年产15万吨湿法磷酸工程项目工艺设计.doc

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1、目 录摘要IV第一章 总论1第一节 湿法磷酸生产的发展历程1第二节 产品说明31.2.1磷酸的物理性质：31.2.2 磷酸的化学性质：41.2.3磷酸的产品规格5第三节：原料说明71.3.1磷矿7第四节 磷矿质量的评价91.4.1.磷矿的品位91.4.2 磷矿中有害杂质含量101.4.3磷矿的可选性121.4.4磷矿的反应活性、抗阻缓性及发泡性131.4.5.磷矿质量的综合评价13第五节 湿法磷酸的生产对磷矿的要求13第六节 硫酸151.6.1 硫酸的物化性质151.6.2硫酸用途161.6.3 湿法磷酸生产对硫酸的要求17第七节 磷酸在国民生产中的重要性181.7.1用于化学肥料的生产181

2、.7.2用于工业级磷酸盐生产191.7.3用于饲料级磷酸盐的生产191.7.4用于食品级磷酸盐的生产20第八节 建厂位置的选择20第九节 全厂生产路线的选择论证231.9.1工艺路线介绍：231.9.2 工艺要求231.9.3 主要系统的介绍24第十节 年工作日和年工作制度的确定26第二章 工艺部分27第一节 湿法磷酸生产的基本原理272.1.1 湿法磷酸生产的主要化学反应27第二节 湿法磷酸生产过程中的相平衡282.2.1硫酸钙在CaSO4-H3PO-H2O三元体系相平衡282.2.2硫酸钙在CaSO4-H3PO-H2SO4-H2O四元体系中的相平衡292.2.3硫酸钙在CaSO4-H3PO

3、-H2O三元体系中的转化动力学31第三节 磷酸的生成过程322.3.1 磷矿的酸解过程322.3.2 硫酸钙的结晶过程33第四节 湿法磷酸生产方法的选择论证342.4.1生产工艺的确定352.4.2 磨矿362.4.3 反应料浆的冷却(方法)362.4.4消泡方法的确定37第五节 工艺流程图示意图的绘制38第六节 设备的选择论证392.6.1球磨机392.6.2反应槽402.6.3过滤机40第七节 工艺操作条件的确定412.7.1酸解过程工艺条件的选择412.7.2 过滤过程工艺条件的确定45第三章 二水物湿法磷酸工艺计算47第一节 物料及热量计算47第二节 设备计算62第四章 非工艺部分设计

4、654.1地面水污染654.2大气污染664.2.1 粉尘664.2.2 二氧化硫664.2.3氟化物674.3废气的洗涤67参考文献69致谢70年产15万吨湿法磷酸工程项目工艺设计（重点设计：萃取和过滤工序）摘要本设计主要介绍了采用硫酸分解磷矿（湿法磷酸）制取磷酸。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、结晶过程、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

5、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。With an annual output of 150，000 tons of WPA projects process design( foucs extraction and filtration processes )Abstractthis design mainly introduced uses the sulfuric acid decomposition phosphorus ore (aqueous method phosphoric acid) the system to take the ph

6、osphoric 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 we

7、ll 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 crystal process, the production method choice, the craft condition determination, the equipment choice, Mater

8、ial 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 produc

9、tion flow chart. Key word: Aqueous method phosphoric acid, technological design, process design第一章 总论第一节 湿法磷酸生产的发展历程 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

10、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

11、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。实际人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。 三十年代以后。 已有不少的专家注意到直接生产浓磷酸工艺的研究，除拉森流程以外，1930年诺登格伦及共同事也获得了无水物流程及半水物沉程的专利。 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

12、,它的特征表现在： (1)新的生产流程不断涌现,逐步取代了三十年代的道尔流程。虽然在生产上绝大部分依旧采用二水物流程，但是这些新流程在技术上、设备上都有自己的特色。(2)产设备上不断地更新，提高了生产强度。在此时期提出了不少新型的反应单槽，结构紧凑节省动力，完全取代了沿用的阶梯式多槽，对过滤机进行的改进尤为显著，先后出现了道尔沃里弗(DWvoliver)盘带式过滤机、普朵昂倾覆盘式过滤机以及水平转台式过滤机等，它们的操作性能及生产强度都较转鼓式过滤机及带式过滤机为优。(3)加强了理论研究。对湿法磷酸的反应过程及硫酸钙的结晶机理进行了大量研究为有效地推动湿法磷酸的快速发展起了积极的作用。 六十年

13、代期间,湿法磷酸生产技术发展的标志是扩大单系统生产的规模，以及工艺流程的选一步改革。随着湿法磷酸需要量的大幅度增加，磷酸生产中单系统的规模日益增大,其目的除增加产量以外，力求降低生产中的间接成本, 在此期间已经出现了日产1000吨P2O5。的单系统生产装置同时也完善了生产操作的自控水平,这一切使湿法磷酸工业步入了现代化的大型生产。 工艺流程改革具体表现是再结晶工艺流程大量出现，提高了磷的得率和磷石膏的质量。首先提出的是被称为“日本式流程”的一步法半水二水再结晶流程，而后则是普莱昂公司的二半水再结晶流程。 这些流程虽然不能提高磷酸的浓度，但是它们的出现证明工业上实现硫酸钙的“再结晶”过程是可能的

14、,而且是优越的。六十年代末及七十年初期，磷酸工业中又出现了一大批能生产40-50P2O5的浓磷酸的二步法半水二水再结晶流程，这些流程可同时实现磷酸浓度高*得率高及石膏质量纯的目的，这些都是湿法磷酸生产中长期以来未能实现的愿望。到目前为止，二步法流程虽然还存在某些困难，建成的工厂还为数不多，但它是湿法磷酸生产技术发展的必然结果，前景是很有希望的。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

15、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。1第二节 产品说明1.2.1磷酸的物理性质：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1

16、50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%；磷酸与水的相图中还存在半水物H3PO40.5H2O结晶区，熔点21.3，含P2O5 91.6%.H3PO4H2O体系的相图示于下：图1.1H3PO4H2O体系的相图半水物磷酸与冰的低共熔点为-85，该点的磷酸含量为62.5% H3PO4.磷酸作为商品运输时的含量一般为75% H3PO4或85% H3PO4，溶液的冰点分别为-20及-21，底于此温度时会有半水物结晶析出.含量超过100% H3PO4时进入无结晶区，包括一组链长不同的缩合磷酸，以焦磷酸H4P2O7为起点，接着是三聚磷酸H5P3O1

17、0、四聚磷酸H6P4O13等饱和区域.2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.将磷酸继续浓缩可以得到一组恒沸点混合物，它的组成为91.1%92.1% P2O5，溶液的蒸汽压将从13.87kpa增至100.39kpa，相应的沸点从694提高到869.其水溶液的蒸汽压p与溶液组成% P2O5及沸点

18、T的关系可表示如下： kpa式中P2O5在60%95%之间.接近1000时，磷酸蒸汽将离解成H2O与P4O10焦磷酸H4P2O7的熔点为61，熔融后很难重结晶，在室温下，熔融后的焦磷酸的固化时间很长，要几周或几个月。这主要是由于焦磷酸已被离解成正磷酸与多磷酸的混合物。10 偏磷酸HPO3n为一无定形磷酸的混合物，也是一个恒沸点混合物.在72%80% P2O5时，偏磷酸为一油状液体；在80%89% P2O5时，呈焦油状或脂肪状；高于90% P2O5时呈透明玻璃状.任何组成的聚合磷酸溶解于水均水解成正磷酸，水解速度决定于水解温度：25时形成正磷酸，温度提高到100时，几分钟就完成了.因此，可以在室

19、温下研究聚磷酸在水溶液中的性质.磷酸的稀释热随着稀释倍数的增大，例如：1mol H3PO4在1mol水中的溶解热为7.285J/mol，而在100mol水中则增大为22.046J/mol.磷酸溶液的密度与黏度在一定温度下，均随磷酸中P2O5含量的增加而增加.在75下，当从19.6%增加到70.5%时，磷酸水溶液的黏度相应从1.976*10-3Pas增加到59.24*10-2Pas，而密度则从1.15 gcm-3 增加到1.49gcm-3.磷酸水溶液（10%)。磷矿中MgO含量已成为酸法加工评价磷矿质量的主要指标之一.国外生产厂家对MgO含量的要求是很严格的.中国磷矿中MgO含量明显偏高,对磷酸

20、、磷铵的生产和其他酸法磷肥生产都带来不利影响,因此研究降低MgO含量的富集方法,已成为中国磷矿生产科研中一个重要课题.但含镁高的磷矿对生产钙镁磷肥十分有利,它能降低熔点、减少熔剂加入量。(4)硅及酸不溶物的含量.磷矿中总是含有不等量的SiO2,多以酸不溶物形式存在.在反应过程中不消耗硫酸,部分SiO2还可以使剧毒性的HF变成毒性较小的SiF4气体.在反应过程中,活性较大的SiO2很容易使氢氟酸生成氟硅酸(H2SiF6),后者对金属材料的腐蚀性要比前者轻得多.为此,磷矿中应含有必要的SiO2,当SiO2/F小于化学计量时,还应加入可溶性硅.但过量的SiO2是有害的,一方面湿法磷酸中呈胶状的硅酸会

21、影响石膏的过滤；另一方面增加磷矿的硬度,降低磨机生产能力,增加磨机的磨损。(5)有机物与碳酸盐的含量.大多数磷矿,尤其是沉积型磷矿常含有有机物.有机物含量高会给操作带来很大麻烦.碳酸盐和有机物是反应过程产生气泡；有机物还是反应生成的气体形成稳定的泡沫，泡沫使酸解槽有效容积降低，还给磷矿的反应、料浆输送及过滤造成困难.有机物因炭化而生成极细小的炭粒，极易堵塞滤布减少滤饼孔隙率，是过滤强度降低.此外，有机物还会影响产品酸的色泽。（6）其他组分.氟是磷矿组成中的主要成分，通常与含量按一定的比例而存在，故磷矿中氟含量一般不作为评价的指标.但要注意磷矿中氯的含量.因为氯化氢所造成的腐蚀情况极为严重.当其

22、含量稍高时，对设备材料的要求更高.因此氯根含量在0.05%以上的磷矿，采用酸法加工时，就需要选用特殊的材料.据国外资料报道，酸中氯化物的允许含量为150200mg/kg，氯化物含量较高时，用316或20号合金钢制成的搅拌器或泵只能用几个星期，有时甚至几天便会损坏.一般要求，磷矿中的H2SiF6+HF2%（以F计）时，其氯化物含量不得大于800mg/kg。磷矿中锰、钒、锌等元素的含量一般均很少，对产品质量没有多大影响，而且还是作物需要的微量元素，有一定的肥效.至于铀、铈、镧等稀有元素，长期接触会损害人们的健康，应采取必要的防护措施.由于它们在国防工业上有特殊的用途，因此，当其含量达到120mg/

23、kg时，可在加工过程中加以回收.1.4.3磷矿的可选性有些磷矿虽然品位较低，有害杂质含量较高，直接加工困难，但只要可选性好，通过常规的浮选法或其他较简单的选矿工艺，就可以得到质量较好、成本较低的精矿，仍然是可取的.料浆法磷铵对磷矿质量的要求比传统法稍低，因而对选矿的要求也可降低.有些选矿工艺如擦洗脱泥、光电、重介质浮选及只需要一次粗选的浮选等，方法简单，成本可大大降低，磷回收率又比较高，因此，用这些选矿方法得到的粗精矿，很适合作料浆法磷铵生产的原料。中国磷矿资源和磷矿供应绝大部分是磷块岩，它含有较多的白云石和硅质磷矿物，又多是构造致密的结晶或阴晶磷灰石（又称胶磷矿），因而富集比较困难.对这种磷

24、矿一般先浮选碳酸盐矿物，再浮选磷酸盐矿物，即采用反浮选法.中国还将正浮选法和反浮选法结合选矿，取得了很大进展.此外，将光电、重介质、擦洗脱泥等方法用于这类选矿也很有现实意义.对高碳酸盐磷矿采用煅烧-消化法，对高镁磷矿采用稀硫酸（或稀磷酸）脱镁等化学选矿法，也可因地制宜地选。1.4.4磷矿的反应活性、抗阻缓性及发泡性磷矿的反应活性、抗阻缓性及发泡性将影响设备的生产强度、经济效益和工艺操作指标.测定反应活性可了解磷矿被酸分解的难易及分解速度的快慢，从而为选择适宜的反应时间提供参考.测定抗阻缓性可了解磷矿在硫酸-磷酸混酸中的分解能力及分解速度，可为磷矿细度的选择及液相SO3浓度的选择提供依据.研究发

25、泡特性，可知磷矿在酸解过程中生成刨沫的多少及其稳定性，以便在生产上采取相应措施. 发泡严重的，可加入消泡剂抑制泡沫，以减少物料损失和环境污染，避免降低设备利用率。1.4.5.磷矿质量的综合评价以上分析表明，评价一种磷矿的质量不能只考虑品位的高低，还要对其有害杂质的含量、可选性、反应活性、抗阻缓性及发泡性等进行综合分析评价。磷矿品位的高低在后加工中体现出来的主要是经济因素.因为有些品位太低的磷矿，即使技术上可行，但经济指标太差，也不合适.磷矿中有害杂志的含量常常是决定后加工工艺在技术上是否可行的主要因素.例如某矿品位不低（含P2O529%），但含铁很高（Fe2O3含量达5%8%），且铁的分解率也

26、很高，在酸解反应过程中大部分铁进入磷酸溶液，使得综合料浆的黏度高达1 Pas以上，料浆流动性很差，浓缩操作无法进行.在后加工工艺中，由于有害杂质使技术上不可性时，磷矿品位高低体现的经济性也就不存在了.磷矿品位的高低与有害杂质含量是两个不同的概念，它们之间没有固定的关系.但是在一般情况下，品位高的磷矿含有害杂质量相对也少些。磷矿的可选性、反应活性、抗阻缓性及发泡性等，虽然也是评价磷矿质量的因素，但于磷矿品位及有害杂质含量两个最重要的影响因素相比，是次要的，故一般不作评价，只在特殊情况下才予以综合考虑。5第五节 湿法磷酸的生产对磷矿的要求在湿法磷酸、磷铵的生产中，为了稳定操作、提高技术经济指标、增加工厂的经济效益，通常都希望采用品位高、杂质少、质量稳定的磷矿做原料.工厂的生产规模越大、使用精料的必要性也越大，因为规模越大、单位时间内磷矿需要量越多，对磷矿质量稳定性的要求也越严格，否则正常而稳定的运行就难以维持。磷酸、磷铵生产中，要对原料磷矿的品位及有害杂质的限量提出一个具体要求很不容易.因为既要考虑生产上的需要，有应考虑矿山开采的实际可能.生产客观需要与磷酸、磷铵的生产流程、规模以及磷酸再加工的品种等有关.一般地说，采用二水物流程的工厂，对磷矿质量的要求可以低一些；采用半水物流程制取浓磷酸或生产规模较大的