已知以1000kg磷矿为基准时: 年产10万吨/年P2O5湿法磷酸每小时消耗磷矿量为:吨 表三其中:qe=0.935m3/m2；K主滤5.25 m2/h；K一洗3.42 m2/h；成品磷酸含P2O5:32%。(1)主过滤区的必需面积: (G主滤为时间的滤液量)由恒压过滤方程式:(以一小时为计算基准，所以=1h)代入数据解二次方程得:而(2)一次洗涤区域的必需面积:由恒压过滤方程式:解得:(3)二次洗涤区域的必需面积:其过滤常数K二洗由下式确定:(0.8滤布上滤饼密实度的系数)代入数据:求得:带入恒压过滤方程式:求得:则选用ZPG盘式过滤机，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ZPG盘式过滤机总过滤面积m2200有效过滤面积145转速r/min0.3-1.2电动机功率kw5.5滤盘数量(个)8外形尺寸直径高mm495031502725 表四3.3.3萃取槽的选型采用单槽多浆式，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，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:243690kg/h(2)料浆密度:1470kg/h(3)反应时间:5h(4)料浆体积流量(质量流量/密度): 243690/1470=166m3/h(5)反应槽有效容积:1665=830m3(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:8300.69=572.7m3(8)同心圆中单槽中的内筒，隔墙及挡墙占容积约70 m3(9)同心圆中单槽直径为D，有效高度为H，取H/D=0.25反应槽有效容积为:572.7+70=0.785D2H，D=14.85m，H=3.72m(10)自由空间高度1.5m，则反应槽总高度为3.71+1.5=5.21m(11)同心圆单槽内筒的直径d，取d/D=0.33，则d=4.9m表3-5主要参数直径X高度mf4.95.21m中心筒直径mm2200搅拌泵转速r/min101搅拌器直径mm680搅拌器形式折叶二层透平电机q X 18.5 kW380V表五3.3.4水环式真空泵SK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20-40为宜。表3-6性能范围参数性能范围气量m3/min1.5-2.7真空度mmHg700-760压力kgf/cm30-1.5表六本设计中根据过滤机的漏气量1.35 m3/m2min，总过滤面积为150m2则过滤机总漏气量为，1.35150=202.5m3/min。根据漏气量査得:表3-7水环式真空泵选型泵型号SK-120转速r/min490电动机kw185口径mm300供应量L/min200表七第四章三废治理与综合利用4.1废气治理磷酸生产过程排放的废气主要是含氟气体（主要以四氟化硅的形态存在），其次是磷酸蒸汽、氟化氢、及雾滴。生产过程排放的废水中也含有氟化物、磷酸盐以及可溶性P2O5等物质。生产产生的磷石膏也危害极大，磷石膏经过浸泡和雨水淋溶后，将会带出可溶性氟化物和五氧化二磷，对环境产生很大的危害。氟化物具有毒性，对生物和环境的危害极大，所以要求处置达标以后排放。表6.1含氟废气排放标准标准来源 排放量 氯化物（以F计） 国家标准 GBJ473 排气筒高度30m 1.8kg/h 排气筒高度50m 4.1kg/h 世行标准 每吨P2O5加料允许排放 5g/t（P2O5) 美国EPA标准每吨P2O5加料允许排放 10g/t（P2O5) 磷矿中的氟一般有三种去向，70-75%留在稀磷酸中，大约5%的以气态逸出，还有2025%留在磷石膏中。萃取反应排出的氟主要以四氟化硅（SiF4）的形态存在。处理方法有以下两种：（1）真空冷却流程：萃取反应槽液相界面上的含氟气体送入尾气吸收塔用水吸收后放空。萃取液在蒸馏时时产生的含氟水蒸气，在冷凝器内被水冷凝，四氟化硅溶于冷凝液中形成稀氟硅酸溶液，不凝性气体由真空泵排除。另外稀磷酸浓缩时也会产生含氟水蒸气，逸出的氟占磷酸中氟含量的50-70%。这部分废气经过洗涤塔经水或稀的氟硅酸溶液循环吸收，再经冷凝器冷凝，不凝性气体由真空泵排出。（2）鼓风冷却流程：萃取流程排出的含氟尾气，用水在吸收器内将四氟化硅吸收，反应生成稀氟硅酸溶液，然后送至污水处理站处理。经洗涤合格后的尾气由烟筒放空。4.2废水治理湿法磷酸装置的废水来源:1、过滤机冲洗滤布水(或称冲盘水)；2、跑冒滴漏、冲洗设备地坪水和泵密封水；3、反应系统尾气洗涤水；4、闪蒸冷却水和过滤机真空系统的冷却水。磷酸工业排出的污水具有高氟、高P2O5、低PH等特点。常用的处理方法是化学中和法。中和药剂有石灰、电石渣、石灰石粉等，以石灰最为常用。处理原理是：氟和石灰反应生成难溶的氟化钙沉淀而被除去，但是磷酸污水中因含有氟硅酸、硫酸等多种组分，导致氟化钙的溶解度增大，工业上用石灰一级中和处理很难将污水中的含氟量降到标准排放值。对于废水的主要来源是磷酸系统。上述的处理方法是可以达到排放标准的，但是要排出大量的污水。因而要消耗大量的水，中和剂和动力且对环境还有不利影响。为了解决此类的问题。国内已研究成功污水封闭循环新工艺。当封闭循环装置正常运转时，整个磷酸系统无污水排放17。4.3 废渣治理由于磷石膏排放量大，常年堆放不仅占用大量土地，而且处理不好还会造成堆存过程中水溶性P2O5、氟等对环境的污染尤其是地下水污染严重。因此，磷石膏渣更倾向于综合利用。磷石膏渣的综合利用大概有以下几种用途：（1）磷石膏制硫胺和碳酸钙。利用氨和二氧化碳，将磷石膏转换为硫胺和碳酸钙，在国外是比较成熟的技术。大概流程是：磷石膏的预处理碳酸铵溶液的制备石膏和碳酸铵溶液反应碳酸钙的过滤洗涤硫铵溶液的蒸发、结晶和过滤硫铵结晶的干燥。将磷石膏转化制碳酸钙和硫胺，无论从企业效益，还是社会效益和环境效益，都是一种较好的途