磷酸生产课程设计.doc

目 录 第 1 章 总论.1 1.1 概述.1 1.1.1 磷酸的性质和用途.1 1.1.2 磷酸在的市场前景.4 1.2 厂址选择.7 1.2.1 厂址选择原则.7 1.2.2 地理位置 .8 1.2.3 自然概况.10 1.2.4 交通运输.11 1.2.5 建厂优势.11 1.3 设计原则.12 1.4 产品原料及方案.12 第 2 章 生产方案论证.13 2.1 生产工艺分析与选择.13 2.2 湿法磷酸工艺的选择.15 2.3 本项目工艺说明.18 第 3 章 工艺计算.20 3.1 物料衡算与能量衡算.20 3.1.1 物料衡算.20 3.1.2 能量衡算.21 3.1.3 二水法工艺物料平衡计算（理论方法）.22 3.2 主要设备设计与选型.47 3.2.1 反应器的设计.43 3.2.2 过滤机的设计及选型.46 3.2.3 低位真空冷却器的设计.59 3.2.4 泵的选型.66 3.2.5 储罐的选型.72 第 4 章 经济概算.75 4.1 估算依据 .75 4.2 总投资估算 .75 第 5 章 工厂布置类设计说明.85 5.1 设计依据.91 5.2 设计范围.85 5.3 总体布局分析.85 5.4 分区详细布局.86 5.5 车间布置概述.91 第 6 章 管道布置和设计.89 6.1 管道设计与布置的内容.90 6.2 管道布置的原则和要求.90 6.3 管道布置设计的依据.92 6.4 管道敷设方式及敷设坡度.93 6.4.1 管道敷设方式.93 6.4.2 管道距墙的要求.94 6.4.3 单元设备的管道布置.95 6.4.4 管廊布置及管道布置.97 6.4.5 管架敷设.100 6.5 管道设计.101 6.5.1 管子直径的选择.101 6.5.2 管道材料的选择.102 6.5.3 管道的绝热设计.102 6.5.4 管沟平面布置图.102 第七章 自动控制.103 7.1 概述.103 7.2 典型化工单元的控制方案.103 7.2.1 流体输送设备的控制方案.103 7.2.2 液位控制系统.104 7.2.3 压力控制系统.105 7.2.4 温度控制系统.105 7.2.5 成分控制系统.105 7.3 各设备的控制自动控制.106 7.3.1 传热设备的控制.106 7.3.2 反应器的温度控制.107 7.3.3 仪表的选型.108 7.3.4 动力仪表.109 第八章 电气电信.110 8.1 电气.110 8.1.1 电力负荷性质.110 8.1.2 高压供电系统设计.110 8.2 电信.113 8.3 具体设计.114 8.4 电信电路敷设.116 第九章 公用工程及辅助设施.118 9.1 公用工程初步方案和原则确定.118 9.2 给排水工程.118 9.2.1 设计依据.118 9.2.2 生产、生活用水系统.118 9.2.3 给水系统.119 9.2.4 排水系统.120 9.3 供热.121 9.3.1 设计标准.121 9.3.2 供热系统.121 9.4 采暖.122 9.4.1 设计标准及规范.122 9.4.2 厂址所在地的气候条件.123 9.4.3 设计范围.123 9.4.4 采暖.123 9.4.5 通风.124 第 10 章 化工设备维护与检修.126 10.1 维修任务及体制.126 10.1.1 修理任务.126 10.1.2 维修体制.126 10.2 维修车间设计.126 10.3 设备的维护检修.126 10.3.1 磷酸萃取槽维护.126 10.3.2 泵的检查与处理.130 10.3.3 槽日常检查要点.132 10.3.4 石墨换热器的维护.134 10.3.5 管道系统的维修检查.138 10.3.6 氟吸收塔的检修.139 10.4 维修人员的管理.141 10.4.1 维修人员的主要任务.141 10.4.2 维修人员的能力要求.141 10.4.3 维修人员的管理要求.142 第 11 章 消防设计.143 11.1 消防系统.143 11.1.1 稳高压消防给水系统.143 11.1.2 中压系统和高压系统.143 11.2 消防管网布置.143 11.3 消防水炮和消防栓.143 11.4 消防站.144 11.5 防雷防静电.144 11.5.1 防雷接地.144 11.5.2 静电接地.144 11.6 消防设置.145 11.6.1 消防排水.145 11.6.2 器材配备.145 11.6.3 消防设施的启动控制及报警方式.145 第 12 章 环境保护专篇.146 12.1 设计依据.146 12.2 湿法磷酸生产中的污染问题.146 12.2.1 水质的污染.146 12.2.2 大气的污染.148 12.2.3 废渣.150 12.3 环保治理措施.150 12.3.1 废水的处理措施.150 12.3.2 废气的处理.152 12.3.3 废渣处理.153 12.3.4 产区绿化.155 12.3.5 环境风险评估及建设建议.155 第 13 章 节能.156 13.1 节能的意义.156 13.2 节电.156 13.2.1 节电途径.156 13.2.2 节电措施.156 13.3 节水.156 13.3.1 节水途径.156 13.3.2 节水措施.157 13.4 工艺节能特色.157 13.4.1 废水的利用 .157 13.4.2 废渣的利用.158 13.4.3 废气利用 .158 第 14 章 劳动安全与卫生.159 14.1 设计依据及采用标准.159 14.1.1 执行的有关安全法规及规定.159 14.1.2 设计中采用的劳动安全与职业卫生标准法规 .159 14.2 生产过程中危险及有害因素分析.160 14.3 涉及的危险化学品性质及其应急措施.163 14.3.1 氢氟酸.163 14.3.2 氟硅酸.164 14.3.3 硫酸.164 14.3.4 磷酸.164 14.4 职业安全卫生防护的措施.165 14.4.1 工艺设计中采用的防护措施.165 14.4.2 噪音危害.165 14.4.3 安全色及安全标志的设定.166 14.4.4 泄露监测与处理.166 14.4.5 工业卫生.167 14.4.6 辅助用室.167 14.4.7 个人卫生要求.168 14.4.8 预期效果分析.168 结论.169 总结与体会.171 谢词.173 参考文献.174 第第 1 1 章章 总论总论 1.1 1.1 概述概述 1.1.1 1.1.1 磷酸的性质和用途磷酸的性质和用途 1磷酸的性质 磷酸是由五氧化二磷（P2O5）与水反应得到的化合物。一般情况下，磷酸系正磷酸的简称，其分子式 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（H4P2O7）、三聚磷酸（H5P3O10）、四聚磷酸（H6P4O13）、偏磷酸（HPO3）和多聚偏磷酸（HPO3）n 等。磷酸时三元酸，可以生成三种不同的取代盐，即一代磷酸盐 XH2PO4，二代磷酸盐 X2HPO4和三代磷酸盐 X3PO4。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-K1=0.93 10-2 H2PO4-=H+HPO42-K2=0.99 10-8 HPO42-=H+PO43-K3=1.8 10-12 磷酸或磷酸盐的溶液中，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离子（H2PO4-）存在，到PH=4.5（弱酸性），H2PO4-才是稳定的；二代磷酸离子（HPO42-）在PH=9.5时才是稳定的；而PO43-则必须在强碱性溶液（PH=12.52）中才能稳定存在。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。高温下磷酸可能与大部分金属及其氧化物发生化学反应。当加热呈浆状时，磷酸能侵蚀石英。磷酸的氧化能力很弱，即使在350450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/cm3，熔点42.4，含怕嚄74.2%。此外，还存在半水物（H3PO40.5H2O）结晶区，熔点29.3，含91.6%H3PO4。半水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，低于此温度时会有半水物结晶析出。含量超过100%H3PO4时进入无晶区，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H5P3O10，四聚磷酸H6P4O13等饱和区域。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，通常称为正磷酸。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，而不用的含量来表示。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%，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T的关系可表示如下：ak1333220T2450/0.26860-O%P-861252P.plg）（式中%P2O5在60%95%之间。接近1000时，磷酸蒸汽将离解成H2O和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，要以周或月来计算。这主要是由于焦磷酸已经被离解成正磷酸或多磷酸的混合物。偏磷酸HPO3n为一无定型磷酸的混合物，也是一个恒沸点的混合物。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%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，几分钟就完成了。因此，可以在室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加而增大。1molH3PO4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1.97610-3Pas增加到59.24 10-2Pas。而密度则从1.15g/cm3增加到1.49g/cm3。磷酸水溶液（30%P2O5 25%中低品位P2O5 25%磷酸质量 27%35%75%85%85%左右 主要工艺 二水物流程 一辰法和二步法 隧道窑和回转窑 应用 主要用于制造磷肥、工业级磷酸盐和制取饲生产工业级和食品级磷酸及电子级磷酸盐制品 可用于生产工业级磷酸 料级磷酸氢氨、三聚磷酸钠等 优点 设备简单，能耗低，生产成本低 产品浓度高，质量好 利用中低品位磷矿，节能，不受硫资源限制 存在问题 对磷矿石品位要求高 能耗高，生产成本高 球团易结焦，出口窑气温度高，收酸困难；纯度比热法稍低 成本因素 硫磺的价格 电价和黄磷 焦炭和包裹剂 热法磷酸是黄磷的主要用户，其消费量占黄磷总消费量的70左右。黄磷的生产也主要集中在磷矿资源相对丰富的省份，但其能耗高，生产成本高，正在被湿法磷酸所取代。硫磺价格是影响湿法磷酸成本的主要因素，而我国磷矿资源主要集中在缺少硫资源的云南、湖北、贵州、四川、湖南五省。我国硫磺主要依靠进口，对外依存度达90。特别是2007年以来，国际硫磺价格飞涨，导致硫酸价格上涨，使湿法磷酸生产成本大幅上升，企业经济效益降低，虽然，近期硫磺价格有所回落，但从长期来看，硫磺价格的波动会制约磷酸生产乃至我国磷肥工业的发展。但湿法磷酸的能耗比热法磷酸低20，生产成本仅为热法磷酸的7080。所以纵观全球，净化湿法磷酸替代热法磷酸是世界磷化工发展的趋势之一。当今世界许多发达国家都将其作为磷酸生产的主要技术手段。磷矿资源具有稀缺性和不可再生性。我国磷矿资源的特点是储量丰富，分布较为集中，但中低品位矿多。窑法磷酸可利用中低品位磷矿生产高浓度磷酸，对我国磷化工的可持续发展具有重要的意义。如表，与热法磷酸相比，窑法磷酸工艺显著降低了生产能耗，用电少；与湿法磷酸相比，不受磷矿品位和硫资源的限制，因此该工艺十分符合我国磷矿资源的国情，有着广阔的发展前景。但要注意，窑法磷酸要实现大规模工业化还有很多技术难点需要攻关。近年来，仍有不少的科技人员在从事该项工作的研究，并申请了专利。但短期内，窑法磷酸还不会动摇湿法磷酸在磷酸生产工艺中的地位而成为生产磷酸的主流技术。所以，从经济及技术方面考虑，湿法磷适用于现今磷酸的生产。2.2 2.2 湿法磷酸工艺的选择湿法磷酸工艺的选择 目前，湿法磷酸的产量占世界磷酸总产量的85-90。湿法磷酸生产方法往往以硫酸钙结晶形态来分类，分别有二水法（DH）、半水一二水稀酸法（HRC）、半水一二水浓酸法（HDH）、二水一半水法（DHHH）和半水物法（HH）。半水一二水稀酸法由于流程长、能耗高、操作不稳定，国内外没有应用。半水一二水浓酸工艺以其最佳的经济技术指标和节能减排效果而被国外越来越多的公司开发和应用，但该工艺对原料磷矿质量要求高，在我国难以推广应用。二水一半水法具有较好的节能效果，副产磷石膏杂质少、含水率低，为其综合利用创造了极为有利条件，是一种适合我国中低品位磷矿的工艺流程。该工艺目前世界上仅有比利时普莱昂公司实现了工业化生产，且不对外转让。而二水法具有技术成熟、开车率高及对原料适应性强的较大优势，目前被世界70以上的湿法磷酸生产企业采用，比较适用于现今的磷酸生产。1932年美国道尔公司与瑞士生产公司合作开发的道尔浓酸流程，为现代化的二水物流程奠定了基础。由于二水物流程具有操作稳定、对磷矿适应性强、投资少等突出优点。因此几十年来世界各国对二水物流程进行了不断的研究和改进，使其有了较大的发展，现在世界磷酸装置总数的80以上采用二水物流程。我国湿法磷酸工业始于1953年，迄今已有50多年的历史。我国湿法磷酸80以上都采用二水物流程生产，目前年产量估计在500万600万t(P2O5计)，60用于制造高浓度磷复肥，约40用于制造工业级磷酸钠盐、铵盐以及饲料级磷酸钙盐等，少量出口。二水物法工艺技术有多种，国内大型装置主要有普莱昂(Prayon)工艺、吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺、罗纳普朗克(RP)工艺、诺斯克赫特罗工艺及斯温森工艺等，前3种工艺在世界上居主导地位，其中普莱昂(Prayon)工艺建厂最多。1.普莱昂(Prayon)工艺 图图2-1 方格多槽（普莱昂第四代）二水物流程图方格多槽（普莱昂第四代）二水物流程图 2.吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺 图图2-2 吉可布斯一道尔科吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺工艺 3.罗纳普朗克(RP)工艺 图图3-3 罗纳普朗克罗纳普朗克(RP)工艺工艺 4.诺斯克赫特罗工艺 .图图3-4 诺斯克赫特罗工艺诺斯克赫特罗工艺 5.斯温森工艺 图图3-5 斯温森工艺斯温森工艺 由于普莱昂工艺建厂较多，工艺成熟，综合考虑本项目工艺选用方格多槽普莱昂（第四代）二水物工艺流程。2.3 2.3 本项目工艺说明本项目工艺说明 普莱昂流程是比利时普莱昂冶金公司开发的，已有三十多年历史。早在1950年就已在美国第一次建厂。普莱昂流程如图2-1所示 普莱昂系统的特点是使用了一台长方形多室的分解室，以及使用真空冷却系统冷却料浆。据报道，分解系统取得的结果如下：1.P2O5转化率为97%；2.成品磷酸浓度为3032%；3.真空冷却系统中蒸发的水量为1千克/千克P2O5；4.石膏结晶的大小为 150 毫米左右。大部分反应热和硫酸稀释热是靠稀释硫酸及真空（闪蒸）冷却器移走，后者约移走 60%的热量。料浆从真空冷却器内的侧边加入，水分从冷却器的料浆表面上蒸发，冷却后料浆沿着分布器的另一侧边留出，通过一条直径较大的管道返回第一反应槽，该管道是浸没在料浆中的（液封）。采用真空冷却方法可使分解槽温度控制十分稳定，还能解决返料问题。普莱昂（第四代）使用的过滤机是转盘式过滤机，具有良好的操作性能。石膏含磷酸为 0.20.3%，滤饼含水通常为 1618%。过滤机清理周期为 12 星期。普莱昂流程的磷酸浓缩装置，是强制循环换热器。普莱昂流程是湿法磷酸生产中运用最多的流程，建厂情况也较多。在降低能耗方面有如下优势：1.一台超能效的普莱昂搅拌器，它的浸没的螺旋桨只适应于普莱昂的硫酸工厂，并联结一只特殊设计的表面桨叶能帮助引进物料以及消除泡沫。2.低位的真空（闪蒸）冷却器，大量的料浆循环。大量料浆是用一台低压头，低功率、低维修的螺旋泵提供的。3.根据所用的磷矿的种类不同，用低压头的循环泵调节流量，增大或减少经过分解槽各室的料浆量。第第 3 3 章章 工艺计算工艺计算 3.1 3.1 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 该项目为 10 万吨/年磷酸（27%P2O5）的设计，在初步确定的工艺流程后，从定性估计转入定量计算。通过对工艺流程中各车间和部分重要单元作详细的物料衡算，得到原料、产品、副产品及中间产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损失量、“三废”排放量及组成及原料的消耗定额等各项指标。为设计或选择设备类型、台数和尺寸提供依据，以便对设备作进一步的计算。3.1.1 3.1.1 物料衡算物料衡算 1.衡算方法 物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应）。对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量=积累的物料量（1）稳定操作状态 稳定操作时，积累的物料量=0 1）有化学反应，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量=0 2）无化学反应，反应消耗和生成的物料量为零，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量=0 2.非稳定操作状态 非稳定操作时，积累的物料量不为零。1）有化学反应 输入的物料量-输出的物料量-反应消耗的物料量+反应生成的物料量=积累的物料量即为通式。2）无化学反应 输入的物料量-输出的物料量=积累的物料量 物料衡算包括总质量衡算、组分衡算和元素衡算。各种衡算方法的适用情况如表3-1 所示：表表 3-1 物料衡算式适用范围物料衡算式适用范围 类别 物料衡算形式 无化学反应 有化学反应 总衡算式 总质量衡算式 适用 适用 总物质的量衡算式 适用 不适用 组分衡算式 组分质量衡算式 适用 不适用 组分物质的量衡算式 适用 不适用 元素原子衡算式 原子质量衡算式 适用 适用 元素原子物质的量衡算式 适用 适用 由于系统中存在化学反应，我们主要采用总质量衡算的衡算方法，同时列出每种组分的质量流量便于查找和计算。2.任务说明 对于本厂，工艺采取年开工 300 天（7200 小时），其中一年内的 45 周用于固定的停车设备检修及紧急情况处理。物料衡算的主要任务在于：（1）确定主产物磷酸的实际产量以及质量指标。（2）确定高低压蒸汽，水的使用量以及损失率等指标。（3）确定工艺中的“三废”排放量等公共经济指标；（4）各主要单元过程的物料衡算，并指导工艺设备的尺寸确定和设备选型；（5）汇总全流程物料衡算，数据用于完成物料流程图等后续设计任务。3.1.2 3.1.2 能量衡算能量衡算 化工生产过程往往伴随着能量的变化，尤其是反应过程，为维持在一定温度下进行反应，常有热量的加入或放出。因此能量衡算也是化工设计中极其重要的组成部分，能量衡算是以热力学第一定律为依据，能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量衡算称为热量衡算。通过热量衡算，可确定传热设备的热负荷及分析工程设计和生产操作中能量的合理利用。根据能量守恒定律，对于连续工作的系统：Q+W=Hout-Hin 其中，Q 表示系统的热负荷，W 表示外界输入系统的机械能，Hout 表示各流股离开系统的焓值之和，Hint 表示各股物流进入系统的焓值之和。在我们的工艺流程中，需进行能量衡算的主要设备有换热器、反应器、压缩机、精馏塔，各操作单元的热量衡算见下表。3.1.3 3.1.3 二水法工艺物料平衡计算（理论方法）二水法工艺物料平衡计算（理论方法）在进行物料及热量平衡计算之前，应首先确定原料的化学组成，其次，通过评价试验或生产实践确定主要工艺参数，如果磷矿性质和组成有较大变化，上述工作应重新进行，并在此基础上重新进行物料和热量平衡计算。1.工艺计算基础数据（1）原料 1）磷矿：化学组成（干基）组分 P2O5 CaO Fe3O4 Al2O3 SiO2 MgO Na2O K2O F CO2 其它 含量，%29.86 40.72 1.24 1.75 18.89 0.26 0.26 0.37 2.89 1.81 1.86 2）硫酸：浓度 98%H2SO4（2）反应部分工艺数据 1）磷矿浆含水 32%（干基）2）磷矿中 P2O5萃取率 98%3）磷矿中次要组分在反应过程中的分配如下 组分 滤酸，%石膏，%气相，%组分 滤酸，%石膏，%气相，%CO2/100 NaO 20 80 0 F 70 13 17 K2O 13 87 0 Fe2O3 91 9 0 SiO2 10 86 4 Al2O3 82 18 0 其它 68 32 0 MgO 98 2 0 （3）过滤部分工艺数据 1）成品磷酸主要组成：P2O5 28%；游离 H2SO4 2.84%2）过滤时对成品磷酸的稀释量取 0.5%。3）P2O5回收率：97%4）滤饼含液量（湿基）1 第一次过滤 50 2 第二次过滤 40 3 第三次过滤 30 4 第四次过滤 25 3.0OPOPR52521洗涤前滤饼中水溶性洗涤后滤饼中水溶性 5）第二次洗涤后水溶性 P2O5残留率 6）第三次洗涤后水溶性 15.0OPOPR52521洗涤前滤饼中水溶性洗涤后滤饼中水溶性（4）热平衡数据 1）温度 环境 25.0 C 磷酸料浆 75.0 C 磷矿浆 29.9 C 回磷酸 70.6 C 98%H2SO4 29.1 C 磷酸料浆闪蒸冷却温差 2.0 C 萃取槽尾气 62.0 C 2）比热容（均为计算后选定）磷矿浆 2.060kJ/(kg C)回磷酸 3.210kJ/(C)98%H2SO4 1.42kJ/(kg C)磷酸料浆 2.163kJ/(C)3）生成热（25 C，kJ/mol）CaF(PO4)(S)-6813.8 Fe2O3(S)-824.80 H2O(l)-286.03 FePO4(S)-1297.0 CaSO42H2O(S)-2022.47 Al2O3(S)-1676.80 MgCO3(S)-1113.69 AlPO4(S)-1735.0 MgSO4(S)-1278.82 CaCO3(S)-1207.68 HF(g)-271.30 CO2(g)-393.77 CaF2(S)-1215.40 SiF4(g)-1549.10 SiO2(S)-909.66 H2SO4(l)100%-909.875 H2SiF6(ng)-2332.88 4）酸反应槽搅拌器功率为 132kW 结晶槽搅拌器功率为 92kW 5）热损失为输入热量的 5%6）料浆闪蒸冷却泵流量 4500m3/h 7）料浆密度 1.52103kg/m3 8）萃取槽进气相对湿度 63.5%（25 C）9）萃取槽出气相对湿度 75.0%（62 C）2.计算过程及结果 以 1000kg 磷矿（干基）为基础。（1）磷矿用量 干基量 1000kg 磷矿浆量 1000/（132%）=1470.60kg 已知成品磷酸量为 100kt/Y，折小时磷矿消耗量为 干基量 h/t95.47%97%86.291100000 矿浆量 h/t59.147%32-195.47（2）硫酸用量 1）假定 磷矿中 MgCO3存在，多余的 CO2则以 CaCO3形式存在。矿中的F 及 P2O5分别以 CaF（PO4）3及 CaF2形式存在。MgCO3与 H2SO4反应生成 MgSO4，MgCO3在磷酸溶液中呈离子态，故计算成品磷酸中游离磷酸时将 MgSO4计入，而计入硫酸消耗时不再列入。假定成品磷酸中不含 Ca2+。2）计算 1000kg 磷矿中各种 Ca 盐的量 Ca5F（PO4）3的量 mol88.1401321421%86.291010003 CaF2的量 mol27.832188.1401191%98.21010003）（MgCO3 的量 mol50.643.401%26.01010003 CaCO3 的量 mol86.34650.64-441%81.11010003 3）各种 Ca 盐消耗硫酸量 Ca5F(PO4)3消耗量 1401.8779/100098%598=673.18kg CaF2 消耗量 83.2716/100098=8.16kg CaCO3消耗量 346.863598=33.99kg 4）成品酸中游离 H2SO4量 100029.86%98%1/27%2.84%=30.78kg 5）消耗硫酸总计 673.18188.160633.992630.7801=746.1151kg 6）消耗硫酸总计 673.18188.160633.992630.7801=746.1151kg 折成 98%H2SO4为 746.11511/98%=761.3419kg 折成 SO3为 746.11511/98%80=609.0736kg 折成小时消耗硫酸量为 以 100%H2SO4计，746.1151/100047.95=35.78t/h 以 98%H2SO4计，761.3419/100047.95=36.51t/h（3）成品磷酸组成 1）成品磷酸中各组分量（kg）P2O5 100029.86%98%=292.63 SO3 100029.8698%1/27%2.84%80/98=26.87 Fe2O3 10001.24%91%=11.28 Al2O3 10001.75%82%=14.35 SiO2 100018.89%10%=18.89 Na2O 10000.26%20%=0.52 K2O 10000.37%13%=0.48 MgO 10000.26%98%=2.55 F 10002.98%70%=20.86 其它 10001.86%68%=12.65 2）总磷酸量 292.628/27%=1083.81kg 3）成品磷酸中水的计算 在磷酸中的水可分为自由水和结合水，结合水的计算采用阴阳离子平衡法。非金属及其氧化物（阴离子）：P2O5、SO3、SiF4、F、Cl 等.金属及其氧化物（阳离子组）：Fe2O3、Al2O3、MgO、Na2O、K2O 等。判断 F 与 Si 是否平衡：首先判断磷酸中 F 与 Si 是否平衡，如果 Si 过量，则酸中 F 以 Si-26F的形式存在，多余的 Si 以 SiO2 形式存在；如果 F 过量，则酸中Si 全部以 Si-26F形式存在，多余的 F 即以氟离子（F-）形式存在。MSiO2/MF=(18.89/60.1）/（20.86/19）=0.2851/60.167 故 SiO2过量。阴离子组物质的量为 P2O5 36.126142163.292mol F 36.061219186.20mol SO3 mol63.0280107.25 小计 13.04mol 阳离子物质的量为 Fe2O3 43.06159128.11mol Al2O3 84.06102135.14mol MgO mol13.0231.40155.2 NaO、K2O 有机物及其它 mol44.0262165.1248.052.0）（小计 1.84mol 结合水量 kg80.100182184.1-04.13）（由于在计算干物质时，以氧原子代替 SiF、F 及 Cl 等折成等量的氧为 SiO2SiF6O (20.86/19142.1)16/142.1=17.57kg 总的干物质量为 292.63+20.07+11.28+14.35+18.89+0.52+0.48+2.55+20.86+12.65+100.80-17.57=477.51kg 自由水量为 1083.81477.51=592.59kg 4）成品磷酸组成（%含量如下）P2O5 SO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 F MgO K2O Na2O 其它 结合水 自由水 27 2.3 1.04 1.32 1.74 1.92 0.23 0.04 0.04 1.16 9.30 55.94 以上合计 101.99，调整-1.99，总计 100.00（4）磷石膏组成 1）磷石膏中各组分分量（kg）CaO 100040.72%=407.20 P2O5 100029.86%（197%）=8.96 SO3 （673.1818+8.1606+33.9926）80/98=583.95 Fe2O3 10001.24%9%=1.12 Al2O3 10001.75%18%=3.15 SiO2 100018.89%86%=162.45 MgO 10000.26%0.2%=0.0052 Na2O 10000.26%80%=2.08 K2O 10000.37%87%=2.96 F 10002.98%13%=3.87 其它 10001.86%32%=5.95 结晶水 （673.1818+8.1606+33.9926）182/98=262.78 2）干物质总量为 407.2+298.6+583.9469+1.116+3.15+162.454+0.0052+2.08+2.96+3.87+5.952+262.7761=1444.46kg 3）磷石膏组成（%）CaO SO3 结晶水 P2O5 Fe2O3 Al2O3 MgO SiO2 Na2O K2O F 其它 28.19 0.62 18.18 0.62 40.42 0.22 0 11.23 0.14 0.20 0.27 0.41 合计 100.50%，调整-0.5%，总计 100.00（5）反应料浆量 反应后磷酸料浆中固体含量即干物质总量为 1444.46 已知料浆含固量为 35%，故料浆量为 1444.46/35%=4127.05kg（6）反应过程中排出气体量 反应过程排出气体含 CO2、HF、SiF4及 H2O 等。则各组分量分别为 CO2 10001.81%=18.1kg SiF4 kg93.610441191%17%98.21000 反应排出得 H2O 与料浆闪蒸冷却蒸发的水一并计算。（7）假定料浆闪蒸冷却蒸发的水与反应槽排出的水蒸气之和为 262.43kg。（8）回磷酸量及其组成 1）对反应槽进行物料平衡 回磷酸量+磷矿浆量+硫酸量=磷酸料浆量+反应过程排出气体量+闪蒸冷却蒸发水量+反应槽蒸发水量 将各值代入后得回磷酸量=2182.57kg 2）对反应槽进行 P2O5平衡 57.2182198%)29.86%1000-0.5%)(27%1444.46)-(4127.05=20.39%3）假定回磷酸是成品磷酸稀释而成，故回磷酸组成（%）如下：P2O5 SO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 F MgO K2O Na2O 其它 结合水 自由水 20.39 1.76 0.80 1.01 1.34 1.48 0.18 0.03 0.03 0.89 7.15 64.98 合计 100.01；调整-0.1；总计 100%（9）显热 热平衡计算的温度基准：25 C，单位 kJ。1）磷矿浆 2.0561470.60（29.925）=14844.14 2）浓硫酸 1.40761.34（29.125）=4370.09 3）回磷酸 3.212182.58（70.625）=319477.05 4）搅拌产生热量 搅拌桨装机功率分别为 118kW 与 90kW（3118+190）3600/47.95=33334.72（10）硫酸的生成热及稀释热 1）假定在反应过程中，加入反应器的浓硫酸先稀释到料浆液相中的24SO浓度，然后再与磷酸反应。2）稀释热计算式 7983176747983176741122.nn.-.nn.Q 式中 Q稀释热，kJ/mol；n1稀释前水与硫酸摩尔比；n2稀释后水与硫酸摩尔比。3）已知成品磷酸中24SO为 2.84%，过滤操作磷酸 P2O5浓度被稀释 0.5%，故磷酸料浆液相的24SO浓度为%27%89.25.02784.2 4）已知成品磷酸中含自由水 55.94%，磷酸料浆液相中含自由水为%12.55%27%5.0%94.55-1-%94.55）（5）n1 11.09898/1821%n 6）n2 84.1039889.2/1812.552%n 7）2.89%H2SO4的生成热 88.8877983.176.7438.81422nnQ生 8）98%H2SO4稀释到 2.89%H2SO4的稀释热 将 n1 及 n2 代入稀释热公式得 Q=69.19kJ/mol=706.02kJ/kg（100%H2SO4）（11）磷酸生成热 1）将料浆中 P2O5浓度折成 H3PO4浓度%95.3798214215.27 2）磷酸在自由水中的浓度 自由水为 55.94%自由水中浓度%42.4094.5595.3795.37 3）查表并计算 40.97%的 H3PO4生成热 mol/Jk89.128989.1289-60.1290%23.35-%48.40%23.35-%42.40-60.1290）（12）反应热 1）磷矿中各组分在与硫酸进行反应时，发生如下反应，各组分反应热见下面各式。1 Ca5F（PO4）3+5H2SO4+10H2O=5CaSO42H2O+3H3PO4+HF Q1=140.6kJ/mol 2 CaF2+H2SO4+2H2O=CaSO4H2O+2HF Q2=-110.24kJ/mol 3 HF+1/6SiO2=1/6H2SiF6+1/3H2O Q3=61.25kJ/mol 4 Fe2O3+2H3PO4=2FePO4+3H2O Q4=47.09kJ/mol 5 Al2O3+2H3PO4=2AlPO4+3H2O Q5=71.09kJ/mol 6 CaCO3+H2SO4+H2O=CaSO42H2O+CO2 Q5=34.68kJ/mol 7 MgCO3+H2SO4=MgSO4+CO2+H2O Q7=-42.92kJ/mol 8 SiO2+4HF=SiF4+2H2O Q8=126.30kJ/mol 2）1000kg 磷矿中各组分的物质的量 1 Ca5F（PO4）3的物质的量 100010329.86%/（713）=1401.88mol 2 CaF2的物质的量为 mol27.832188.1401-19%89.21010003）（3 MgO 的物质的量为 假定磷矿中 MgO 全部以 MgCO3形式存在，则 MgCO3的物质的量为 10001030.26%/40.31=64.5mol 4 CaCO3的物质的量 CaO 的物质的量扣除 Ca5F（PO4）3中的 CaO 及 CaF2中 CaO 的物质的量后 CaO 的物质的量即为 CaCO3的物质的量 mol76.17827.83-88.14015-56%72.401010003 5 Fe2O3的物质的量为 10001031.24%/159.7=77.65mol 6 Al2O3的物质的量 10001031.75%/102=171.57mol 7 SiF4的物质的量 因为 1000kg 矿在反应时产生 SiF4气体 6.63kg，所以SiF4物质的量为 6.63103/104=63.75mol 8 生成 H2SiF6的物质的量 由于磷酸中 SiO2过量，故以 HF 量计算 H2SiF6的物质的量为 2.981000/19=156.84mol 3）反应热 14