二水物濕法磷酸工藝計算

第三章二水物濕法磷酸工藝計算第一節(jié)物料及熱量計算（一）工藝計算基礎數(shù)據(jù)1.原料表3.1磷礦（開陽磷礦）組成表組分P2O5CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFCO2其他%32.045.500.501.631.527..641.640.360.403.0140481.02(2)硫酸:選濃度為98%的H2SO42.反應部分工藝數(shù)據(jù)(1)磷礦漿的含水率取36%(濕基)(2)磷礦漿中P2O5的萃取率96.5%(3)磷礦中次要組分在反應過程中的分配如下表3.2磷礦中次要組分在反應過程中的分配表組分CO2FFe2O3Al2O3MgONa2OSiO2K2O其他率酸%╱7091829820101368石膏%╱13918280868732氣相%1001700004003.過濾部分工藝數(shù)據(jù)(1)成品磷酸主要組成:P2O525.5%;游離H2SO43.0%(2)過濾時對成品磷酸的稀釋率取0.5%(3)P2O5的回收率取96.5%(4)率餅的含液量(濕基)1.第一次過濾50%2.第二次過濾39%3.第三次過濾34%4.第四次過濾28%(5)第二次過濾后水溶性P2O5殘留率R1==0.29第三次洗滌后水溶性P2O5殘留率R2=0.15第四次過濾后水溶液中P2O5濃度為1.13%(二)計算過程及結果以1000Kg磷礦(干基)為準:1.磷礦用量：1000kg(干基),磷礦漿量:kg2.硫酸用量:(1)假定磷礦中的MgO全部以MgCO3形式存在,多余的CO2則以CaCO3形式存在，礦中的F及P2O5分別以Ca5F(PO4)3及CaF2形式存在。MgCO3與H2SO4反應生成MgSO4，而MgSO4在磷酸溶液中呈離子狀態(tài)，故計算成品磷酸中游離硫酸時將MgSO4計入，而計算硫酸消耗時不再列入。假定成品磷酸中不含Ca2+（2）計算1000Kg磷酸礦中各種Ca的量。Ca5F(PO4)3100010332.2%=1551.74的量：（）0.5=36.235的量：=406.8469的量：=611.3318(3)各種鈣鹽消耗硫酸量：=721.8620kg的消耗量：kg消耗量：kg(4)成品酸中的游離硫量kg(5)磷礦中含SO3折算成Ｈ2SO4量kg(6)消耗硫酸總計kg折算成93%的Ｈ2SO4為：kg折算成SO3的量為：kg2.成品磷酸組成：(1)成品磷酸中個組分量P2O5=kgSO3=kgFe2O3=kgAl2O3=kgSiO2=kgK2O=kgNa2O=kgMgO=kgF=kg其他=kg（2）總磷酸量：kg（3）成品磷酸中水的計算在磷酸中的水可以分為自由水和結合水兩種，結合水的計算采用陰陽離子平衡方法。非金屬和其他氧化物：SO3SiF4F等。金屬及其他氧化物：Fe2O3Al2O3MgONa2OK2O等。判斷F與Si是否平衡，首先判斷磷酸中F與Si是否平衡，如果是Si過量，則酸中F以SiF62-的形式存在，多余的Si以SiO2的形式存在，如果是F過量，則酸中Si全部以SiF62-的形式存在，多余的F以F-形式存在。=＜0.1667說明F過量。陰離子組物質(zhì)的量：P2O5=kmolSO3=2kmolSiO2=kmolF=[21.07-()]kmol小計：13.1430+0.6719+0.2542+0.3462=14.4153kmol陽離子組物質(zhì)的量：Fe2O3=kmolAl2O3=kmolMgO=kmol假設Na2O及其他物質(zhì)的量均用Na2O的值代替kmolK2O=kmol小計：0.5597+0.7332+0.7974+0.2470+0.01104=2.3483kmol結合水量：（14.4153-2.3483）kg由于在計算干物質(zhì)時以氧原子代替SiF62-、F-等形式等量的氧為：SiO2→SiF6→OkgF→Okg小計：2.03394+2.7697=4.8036kg總干物質(zhì)的量：311.0520+26.8747+14.8830+12.4640+7.6400+0.7200+0.5200+16.0720+21.0700+6.9360+108.6030-4.8036=521.9811kg自由水量：1135.2263-521.9811=613.2452kg（4）成品磷酸組成：表3.3成品磷酸組成表組分SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgONa2OK2O其他結合水自由水P2O5%2.321.291.082.661.831.400.060.050.609.5454.2827.3以上合計102.51調(diào)整-2.51，總計100調(diào)整后成品磷酸的組成：表3.4調(diào)整后成品磷酸的組成表組分SO3Fe2O3Al2O3SiO2FMgO%2.26321.25841.05362.59491.78521.3657組分K2O其他結合水自由水P2O5Na2O%0.04880.58539.306452.534927.30.05854.磷石膏組成（1）磷石膏的組成量（kg）CaO=P2O5=SO3=Fe2O3=Al2O3=SiO2=Na2O=MgO=K2O=F=0其他=結晶水（2）干物質(zhì)中扣除與F相當?shù)难醯奈镔|(zhì)的量為：F→O（3）干物質(zhì)總兩量為：455.6000+10.9480+641.0805+1.4670+2.7360+65.7040+2.8800+0.3280+3.4800+3.9130+3.2640+288.4862-1.6476=1478.1756kg（4）磷石膏的組成表3.5磷石膏的組成表組成CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFP2O5其他結晶水%30.8243.380.100.194.440.020.190.240.260.720.2219.52以上合計100.1，調(diào)整-0.1，總計100表3.6調(diào)整后的磷石膏組成組成CaOSO3Fe2O3Al2O3SiO2MgONa2OK2OFP2O5其他結晶水%30.789243.340.09990.18984.4360.019980.18980.23980.25970.71930.219819.50055.反應料漿量反應后磷酸料漿中固體含量即干物質(zhì)總量為1478.1756kg.已知料漿含固量為33%所以料漿量：kg6.反應過程中排出氣體的量，排出氣體含CO2、HF、SiF4和H2O。各組分的量分別為：CO2：kgSiF4：kgHF：反應槽排出的水與閃蒸冷卻蒸發(fā)水的計算，假定其總和為Skg7.回磷酸量及其組成：對反應槽進行物料衡算，則有回磷酸量+磷礦漿量+硫酸量=磷酸料漿量+反應過程中排出的氣體量+閃蒸冷卻水量+反應槽蒸發(fā)水量回磷酸=4479.32+（44.80+5.2883+1.318）+S+1562.5-871.818=2096.4083+S8.磷酸料漿反應熱（1）Ca5F(PO4)3＋5H2SO4＋2H2O=5CaSO4.2H2O＋3H3PO4＋HF＋Q1Q1=140.6KJ/mol（2）CaF2＋H2SO4＋2H2O=CaSO4.2H2O＋2HF＋Q2Q2=-110.24KJ/mol（3）HF＋1/6SiO2=1/6H2SiF6＋1/3H2O＋Q3Q3=61.25KJ/mol（4）Fe2O3＋2H3PO4=2FePO4＋3H2O＋Q4Q4=47.07KJ/mol（5）Al2O3＋2H3PO4=2AlPO4＋3H2O＋Q5Q5=71.09KJ/mol（6）、CaCO3＋H2SO4＋H2O=CaSO4.2H2O＋CO2＋Q6Q6=34.68KJ/mol（7）、MgCO3＋H2SO4=MgSO4＋CO2↑＋H2O＋Q7 Q7=-42.92KJ/mol（8）、SiO2＋4HF=SiF4＋2H2O＋Q8 Q8=126.30KJ/mol（9）、1000kg磷礦中各組分的物質(zhì)的量①、Ca5F(PO4)3：=1511.7371mol②、CaF2：=36.2353mol③、MgCO3：=406.8469mol④、CaCO3：=611.3318mo⑤、Fe2O3：=102.0664mol⑥、Al2O3：=149.0196mol⑦、生成SiF4所消耗SiO2的量為：=5.2883×103×EQ\F(1,104)=63.5606mol；⑧、生成H2SiF6所消耗HF的量由于磷酸中HF過量，故以SiO2的量計算H2SiF6的量為：=7.4600×103×EQ\F(1,60.1)=127.1215mol；（10）、反應熱：Q==241901.1667kJ；9.硫酸的稀釋熱假如在反應過程中加入反應器的濃硫酸先稀釋到料漿液相的硫酸根濃度，然后再與磷礦反應。稀釋熱計算公式：試中Q＿稀釋熱n1＿稀釋前水與硫酸的摩爾比n2＿稀釋后水與硫酸的摩爾比已知成品磷酸中SO42-為2..9%，過濾操作時磷酸中P2O2濃度被稀釋到0.5%，故磷酸料漿液相中的SO42-濃度為：已知成品磷酸中含自由水52.53%，磷酸料漿液相中含自由水為：（4）(5)93%H2SO4稀釋到2.9529%H2SO4的稀釋熱為：=10.熱損失（1）反應槽熱損失熱輻射系數(shù)：試中：hr＿熱輻射系數(shù)℃E＿黑度（一般取0.9）t0＿容器表面溫度（取50℃ta＿環(huán)境溫度（取15℃.℃(2)給熱系數(shù)直立面計算公式：.℃水平面計算公式：.℃反應槽蓋及槽壁熱損失：輻射熱+對流給熱槽蓋面積F1=槽壁面積F2=熱損失：Q=hr×（F1+F2）×(t0－ta)+hc1F2×(t0－ta)+hc2F1×(t0－ta)=21.3782×(107.9896+163.2476)×(50-15)+15.2748×107.9896×(50-15)+21.3799×163.2476×(50-15)=382840.5001KJ/h=20861.3099kJ/（1000kg礦）11.熱平衡（單位：kJ/1000kg礦）輸入熱量磷礦漿顯熱：41234.3750kJ硫酸顯熱：48547.1853kJ回磷酸顯熱：315939.2129+150.705S攪拌產(chǎn)生熱：23809.4090kJ反應熱：241901.1667kJ稀釋熱：490633.452kJ總和：1162064.8810+150.705SkJ料漿帶出顯熱：2.218×4479.32×（77-15）=615978.1691kJ熱損失：20861.3099kJ則總和為：636839.4790kJ冷卻器系統(tǒng)及反應槽尾氣移走的熱量為：1162064.8810+150.705S-636839.429=525225.4201+150.705SkJ12.料漿真空冷卻蒸發(fā)水量取小時料漿真空冷卻量/小時過濾料漿量=20，則真空冷卻料漿量為：磷礦干基量：磷礦漿量:反應料漿量:則真空冷卻水量為:料漿經(jīng)真空冷卻系統(tǒng)溫度降低2.6度時移走的熱量為:=礦77℃時水的蒸發(fā)潛熱為2316.4料漿真空冷卻系統(tǒng)蒸發(fā)的水量為:反應槽尾氣帶走的熱量為:525225+150S-516626.6702=8598.7319+150.750S其中HFSiF4帶走的熱量為:150.705S+8598.7319-2214.5650=6384.1669+150.705S又空氣帶走的熱量進入反應槽時空氣的狀態(tài)參數(shù):溫度15度相對濕度為70%.大氣壓力為90.24kpa,飽和空氣的壓力為1.71kpa經(jīng)計算得空氣的濕焓值為36.2645kJ反應槽的空氣狀態(tài)參數(shù):溫度62度,相對濕度75%,大氣壓力為90.24kpa,空氣的飽和真汽壓為21.9760kpa.經(jīng)計算空氣的濕焓值為37.7788kJ進入反應槽的干空氣量為:由空氣帶走的水分量為:(99.5212S+4215.9195)(0.009011-0.008410)=0.02981S+2.5338真空蒸發(fā)和反應槽尾氣蒸發(fā)的水量之和S223.03+0.05918S+2.5338=S解得S=239.9104即真空蒸發(fā)的水量為223.03kg尾氣帶走的水量為:239.9104-223.03=16.880413.第一次過濾（1）過濾機給料量：4479.32kg（2）過濾機給料量中的固相量：1478.1756kg（3）從料漿中分離出的液相量：(4479.32－1478.1756)－[1478.1756×]=1522.9688kg（4）濾布帶入水量1522.9688×(0.5%＋27.4%)×－1522.9688=27.7914kg（5）第一次過濾后濾餅含液量：1478.1756×=1478.1756kg（6）第一次過濾濾液總量1522.9688+27.7914=1550.7602kg其中成品磷酸量為：1135.2263kg并入回磷酸的量為：1550.7602-1135.2263=415.5339kg（7）濾餅中液相P2O5濃度為27.4%，濾餅中可溶性P2O5量為：1478.1756×（27.4%+0.5%）=412.4110kg14.第二次過濾（1）由第一次過濾來的固相量：1478.1756kg由第一次過濾來濾餅中的液體量：1478.1756kg去第三次過濾的固體量：1478.1756kg去第三次過濾的液體量：1478.1756××39%=954.0631kg回磷酸量：2096.4083+S=2096.4083+239.9104=2336.3187kg第二次過濾的濾液量：2336.3187－415.5339=1920.7848kg（2）對第二次過濾作物料平衡得到一洗濾液量1478.1756+954.0631+1920.7848-1478.1756-1478.1756=1396.6723kg對第二次過濾作P2O5平衡：對反應槽進行P2O5平衡可以得回磷酸中P2O5含量：則第二次過濾液中P2O5濃度為：第一次過率后濾餅液相中含可溶性P2O5量為412.4110kg第二次過濾帶出濾液的P2O5量：2336.3187×22.41%－412.4110×27.4%=410.5684kg設第二次過濾時濾餅中帶出的可溶性P2O5量為y,第一次帶入的P2O5量為x因為以知磷礦的分解率以的P2O5回收率，則在磷石膏排渣中可溶性P2O5量為：kg則可計算到第二次過濾后濾餅中含有可溶性P2O5量為:kg（R1=0.29R2=0.15）由得x=61.0769kg一洗液的P2O5濃度為：去第三次過濾的操作的濾餅中可溶性P2O5濃度為：15.第三次過濾（1）由第二次過濾來的固相量：1478.1756kg由第二次過濾來濾餅中的液體量：954.0631kg第三次過濾濾液量（一洗液）：1396.6723kg去第四次過濾的固體量：1478.1756kg去第四次過濾的液體量：kg（2）二洗液量1396.6723+1478.1756+785.2808-1478.1756-954.0631=1227.89kg（3）對第三次過濾作P2O5平衡由第二次過濾帶入可溶性P2O5量為：62.9195kg由第二次洗液帶入P2O5量xkg第三次過濾濾液帶出P2O5：61.0796kg第三次過濾餅中帶出可溶性P2O5為y則：kg因此二洗液的P2O5濃度為：去第四次過濾的濾餅中可溶性P2O5濃度為：16.第四次過濾（1）由第三次過濾來的固相量：1478.1756kg由第三次過濾來濾餅中的液體量：785.2808kg加入的洗滌水量x，去排渣系統(tǒng)的固相量：1478.1756kg去排渣系統(tǒng)的液相量：kg第四次過濾的濾液量（二洗液）：1227.89kg因此，洗滌水量：x=1478.1756+574.8461+1227.89－1478.1756－785.2808=1017.4553kg排渣時磷石膏中可溶性P2O5量為2.737kg，折算成液相P2O5濃度為：即排出的磷石膏濾餅中液相含可溶性P2O5的濃度為：0.4761%表3.7濕法磷酸物料平衡表輸入輸出項目流量，kg/t礦項目流量，kg/t礦磷礦漿1562.5000成品酸1135.2263濾布洗滌水27.7914尾氣帶走水16.8804尾氣帶走CO2、SiF4及HF51.4063硫酸871.8180真空蒸發(fā)帶出水223.0300洗水1017.4553石膏漿（總量）2053.0217合計3479.5647合計3479.5647表3.8濕法磷酸系統(tǒng)熱量衡算表輸入輸出項目名稱熱量KJ/t礦項目名稱熱量KJ/t礦磷礦漿帶入41234.3750反應槽料漿帶出615978.1691硫酸帶入48547.1853熱損失20861.3099回磷酸帶入352094.9099水分蒸發(fā)帶出42539.8637反應熱+稀釋熱732534.6187CO2、SiF4及HF氣體帶出2214.5650攪拌產(chǎn)生熱23809.4890冷卻空氣帶出516626.6702合計1198220.578合計1198220.578表3.9五氧化二磷平衡表輸入輸出項目計量單位kg/t礦項目計量單位kg/t礦磷礦漿帶入322石膏帶出10.948磷酸帶出311.052第二節(jié)設備計算1.反應器(同心圓多槳單槽)磷酸產(chǎn)量：料漿流量：料漿密度為：反應時間：5.5h料漿體積流量：反應槽有效容積為：反應槽由同心圓單槽以及料漿真空冷卻密封槽，過濾機給料槽和調(diào)整槽組成，其中同心圓單槽體積占69%，其余占31%；單槽體積為：299.2616×69%=206.4905m3設隔墻及擋墻占容積約110m3；設同心圓單槽中直徑為D有效，高度為H，取H/D=0.25，則有效容積為：206.4905+110=D2H=×D2×0.3D=0.1963D3解得D=11.7259m；H=2.9315m（11）自由度空間取1.5m，則反應槽總高度為：2.9315+1.5=4.4315m；（12）同心圓單槽內(nèi)筒直徑d取d/D=0.3333，則d=3.9082m2.攪拌器（1）單槽尺寸：直徑=11.7259m，內(nèi)筒直徑=3.9802m，槽高為4.4315m，料漿深度約3.6m；（2）攪拌槳的布置，將全槽分為9個攪拌區(qū)，其中外筒布置8臺槳、中心筒布置1臺槳。（3）槳型選擇及功率計算①平板槳：上述9臺攪拌槳全部選用平板槳但在加礦區(qū)域要求攪拌強度大，則選擇45度平板槳，在2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、區(qū)域選用32°平板槳，攪拌強度次之，以滿足工藝上要求，在9#區(qū)域選用32°平板槳，攪拌強度再次之。某研究單位擁有標準模型槳葉，并且有關類似工藝的功率參數(shù)，在計算