产2万吨硫酸法磷酸生产工艺

1、aaa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：磷酸湿法制磷酸工艺设计三废ABSTRACTTheaimofthisdesigni

2、s20,000tonperyearmanufacturingthephosphoricacidusingwetmethodwithsulfuricacid.Thephosphoricacidforthestrongtribasicacid,hasacidallgeneralcharacteristics,undertheroomtemperaturethephosphoricacidchemicalpropertyisverylively,underthehightemperaturethephosphoricacidmayhasthechemicalreactionwiththemajori

3、tyofmetalsandtheoxidecompound.First,thisarticleintroducethecharacterofthephosphoricacidanditsapplication.Wedesignthemethodofmanufacturingisthephosphoricacid,itsnameisthemanufacturingthephosphoricacidwithwetmethod.wealsodetailmaterialandtheenergygraduatedarmcalculatedwhichisthebaseofdesignthedevices.

4、Inthedesignalsoincludestheflowchart,theequipmentassemblydrawing,theworkshopgeneralarrangement,theequipmentgeneralarrangementplan.Involvesrawmaterialandthepowerconsumptionfixedquantitybudgetaryestimateinthearticle,andtoproducedtheenvironmentalprotectionwhichandthesecuritymeasureexistedhascarriedonthe

5、simpleintroduction.Keywords:phosphoricacid;themanufacturingofphosphoricacidwithwetmethod;technologicaldesign;thethreepolluthion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。lmolHPO在1mol水中的熔解热为347.285J/mol，而在100mol水中

6、则增大为22.0446J/mol。磷酸溶液的密度与粘度在一定温度下，均随磷酸中PO含量的增加而增加。在7525摄氏度下，当从19.6%PO增加到70.5%PO时，磷酸水溶液的粘度相应从25251.976*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PO含量，PO%。25251.1.2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HPO。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

7、34酸、四聚磷酸、偏磷酸和多聚偏磷酸等。磷酸是三元酸，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：HPOH+HPO4-342K=0.93*10-21HPO4-fH+HPO2-24HPO2H+PO3-K=0.99*10-82K=1.8*10-12144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

8、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。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。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。用于工业磷级酸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

9、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

10、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。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。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、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

11、技术的进步，湿法磷酸也用于品级磷酸盐的生产。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，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

12、、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。第二章湿法磷酸生产方案的确定磷酸的生产方法湿法磷酸用酸(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：CaF(PO)+5HSO+nHPO+aq=(n+3)HPO+5GaSO.mHO+HF+aq54324343442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

13、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，贝I多余的热量正好补偿自然热损失.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

14、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：P+10CO+10O=PO+10CO424102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：PO+2HOf4HPO41023HPO+HOfHPO3234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

15、烧，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454523t条件下，与为理论量120%130%的空气混合，使磷蒸汽和磷化氢气体氧化，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：P+16HO=4HPO+10H42342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

16、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PO的热25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PO与水

17、化合生成磷酸。塔25中流出的磷酸浓度微微86%88%HPO，酸的温度约为85，出酸量为总量的3475%。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%HPO，其量约为酸总量的25%。34从水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3035t.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。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

18、发展状况，尤其是二水法制磷酸。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。湿法磷酸生产中，硫酸分解磷矿是在大量磷酸溶液介质中进行的：CaF(PO)+5HSO+nHPO+aq=(n+3)HPO+5GaSO.mHO+HF+aq54324343442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

19、，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.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1，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PO回收率和25最地的硫酸消耗量。这就在要求分解磷矿部分硫酸耗量

20、要低，磷矿分解率要高，并尽量减少由于磷矿颗粒被包裹和HPO2-同晶取代了SO2-所造成的PO损失。在分离部4425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PO损25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so浓度3液相so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3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HPo2-晶格上4取代so2均有很大影响。4一般认为，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0.0

21、150.025g/ml.矿种不同，操作控制的SO范围也有一些差异，3应根据实验情况做适当的调整。操作的要点是控制液相中SO浓度，使其波动尽可能3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;半水物流程一般为95105C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

22、热量，并要求在生产操作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PO浓度稳定，25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PO浓度由硫酸钙-五氧化二磷-水体系平衡图确定。一般在二25水法流程中，当操作温度控制在7080范围内，料浆中PO浓度为25%30%;25含杂质较多的磷矿料浆中PO浓度为22%25%。控制反应料浆中磷酸浓度，就在25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

23、量过高，会使料浆粘度增高，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

24、于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。第三章湿法磷酸生产流程及主要设备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

25、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

26、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。第四章湿法磷酸的物料及热量衡算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12）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。aa3）列出已知条件规模两万吨每年磷酸生产年操作日300天每天22.5小时磷矿化学组成组成POCaOFeOAlOMgO252323%26.8440.232.704.03FCOAI21.502.655.7811.43硫酸为98HSO用量为理论量的10524转化率磷矿中主要组分进

27、入磷酸中的百分率组分POFeO25239645洗涤率97.5成品磷酸质量分数料浆液固比3：1AlOMgO236010022PO25机械损失2.5（磷酸溶液）水分蒸发量20kg/100kg磷矿氟分配相态气相液相固相17损失10370(11)滤饼含湿量湿基）滤饼过滤后滤饼一洗滤饼4535(12)二洗液PO含量2254）选取计算基准二洗滤饼25废气成品酸机械损失二水石膏100kg磷矿（5）进行物料衡算全系统平衡磷矿100|全HSO系24统aaaaA进料a磷矿J=100b硫酸J=40.23*98*1.05/56*0.98=75.4kg2c浠水J=?3B出料a成品磷酸Cl=26.84100%(100%9

28、6%)(100%97.5%)2.5%/22%=111.0kg其中SO%=75.4*0.05*0.98/1.05*80/98*95%/111.0=2.46%3FeO%=2.70*45%*95%/111.0=1.04%23AlO%=4.03*605*95%/111.0=2.07%23MgO%=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POSOFeOAlOMgO2532323%22.002.461.042.071.282F1.59逸出废气CCO100*5.78%=5.8k2标准状况下的体

29、积V=5.8*22.4/44=3.0CO2F100*2.65%*3%=0.079kg折合SiF0.079*104/76=0.1kg4标准状况下的体积V=0.1*22.4/104=0.02m3SiF4水汽100*0.20=20.0kk标准状况下的体积V=20.0*22.4/18=24.9m3水汽C=5.8+0.1+20=25.9k2标准状况下废气的体积3.00.0224.9=27.9m3c机械损失2.5%C=26.84*2.5%/22%=3.1k，其中PO0.67k325d磷石膏(a)石膏值=40.23X172/56+11.43=135.0kg湿石膏量(含湿量25%C4=135.0/(1-0.2

30、5)=180.0kg其中液相45kg总出料量：刀C=C+C+C+C=111.0+25.9+3.1+180.0=320.0k1234刀C=RJ,即175.4+J=320.03加水量J=320.0-175.4=144.6k3酸解系统平衡磷矿废气酸解系统HSO24酸解料浆稀磷酸进料磷矿JjlOOkg硫酸J2=75.4kg稀磷酸J3=?出料废气C1=25.9kg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C=135.0X（1+3）=540.0kg2其中固相135.0kg，液相565.5kg出料总和刀C=C+C=25.9+540.0=565.9kg12?EC=EJ，即175.4+J=

31、565.53返回系统稀磷酸J=565.9-175.4=390.5kg3过滤系统平衡料浆成品磷酸滤饼机械损失进料酸解料浆J=540.0kg出料成品磷酸C=111.0kg过滤滤饼（含水分45%）C=135.0/（1-0.45）=245.5kg2其中固相135.0kg，液相110.5kg机械损失C3=3.1kg（磷酸）用于配酸用的溶液C=?4出料总和：刀C=C+C+C+C1234=111.0+245.5+3.1+C4=359.6+C4?EC=EJ,即540.0=359.6+C4:.C=540.0-359.6=180.4kg4二次洗涤平衡进料洗水J=144.6kg洗石膏(含水分35%)J=135.0/

32、(l-0.35)=207.7kg2其中固相135.0kg，液相72.7kg出料二洗石膏C=180.0kg二洗液C=?2出料总和刀C=C+C=180.0+C122?EC=EJ，即352.3=180.0+C2.二洗液C=352.3-180.0=172.3kg2一次洗涤平衡进料过滤滤饼J=245.5kg二洗液J=172.3kg2进料总和刀J=J+J=245.5+172.3=417.8kg12出料洗滤饼C=207.0kg一洗液C=?2出料总和刀C=C+C=207.7+C122?EC=EJ,即417.8=207.7+C2.一洗液C=417.8-207.7=210.1kg2PO平衡25磷矿中PO量=26.

33、84kg25石膏中PO=26.84X(1-96%)=1.07kg25不容量酸解料浆中的PO=405x22%=89.10kg25水容量返回稀磷酸中的PO=89.10+1.07-26.84=63.33kg25水容量返酸质量分数=63.33/390.5X100%=16.2%成品酸中PO=111.0X22%=24.42kg25水容量配酸用滤液浓度与成品酸相同，所含的PO一=180.4X22%=39.6925水容量过滤滤饼液浓度与成品酸浓度相同，所含的PO=110.5x22%=24.31kg25水容量洗液中含PO=返酸中PO一配酸滤液中PO25水容量25水容量25水容量=63.33-39.69=23.6

34、4kgI一洗液质量分数=23.64/210.1X100%=11.3%J.二洗液中PO=172.3X2%=3.45kg25水容量K.一洗滤饼中PO=24.31+3.45-23.64=4.12kg25水容量二洗滤液中PO=4.12-3.45=0.67kg25水容量(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：(20000X103)/(300X22.5)=2963kg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

35、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%PO)：25废气25.9单位：kg丰其中CO25.8SiF0.14HO20.02返冋稀磷酸（16-2PO）25390.5硫酸(98%)75-4磷矿100卜(总PO26.84)25成品酸(22%P2O5)111.0-料浆固相液相不溶性PO25水溶性PO25过滤540.0（水溶性PO63.38）、25135.04051.0789.10配酸（22%PO）25aaa（水溶性PO4.42）25机械损失3.

36、1180.4（水溶性PO39.69）25滤饼固相水溶性PO0.68液相25不溶性PO25水溶性PO25二洗液（2%PO）25172.3滤饼固相水溶性PO3.45液相25不溶性PO25水溶性PO25245.5135.0110.50724.31一洗液（11.3%PO25210.1207.7（水溶性PO23.64）25135.072.71.074.12洗水144.6石膏18.0固相135.0液相45.0不溶性PO1.0725水溶性PO0.672图4-1湿法磷酸物料平衡图（一）（以100kg磷矿为基准）上述主要原料的消耗定额列于表4-2(总PO716.6)25料浆14418(水溶性PO1692.246

37、)25aaaa固3604.5成品酸(22%PO)液相10813.525不溶性PO28.56925水溶性PO2378.97252963.7（水溶性PO118.014）25机械损失82.77滤饼固相配酸(22%PO)254816.686554.85(水溶性PO1059.723)253604.5液相2950.3528.5695649.0775一洗液5609.67水溶性PO18.15625不溶性PO2水溶性PO11.3%PO)252二洗液(2%PO)254600.41滤饼广固相/液相水溶性PO92.115不溶性PO一一I2水溶性PO25洗255545.59(水溶性PO631.188)253604.5,

38、28.5695110.004洗水3860.82石膏固相液相不溶性PO5水溶性PO25480.63604.51201.528.569丿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.

39、0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5.9212.753表4-2主要原料消耗定额4.2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(25t,0.1013MPa)与参考温度下的反应热(0C,0.1013MPa)之间的差别。(1)反应热的计算以lkg磷矿为基准，计算矿中各组分的量。P2O5：(26.84/100X1000)/142=1.89molCaO：402.3/56=7.18mo

40、lFe2O3：27/160=0.17molAl2O3：40.3/102=0.40molMgO：15.0/40.32=0.37molCO2：57.8/44=1.31molF：26.5/19=1.39molA：i(以SiO2计)144.3/60=1.91mol将以上结果列表如下：组分PO25CaOFe2O3Al2O3CO2FMgOAi%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。CaF(PO)。磷矿中1.5molPO相当于

41、lmolCaF(PO)，故TOC o 1-5 h z54325543CaF(PO)=1.89/1.5=1.26mol543CaF。磷矿中1.39mol，其中1.26mol来自CaF(PO)，故543CaF=(1.39-1.26)/2=0.065mol2MgCO。因ImolMgO相当于lmolMgCO,1kg矿中含MgO0.37mol，故33MgCO=0.37mol3CaCO。矿中CaO为7.18mol，扣除CaF(PO)中CaO5x1.26mol以及CaF5432中CaO0.065mol后，剩下应为CaCO，故3CaCO=7.18-(5x1.26+0.065)=0.82mol3将计算结果列表如

42、下组分CaF(PO)543SiO2CaCO3MgCO3FeO23AlO23CaF2mol/kg矿1.261.910.820.370.170.400.065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。CaF(PO)(s)+5HSO(98%)+10HO(l)fTOC o 1-5 h z543242-6872-5x815-10 x2865CaSO2HO(s)+3HPO(30%)+HF(aq)234-5x2023-3x1292-316Ho=-(5x2023+3X1292+316)-(-6872-5x815-10 x286)1=-500kg/

43、molCaF(PO)43CaF(s)+HSO(98%)+2HO(1)f242-12155CaSO24-2023-815-2X286HO(s)+2HF(aq)2-2X316Ho=-(-2023+-2X316)-(-1215-815-2X286)2=-53kJ/molCaF2HF(aq)+1/6SiO(s)f2-316-1/6X8411/6HSiF(aq)+2/6HO(l)262-1/6X2331-2/6X286Ho=-(1/6X2331+2/6X286)-(-316+1/6X841)=-27.7kJ/molHF3FeO+2HPO(30%)+HO(l)f23342-824-2X1292-2862F

44、ePO2HO(s)42-2X1871Ho=-2X1871-(-824-2X1292-286)=-48kJ/molFeOTOC o 1-5 h z23AlO(s)+2HPO(30%)+HO(l)f23342-1610-2X1292-2862AlPO2HO(s)42-2X2353Ho=-2X2353-(-1610-2X1292-286)=-226kJ/molAlOTOC o 1-5 h z23CaCO(s)+HSO(98%)+HO(l)f242-1207-815-286CaSO2HO(s)+CO(g)22-2023-394Ho=-(2023+394)-(-1207-815-286)=-109kJ/

45、molCaCO63MgCO(s)+HSO(98%)f24-1110-815MgSO(aq)+HO(l)+CO(g)22-1369-286-394Ho=-(1369+286+394)-(-1110+815)=-124kg/molMgCO73根据每千克磷矿各反应物的量，计算1kg矿的反应热：Ho=1.26(-500)+0.065(-53)+1.26(-27.7)+0.17(-48)+0.40(-226)+0.82(-109)r+0.37(-124)=-902kJ/kg矿（2）稀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

46、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MgCO的硫酸，因3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%HSO0.754kg。因此HSO的理论过量亦应为：24240.754X（0.005/1.05）X0.98=0.0352kg/kg矿。1kg矿中有MgCO0.37mol，消耗HSO也应是0.037mol，即：3240.037X98/1000=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

47、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/c比热容/(kJ/kgk)1磷矿粉(26.84%PO)252670250.7702硫酸(98%HSO)242013.18251.4453稀磷酸(16.3%PO)2510426.35703.5064酸解料浆14418802.7455CO(g)2154.8700.8436SiF(g)42.7700.7087HO(g)253470汽化热2625kJ/kg输入热量磷矿粉带入湿热:Q=2670 x0.770 x25=0.514X106kJ/h硫酸带入湿热Q=2013.18Xl.445x25=0.073Xl06kJ/h稀硫酸带入湿热

48、：3=10426.35X3.506X70=2.559X106kJ/h化学反应热Q=902X2670=2.408X106kJ/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=16X9X3600=0.518X106kJ/hQ输入=Qi+Q2+Q3+Q4+Q5=6*687X106kJ/h输出热量酸解料浆带出热Q=14418X2.745X80=3.166X106kJ/h6CO气体带出热2Q=154.8X0.843X70=0.009X106kJ/hSiF气体带出热4Q=2.7X0.787X70=0.00001X106kJ/h水蒸气带出热Q=534X2

49、625=1.402X106kJ/h9热损失设热损失为输入量的5%Q10=Q输入X0.05=6-072X106X0.05=0.3036X106kJ/hQ11=Q冷却空气带走热量输入-(Q6+Q7+Q8+Q9+Q10)=1*191X106kJ/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25r，含湿量为0.015kg水汽/kg干空气，鼓风机排除温度为70r。空气比热容为1.03kJ/(kgK)则所需空气量:1.191X106/1.03X(70-25)=25696kJ/h出酸解槽空气的湿含量：H=534/(25696/1.015)+0.015=0.0211热量衡算结果列于下表

50、：输入输出项目名称热量X106kJ/h%项目名称热量X106kJ/h%52.8.5磷矿粉带入0.51411.2酸解料将带出3.166硫酸带入0.0730.242.水分蒸发带出1.402稀硫酸带入2.55919.1冷却空气带出1.191反应热2.408639.CO及SiF气体带出0.009搅拌功能转0.5182423.7热损失0.3036换热18.55合计6.072100合计6.072100第五章设备计算与选型搅拌釜的设计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

51、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。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1.46g/cm3介质为液固

52、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一般搅拌罐液一液相或液一固相物料11.3气一液相物料12发酵罐类1.72.5所以取H/Di=1，3又因为全容积八45甥器=517m3反应槽体积：.=罟=574m3=51.7m3取H/D=1.3n=3.14164*57445.74=1.778m3.1416*1.3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=兀D3封头料液243.1415x2324=1.05m3由H=V-V/(n/4*D3)=1.493m圆整H取H=2000mmI核算H/Di,H/Di=2000/2000=1

53、夹套的直径与高度夹套直径Dj的选取Di/mm50060070080020003000Dj/Di+50Di+100Di+200mm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/竺封头4装料系数通常取0.60.85磷矿反应有阻抗性取0.6Hj=0.6*5.74-1.05=0.762m3.1415*4/4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=0.35D2=1.4m2i8000mm高的筒体的表面积A=5.0246m2总传热面积A=1.4+5.0246

54、=6.42643m2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235Mpa夹套为一内压容器，去设计压力等于夹套内最高工作压力0.1Mpa.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0.2Mpa，按外压取设计压力0.1Mpa.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外压试验校核已计算当内筒筒体取7mm，他的许用因为夹套采用双面焊，局部探伤。由表知，夹套筒体计算厚度为1.147m。去钢板的负偏差为C

55、20.25mm腐蚀裕量CQmm故厚度附加量C为2.25mm1.147+2.25=3.397mm圆整后取4mmB夹套封头壁厚夹套封头壁厚与夹套筒体壁厚相同均为4mm内筒体壁厚计算按承受0.2Mpa内压计算其焊缝系数与夹套相同，取系数为0.85，贝I内筒体计算壁厚为2.08mm按承受0.23Mpa外压计算A设内筒体名义厚度为10mm，取C=0.25mmC=2mmC=C+C2.25mm1212=10-2.25=7.75mm内筒夕卜半径1000+20=1020mm内桶计算长度为970mm.L/D=0.951D/e=131.6.查图可得A=0.00096又有图可得B=115Mpa故取名义厚度为10mm不

56、合适B.再假设名义厚度为7mm取C=0.25mmC=2mmC=C+C2.251212=7-2.25=4.75mm内筒体外径1014mm内筒体计算长度为969mmL/D=0.95D/e=213.5查图可得A=0.00048又有图可得B=67Mpa故取名义厚度为7mm可满足设计要求。内筒封头壁厚计算考虑到加工制造方便，取封头与筒体壁厚相等，即取封头名义厚度为7mm按内压计算肯定是满足要求。仅按封头受外压情况进行校核。风头有效厚度为4.75mm，椭圆形风头的当量球壳外半径R=KD010对于标准椭圆形封头K=0.9而D=1014mm则R=912.6mm100计算系数0.00065查图可得92Mpa封头

57、壁厚取7mm可满足稳定性要求。水压试验校核12a试验压力内筒试验压力取0.3Mpa夹套试验压力取0.34Mpab内压试验校核内筒筒体应力t=0.3(2000+4.75)/(2*4.75)=63.3夹套筒体应力t=0.4*(2200+(4-2.25)/(2*(4-2.25)=117.5内筒体外筒体均满足水压试验的外压为0.314Mpa小于夹套0.4Mpa的水压试验压力，故在夹套的试验压力时，必须在内桶内保持一定压力，以使整个实验过程中的任意时间内，夹套和内筒的压力差不超过允许压差。5.1.2支座的选择夹套反应釜多为立式安装，最常用的支座为耳式支座，由于需要反应搅拌釜恒温为70100*设备需要保温

58、，应该选择B形耳式支座。5.1.3手孔校核试验手孔是用来检查设备和偏于安装与拆卸设备内部构件对于公称尺寸100的手孔，外径为108mm厚度为4mm,壳体计算厚度为1.04mm接管的计算厚度为0.112mm开孔直径为104.5mm椭圆形封头因开孔消弱所需补强面积为97.97mm2有效补强区尺寸为20.45mmB=2*104.5=209mm在有效补强区内，壳体承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积计算A=387.7mm2所以不需要另行补强。15.1.4接管法兰和设备法兰的选择据附表标准凸面形式管法兰公称直径管外径TOC o 1-5 h z2532404565768089100108板式平焊法兰表示

59、方法法兰PL25-1.0RF接管伸长长度一般为法兰密封面到壳体外径为150mm设备法兰JB4701-92与筒体的封头连接的法兰长采用甲型平焊法兰筒体法兰法兰-T1000-0.6凸面封头法兰法兰-A1000-0.6凸面M2010号栓36个，内径为1000mm厚度为8mm罐内搅拌轴的结构设计搅拌装置选用的搅拌器应为涡轮式搅拌器直径约取反应釜筒体内径的1/41/3l/4Di=500mm;l/3Di=666.66mm;直径可取600mm;切向线速度可达515m/s;转速为300600r/min该反应器的搅拌轴转速为200r/min,般小直径转速高，大直径转速低涡轮式式搅拌器常用铸铁、铸钢整体铸找加工方

60、便，而采用焊接需模锻后再与轴套焊接加工比较困难，采用M12螺钉。2.搅拌轴的计算轴的强度计算搅拌轴的材料常用45号钢，取许用剪切应力35Mpa随剪切应力变化的参数A=112，d30.40mm45号钢在P=4KW。N=200r/min时查表5-13可得d=32mm轴径符合要求轴的刚度计算P=4KW。N=200r/min时查表5-15可得d=41mm在选取轴颈时，应同时满足刚度和硬度两个要求且按强度计算的轴径较之强度计算较大，故通常以刚度条件确定轴径。若轴的对象开对传销孔。轴颈应增加15%以上。搅拌轴的临界转速的计算反应釜的搅拌轴工作转速在200r/min以上，都要对州的临界转速进行计算，本设计不