年产2万吨硫酸法磷酸生产工艺设计

1、山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 1摘 要 本设计主要任务是 2 万吨/年硫酸法磷酸生产工艺设计。磷酸为中强三元酸，具有酸的一切通性，在室温下磷酸的化学性质是很活泼的，高温下磷酸可与大部分金属及其氧化物发生化学反应，磷酸的氧化能力很弱，即使在 350-400下，与氢，碳等强还原剂也不发生明显的化学反应。 本文首先介绍了磷酸的基本性质及用途，随后确定了湿法制磷酸的生产方案。通过工艺衡算包括物料衡算和热量衡算来对生产过程中所需要的设备进行工艺设计和选型，主要设备就是反应搅拌釜。还对湿法制磷酸的消耗定额和所产生的“三废”进行了合理的综合利用进行了描述。关键词：关键词：磷酸 湿法制磷

2、酸 工艺设计 三废abstract the aim of this design is 20,000 ton per year manufacturing the phosphoric acid using wet method with sulfuric acid. the phosphoric acid for the strong tribasic acid, has acid all general characteristics, under the room temperature the phosphoric acid chemical property is very live

3、ly, under the high temperature the phosphoric acid may has the chemical reaction with the majority of metals and the oxide compound. first,this article introduce the character of the phosphoric acid and its application.we design the method of manufacturing is the phosphoric acid,its name is the manu

4、facturing the phosphoric acid with wet method.we also detail material and the energy graduated arm calculated which is the base of design the devices .in the design also includes the flow chart, the equipment assembly drawing, the workshop general arrangement, the equipment general arrangement plan.

5、 involves raw material and the power consumption fixed quantity budgetary estimate in the article, and to produced the environmental protection which and the security measure existed has carried on the simple introduction. keywords: phosphoric acid ; the manufacturing of phosphoric acid with wet met

6、hod; technological design;the three polluthion山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 2第一章 总论1.1 磷酸的性质1.1.1 磷酸的物理性质纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度 1.88g/cm3,熔点42.3，高沸点酸，可与水以任意比互溶。市售磷酸试剂是粘稠的、不挥发的浓溶液，磷酸含量 83-98%。磷酸的稀释热随着稀释倍数的增大而增大。1mol h3po4在 1mol 水中的熔解热为7.285jmol，而在 100 mol 水中则增大为 22.0446 jmol。磷酸溶液的密度与粘度在一定温度下，均随磷酸中 p2o

7、5含量的增加而增加。在 75摄氏度下，当从 19.6% p2o5增加到 70.5%p2o5时，磷酸水溶液的粘度相应从 1.976*10-3帕每秒增加到 59.24* 10-2帕每秒。而密度从 1.15 克每立方厘米增加 1.49 克每立方厘米。磷酸水溶液在 20100范围内的比热容可按下式计算： cp=1.0109-0.00514x式中 x 为磷酸中 p2o5含量, p2o5%。1.1.2 磷酸的化学性质 磷酸是由五氧化二磷与水反映得到的化合物。一般情况下，磷酸系正磷酸的简称，其分子式为 h3po4。五氧化二磷结合的水的比例低于正磷酸时可形成焦磷酸、三聚磷酸、四聚磷酸、偏磷酸和多聚偏磷酸等。磷

8、酸是三元酸，可以生成三种不同的取代盐，即一代磷酸盐，二代磷酸盐和三代磷酸盐。在水溶液中 25时，磷酸三个氢离子的离解常数分别为： h3po4 h+ +h2po4- k10.93*10-2h2po4- h+ hpo42- k20.99*10-8hpo42- h+ po43- k11.8* 10-12磷酸后磷酸盐的溶液中，各种离子的存在及其浓度由溶液的 ph 值决定。当 ph=2时，溶液中约有一半以一代磷酸盐离子存在，当 ph=4.5 时（弱酸性） ，一代磷酸盐离子才是稳定的；二代磷酸离子在 ph=9.5 时才是稳定的；而磷酸根则必须在强碱性溶液中才能稳定存在。磷酸为中强三元酸，具有酸的一切通性，

9、在室温下磷酸的化学性质是很活泼的。高温下磷酸可与大部分金属及其氧化物发生化学反应。当加热至浆状时，磷酸能侵蚀石英。磷酸的氧化能力很弱，即使在 350 至 400 摄氏度下与氢、碳等强还原剂作用也不发生明显的化学反应。纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度 1.88g 每立方厘米，熔点 42.4，含五氧化二磷 72.4。此外，还存在半水物结晶区，熔点 29.3，含91.6的磷酸。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 31.2.1 用于化学肥料的生产制造高浓度磷肥和复合肥料，如重过磷酸钙、沉淀磷肥、磷酸铵类氮磷复合肥料以及氮磷钾混配复合肥料等。1.2.2 用于工业磷级酸

10、盐生产用磷酸制取的工业及磷酸盐产品很多。热法磷酸由于杂质含量少，绝大部分用于生产三聚磷酸钠和其他工业用磷酸盐。湿法磷酸经过净化也可以用于工业级磷酸盐生产。工业级磷酸铵是用作酵母培养剂及防火剂。 工业级磷酸钙是用氢氧化钙中和热法磷酸而制成。控制中和液的酸度可制的各种磷酸钙盐。磷酸一钙用作发酵剂和蔗糖的脱色剂。磷酸二钙用作动物的辅助饲料和牙膏的填料，优质的磷酸二钙可用于医药。磷酸三钙用作粉状物料流动性的调节剂和陶瓷制品的增白剂。磷酸钾盐的工业应用比较少。只有焦磷酸钾几乎全部用于液体洗涤剂的生产。焦磷酸钾可由磷酸氢二钾在高温下脱水而成。磷酸一钠用于酸型去垢剂的缓冲剂，磷酸二钠用作软化剂，除去水中的金

11、属阳离子;也可以用于医药和织物染色以及陶瓷釉料。磷酸三钠用作软化剂或重质洗涤剂的配料。酸式焦磷酸钠用于发酵剂和配制油井钻孔泥浆。焦磷酸钠是肥皂和合成洗涤剂的主要助剂，因为它有很强的螯合力。1.2.3 用于饲料级磷酸盐的生产在饲料添加剂中，饲料级磷酸盐占有很大的比重，目前中国饲料工业发展很快，饲料级磷酸盐年需求只在 60 万吨以上。饲料级磷酸盐主要有磷酸氢钙、脱氟磷酸钙、磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、尿素磷酸盐等。1.2.4 用于食品级磷酸盐的生产磷酸盐在食品或饮料加工中主要是作为品质改良剂和营养剂。食品级磷酸盐的品种比较多，美国目前使用的有 31 种，日本有 26 种，中国正式批准的有磷酸、磷酸氢钙

12、、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、焦磷酸钠、焦磷酸二氢钙、焦磷酸二氢钠等。过去食品级磷酸盐都是以热法磷酸为原料。近年来，随着湿法磷酸净化技术的进步，湿法磷酸也用于品级磷酸盐的生产。1.2.5 其他的应用 电镀，抛光工业，水处理行业，洗涤剂行业等等。1.3 磷酸的发展现状及前景磷酸盐是无机盐中的重要系列产品，在工业、农业、国防和人民生活中已被广泛应用。除在农业中大量用作肥料和农药、饲料外，在钢铁、机械、选矿、砖井、电镀、颜料、制革、纺织印染、食品、医药、玻璃、陶瓷、耐火材料、日用化工、造纸、洗山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 4涤剂、水处理、阻燃剂、灭火剂等方面也得到了广泛应用。近年来

13、，高纯磷酸盐、特种磷酸盐、功能磷酸盐等，在国防工业等方面又得到进一步推广应用，出现了许多新型磷酸盐产品。如磷酸盐电子电气材料、磷酸盐光学材料、磷酸盐电池材料、磷酸盐传感元件材料、人工生物材料、催化剂、离子交换剂等。近年来，大量磷酸及其盐类用于风味软性饮料，如可乐、香槟、果冻等。磷酸与枸橼酸、酒石酸等有机酸不同，它是人类的基本营养物质。山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 5第二章 湿法磷酸生产方案的确定2.1 磷酸的生产方法2.1.1 湿法磷酸用酸（硫酸、硝酸、盐酸等）分解磷矿制得的磷酸统称湿法磷酸。湿法磷酸生产中，硫酸分解磷矿是在大量磷酸溶液介质中进行的：ca5f(po4)3+

14、5h2so4+nh3po4+aq=(n+3)h3po4+5gaso4.mh2o+hf+aq根据磷酸溶液中的磷酸浓度、温度及游离硫酸浓度的不同，反应生成的硫酸钙可能是无水硫酸钙、半水硫酸钙、或者二水硫酸钙。即对应的方法是无水物法、半水物法、二水物法。 在生产流程里，分解过程实际分为两个阶段进行，首先是氟磷酸钙溶解在磷酸溶液中反应生产磷酸一钙，接着硫酸与磷酸一钙反应，从溶液中析出硫酸钙。 磷矿中所含的杂质能与酸作用，发生各种副反应，如碳酸钙悲酸分解生成硫酸盐和磷酸盐，并放出二氧化碳。湿法磷酸生产中氟磷灰石和硫酸、磷酸反应以及过量硫酸反应的稀释都能放出热量。用二水物法生产磷酸时，靠对流、辐射、热传导

15、和水分蒸发等方式的自然热损失不能消除过剩热量，因此应采用空气冷却或真空冷却等方法以除去过剩热量。半水法生产中放出的热量较少，若采用 90%95%的硫酸，则多余的热量正好补偿自然热损失.2.1.2 热法磷酸热法磷酸工艺8即以电热法生产的黄磷为原料，经过燃烧水合而制成含量 85%的磷酸。制造热法磷酸的方法很多，目前普遍采用液态磷燃烧法制热法磷酸，现将各种方法简述如下：1、完全燃烧法将电升华磷时所得的含磷炉气去、直接燃烧，此时不仅磷氧化为五氧化二磷一氧化碳也被氧化：p4+10co+10o2=p4o10+10co2反应要放出大量热，但由于磷酸酐有强烈腐蚀作用，此反应热实际上不能利用，燃烧后的气体必须冷

16、却，以保证磷酸酐能完全吸收。由于气体温度较高，所以磷酸酐与水作用时首先生成偏磷酸，冷却后在转化成正磷酸：p4o10+2h2o4hpo3hpo3 +h2o h3po4 因此法效果较差，在工业上未被采用 2、液态磷燃烧法（又称二步法）此法有多种工艺流程，在工业上采用较为普遍的有两种：第一种是将黄磷燃烧，山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 6得到五氧化二磷用水冷却和吸收值得磷酸，此法称为为水冷流程；第二种流程是将燃烧产物五氧化二磷用预先冷却的磷酸进行冷却和吸收而值得磷酸，此法成为酸冷流程。3、优先氧化法 在 454523条件下，与为理论量 120%130%的空气混合，使磷蒸汽和磷化氢

17、气体氧化，而 co 仅氧化了 5.6%7%，然后用稀磷酸吸收磷酸酐制成热法磷酸，此法尚未工业化。4、水蒸气氧化黄磷法用铂、镉、铜作催化剂，用焦磷酸镐或偏磷酸铝作载体，使在 600800温度下用水蒸汽氧化黄磷可以制得磷酸并副产氢气：p4+16 h2o= 4h3po4+10h2此法尚未用于工业生产。5、窑法磷酸最近美国西方研究公司为了进一步减少电耗，研究在以油为燃料的旋转窑中，用磷矿石、焦炭、和硅石的混合物生产热磷酸，在旋转窑中有两个性质完全不同的区域：在底层的还原区中球状的反应物料用碳将磷还原并升华出磷蒸汽；在固体层上的砖窑空间为氧化区，在这里升华出的磷蒸汽被氧化燃烧生成五氧化二磷，再将含 p2

18、o5的热炉气送入吸收装置冷却，吸收制成热法磷酸。碳还原磷酸钙所需的反应热和反应温度1600，由林氧化燃烧所产生的热提供，这样可大量节省电能。西方研究公司仅在炉内进行过数次开发性研究，在窑体内严格分开氧化和还原区域使一项有待进一步开发的难题。 二步法中，液态磷用压缩空气从喷嘴口喷入燃烧水化塔进行燃烧，冷酸沿塔内壁表面淋洒，在塔壁上形成一层酸膜使燃烧气体冷却，同时 p2o5与水化合生成磷酸。塔中流出的磷酸浓度微微 86%88% h3po4，酸的温度约为 85，出酸量为总量的 75%。气体在 85100条件下进入电除雾器。电除雾器流出的磷酸浓度 75%77%h3po4，其量约为酸总量的 25%。从水

19、化塔和电除雾器来的热磷酸先进入浸没式冷却器。后再在淋洒冷却器冷却到3035.一部分磷酸送至燃烧水化塔作为喷洒酸;另一部分作为成品送酸储库。热法磷酸不仅比湿法磷酸浓度高，而且产品较纯，但电耗高。因而价格昂贵，在水力发电充分发达的电价低廉的地区，热法是有发展前途的。综上分析可知选用是法制磷酸比较符合目前的发展状况，尤其是二水法制磷酸。2.2 生产方案的确定综上分析可知选用是法制磷酸比较符合目前的发展状况，尤其是二水法制磷酸。2.2.1 湿法磷酸生产的理论基础 用酸（硫酸、硝酸、盐酸等）分解磷矿制得的磷酸统称湿法磷酸。湿法磷酸生产山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 7中，硫酸分解磷矿

20、是在大量磷酸溶液介质中进行的：ca5f(po4)3+5h2so4+nh3po4+aq=(n+3)h3po4+5gaso4.mh2o+hf+aq根据磷酸溶液中的磷酸浓度、温度及游离硫酸浓度的不同，反应生成的硫酸钙可能是无水硫酸钙、半水硫酸钙、或者二水硫酸钙。即对应的方法是无水物法、半水物法、二水物法。 在生产流程里，分解过程实际分为两个阶段进行，首先是氟磷酸钙溶解在磷酸溶液中反应生产磷酸一钙，接着硫酸与磷酸一钙反应，从溶液中析出硫酸钙。 磷矿中所含的杂质能与酸作用，发生各种副反应，如碳酸钙悲酸分解生成硫酸盐和磷酸盐，并放出二氧化碳。湿法磷酸生产中氟磷灰石和硫酸、磷酸反应以及过量硫酸反应的稀释都能

21、放出热量。用二水物法生产磷酸时，靠对流、辐射、热传导和水分蒸发等方式的自然热损失不能消除过剩热量，因此应采用空气冷却或真空冷却等方法以除去过剩热量。半水法生产中放出的热量较少，若采用 90%95%的硫酸，则多余的热量正好补偿自然热损失.2.2.2 湿法磷酸生产工艺条件的选择及操作控制制造湿法磷酸是由硫酸分解磷矿制成硫酸钙和磷酸10，以及将硫酸钙晶体离和洗净两个主要部分组成。湿法磷酸的生产工艺指标主要是保证达到最大的 p2o5回收率和最地的硫酸消耗量。这就在要求分解磷矿部分硫酸耗量要低，磷矿分解率要高，并尽量减少由于磷矿颗粒被包裹和 hpo42-同晶取代了 so42-所造成的 p2o5损失。在分

22、离部分则要求硫酸钙晶体粗大、均匀稳定过滤强度高和洗涤率高，尽量减少水溶性 p2o5损失。根据我国研究工作和生产经验，湿法磷酸制造过程中应选择和控制号下述生产操作条件，以满足工艺指标的要求。（1） 液相 so3浓度 液相 so3浓度是操作控制中的一个重要因素，它表示液相中游离硫酸的含量。实验证明他对磷矿分解、硫酸钙晶核形成、晶体成长速度、晶体外形以及在 hpo42-晶格上取代 so42均有很大影响。 一般认为，按二水物法制湿法磷酸时，so3控制在 0.0250.035g/ml；按半水物法操作时控制在 0.0150.025 g/ml.矿种不同，操作控制的 so3范围也有一些差异，应根据实验情况做适

23、当的调整。操作的要点是控制液相中 so3浓度，使其波动尽可能的小。（2） 反应温度 反应温度的选择和控制是非常重要的，提高反应温度能加速反应、提高分解率、降低液相粘度；同时又由于溶液中硫酸钙溶解度随温度升高而增加，并相应的降低过饱和度，这些有利于形成粗大晶体和提高过滤强度。但温度过高将导致生成不稳定地半水物，甚至生成一些无水物，使过滤困难。而且随着温度的升高，杂质溶解度也相应增大，势必影响产品质量。一般二水物流程控制的温度为 6580;半水物流程一般山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 8为 95105.在生产上多采用空气冷却或真空闪蒸冷却以除去料浆中过多的热量，并要求在生产操作

24、中温度波动幅度不大。（3） 反应料浆中 p2o5浓度 硫酸钙晶体是在磷酸介质中形成晶核和长成晶体。因此反应料浆中 p2o5浓度稳定，可以保证硫酸钙溶解度变化不大和相应的过饱和度稳定，这在湿法磷酸生产控制中也很重要。反应料浆中 p2o5浓度由硫酸钙五氧化二磷水体系平衡图确定。一般在二水法流程中，当操作温度控制在 7080范围内，料浆中 p2o5浓度为 2530；含杂质较多的磷矿料浆中 p2o5浓度为 2225。控制反应料浆中磷酸浓度，就在于控制进入系统中的水量，实质上是控制因洗涤滤饼而进入系统中的水量。（4）反应料浆中固体物的浓度 反应料浆中固体物的浓度既是料浆的液固比。料浆中固体含量过高，会使

25、料浆粘度增高，对磷矿分解和晶体长大都不利；同时，过高的固相含量，会增大晶体和搅拌桨叶的碰撞几率，从而增大二次成核量并导致结晶细小。提高液相含量会改善操作条件；但液固比过大会降低设备生产能力。一般二水物流程液固比控制在2.5：13：1；半水物流程控制在 3.5：14：1，如果所用矿种镁铁铝等杂质含量高时，液固比应适当提高一些。（5）回浆 返回大量料浆可以提供大量晶种，并可以防止局部游离硫酸浓度过高可以降低过饱和度和减少新生晶核量，这样。就有可能获得粗大均匀的硫酸钙晶体。在实际生产操作中，回浆量一般为形成料将加入物料量的 100150 倍。（6）反应时间 反应时间是指物料在反映槽内的停留时间，由于

26、硫酸分解磷矿的反应速度快，反应时间长短主要取决与硫酸钙晶体的成长时间，一般反应时间控制在 46 小时左右。（7） 料浆的搅拌 搅拌可以改善反应条件和结晶成长条件，有利于颗粒表面更新和消除局部游离硫酸浓度过高，对防止包裹现象和消除泡沫起一定作用。但搅拌强度也不宜过高，以免碰碎大量晶体导致二次成核过多。山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 9 第三章 湿法磷酸生产流程及主要设备3.1 生产流程及主要设备湿法磷酸包括酸解和过滤两个主要工序。从原料工段送来的矿浆经计量后送入酸解曹，硫酸经计量槽用硫酸泵送入酸解曹，通过自控调节确保矿浆和硫酸按比例加入。酸解得道德磷酸和磷石膏的混合料浆用料浆

27、泵送值班室过滤机进行过滤分离。为了降低酸解槽中料浆温度，用鼓风机鼓入空气进行冷却。酸解曹排出的含氟气体通过文丘里吸收塔用水循环吸收。吸收液用循环泵送至文丘里吸收塔进行循环吸收。净化尾气经排风机和排气筒排空。过滤所用的石膏滤饼经洗涤后卸如螺旋输送疾病竟交待输送机送到磷石膏厂内堆场。滤饼采用三次逆流洗涤流程冲洗过滤机滤盘及地坪的污水送至污水封闭循环系统。各次滤洗液集于气也分离器的相应格内，经气液分离后，滤洗液也相应进入滤洗液中间槽的滤洗液格内。滤液磷酸经滤液泵，一部分送至磷酸中间槽储存。生产磷铵时，用泵将磷酸送往磷铵工段的尾气吸收塔;另一部分返回一洗液格内。一洗液有一洗液泵全部送至酸解曹。二洗液和

28、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滤洗液中间槽三洗格内。水环真空泵的压出气则送至过滤机作反吹石膏渣卸。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 10第四章 湿法磷酸的物料及热量衡算4.1 湿法磷酸的物料衡算（1）绘出物料衡算图在上述工艺流程图的基础上，画出供物料平衡计算的简化方框图1 含氟废气 硫酸 返回稀硫酸 磷矿 机械损失 成品酸 二洗液 水 二水石膏（2）明确计算任务和目的任务：加入水量、硫酸量、成品酸量、返回稀磷酸及排出石膏量等。此外还要计算料浆量、排出废气量、各次洗液量等。（3）列出已知条件 规模 两万吨每年磷酸生产 年操作日 30

29、0 天 每天 22.5 小时 磷矿化学组成 组成 p2o5 cao fe2o3 al2o3 mgo f co2 ai % 26.84 40.23 2.70 4.03 1.50 2.65 5.78 11.43 硫酸 为 98h2so4 用量为理论量的 105 转化率 磷矿中主要组分进入磷酸中的百分率 组分 p2o5 fe2o3 al2o3 mgo 96 45 60 100 洗涤率 97.5 成品磷酸质量分数 22p2o5 料浆液固比 3：1酸 解过 滤混 合二 洗一 洗山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 11全系统 机械损失 2.5（磷酸溶液） 水分蒸发量 20100磷矿 氟分配

30、 相态 气相 液相 固相 损失 3 70 17 10 滤饼含湿量（湿基） 滤饼 过滤后滤饼 一洗滤饼 二洗滤饼 45 35 25 二洗液 p2o5含量 2（4）选取计算基准100磷矿 (5) 进行物料衡算全系统平衡 磷矿 100 废气 成品酸 h2so4 机械损失 二水石膏 水a 进料a 磷矿 j1=100b 硫酸 j2=40.23*98*1.05/56*0.98=75.4c 浠水 j3？b 出料a 成品磷酸 c126.84100（10096）（10097.5）2.5/22111.0 其中 so375.4*0.05*0.98/1.05*80/98*95/111.02.46 fe2o32.70*

31、45*95/111.01.04 al2o34.03*605*95%/111.0=2.07% mgo%=1.50*95%/111.0=1.28% f%=2.65*70%*95%/111.0=1.59%以上计算中 95是扣除洗涤和机械损失后的收率。磷酸组成为： 组分 p2o5 so3 fe2o3 al2o3 mgo f 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 12 酸解系统 22.00 2.46 1.04 2.07 1.28 1.59b 逸出废气 c2 （a）co2 100*5.785.8 标准状况下的体积 v co25.8*22.4/443.0 (b) f 100*2.65*30.0

32、79 折合 sif4 0.079*104/76=0.1 标准状况下的体积 v sif4=0.1*22.4/104=0.02 m3 (c) 水汽 100*0.2020.0 标准状况下的体积 v水汽20.0*22.4/1824.9 m3 c25.8+0.1+20=25.9 标准状况下废气的体积 3.00.0224.927.9 m3c 机械损失 2.5 c326.84*2.5/223.1，其中 p2o5 0.67d磷石膏(a)石膏值=40.23172/56+11.43=135.0kg(b)湿石膏量（含湿量 25% c4=135.0/(1-0.25)=180.0kg 其中液相 45kg总出料量：c=c

33、1+c2+c3+c4=111.0+25.9+3.1+180.0=320.0kc=j,即 175.4+j3=320.0加水量 j3=320.0-175.4=144.6k酸解系统平衡 磷矿 废气 h2so4 稀磷酸 酸解料浆a.进料a磷矿 j1=100kgb硫酸 j2=75.4kgc稀磷酸 j3=?b.出料a废气 c1=25.9kgb料浆 已知磷矿石膏值为 135.0kg，料浆液固比为 3：1生成料浆量 c2=135.0(1+3)=540.0kg其中固相 135.0kg，液相 565.5kg山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 13 过滤出料总和 c=c1+c2=25.9+540.0

34、=565.9kgc=j,即 175.4+j3=565.5返回系统稀磷酸 j3=565.9-175.4=390.5kg过滤系统平衡 成品磷酸 料 浆 滤 饼 机械损失 配酸用滤液a进料 酸解料浆 j=540.0kgb出料a成品磷酸 c1=111.0kgb过滤滤饼（含水分 45%） c2=135.0/(1-0.45)=245.5kg其中固相 135.0kg，液相 110.5kgc机械损失 c3=3.1kg（磷酸）d用于配酸用的溶液 c4=？出料总和：c=c1+c2+c3+c4=111.0+245.5+3.1+c4=359.6+c4c=j,即 540.0=359.6+c4c4=540.0-359.6

35、=180.4kg二次洗涤平衡a进料a洗水 j1=144.6kgb一洗石膏（含水分 35%） j2=135.0/(1-0.35)=207.7kg其中固相 135.0kg，液相 72.7kgb出料a二洗石膏 c1=180.0kgb二洗液 c2=?出料总和 c=c1+c2=180.0+c2c=j,即 352.3=180.0+c2二洗液 c2=352.3-180.0=172.3kg一次洗涤平衡a进料山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 14a过滤滤饼 j1=245.5kgb二洗液 j2=172.3kg进料总和 j=j1+j2=245.5+172.3=417.8kgb出料a一洗滤饼 c1=

36、207.0kgb一洗液 c2=？出料总和c=c1+c2=207.7+c2c=j,即 417.8=207.7+c2一洗液 c2=417.8-207.7=210.1kgp2o5平衡a磷矿中 p2o5量=26.84kgb石膏中 p2o5 不容量=26.84（1-96%）=1.07kgc酸解料浆中的 p2o5 水容量 =40522%=89.10kgd返回稀磷酸中的 p2o5 水容量=89.10+1.07-26.84=63.33kg 返酸质量分数=63.33/390.5100%=16.2%e成品酸中 p2o5 水容量=111.022%=24.42kgf配酸用滤液浓度与成品酸相同，所含的 p2o5 水容量

37、 =180.422%=39.69g过滤滤饼液浓度与成品酸浓度相同，所含的 p2o5 水容量 =110.522%=24.31kgh一洗液中含 p2o5 水容量=返酸中 p2o5 水容量 配酸滤液中 p2o5 水容量 =63.33-39.69=23.64kgi一洗液质量分数=23.64/210.1100%=11.3%j二洗液中 p2o5 水容量=172.32%=3.45kgk一洗滤饼中 p2o5 水容量=24.31+3.45-23.64=4.12kg 二洗滤液中 p2o5 水容量=4.12-3.45=0.67kg（1） 列出总物料平衡表并画出物料平衡图生产中，以小时物料量为基准比较实用。因此，总物

38、料平衡表与物料平衡图最终均换算成以小时为单位。先算出装置每小时成品磷酸成品磷酸产量：（20000103）/(30022.5)=2963 kg由于以 100kg 磷矿为基准可得成品磷酸 111.0kg，所以换算为上列无聊时的系数为：2963/111.0=26.7将物料平衡中的各项均乘以系数 26.7，即得以小时物料量为基准的物料平衡。以 100kg 磷酸为基准的物料平衡图见图 1。以小时物料量为基准的物料平衡列于表1 并绘于 2 上。生产 1t 实物磷铵消耗的磷矿（26.84% p2o5）：山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 15 废气 25.9 单位：kg 其中 co25.8

39、sif40.1 h2o20.0 硫酸（98%）75.4 返回稀磷酸（16.2p2o5）磷矿 100 390.5（总 p2o5 26.84） 料浆 540.0（水溶性 p2o5 63.38） 固相 135.0成品酸(22% p2o5) 液相 405.0 不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 89.10 111.0 配酸（22% p2o5）（水溶性 p2o5 4.42） 180.4 机械损失 3.1 （水溶性 p2o5 39.69） 滤饼 245.5 固相 135.0水溶性 p2o5 0.68 液相 110.5 不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 24.31二洗液（2% p2o5

40、） 一洗液 （11.3% p2o5） 172.3 210.1 滤饼 207.7（水溶性 p2o523.64） 固相 135.0水溶性 p2o5 3.45 液相 7 2.7不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 4.12 洗水 144.6石膏 18.0 固相 135.0 液相 45.0不溶性 p2o5 1.07 水溶性 p2o5 0.67图 4-1 湿法磷酸物料平衡图（一） （以 100kg 磷矿为基准）萃 取过滤二洗一洗混 合山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 16二洗上述主要原料的消耗定额列于表 4-2废气 691.5 单位：kg 其中 co2 154.8 sif4 2

41、.7 h2o 534 硫酸 2013.2 返回稀磷酸（16.2p2o5）磷矿 2670 10426.35（总 p2o5 716.6） 料浆 14418（水溶性 p2o5 1692.246） 固 3604.5成品酸(22%p2o5) 液相 10813.5 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 2378.97 2963.7 配酸（22% p2o5）（水溶性 p2o5 118.014） 4816.68 机械损失 82.77 滤饼 6554.85（水溶性 p2o5 1059.723） 固相 3604.5水溶性 p2o5 18.156 液相 2950.35 不溶性 p2o5 28.569 水

42、溶性 p2o5 649.077二洗液（2% p2o5） 一洗液 （11.3% p2o5） 4600.41 5609.67 滤饼 5545.59（水溶性 p2o5631.188） 固相 / 液相 3604.5水溶性 p2o5 92.115 不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 110.004 洗水 3860.82石膏 480.6 固相 3604.5萃 取过滤一洗混 合山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 17 液相 1201.5不溶性 p2o5 28.569 水溶性 p2o5 17.889图 4-2 湿法磷酸物料平衡图（二） （以小时物料量计）表 4-1 湿法磷酸总物料

43、平衡表进 料序号名称及规格流量/(kg/h)%1磷矿粉（26.84%）2670.031.252硫酸（98%）2013.1823.563洗水3860.8245.19合 计8544.0100.0出 料序号名称及规格流量/(kg/h)%1成品磷酸（22%p2o5）2963.7.034.692废气691.538.093机械损失82.770.974二水石膏480656.25合 计8544.0100.0表 4-2 主要原料消耗定额序号名称及规格每吨 p2o5 磷酸消耗/t每吨磷铵产品消耗/t1磷矿（26.84%p2o5）4.0951.9042硫酸（98%h2so4）3.0881.4363水5.9212.7

44、534.2 湿法磷酸的热量衡算热量衡算是在物料衡算基础上进行的5。热量衡算的参考温度选为 0 摄氏度。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（0，0.1013mpa）之间的差别。（1） 反应热的计算山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 18以 1kg 磷矿为基准，计算矿中各组分的量。p2o5： （26.84/1001000）/142=1.89molcao： 402.3/56=7.18molfe2o3： 27/160=0.17molal2o3： 40.3/102=0.40molmgo： 15.0/40.32=0.37mo

45、lco2： 57.8/44=1.31molf： 26.5/19=1.39molai： （以 sio2 计）144.3/60=1.91mol将以上结果列表如下：组分p2o5caofe2o3al2o3co2fmgoai%26.8440.232.704.035.782.651.5011.43mol/kg矿1.897.180.170.401.311.390.371.91将化学分析结果按矿中可能存在的化合物形式组成各种化合物，并计算各物质的量。ca5f(po4)3。磷矿中 1.5mol p2o5相当于 1mol ca5f(po4)3，故ca5f(po4)3=1.89/1.5=1.26molcaf2。磷矿

46、中 1.39mol，其中 1.26mol 来自 ca5f(po4)3，故caf2=（1.39-1.26）/2=0.065molmgco3。因 1molmgo 相当于 1mol mgco3,1kg 矿中含 mgo0.37mol，故mgco3=0.37molcaco3。矿中 cao 为 7.18mol，扣除 ca5f(po4)3中 cao 51.26mol 以及 caf2中cao0.065mol 后，剩下应为 caco3，故caco3=7.18-（51.26+0.065）=0.82mol将计算结果列表如下组分ca5f(po4)3 caco3 mgco3 fe2o3 al2o3 caf2 sio2m

47、ol/kg 矿 1.26 0.82 0.37 0.17 0.40 0.065 1.91下面计算的标准反应热是从反应物和生成物的标准生成热得到的。各种物质的标准生成热均写在反应式中该物质的下方。 ca5f(po4)3（s）+5h2so4（98%）+10h2o( l )-6872 -5815 -10286山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 195caso42 h2o（s）+3h3po4（30%）+hf（ aq ）-52023 -31292 -316h1= -(52023+31292+316)-(-6872-5815-10286)=-500kg/mol ca5f(po4)3 caf2

48、 ( s )+ h2so4（98%）+2h2o（1）-1215 -815 -22865caso42 h2o（s）+2hf( aq )-2023 -2316h2= -(-2023+-2316) -(-1215-815-2286)=-53 kj/mol caf2 hf( aq ) + 1/6sio2( s ) -316 -1/68411/6h2sif6（aq）+2/6 h2o( l )-1/62331 -2/6286h3=-(1/62331+2/6286)-( -316+1/6841)=-27.7 kj/mol hf fe2o3 +2h3po4（30%）+ h2o( l ) -824 -21292

49、 -2862 fe po42 h2o（s）-21871h4=-21871-( -824-21292-286)=-48 kj/mol fe2o3 al2o3 (s )+ 2h3po4（30%）+ h2o( l ) -1610 -21292 -286 2al po42 h2o（s）-22353h5= -22353-（-1610-21292-286）=-226 kj/mol al2o3caco3 (s )+ h2 so4（98%）+ h2o( l ) -1207 -815 -286caso42 h2o（s）+ co2（g） -2023 -394h6 =-(2023+394)-( -1207-815-

50、286)=-109 kj/mol caco3 mgco3 (s )+ h2 so4（98%）山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 20 -1110 -815 mg so4（aq）+ h2o( l ) + co2（g）-1369 -286 -394h7=-(1369+286+394)-(-1110+815)=-124kg/mol mgco3根据每千克磷矿各反应物的量，计算 1kg 矿的反应热：hr=1.26(-500)+0.065(-53)+1.26(-27.7)+0.17(-48)+0.40(-226)+0.82(-109) +0.37(-124)=-902kj/kg 矿（2）稀

51、释热的计算 在计算磷矿酸解过程的反应热3时，参加反应的硫酸和磷酸都是采用始末态世纪浓度的标准生成热。按照盖斯定律，定压反应热只与始末态有关，因而不应该在计稀释热。但所加过量硫酸部分则应计算稀释热。酸解矿的理论用酸量是按矿中的 cao 计算的，没有考虑消耗 mgco3的硫酸，因而还用扣除 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 105%，1kg 矿实际用98% h2 so40.754kg。因此 h2 so4的理论过量亦应为：0.754（0.005/1.05）0.98=0.0352kg/kg 矿。1kg 矿中有 mgco30.37mol，消耗 h

52、2 so4也应是 0.037mol，即：0.03798/1000=0.036kg因此实际过量硫酸为零。故作热衡算时可不计硫酸稀释热。（3）热量衡算物料衡算流量物流量和相关各物质的比热容数据如下：编号物料名称流量（kg/h）温度/比热容/(kj/kgk)1磷矿粉（26.84% p2o5）2670250.7702硫酸（98% h2 so4）2013.18251.4453稀磷酸（16.3% p2o5）10426.35703.5064酸解料浆14418802.7455co2（g）154.8700.8436sif4（g）2.7700.7087h2o( g)53470汽化热 2625 kj/kg输入热量山

53、东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 21a.磷矿粉带入湿热：q1=26700.77025=0.514106kj/hb.硫酸带入湿热q2=2013.181.44525=0.073106 kj/hc.稀硫酸带入湿热：q3=10426.353.50670=2.559106 kj/hd.化学反应热q4=9022670=2.408106 kj/he 搅拌器做功转变为热量：酸解槽共 9 台搅拌浆，实测功率平均为 16kw，设这部分功全变为热反应为：q5=1693600=0.518106 kj/hq输入=q1+ q2+ q3 +q4+q5=6.687106 kj/h输出热量a.酸解料浆带出热

54、q6=144182.74580=3.166106 kj/hb.co2气体带出热 q7=154.80.84370=0.009106 kj/hc. sif4气体带出热 q8=2.70.78770=0.00001106 kj/hd.水蒸气带出热 q9=5342625=1.402106 kj/he.热损失 设热损失为输入量的 5%q10= q输入0.05=6.0721060.05=0.3036106 kj/hf.冷却空气带走热量q11= q输入-（q6+ q7+ q8+ q9+ q10）=1.191106 kj/h这部分热量全由进入冷却空气以显热形式带出。设进入酸解槽的空气温度为 25，含湿量为 0.

55、015kg 水汽/kg 干空气，鼓风机排除温度为 70。空气比热容为1.03kj/（kgk）则所需空气量：1.191106/1.03（70-25）=25696 kj/h出酸解槽空气的湿含量：h=534/（25696/1.015）+0.015=0.0211山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 22热量衡算结果列于下表：输 入输 出项目名称热量106 kj/h%项目名称热量106 kj/h%磷矿粉带入 硫酸带入稀硫酸带入反应热搅拌功能转换热0.5140.0732.5592.4080.5188.51.242.139.78.5酸解料将带出水分蒸发带出冷却空气带出co2 及 sif4气体带

56、出热损失3.1661.4021.1910.0090.303652.10.219.623.15合计6.072100合计6.072100山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 23第五章第五章 设备计算与选型设备计算与选型5.1 搅拌釜的设计5.1.1 罐体和夹套的设计计算1 筒体和封头形式的选择 在固-液系统中搅拌的主要目的是固体颗粒在液体中的均匀悬浮，降低固体颗粒周围的扩散阻力即促进固体颗粒在液体中的溶解。在低粘度牛顿型液体中的固体或固体溶解要求搅拌器的溶液循环好，而且剪切作用只居次位，因此首选涡轮式搅拌器，槽体为两个用钢筋混凝土捣制的同心圆筒组成内筒与外筒的比例一般按 1：3 进

57、行分配，即外筒的容积为内筒的 8 倍外筒的料浆溢流到内筒后再泵送去过滤。同心圆环室按相等圆心角设置了 8 台搅拌桨并从工艺上依次相应分为 8 个区；中心圆筒设置 1 台搅拌桨为第 9 区。每个搅拌轴上装有同向双层开启式涡轮搅拌器，9 台浆的方向与搅拌率都相同。除第 1 浆向下翻动外，其余各浆均向上翻动。反应搅拌釜一般选择圆柱形筒体，标准椭圆形封头。2. 筒体的直径和高度 因为容器内的介质为硫酸、磷矿粉。平均反应时间为 5 小时，物料为酸性介质料将密度为 1.46gcm3 介质为液固相物料，选取一般反应釜 h/di。表 5-1 几种搅拌罐的 h/di 值种类罐内物料性质h/di液液相或液固相物料

58、11.3一般搅拌罐气液相物料12发酵罐类1.72.5所以取 h/di=1.3，又因为全容积 m37 .5110346. 15101 .453v反应槽体积： m374. 597 .51v= 51.7 m3 42hdv取 h/d=1.3 =3.1416则m778. 13 . 1*1416. 374. 5*4)/(433dhvd山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 24圆整后取 d=2m所以 h=2.6m选取封头为标准椭圆形封头，标准椭圆形封头的容积为v封头料液封头料液= m305. 12421415. 32433d 由 h=v-v/(/4*d3)=1.493 m 圆整 h 取 hi=

59、2000mm 核算 h/di，h/di=20002000=13.夹套的直径与高度夹套直径 dj 的选取dimm50060070080020003000djmmdi+50di+100di+200由上表可得，夹套的直径为 dj= di+200=2200mm夹套的高度 hj夹套的高度取决于传热面积 f 的要求，一般不低于液面高度故 hjh-v封头42d装料系数通常取 0.60.85 磷矿反应有阻抗性取 0.6hj=0.762m4/4*1415. 305. 174. 5*6 . 0圆整后取 hj=8000mm 校核传热面积 a工艺要求传热面积大于 3，查表得标准椭圆形封头的的内表面积a=0.35 di

60、2=1.4 8000mm 高的筒体的表面积 a=5.0246总传热面积 a=1.4+5.0246=6.426434.内筒体及夹套的壁厚的计算11选择材料确定设计压力由建议分析工艺要求和腐蚀因素，推荐材料为 q-235-a，腐蚀较强，内衬聚乙烯则在150 摄氏度以下许用压力表查得需用压力为 113mpa。常温屈服极限为 235 mpa 夹套为一内压容器，去设计压力等于夹套内最高工作压力 0.1 mpa.内筒体和底封头即受内压又受外压的作用，按内压取设计压力等于夹套内最高工作压力 0.2 mpa，按外压取设计压力 0.1 mpa.夹套筒体和夹套封头壁厚计算a 夹套筒体计算厚度 应力要求c 外压试验