化工设计方案概要.docx
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化工设计方案概要
湖北大学
化学化工学院
化工设计
41000吨/年P2O5湿法磷酸厂工艺设计
专业：
化学工程与工艺
班级：
09化工
姓名：
徐军军成攀杨绪浩张亚超
老师：
杨世芳
2012年12月27日
目录
1绪论………………………………………………………………………………………1
1.1设计任务的依据及产品概况…………………………………………………………1
1.2建厂地理位置概况……………………………………………………………………1
1.3厂址的选择依据………………………………………………………………………2
1.4产品方案和技术指标…………………………………………………………………4
2总图运输…………………………………………………………………………………5
2.1概述……………………………………………………………………………………5
2.2总平面布置……………………………………………………………………………5
2.3竖向布置………………………………………………………………………………6
3工艺设计………………………………………………………………………………6
3.1生产工艺综述…………………………………………………………………………6
3.2生产方法和工艺流程的选择与评述…………………………………………………6
3.3工艺过程的物料和热料衡算…………………………………………………………9
3.4主要的设备选型计算…………………………………………………………………14
3.5附属设备的选型与计算………………………………………………………………17
4自动控制要求…………………………………………………………………………18
4.1控制水平和范围………………………………………………………………………18
4.2仪表选型………………………………………………………………………………18
4.3复杂控制系统…………………………………………………………………………18
5给、排水要求……………………………………………………………………………18
5.1概况……………………………………………………………………………………18
5.2设计范围………………………………………………………………………………18
5.3给水……………………………………………………………………………………18
5.4循环水…………………………………………………………………………………19
5.5排水……………………………………………………………………………………19
6环境保护要求……………………………………………………………………………19
6.1废气治理………………………………………………………………………………19
6.2废水治理………………………………………………………………………………19
6.3废渣治理………………………………………………………………………………19
7厂化验室要求……………………………………………………………………………20
结论…………………………………………………………………………………………21
致谢…………………………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………………23
附图
图1带控制点的工艺流程图
图2萃取槽
1绪论
1.1设计任务依据及产品概况
本设计是根据湖北大学化学化工学院下达的毕业设计任务书，即年产41000tP2O5湿法磷酸生产工艺设计，开展了湿法磷酸车间装置的设计。
纯净的湿法磷酸是无色的，但由于一般都含有一些杂质，因而湿法磷酸一般呈灰色，视杂质含量的多少其灰色或深或浅。
湿法磷酸主要用于生产重过磷酸钙和磷酸铵类肥料，还可以用来生产各种工业磷酸盐及磷饲料[1]。
1.2建厂地理位置概况
湖北五峰工业园区位于宜昌市西南，区位优势明显，国家二级公路通往长江水运港、枝城火车站仅60km，离三峡国际机场、汉宜高速、沪蓉高速、318国道80km。
1.2.1气象条件
宜昌四季分明，春秋较长。
年平均降水量为992.1~1404.1毫米之间。
雨水丰沛，多在夏季，较长的降水过程都发生在6~7月份。
雨热同季，全年积温较高，无霜期较长，年平均气温为13.1℃~18℃，7月平均气温24.1℃~28.8℃，元月平均气温1.7℃~6.5℃。
极端最高气温41.4℃，最低气温-15.6℃。
根据宜昌气象台的观测记录其具体的气象特征如下
气温：
年平均气温16.5℃
最高气温41.4℃（8月）
最低气温-15.6℃（2月）
气压：
年最高气压1016.7Pa
最高月平均气压1026.9Pa（1月）
最低月平均气压1003.3Pa（7月）
相对湿度：
最高月平均相对湿度82％（7月）
最底月平均相对湿度64％（3—4月）
降雨量：
年平均降雨量93.69mm
最大降雨量264.4mm
蒸发量：
一般为降雨量的1.6—2.3倍
冻结深度：
湖塘冻结深度为20cm
土壤冻结深度为30cm
风向：
常年主导的风向为东南凤，风频为12％
3—10月以东南风为主
11月—次年3月以北、东风为主
风速：
最大风速29.8m/s（5月）
常风速5～6m/s
1.2.2交通运输
宜昌市拥有湖北省第2大机场——宜昌三峡国际机场。
宜昌现拥有两个火车站：
宜昌东站和宜昌站，此外宜昌南站即将投入使用。
宜昌公交集团拥有65条公交线路，覆盖宜昌城区。
宜昌现有宜张、宜巴、保宜、汉宜、荆宜、沪渝六条高速公路，全长约670公里。
其中拟建宜张高速公路106公里，在建宜巴、宜保高速214公里，已建汉宜、荆宜、沪渝高速公路350公里。
宜昌现有三峡航运中转中心，水路交通极其方便。
1.2.3水源、能源
厂区水源充足，在厂区附近有供电站，能源供应方便。
水：
水质：
浊度≯20mg/L
水压：
0.3MPa
水量：
常态81.2t/h；
最大139t/h；消防54t/h
用电设备台数：
149台
蒸汽：
压力：
0.2MPa（表压）0.7（表压）
气量：
8t/h
1.3厂址的选择依据
厂址的选择是工业基本建设的一个重要环节。
厂址选择工作的好坏对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面会带来重大的影响。
1.3.1地理位置、地形地貌
宜昌矿产资源十分丰富，现宜昌境内探明的矿物有53种，占全国已知矿的1/3，占湖北省的45%。
主要矿产有磷、铁、煤、锰、铬、铅、汞、金、银、铜、锌、硅、石膏、石墨、石英砂、重晶石、石灰石、大理石等。
各种矿产地1044处，其中，工业矿床462处，大型矿床14处。
磷矿是全国六大矿区之一，储量在11亿吨以上，是全国第三大矿区，占湖北省的50%。
宜昌（古称夷陵）因“水至此而夷，山至此而陵”而得名。
位于湖北省西南部，地处长江上游与中游的结合部、鄂西秦巴山脉和武陵山脉向江汉平原的过渡地带，地势西高东低，地貌复杂多样。
境内有山地、平原、丘陵，大致构成“七山一水二分田”的格局，为鄂、渝、湘三省市交汇地。
宜昌“上控巴蜀，下引荆襄”，素以“三峡门户、川鄂咽喉”著称。
自古以来，宜昌就是鄂西南、湘西北和川（渝）东一带重要的物资集散地和交通要道。
1.3.2水文、地质条件
潜表地下水初见水位一般，适宜建造厂房，地质坚硬，对混凝土基础无腐蚀性。
无洪水，泥石流，滑坡等危害，地震基本烈度符合化学工厂选址的原则。
1.3.3原材料的供应与产品贮存、运输条件
原材料：
（1）磷矿
中国磷矿资源比较丰富。
全国26个省（区）有磷矿产出。
探明储量的矿区有412处，总保有储量矿石152亿吨，居世界第2位。
从分布看，以湖北、云南为多，分别占22%和21%；贵州、湖南次之。
以上4省合计占全国储量的71%。
我国重要磷矿床有云南昆阳磷矿、贵州开阳磷矿、湖北王集磷矿、湖南浏阳磷矿、四川金河磷矿、江苏锦屏磷矿等。
磷矿矿床类型以沉积磷块岩型为主，储量约占80%；多为磷灰石矿床、沉积变质型磷矿床次之；鸟粪型磷矿探明储量极少。
我国磷矿的成矿时代主要为震旦纪和早寒武世，前震旦纪、古生代也有磷矿产出。
（2）硫酸
本设计采用浓度为92.5%H2SO4，由火车送来，卸车后贮存在硫酸大罐中，经泵送至本装置硫酸计量槽内。
（3）成品包装袋
采用规格为50kg的编织袋，外购。
（4）原料需要量
名称及规格单位每小时量
磷精矿（P2O5：
32.39%）t19.99
硫酸（92.5%H2SO4）t17.69
包装袋（50kg/个）t2
装置的运输量：
运入：
磷矿134912.8t/y
硫酸119407.5t/y
包装袋13500t/y
运出：
磷酸（P2O5计）41000t/y
磷石膏12147.7t/y
1.3.4原材料的供应与产品贮存、运输条件
厂区布置如图（附后）[2]
1.3.5“三废”治理
（1）废气
磷矿中含有F约4.58%，在磷矿萃取反应时，氟的分布因磷矿种类及所用的工艺不同而有所不同，以二水法为例，呈气态逸出的氟约占磷矿含氟量的2～12%，留在磷酸中的约为20～75%，石膏中约占磷酸含氟量的15～25%，排出的氟的形态，主要以四氟化硅（SiF4）存在，排出的气量同反应热的排出方式有关。
萃取反应排出的含氟尾气，在吸收器内用水将四氟化硅（SiF4）吸收生成氟硅酸溶液，然后送污水处理站处理，经洗涤后的尾气由排气筒放空。
（2）废水
磷酸生产中当滤盘翻转倾倒石膏后，残存在滤盘滤布上的磷石膏需用水冲洗，以使滤布再生。
冲洗后产生含有少量磷石膏的含P2O5,F的污水，将污水封闭循环使用，即将冲洗滤盘后的污水通过稀浆槽经旋流器将少量颗粒较大的磷石膏先行分离进入稠浆槽，含有细小磷石膏颗粒的浆液（沉降速度很慢），由漩流器顶部流出流入混合槽，在此加入已配制好的絮凝液，使污水中的石膏细颗粒形成絮团状沉降，然后进入沉降槽进行第二次分离。
由底部流出的稠浆也流入稠浆槽。
清液（含颗粒＜200mg/Kg的液体）溢流至清液槽。
该清液继续用来冲洗滤盘的滤布，循环使用。
而一、二分离后所得的含P2O5、F及含石膏固相达25～35%的稠浆，用泵送至过滤机的二洗区，由于此时滤盘上已有一定厚度的滤饼，故稠浆中的石膏会覆盖在滤饼的表面，而含P2O5、F的污水进入磷酸液相系统。
这一技术不但不外排含P2O5、F的污水，节省了新鲜水用量而且还使污水中的P2O5进入磷酸成品中，提高了磷酸生产P2O5总收率。
当磷酸装置刚开车或生产不正常需要排出含P2O5,F的污水时，可进入废水收集池，待生产正常后，适当减少进入文丘里吸收塔的水量，而将废水收集池中的污水慢慢补充入清液池，就可做到污水不外排。
（3）废渣
萃取磷酸过滤机排出的磷石膏是推存还是综合利用，往往是大，中型磷酸项目建设的重大研究内容之一。
因为磷石膏排放量大，常年堆存不但占用大量土地，耗用巨额资金，而且处理不好会于推存过程造成水溶性P2O5,F对环境的污染。
排放磷石膏最简单的方法是把石膏用水调成稀浆（一般石膏10%），再把石膏浆经泵送到水流量大的河流或海洋里。
为加大经济收入，磷石膏堆放在厂区内，由卡车送出外卖，磷石膏可以制成熟石膏、石膏板、水泥缓凝剂及石膏砖等建筑材料。
1.4产品方案和技术指标等
1.4.1产品的方案及建设规模
（1）产品名称：
磷酸
副产品：
磷石膏
（2）设计规模：
磷酸,41000t（P2O5计）
（3）产品规格：
磷酸，P2O5约30%
1.4.2设计指导思想
（1）技术方案的选择在已学知识的基础上，力求先进，运行可靠，护理，维修方便，以期取得较好的经济效益。
（2）磷酸的主要设备立足于国内自己开发，制造，运行可靠。
（3）贯彻工厂布置一体化，部分装置露天化，建（构）筑物轻型化，公用工程社会化，引进技术国产化等“五化”原则，以求达到节省投资和用地之目的。
1.4.3生产方法和主要技术方案
本设计萃取磷酸采用二水物流程。
萃取磷酸的生产，由于反应生成硫酸钙结晶中的水合物形成不同而有多种流程，其中二水物流程比较成熟，而且对磷矿的品位和类型的适应性较广，因而在国内外获得广泛的采用。
本设计的萃取磷酸的生产采用传统的二水物流程。
1.4.4操作制度
本装置磷酸每天三班连续操作，每年运行300天，每天运行22.5h即每年运行6750h。
大修一次：
30天
中修三次：
15天，每次5天
小修十次：
20天，每次2天
1.4.5存在问题及建设
在磷石膏的长期堆积处，天然铀系列放射性元素和其他杂质严重影响了环境也阻止了石膏本身的使用。
2总图运输
2.1概述
湖北五峰工业园区始建于1992年，属省管开发区，是我县实施对外开放战略的重要平台。
园区规划面积2.53平方公里，先后引进了采花茶业、亚泰化工、骏王集团、长乐科技、赤诚生物、新桥生物、五东薯业、宏力魔芋、骏王酒业、恒大矿业、阳成合金、山山林业、家和机械、星源机械等10多个龙头企业。
园区规模逐步扩大，园区品位不断提升。
工厂位于西矿区东南200m左右，西2km为矿区总部，及选矿厂，家属区等，西临磷肥厂，东临木材厂，北有饲料厂，南有通往三峡港口之铁路专用线，北南紧临厂区均为西矿井之职工宿舍区，并有矿区通往连云港公路在此通过。
厂区地形平坦，最高为5.2m，最低为4.8m左右，铁路轨顶标高6.39～6.44m之间，故厂区低洼，经常积水，为保证雨天不积水，厂区标高需抬高到5.6～6.0m。
2.2总平面布置
从工厂的组成、运输、气象及地质等情况，共排三个方案，均以磷酸为主体，其他辅助装置围绕磷酸装置布置，经过比较差异不大，仅是物料输送皮带机的长短和管线长短而已，最终经过比较确定此方案为初步设计总平面布置，该方案的特点是物料输送距离最短，主厂房布置在地质条件较好之地段，污水处理站和污水排放泵房布置在磷酸厂房东侧，有利于污水排放。
外来硫酸的装卸站台及罐区紧临铁路，且于磷酸装置硫酸中间罐区仅一路之隔，磷矿库在磷酸厂北侧，因磷精矿用汽车运输入厂，这样汽车运距短，不用穿过厂区，仅磷石膏需用汽车运至尾矿堆场，而磷石膏堆放根据工艺要求只能布置在磷酸厂房南面，紧临铁路，如果磷石膏的有了新的开发和利用可以直接用火车运走。
2.3竖向布置
由于原厂区比较低洼，经常的积水，为了保证厂区自身的废水和雨水方便的排放，厂区标高必须由原来的4.8～5.2m抬高到5.6～6.0m，厂区需填土近3万立方米。
3工艺设计
3.1生产工艺综述
本设计采用锦屏精选矿及外购商品硫酸制成浓度约为30%P2O5的稀磷酸。
3.2生产方法和工艺流程的选择与评述
磷酸的基本生产方法有热法和湿法。
热法是以黄磷为原料，使之在过量的空气中燃烧再水合而制得。
其特点是产品纯度高，可得到食品级、试剂级的磷酸；缺点是成本高。
而湿法磷酸是由酸性较强的无机酸分解磷矿而得。
其优点是成本低；缺点是产品的浓度低，杂质含量高，提纯困难。
目前世界各国大多采用湿法，并不断研究湿法磷酸的提纯技术以达到以较低的生产成本制得纯度较高的磷酸。
本设计采用湿法磷酸。
3.2.1湿法磷酸工艺流程[3]
湿法磷酸生产中，用来分解磷矿的无机酸有硫酸、硝酸、磷酸、盐酸、氟硅酸等。
用这些酸与磷矿反应都生成磷酸和氟化氢，而不同的酸根则与磷矿中的钙结合生成不同的钙盐。
从磷酸溶液中分离这些不同的钙盐，因其性质不同，分离的方法各异，从而生成了各种不同的湿法磷酸生产工艺过程。
所以，通常用生成硫酸钙结晶的水合物来命名工艺流程。
（1）二水物流程
硫酸分解磷矿制湿法磷酸时，控制硫酸钙以二水物（石膏CaSO4·2H2O）形式沉淀的工艺流程称为二水物流程，反应式如下：
Ca5F（PO4）3+5H2SO4+10H2O＝3H3PO4+5CaSO4·2H2O+HF
二水物流程的反应机理和工艺条件与半水物流程，无水物流程等截然不同，这就是湿法磷酸生产流程要以硫酸钙结晶水形式来分类的原因。
二水物湿法磷酸生产工艺流程图[4]：
1-硫酸计量槽;2-硫酸泵;3-鼓风机;4-料浆泵;5-酸解（萃取）槽;6-盘式过滤机;
7-氟吸收液循环泵;8-文丘里吸收塔;9-排风机;10-排气筒;11,12-气液分离器;
13-冷凝器;14-石膏运输皮带;15a,15b,15c,15d-滤洗液中间槽;16,18-水环式真空泵;
17-液封槽;19-冷却水泵;20-冷却水池;21-冷凝水池;22-冷凝水泵
目前中小型化工企业中，二水物湿法磷酸生产流程占主导地位，其优点是：
①二水物结晶在稀磷酸溶液中具有很好的稳定性，能形成足够大而且比较整齐的结晶有利于过滤和洗涤，相应的减少磷酸的损失；
②生产中工艺条件控制幅度相对地大一些，运转时间长或开工率高，通常可达有效操作时间的85%～95%（不包括每年两周的定期清理），每年操作时间一般为298～333天；
③对设备，材料腐蚀也相对小一些；
④对矿种的适应性强，生产用矿可以改变；
正因为上述的原因，湿法磷酸的生产以二水物流程起步至今已有百余年的历史，经过不断改进，完善，二水物流程已发展成为一个现代化的工业流程。
（2）半水物流程
半水物流程的最大优点在于半水物结晶能在高的磷酸浓度及温度下以介稳定形式存在；同时，半水物结晶可以形成粗大的晶体，在浓磷酸介质中有较好的过滤性能，这就使半水物流程具备了实现工业化的必要条件。
目前，大部分半水物结晶都可以控制形成粗大的聚合晶体，这类晶体过滤速度快，洗涤容易，且稳定性好。
然而，作为工业化装置，半水物流程也有它的不足。
首先是P2O5转化率低，影响经济效益，在一般控制条件下，转化率可降至92%～94%，其实，介稳定的半水物结晶在操作运转中，常会带来许多难以预期和克服的麻烦。
（3）半水-二水再结晶流程
再结晶流程中，硫酸钙结晶先以半水物析出，再转化成二水物的流程称为“半水—二水再结晶流程”，其中只一次过滤的，称为“一步法”流程。
同所有的再结晶流程一样，稀酸（一步法）流程也是由磷矿分解过程（半水部分）与结晶转化过程（二水部分）组成的。
由于只安排了最后一次过滤，这就决定了前，后两个过程的磷酸浓度相同，或基本相同。
一般选用30～32%P2O5，在此浓度下，即使转化过程中吸水转化仍能进行，其困难的程度也是可以想象的。
磷矿分解过程中，要在稀的磷酸溶液中形成半水物结晶也是困难的，流程中采取的措施是提高分解温度到80～110℃。
（4）二水-半水再结晶流程
该流程是以二水物流程为基础的再结晶过程，只能生产与二水物流程相接近的稀磷酸，全系统也可以分为磷矿分解过程及结晶转化（再结晶）过程。
磷矿在分解过程中酸化，并首先析出二水物，在转化过程中又脱水转化为半水物。
该流程的特点是：
①全系统只经一次过滤，所以是“一步法”的再结晶流程，转化过程的磷酸浓度与分解过程基本相同；
②只能得到与二水物相似的磷酸浓度；
③结晶转化过程是由二水物脱水转化成半水物，这种从溶液中析出的半水物为α型（α-CaSO4·1/2H2O）；
从表面上分析，这类流程存在着某些不足之处。
第一，成品磷酸浓度偏低与二水物流程相接近。
第二，全系统的热过程不尽合理，如在分解过程中为了形成二水物结晶相对比较低的温度，需移走大量的热，但在转化过程中为了二水物的脱水，又需加大量的热来提高脱水的温度。
第三，半水物结晶是一个稳定的固相，在稀磷酸溶液中形成的半水物的稳定性更差。
因此，对滤渣的处理经常碰到麻烦，通常的做法是令其自行吸水转化为二水物。
这样，全系统的转化过程实际上成了二水物→半水物→二水物。
第四，在转化过程的溶液中，形成的半水物“过渡脱水”成无水物的趋势是存在的。
综上所述，选择二水物流程生成磷酸是最好的工艺流程。
3.2.2工艺流程简述
（1）原料工段
本工段的主要任务是对汽车运输的磷精矿、硅藻土进行贮存，并通过机械运输设备将磷精矿与硅藻土按一定的配比计量混合后加入萃取槽。
磷精矿的年耗量约134912.8t/y，粒度（＜0.075㎜）＞50%。
（2）磷酸工段
由原料工段送来的磷精矿、硅藻土经螺旋计量后由埋刮板送入脱氟工段。
设置一个脱氟工段为的是生产出来的磷酸在用来生产饲钙的时候里面的氟符合国家的标准。
在脱氟工段出来的料浆与硫酸贮槽的硫酸经硫酸泵一起通过自控调节，按比例加入萃取槽。
萃取槽所获得的H3PO4和CaSO4结晶混合料浆泵通过料浆泵送至盘式过滤机进行过滤。
为了降低萃取槽中料浆的温度，用鼓凤机送入空气冷却。
萃取槽排出的含氟气体通过文丘里吸收塔用水循环吸收，吸收液用氟吸收循环泵送至文丘里吸收塔进行循环吸收，净化尾气经排气机和排气筒排空。
为减少污水排放，正常生产中，部分含氟污水集中清液池供冲洗过滤机的滤水用。
当发生事故时，该含氟污水送污水处理站处理。
萃取料浆经过过滤所获的滤液，通过气液分离器分离后，液体即为成品磷酸，并进入滤洗液中间槽，由立式泵送入淡磷酸中间槽使用。
过滤所获石膏滤饼经洗涤后，由滤盘翻转卸入螺旋输送机，并用胶带输送机送往磷石膏堆场。
滤饼的洗涤采用逆流三次洗涤流程。
清液池中的含氟，含磷污水，经清液循环泵送去冲洗滤布，由此下来的含有石膏的污水于沉降槽中沉降，清液溢流回至清液池中再利用，含石膏的稠浆进入稠浆槽，通过蒸汽加热后，再用稠浆泵送往过滤机用以洗涤滤饼。
与此同时，稠浆中的石膏亦被滤出，并与大宗石膏一起被排除。
各洗液进入气液分离器的相应格内，被分离出的液体经三洗泵，二洗泵将洗液相继返回过滤机洗涤滤饼，一次洗液将由泵全部送至萃取槽。
过滤工序所需真空由水环式真空泵产生。
抽出的气体经冷凝器用水冷却。
真空泵冷却水集中在冷却水池，通过泵送至冷凝器作冷却水。
从冷凝器中排出的废水，进液封槽排入冷凝水池后，由泵将部分冷凝液送至文丘里吸收塔。
当萃取岗位停车处理时，残存的料浆用料浆泵送往过滤机中过滤。
3.3工艺过程的物料和热量衡算
3.3.1物料平衡计算
设磷酸工厂所用磷矿的主要组成以及已知条件如下：
（1）原料磷矿的主要成分（%）：
P2O5：
32.39；F：
4.02；CaO：
44.98；Fe2O3：
1.46；Al2O3：
1.63；A·I：
2.27；CO２：
2.56；SiO2：
2.17；MgO：
0.4
（2）硫酸用量：
为理论用量的104%
（3）硫酸浓度：
含H2SO492.5%
（4）转化率：
98.1%
（5）洗涤效率：
98.6%
（6）料浆液固比：
2.8
（7）成品稀磷酸浓度：
含P2O530%
（8）氟逸出率（%）：
二水法：
1.42；半水法：
45。
（9）机械损失（P2O5）：
3%
（10）水份蒸发量（以100kg磷矿为基准）：
18.65kg；如采用真空冷却，则冷却器中的蒸发水量占80%。
（11）滤饼含液量（以干磷石膏为准%）：
过滤后滤饼：
68.30；
一次洗涤后滤饼：
45.52；二次洗涤后滤饼：
26.11；三次洗涤后滤饼：
10.43
（12）洗液浓度（P205）%：
一次洗液：
19；二次洗液：
6.5；三次洗液：
1.9
（13）返回淡磷酸的温度（℃）：
63
（14）萃取槽排出料浆的温度（℃）：
77
（15）萃取槽排出废气的温度（℃）：
56
（16）料浆循环比：
72
（17）磷灰石分解率：
（%）98.7
（18）萃取槽排出废气的相对湿度：
0.96
（19）料浆在
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