1.5万吨磷酸毕业设计15ktaP2O5二水湿法磷酸系统工艺设计毕业论文目录设计任务书 (Ⅳ)开题报告 (Ⅵ)1 综述 (1)1.1我国磷酸工业现状 (1)1.2磷酸工业生产类型 (2)2 湿法磷酸生产的基本原理 (3)2.1湿法磷酸生产的化学反应 (3)2.1.1 化学反应 (3)2.1.2 磷矿中杂质的影响 (3)2.2硫酸钙晶型和生产方法分类 (4)2.2.1 硫酸钙的晶型 (4)2.2.2 湿法磷酸生产方法 (4)2.3硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2O与CaSO4-H3PO4-H2SO4-H2O体系的相平衡及转化动力学 ·· 52.3.1硫酸钙的结晶形态 (5)2.3.2硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2O三元体系的相平衡 (6)2.3.3硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2SO4-H2O四元体系的相平衡 (7)2.3.4 CaSO4－H3PO4－H2O体系转化动力学 (8)2.4磷矿在磷酸硫酸混合溶液中的浸取和分解过程 (10)I2.5 硫酸钙的结晶 (10)2.6 生产工艺条件 (10)2.7 生产工艺流程 (12)3 湿法磷酸物料衡算 (14)3.1 全系统平衡 (14)3.1.1 进料 (15)3.1.2 出料 (15)3.1.3 逸出废气 (15)3.1.4 机械损失 (16)3.1.5 磷石膏 (16)3.2 对酸解系统作平衡 (16)3.2.1 进料 (16)3.2.2 出料 (17)3.3 对过滤部分作平衡 (17)3.3.1 进料 (17)3.3.2 出料 (17)3.4 对二次洗涤作平衡 (18)3.4.1 进料 (18)3.4.2 出料 (18)3.5 对一次洗涤作平衡 (18)3.5.1 进料 (18)3.5.1 出料 (18)3.6 P2O5平衡 (19)II3.7 总物料平衡表及物料平衡图 (19)4 湿法磷酸热量衡算 (21)4.1反应热的计算 (21)4.2稀释热的计算 (24)4.3 热量衡算 (24)4.3.1 输入热量 (24)4.3.2 输出热量 (25)5 主要设备的工艺计算 (27)5.1酸解槽 (27)5.1.1 已知条件 (27)5.1.2 酸解槽的基本计算 (27)5.1.3 酸解槽的主要几何尺寸计算 (28)5.1.4 搅拌器的计算 (30)5.2盘式过滤机 (31)6 三废与治理 (38)6.1尾气回收 (38)6.2废水处理和稀酸的利用 (38)7 主要设备的技术特征 (39)致谢辞 (40)参考文献 (41)附录III合肥学院化学与材料工程系毕业设计（论文）任务书IVV合肥学院化学与材料工程系毕业设计（论文）开题报告VIVIIVIII1综述1.1我国磷酸工业现状我国是一个拥有13亿人口的大国，但人均耕地面积不足2亩，仅为世界人均耕地面积的二分之一；加上耕地逐年减少，人口逐年增加，而随着人民生活水平的提高，粮食消费又不断上升。
在这种情况下，为了保证粮食的供给，提高粮食单产是最有效的措施之一。
生产是一个能量和物质的转化和循环过程。
留在农业内部再循环部分是很小的，大部分随农产品的收获而转移到社会的各个方面。
因此必须从外部投入必要的能量和物质作为补偿。
在各种能量和物质的投入中，在有机肥和无机肥的相结合的前提下，化肥投入的能量和物质约占全部投入的50%，对农业增产所起的作用约占40%。
故施用化肥经常是提高粮食单产的关键。
我国土壤含磷元素一般都不能满足农作物的要求，这已成为农业增产的一大障碍。
根据调查，全国21亿亩耕地中，严重缺磷（<5ppm）地约占7亿亩，中等缺磷（〈10ppm）约占11亿亩。
目前施化肥的N:P2O5:K2O=1:0.28:0.06,远低于国际水平（1：0.5：0.4）。
造成这种状况的主要原因是我国化肥中磷肥和含磷量高的复合肥料所占比例太低。
例如临安是最受欢迎的高浓度氮磷复肥，在发达国家其产量已占磷肥总产量的70%以上，但在我国还不足3%。
发达国家化肥消费总量中约有50%～80%是高浓度肥料和复合肥料，而国产化肥大部分为低浓度单质肥料，平均含纯养分24.5%，只相当于发达国家的一半。
因此在相当长的一段时间里，为了适应农业增产的需要，磷复肥应是我国化肥发展的重点。
磷酸是生产高浓度磷复肥的重要原料。
可以说高浓度磷复肥的生产水平，主要依赖于磷酸工业的发展。
磷酸的生产方法分热法和湿法两类，但由于前者能耗高，价格贵，故世界各地的磷酸工业仍以湿法为主。
我国湿法磷酸工业起步比较晚，上海化工研究院自1953年开始对磷酸生产进行了大量的开发研究工作，并于60年代中期在南京化学工业公司建成了年产2万吨磷酸的试验工厂。
同时还对半水物流程和半水-二水再结晶流程进行了开发。
但目前全国主要生产厂仍以二水物流程生产湿法磷酸。
我国磷矿储量仅次于前苏联、美国和摩洛哥而居世界第四位，但富矿很少，80%是中、低品位矿，其中还有80%是难选的磷块岩（在我国也称胶磷矿），兼之长期以来对矿山建设重视不够，使我国磷肥工业的发展受到很大影响。
最近16 年,我国磷肥工业迅速发展,总生产能力上升到约11 000 kt/ a ( P2O 5计,下同) ,2002 年产量达到8 060 kt ,跃居世界第二位。
在此期间,磷肥产品结构调整初见成效,高浓度复合肥料中的磷肥占磷肥总产量的比例从原来的3 %猛增到45 % ;而高浓度磷复肥主要由磷酸铵和重过磷酸钙构成,它们都与湿法磷酸直接- 1 -相关,用磷酸作为中间产品加工而成。
2002 年,我国磷酸生产能力已达到5 530kt ,形成了具有相当规模的一个大行业。
随着磷酸和磷肥产量的不断增长,磷酸和磷肥的生产技术也有了很大进步,并成功地应用于许多工厂和各种工艺中,为提高产量、改善产品质量、降低消耗、治理污染、改善环境以及提高企业经济效益和社会效益发挥了极为重要的作用。
1.2磷酸工业的生产类型以硫酸分解磷矿制造磷酸的方法称湿法。
湿法磷酸于1870-1872年间在德国首次投产以来，迄今已有100多年的历史。
根据硫酸分解磷矿生成不同水合结晶形态的硫酸钙，又可将湿法磷酸的生产分为二水物法、半水物法、和无水物法。
无水物法虽可制得高浓度磷酸，但反应温度高，设备腐蚀严重，且无水硫酸钙结晶细小，过滤困难，故很难在工业上使用。
二水物法具有操作控制容易，对设备材质要求较低和对磷矿适应性较强等特点，因此获得了广泛采用。
目前二水物法的生产能力约占湿法磷酸总生产能力的90%以上。
二水物法生产的磷酸含P2O528%～32%，通常都将其浓缩到40%～54%后再用于磷铵和重过磷酸钙等的生产。
为了减少能量消耗和简化生产过程，人们总希望能直接生产出高浓度的磷酸。
上世纪70年代以来，美国西方石油公司开发出了新的半水物流程，即OXY-半水物流程，可直接生产出含42%P2O5的磷酸。
但半水物法也存在磷矿的P2O5转化率低和介稳态半水物易再结晶引起操作困难等缺点。
其后虽然相继出现了半水-二水及二水-半水流程，使半水物法得到改善，但由于他们对磷矿质量及生产技术的要求都比较高而难于普遍推广。
- 2 -2湿法磷酸生产的基本原理2.1湿法磷酸生产的化学反应用硫酸（硫酸、硝酸、盐酸等）分解磷矿制得的磷酸统称为湿法磷酸，而用硫酸分解磷矿的方法是磷酸生产中应用最广泛的方法，在技术上最成熟，经济上最合理，其产量在磷酸产量中占绝对优势。
2.1.1化学反应硫酸浸取分解磷矿是液固相反应过程，反应式为：Ca5F(PO4)3+5H2SO4+5nH2O→3H3PO4+5CaSO4·nH2O+HF （2-1）反应过程中为避免磷矿颗粒表面被硫酸钙包裹，延缓或阻碍反应的进行：实际上是用循环磷酸料浆来分解磷矿，即用磷酸与硫酸的混酸来分解磷矿。
反应分两步进行，第一步是磷矿和循环料浆（或返回系统的磷酸）进行预分解反应，磷矿首先溶解在过量的磷酸溶液中生成磷酸一钙：Ca5F(PO4)3+7H3PO4→5Ca(H2PO4)3+HF （2-2）预分解反应的目的主要是防止磷矿与浓硫酸直接反应，避免在磷矿粒子表面生成硫酸钙薄膜而阻碍磷矿的进一步分解。
同时也有利于硫酸钙过饱和度的降低。
第二步即以上述的磷酸一钙料浆与稍过量的硫酸反应生成硫酸钙结晶与磷酸溶液：5Ca(H2PO4)3+5H2SO4+5nH2O→10H3PO4+5CaSO4·nH2O （2-3）2.1.2磷矿中杂质的影响磷矿中所含杂质对湿法磷酸的生产工艺过程和产品质量有显著影响。
①氟: 磷矿中的氟在酸解时会生成HF，再与磷矿中活性SiO2形成氟硅酸。
氟存留在磷酸中会增大磷酸溶液的腐蚀性，大部分氟以SiF4形态逸出，回收加工为氟盐，并消除了污染。
② SiO2: 磷矿中含有少量SiO2，有利于生成的HF转化为挥发性低和腐蚀性弱的氟硅酸。
若SiO2过高，会增大设备、管道和搅拌浆的腐蚀，并增加料浆粘度，降低分离硫酸钙时的过滤强度。
③碳酸盐: 磷矿中通常会有少量石灰石等碳酸盐矿物，主要成分为CaCO3、MgCO3。
CaO在酸解时生成CaSO4，增大硫酸的消耗定额；MgO全部进入磷酸溶液中，中和掉磷酸中的第一个氢离子，并增加溶液粘度，对结晶、过滤、浓缩过程不利。
碳酸盐分解时放出CO2,使溶液形成泡沫，造成逸出损失。
④铁、铝化合物: 磷矿中的铁、铝杂质会增大磷酸溶液的粘度，降低酸的质量，并在浓缩时在设备中结垢，并可能与磷酸形成淤渣，造成P2O5损失。
⑤钾、钠化合物: 磷矿中钾、钠离子首先与氟硅酸反应生成氟硅酸钾、钠，会在反应、过滤及浓缩系统的设备与管线中析出结垢，在贮存系统中形成淤渣，导致装置开车率下降与P2O5损失增大。
⑥锶、镧等稀土金属化合物: 磷灰石在矿中的稀土金属氧化物对半水物硫酸钙转化为二水物起延缓作用。
⑦氯、碘: 氯和碘是萃取磷酸中最不希望存在的杂质，它们会使磷酸溶液具有极强的腐蚀性。
应避免这两种杂质进入磷酸生产系统。
2.2硫酸钙的晶型和生产方法分类2.2.1硫酸钙的晶型在湿法磷酸生产过程中，根据液相中磷酸与硫酸的浓度，系统的温度不同，有三种硫酸钙的水合物结晶与溶液处于平衡状态，它们是二水物CaSO4·2H2O(二水石膏)、半水物α-CaSO4·0.5H2O(α半水石膏)和无水物CaSO4II(硬石膏II)。
相应地生产上述三种基本方法即为二水物法、半水物法和无水物法。
反应中生成的HF与磷矿中带入的SiO2生成H2SiF6。
6HF+SiO2=H2SiF6（2-4）少量的H2SiF6将与SiO2反应生成SiF42H2SiF6+SiO2=3SiF4↑+2H2O （2-5）可见，气相中的氟主要以SiF4的形式存在，用水吸收后生成氟硅酸水溶液并析出硅胶沉淀3SiF4+(n+2)H2O=2H2SiF6+SiO2·H2O↓（2-6）磷矿中的铁、铝、钠、钾等杂质将发生下述反应：（Fe,Al）2O3+2H3PO4=2(Fe,Al)PO4+3H2O （2-7）(Na,K)2O+H2SiF6=(Na,K)2SiF6+H2O （2-8）镁主要存在于碳酸盐中，磷矿中的碳酸盐，如白云石、方解石等首先被硫酸分解并放出CO2。