产2万吨硫酸法磷酸生产工艺

产2万吨硫酸法磷酸生产工艺山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）2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ABSTRACTTheaimofthisdesignis20,000tonperyearmanufacturingthephosphoricacidusingwetmethodwithsulfuricacid.Thephosphoricacidforthestrongtribasicacid,hasacidallgeneralcharacteristics,undertheroomtemperaturethephosphoricacidchemicalpropertyisverylively,underthehightemperaturethephosphoricacidmayhasthechemicalreactionwiththemajorityofmetalsandtheoxidecompound.First,thisarticleintroducethecharacterofthephosphoricacidanditsapplication.Wedesignthemethodofmanufacturingisthephosphoricacid,itsnameisthemanufacturingthephosphoricacidwithwetmethod.wealsodetailmaterialandtheenergygraduatedarmcalculatedwhichisthebaseofdesignthedevices.Inthedesignalsoincludestheflowchart,theequipmentassemblydrawing,theworkshopgeneralarrangement,theequipmentgeneralarrangementplan.Involvesrawmaterialandthepowerconsumptionfixedquantitybudgetaryestimateinthearticle,andtoproducedtheenvironmentalprotectionwhichandthesecuritymeasureexistedhascarriedonthesimpleintroduction.Keywords:phosphoricacid;themanufacturingofphosphoricacidwithwetmethod;technologicaldesign;thethreepolluthion山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）3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。1molH3PO4在1mol水中的熔解热为7.285J／mol，而在100mol水中则增大为22.0446J／mol。磷酸溶液的密度与粘度在一定温度下，均随磷酸中P2O5含量的增加而增加。在75摄氏度下，当从19.6%P2O5增加到70.5%P2O5时，磷酸水溶液的粘度相应从1.976*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20~100℃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P2O5含量,P2O5%。1.1.2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、三聚磷酸、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：H3PO4→H++H2PO4-K1＝0.93*10-2H2PO4-→H++HPO42-K2＝0.99*10-8HPO42-→H++PO43-K1＝1.8*10-12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％山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）4的磷酸。1.2.1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。1.2.2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。1.2.3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。1.2.4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，随着湿法磷酸净化技术的进步，湿法磷酸也用于品级磷酸盐的生产。1.2.5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、洗山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）5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、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。山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）6第二章湿法磷酸生产方案的确定2.1磷酸的生产方法2.1.1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：Ca5F(PO4)3+5H2SO4+nH3PO4+aq=(n+3)H3PO4+5GaSO4.mH2O+HF+aq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，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.2.1.2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：P4+10CO+10O2=P4O10+10CO2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：P4O10+2H2O→4HPO3HPO3+H2O→H3PO4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）山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文）7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454～523℃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600～800℃温度下用水蒸汽氧化黄磷可以制得磷酸并副产氢气：P4+16H2O=4H3PO4+10H2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P2O5的热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