盐酸分解磷矿装置设计Word格式.docx
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20世纪60年代初，开始进展钙镁磷肥；
20世纪80年代以来，磷酸铵和硝酸磷肥相继投产，使磷肥工业开始向高浓度、复合化方向进展。
但由于我国磷矿资源多为中、低品位，生产高浓度磷肥有一定难度。
从我国实际情形动身，磷肥工业的进展必定是多层次、多规格、多品种。
磷酸是现代磷肥工业的基础，要紧用做高浓度磷肥与复合磷肥的原料。
作为磷肥工业的原料是指正磷酸或聚磷酸-水体系。
生产正磷酸有热法和湿法两种。
热法生产磷酸是利用元素磷在空气中氧化成磷酐，经吸水后获得。
湿法生产磷酸，先用酸分解磷矿粉，再将生成的磷酸与相应生成的钙盐分开。
生产磷肥要紧有热法与酸法两种工艺流程。
热法生产是利用高温分解磷灰石的结构，并加入配料，使磷生成为可被植物吸取的磷酸盐。
酸法生产是用硫酸、硝酸或盐酸分解磷矿粉中磷灰石结构，并把其中的钙盐分离出来，使磷转化为可溶性磷酸盐。
此外，将磷矿石经机械粉碎所生产的磷矿粉，也可直截了当用作磷肥。
用热法与酸法或机械粉碎所产生的磷肥，按其溶解度可分为水溶性磷肥、弱酸溶性磷肥和难溶性磷肥。
以磷矿为原料生产的含有作物营养元素磷的化肥。
最早的磷肥是过磷酸钙，现已逐步被磷酸铵和重过磷酸钙等高浓度磷肥取代。
磷酸铵类肥料和硝酸磷肥等的生产过程虽与上述磷肥生产过程相近（或紧密相联），适应上也把它们归属于磷肥范畴，实际上，它们是既含营养元素氮，又含营养元素磷的复合肥料。
1980-1981肥料年度,世界磷肥总产量（以P2O5计）为34.44Mt。
中国1983年的产量为2.666Mt。
磷矿粉直截了当施肥，在美国、苏联和中国等有一定的数量，但都不统计在磷肥的产量内。
美国在新开垦地上大量施用磷矿粉作为土壤磷素的基础。
近年来，大量的肥效研究和施肥实践证明，活性高的磷矿粉在酸性土壤上有较好的成效。
磷在植物体内是细胞原生质的组分，对细胞的生长和增殖起重要作用，磷还参与植物生命过程的光合作用、糖和淀粉的利用和能量的传递过程。
植物幼苗吸取磷专门快，适时施用磷肥能促进植物苗期根系的生长，保证植物生长健壮。
植物在结果时，磷大量转移到籽粒中，使得籽粒饱满。
磷肥的有效成分常常是不同的磷酸钙盐或与其他组分组成的玻璃体物质。
其有效组分的品位以五氧化二磷的百分含量表示。
磷肥分水溶性和枸溶性两类（见表）：
水溶性磷肥是速效磷肥，对土壤和作物的适用性比较广；
枸溶性磷肥不溶于水，只溶于枸橼酸铵（即柠檬酸铵）或2％枸橼酸（即柠檬酸）溶液,多数只适用于在酸性土壤上施用。
磷矿是生产磷肥的要紧原料之一。
其要紧矿物是氟磷灰石Ca5F（PO4）3。
但纯的氟磷灰石专门少见。
其结构中的一些组分常被其他组分所取代，被取代的磷灰石矿物统称为细晶磷灰石。
天然磷矿中含有多种杂质矿物，如石灰石、白云石、含铁或铝的矿物、硅石和硅酸盐矿物等。
采纳分级、水洗脱泥、浮选和其他方法进行富集处理,最大限度排除杂质矿物,变天然磷矿石为商品磷矿，这是磷肥生产必不可少的步骤。
不同的磷肥加工方法对磷矿的质量要求不一样。
用于磷肥酸法生产的磷矿，要求把铁、铝、镁和泥质等含量限制到较低限度；
在磷肥的热法生产中，磷矿中的含硅矿物一样是有益的；
在钙镁磷肥生产中，磷矿中的含镁矿物与含硅矿物不需要预先除去。
2.盐酸分解磷矿简介
2.1盐酸分解磷矿的现状和意义
近年来我国除用磷生产磷肥的化肥级磷酸用量增长专门快外，非肥磷酸用于水处理剂、民用合成洗涤剂（如三聚磷酸钠）、饲料、食品添加剂等方面也进展较快。
磷酸生产工艺有热法、湿法磷酸二大类。
所谓热法磷酸是用磷矿石、硅石（SIOz）、焦炭在电炉中将磷矿石中的磷还原为元素磷，其反应为:
然后将黄磷在空气中燃烧得到五氧化二磷。
五氧化二磷与水反应得到磷酸。
我国工业级磷酸均足由热法工艺生产的。
这种工艺的产品纯度高，对磷矿石品位无严格要求，但电耗高、）及本高。
所谓湿法磷酸，确实是用酸分解磷矿石制取磷酸的工艺，所用的酸有硫酸、盐酸和硝酸。
以硫酸为原料生产磷酸的反应为:
（注:
n能够等于0、1/2或2，要紧是由硫酸钙结晶体中的水合物形式确定）
通常所称湿法磷酸，确实是指该工艺（以下同少，这种工艺由于能耗、成本比
热法工艺低，因而进展较快，目前国际上用以生产肥料级磷酸而取代了热法磷酸。
但假如提高产品质量使达工业级或食品级成本将十分昂贵。
另外该工艺付产大量磷石膏，处理困难。
以硝酸为原料生产磷酸
由于硝酸价格高，而且磷矿石中各种杂质大部分进入到洛液中，需用有机溶剂萃取分离。
其中采纳叔戊醇作为溶剂的工艺已在芬兰得到开发。
但至今国际上仍未有采纳硝酸制取磷酸的工业化生产装置。
仅有用硝酸酸化磷矿石而制得含NT为8、含P,0。
为16%的硝酸磷肥或用硫酸与硝酸的混酸制取含N23一5%、含P,O。
18%的硝酸磷肥。
以盐酸为原料生产磷酸
该工艺是由以色矿业研究院（ICL公司）开发井形成工业化生产装置，生产
技术成熟，这确实是有名的工MI法。
该工艺可分别生产达肥料级、工业级、食品级磷f--W。
产品应用开发宽敞，国外总生产能力达20万吨pz0ao我国60年代以来曾有一些科研、高校单位进行过研制，但仅有肥料或饲料级的沉钙（磷酸氢钙）生产装置或以有机溶剂进行萃取制得肥料级磷酸三氢钾的小试产品（未工业化），尚无生产高浓度的肥料级、二二业级、食品级磷酸的生产装置问世。
磷矿问题国外的大中型磷酸装置，几乎都采纳优质磷矿作为原料，装置的设计参数和实际使用的矿种比较吻合，其生产专门稳固，技术经济指标也专门好。
我国的大中型磷酸装置在建设之初，仍以优质磷矿的性能和成份为依据作设计，但在投产后，一部分企业就得不到这种优质磷矿作原料，致使这些企业的技术经济指标长期达不到设计要求。
小磷酸的磷矿供应情形就更差，不单是品位低、有害杂质含量高，供矿点也多而杂，这就更增加磷酸生产的困难。
1M1法磷酸工艺仅需作少许变动可分别生产工业级、肥料级和食品级磷酸，其要紧部分详见下图：
磷酸工艺流程方框图
用商品级正戊醇和异戍醇的同分异构体的混合醇（其中正戊醇40%、异戊醇为60%）作为萃取溶剂，经下列五组混合一沉降器组，从酸解液中萃取出纯洁的磷酸。
①预萃取组
第一使酸解液进入到串联的逆流混合一沉降器组，用少量的溶剂从酸解液中萃取出一些阻碍下一步精制组的金属阳离子，带有阳离子的溶剂经洗涤后可再循环使用。
②萃取组
从预萃取组来的经处理除去部分金属离子的溶液中的盐酸和磷酸被充分的萃取入溶剂相，则萃取组的要紧成分为氯化钙和盐酸溶液，因此氯化钙可不能被萃取到溶剂相。
含有磷酸的溶剂相，即萃取相转入到精制组，而萃取组则进入脱析组。
③精制组
经数级萃取分离出的溶剂相中含有被净化的盐酸和磷酸，萃余水相中含有氯化钙和少量稀酸，为了回收萃余相中的少量稀酸在将此萃余相返回了萃取组，以便回来磷酸。
④洗涤组
用软水（无离子水）与含纯洁磷酸的萃取溶剂相逆流混合，其中的磷酸和HCL就转移到水相。
这种被反萃取得到的纯洁稀酸产品浓度约15%,其中部分循环进入到精制组，部分经平稳管进入到蒸发部分。
⑤脱析组
从萃取组来的水相与被洗涤的溶剂相棍合，因而HCL就转入到溶剂相，萃余水相要紧成分为氯化钙和少量残余酸及溶解于水的溶剂混合物卤水，则该卤水被分离后移去。
3.蒸发浓缩
从液一液萃取洗涤组来的稀酸厂品，在真空条件下在一种用石墨与Kcstra材料制的降膜式三效蒸发器中蒸发后，依蒸发效,I~亚的次序进行。
最后从亚效塔底放出浓缩磷酸（含量约为95%）。
第l效蒸出液要紧是溶剂和水的混合物，将其循环到洗涤组，而溶液相在转移到I效之前先送到金属脱除部分。
在第3I和第I效蒸馏出的含量为15-18%的I-ICl则转入到溶解部分。
经上述三效蒸发器即亚效放出的浓酸含量为95%，其中还含有1.5-2%的盐酸，即经稀释作肥料级磷酸。
如用以生产三聚磷酸钠的工业级磷酸，可将磷酸在填料塔中，用蒸汽解析将盐酸含量降到500PPm以下。
如生产技术级（工业级）磷酸，则将上述浓酸在真空条件下在一个单效蒸发器中蒸发浓缩达95%，该浓酸送到漂白脱色部分后再稀释达85%浓度。
如生产食品级RXI，则将上述工业级浓酸再经脱}K后稀释达85%。
l.金属离子脱除将出11效溶液送入混合一沉降器组与一种浪态离子交换剂相接触（由美国Henhc1公司生产的Alarzinc336）,离子交换剂选择性地将金属阳离子转移到离子交换剂中去，而将磷酸中的金属阳离子（要紧是Fe十币+等）脱除。
再以水和稀碱使交换剂再生。
5.漂白脱色
酸在填料塔中与一种氧化剂逆流混合脱色。
6.脱氟
磷酸中的氟化物组分是用直截了当蒸汽在真空条件下脱析除去的。
7.溶剂回收
草取部分来的废卤水中的溶剂，在一个蒸馏塔甲用低压蒸汽除回收。
卤水送到废水处理部分，而回收的溶剂则输送到萃取部分用。
8.溶剂精制
为了减少和分离磷酸中的有机物，经单效蒸发器将溶剂蒸发进行循环处理，蒸馏出的溶剂转入到溶剂循环系统，残余物送到溶剂回收单元，以便回收夹带的溶剂。
9.废水处理
从溶解部分来的废氯化钙卤水及酸不溶残渣经二级中和处理，即第一次以石灰石中和达PH3,第二次以NaOH中和达PH7后即可排放。
固体沉淀物由倾析器分离出来。
如欲回收废水中的氯化钙，可将含量为20-23%的氯化钙卤水进入下一步处理。
10.片状氯化钙
将废卤水经三效降膜蒸发器浓缩达69-70/"
0'
0蒸发出的融熔状浓缩氯化钙液流出用水冷凝至片状并送入焙烧炉，干燥焙烧成最终结b并冷却达550C,得77-80%的片状氯化钙。
其要紧生产流程如图所示。
1.磷矿石
）MI磷酸（盐酸法）技术对磷矿石的品位要求不高，而1M1法硫酸法工艺对磷矿石品位要求较高。
从表3能够看出1M1工艺能够使用中低品位磷矿石，而湿法磷酸则要求用高品位磷矿石。
湿法磷酸对磷矿石中杂质MgO和C1-含量要求严格，因hag0含量高会与氟形成沉淀，可能使过滤机滤布堵塞，C1-的含量高会带来设备的腐蚀，当氯含从超过大约0.01%时会增加对不锈钢设备的腐蚀，采纳合金钢制作的设备能够承诺氯含量为0.1%。
IM1法则对C1-、Mg0无严格要求。
湿法磷峻的倍半氧化物含t若超过2--3%就会带来P,O。
的流失和降低生产能力，]MJ法的倍半氧化物要求含量不超过30%,oo其中对Fc2O3,含量要求较严格，其含量趁<
1.5%为宜。
否则会带来P205流失及沉淀堵塞设备管路。
因此IMI,湿法工艺对矿石中CaO，PZO。
的增加均会相应地增加酸耗。
此处省略
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3OG=010124f2β′Np（16）
实际操作中,由于各种不理想因素的阻碍,最大传质单元数总是小于理论最大传质单元数。
G（fKP0）对fKP0的函数曲线
4 文丘里洗涤器的最佳操作条件
在压力缺失一定时,能够推测最佳喉管气速和液气比以达到最大理论捕集效率。
关于预雾化喷雾的文丘里洗涤器,液滴由喷嘴产生,可依照实际情形选取合适的液气比,而采纳尽可能小的气速。
最佳操作气速可由压力缺失直截了当求得,即
υ3gt=ΔΡβ′ρ1Q1/Qg015（17）
关于气体雾化喷雾,操作条件下的液滴粒径按照N—T方程[11]运算,即
dd=0.0050υgt+0.918Q1Qg115（18）
式（18）与式（12）、（15）联立,即可得到最佳操
作气速和液气比:
υ3gt=0.005+0.0052+6.69fτ（ΔΡ/β′ρ1）1150153165fτ015（19）
Q1Qg3=ΔΡβ′ρ1（υ3gt）2（20）
将式（19）、（20）求得的最佳气速和液气比代入式（18）中即可得到最佳液滴直径。
假如给定总捕集效率,则可由式
（2）、（16）得出所需的洗涤器操作数,代入式（7）即可求出理论最小压力缺失。
旋流板除沫器是由旋流板、柱形罩，挡环及筒体和回流管组成，其结构如图所示。
（1）旋流板
旋流板灼的作用是使气体产生旋转运动，利用离心力的作用将雾沫甩向筒壁而流下。
它是由一块1～2毫米厚的金属板，按设计叶片齿分数凿开，然后将叶片翻起叶片仰角一样为25°
，径向角β大于90°
，立即外端翻起，内端连着金属本身，中心圆为盲板。
（2）柱形罩
作用是收集沿壁流下的液体，以免被旋转气体二次夹带，由于焊在旋流板上的金属罩与塔壁有一定间隙，故能够收集流下的液体，又减少了旋流板上的液体量。
同时也为收集的液体返回下层塔板，制造了条件。
罩的高度与夹带量及旋流板本身压降有关。
（3）挡环
挡环的作用是使被旋转气沿筒壁携带上去的雾液受阻挡，以兔溢出。
挡环高宽应视塔径和如理的物料略有选择。
（4）筒体
一艇是由塔节本身制得。
（5）回流管
回流管的作用为使剩余的雾沫回流到塔内。
整个旋流板的设计和使用，都应考虑该塔的空塔气速，以及雾沫夹带量，不应随意改变塔板直径，否则会降低除雾板的性能。
（1）盐酸分解骨炭后所得的酸解液（酸水），其组成为:
P20,99.95克/升，Ca0133.9克/升，游离HCl12.2克/升。
用上海溶剂厂生产的95帕工业正丁醇（酸度<
0.001,比重<
0.812，馏程115.5-118.51C）作为溶剂进行萃取试验。
本试验的相比为2:
1,醇中盐酸含量为36克/升（饱和水）。
试验结果说明，在混合溶液中质量传递是专门快的，五分钟已达到平稳，在分液漏斗中进行模拟逆流萃取，萃取率平均为95.75alo,醇相P20:
含量为42.47-50.94克/升，CaO为3.283-4.432克/升，HCl为48.79-59.17克/升。
水相P20。
含量为2.5-7.055克/升，Ca0为92.17一106.1克/升，HCl为30.50-63.44克/升。
（2）洗钙试验是在常温下，用150克/升左右的稀磷酸，相比为100/30进行逆流萃取，级数为四级。
萃取液组成为:
P20,48.84克/升，CaO4.066克/升，HCl55.5克/升。
洗钙液组成:
含P205154.7克/升，现在洗钙率可达到85肠以上。
实验说明:
洗钙液中P20:
含量低时，钙的除去率高，但萃取液中P20。
也会降低，而各级之间两相的体积变化较大，两相混和在分层时，有严峻的雾沫现象，阻碍纯度。
（3）反萃取试验级数为五级，实验是在常温下进行的，将醇相和水按100/30的相比进行逆流萃取，反萃取水加有少量盐酸（因大生产时的反萃用水来自稀磷酸浓缩时的蒸馏液，其中含有醇和少量盐酸）。
原始醇组成:
P20,34.20-41.92克/升，第一级醇组成:
P夕。
29.29-34.75克/升，第二级醇组成:
P20,22.11-28.45克，第三级醇组成:
P20,14.56-21.98克/升，第四级醇组成:
P20,9.668-14.25，第五级醇组成:
P20,4.568-7.743克/升，反萃率为80-86.8601o.
（4）磷酸浓缩试验:
反萃取得到的稀磷酸约含H,P0410-11a/o，并饱和了正丁醇。
在蒸发过程中，先是醇与水被蒸馏出来，为了防止正丁醇与磷酸在高温时发生醋化，因此第一时期是在减压下蒸馏，真空度为640毫米汞柱，温度为43-45℃时即开始沸腾，当蒸发量达到总量的三分之一时，温度即升高到56-60C，现在醇已全部蒸出，继而被蒸出的是盐酸与水，盐酸的含量逐步升高，当其全部蒸出后，留下的即为80的成品磷酸。
蒸发过程无固相
析出，当成品冷却至室温时有少量固体析出，加少量水后此固体即行溶解。
（5）用正丁醇逆流萃取水相中的盐酸:
用正丁醇萃取酸解液后的水相中，除含有CaClz外尚含有3一5%的盐酸和1%的丁醇，利用反萃取后的正丁醇进行逆流萃取，通过二级后盐酸差不多被萃取出，然后将氯化钙废液经蒸馏出丁醇加以回收后排放，此操作同样是在真空下进行的。
连续模型试验有三部份内容:
一是用盐酸分解骨炭、液—液萃取法制取磷酸，而以正
丁醇为溶剂;
二是以同样的酸分解液用混合醇为溶剂;
三是以盐酸分解开阳磷矿，以正丁醇
为溶剂制取磷酸，现将三部份试验情形分别叙述于下:
（1）盐酸分解骨炭，此正丁醇为溶剂的试验。
1.萃取设备的选用
用于液—液萃取的萃取器有各种类型;
例如:
属于塔型的有填充塔、喷雾塔、脉冲塔、多孔板塔等。
属于混合—沉降型的有卧式与立式之分。
选用时需依照两相介质的物理特性、制造材料、生产条件等而定。
由于盐酸法分解骨炭或磷矿制萃取磷酸的过程中，介质有强烈的腐蚀性，对设备材料要求高，若结构过于复杂，则制造困难。
因此在试验中采纳了结构比较简单的卧式箱型混合—沉降器组，而且.目前国内在稀有金属和有色金属湿法冶炼方面，生产上已采纳这种设备而积存了许多体会可资参考。
同时国外盐酸法液—液萃取制磷酸比较典型的I、M,I,工艺流程亦采纳箱式混合—沉降槽，其结构与原子能提铀工业中的混泵（Pump-mix）型混合—澄清槽相类似。
我们试验重点是在于液—液萃取的工艺上，为此对萃取单元设备来不及作更多的探讨，就选用了这种设备，并针对制取磷酸工艺的特点作了一些改正和考察。
在模型试验中，萃取、洗钙、反萃取、盐酸解汲等工序分别采纳12级、6级、8级、和
4级的逆流萃取，每一级的混和区的容积为1.95升，沉降区为4.875升，采纳封闭涡轮和放开涡轮式二种搅拌器、萃取器的结构如下图混和—沉降器部份示意图
2.萃取试验
骨炭原料含有1'
20;
40%,Ca052-54Vo,盐酸分解时酸用量为理论量的102-105%,盐酸浓度为22-240，盐酸分解骨炭后所得酸水的组成为:
P20,83-108克/升，CaO110-150克/升，HCl4-8克/升。
正丁醇为上海溶剂厂生产的工业正丁醇。
萃取的级数为12级，从表1试验结果说明，当相比为2.4:
1（醇:
酸水），当正丁醇中盐酸含量为35-40克/升，并饱和了水，在常温下经12级连续逆流萃取，萃取率能够达到96%以上。
萃取相P20。
含量在43-47克/升，CaO在2.8-4.。
克/升HCl在33-47克/升。
萃余相P20。
含量在2-5克/升左右，CaO在85-97克/升，HC1在24-36克/升左右。
3.洗钙试验
洗钙的级数为6级，进料洗钙液用浓磷酸加无离子水使配成含P,O..-,20-25克/升，相比
（萃取相:
洗钙水）为10:
2.3,操作温度为室温，试验结果见表
从表能够看出，用稀磷酸从萃取相中连续逆流萃取，在上述条件下洗钙率可达950/0左右。
4.反萃取试验
反萃取的水用无离子水或蒸馏回收并饱和了正丁醇而略含少量盐酸的水。
当用相比（洗钙后的醇相:
无离子水）为10:
3时，通过8级逆流萃取，操作温度为常温，反萃结果如表
由表可见，在上述条件下进行反萃取，反萃率可达9201o以上，回收正丁醇中P20,量不超过2克/升，在循环使用时，可不能阻碍P20。
的萃取。
所得稀HnPO;
的组成为:
60-70克/升，HCl50-70克/升，正丁醇9.2801o,CaO微量。
（4）试验结果讨论及初步结论
1.盐酸分解骨炭（或磷矿），以正丁醇（或混合醇）为萃取溶剂，通过液—液萃取的方法制取磷酸的模型试验，要紧工艺条件试验结果如下:
（i）盐酸分解骨炭（或磷矿）。
以20-25Go（重量）HCl的盐酸分解，酸用量为理论运算用量（按骨炭或磷矿中的Ca0全部生成CaCl:
计）的102Olo。
反应时刻:
磷矿在三十分钟以上，骨炭在2一3小时。
反应温度:
磷矿为40-50C，骨炭为90℃以上，P205分解率可达99肠。
由于骨炭系骨渣经灼烧炭化后生成之多孔疏松状物，分解比较迅速，但需注意的只是骨渣的炭化必须完全，以防止由于有机质的带入，造成酸耗量增加。
采纳P20。
含量在3001o以上，倍半氧化物和酸不溶物不超过10肠的开阳磷矿，分解也相当容易，考虑到投入生产后，尽可能地缩短酸不溶残渣的沉降时刻，减少洗涤水用量，在保证分解率在98肠以上的前提下，应尽可能使用不太细的磷矿粉，关于目前所用的开阳磷矿细度在1000/0通过40目即可。
（ii）盐酸分解骨炭，以正丁醇为萃取溶剂的液—液萃取试验。
在相比为2.4/1，进料溶剂的盐酸含量为35-40克/升，经12级连续逆流萃取（停留时刻为13分钟），P20。
萃取率可达97-98%;
以30B'
e稀磷酸（含P20520克/升，HCl15-20克/升）洗钙，相比为10/2.3，经6级连续逆流萃取，CaO洗涤率平均可达9501o;
这时溶剂相中的P20。
和HCl可不致有太多转入水相而造成酸分解液循环量过大。
以无离子水进行反萃，相比为10/3,经8级连续逆流反萃，P20。
反萃率可达9201o，所得稀磷酸的组成为:
P20.,60-70克/升，HCl50-70克/升，正丁醇9.28%（从稀磷酸浓缩时回收正丁醇量折算），CaO微量。
稀磷酸通过减压真空浓缩到沸点低于701C，比重达56-60'
We时，不再含有丁醇和氯根，现在成品磷酸P20。
为56-58%0
（iii）盐酸分解骨炭，以混合醇与正丁醇的混合物为萃取溶剂的试验。
在相比为2.4/1,正丁醇/混合醇的体积比为1/1，进料溶剂的盐酸含量为35-40克/升，经连续逆流12级萃取（停留时刻为43分钟）P20。
萃取率亦可达94%左右。
以混合醇与丁醇的混合物作为萃取剂，在经济上是合理的，技术上也是可行的。
但在试验过程中发觉混合醇由于其中含有一定量的高碳醇，因此其粘度专门大，致使在萃取过程中由于搅拌浆的抽力限制，形成在萃取槽中醇相满溢
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