二水物湿法磷酸工艺计算.docx
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二水物湿法磷酸工艺计算
第四章二水物湿法磷酸工艺计算
1工艺计算基础数据
（1）原料
表4.1磷矿成分组成表（干基）
组分
P2O5
CaO
Fe2O
3
Al2O3
SiO2
Mg
O
Na2
O
K2O
F
CO2
其他
%
30.5
6
48.8
6
0.66
0.57
11.3
2
0.76
0.32
0.1
8
3.
2
2.9
1
0.75
（2）硫酸：
选浓度为98%的H2SO4
2反应部分工艺数据
（1）磷矿浆的含水率取36%（湿基）。
⑵磷矿浆中P2O5的萃取率96.5%。
（3）磷矿中次要组分在反应过程中的分配如下：
表4.2磷矿中次要组分在反应过程中的分配表
组分
CO2
F
Fe2O3
Al2O3
MgO
Na2O
SiO2
K2O
其他
率酸%
/
70
91
82
98
20
10
13
68
石膏%
/
13
9
18
2
80
87
87
32
气相%
100
17
0
0
0
0
3
0
0
3.过滤部分工艺数据
（1）成品磷酸主要组成：
P2O525%。
⑵过滤时对成品磷酸的稀释率取0.5%
（3）P2O5的回收率取96.0%。
（4）率饼的含液量（湿基）
1•第一次过滤50%
2•第二次过滤40%
3•第三次过滤35%
4.第四次过滤29%
第二次过滤后水溶性P2O5残留率
洗涤后率饼中水溶性五氧化二磷
洗涤前率饼中水溶性五氧化二磷
（6）第三次洗涤后水溶性P2O5残留率
洗涤后率饼中水溶性五氧化二磷
R2=
一洗涤前率饼中水溶性五氧化二磷
⑺第四次过滤后水溶液中P2O5浓度为1.13%
4计算过程及结果
以1000Kg磷矿（干基）为准：
1）磷矿用量：
1000kg（干基）
磷矿浆量：
10001562.5kg
（1-36%）
已知成品磷酸为80万t/a，折成小时磷矿消耗量为：
（130.56%96%）
2010
矿浆量
干基量
（1-36%）
2）硫酸用量
（1）假定磷矿中的MgO全部以MgCO3形式存在多余的CO2则以CaCQ形
式存在，矿中的F及P2O5分别以Ca5F（PO4）3及CaF2形式存在。
MgCOs与H2SO4
反应生成MgSO4,而MgSO4在磷酸溶液中呈离子状态，故计算成品磷酸中游离
硫酸时将MgSOq计入，而计算硫酸消耗时不再列入。
假定成品磷酸中不含Ca2+。
（2）计算1000Kg磷酸矿中各种Ca的量。
CasF（PO4）3的量:
100010330.56%—-=1434.742mol
1423
CaF2的量:
（10001033.2%丄-1434.742）0.5=124.735mol
19
MgCO3的量:
31
1000100.76%188.539mol
40.31
CaCO3的量:
10001032.91%—-188.539=472.825mol
44
（3）各种钙盐消耗硫酸量：
CasF（PO4）3的消耗量
1434742
96.5%598=678.418kg1000
CaF2的消耗量：
=12.224kg
124.735“
1000
CaCO3消耗量：
98
嚅F…37kg
（4）成品酸中的游离硫量
100032.2%96.5%12.9%96.5%=33.011kg
25%
（5）消耗硫酸总计
678.41812.22446.33733.011二769.99kg折算成98%的H2SO4为：
1
769.99785.704kg
98%
折算成SO3的量为：
kg
1
769.9980=628.563
98
3）成品磷酸组成：
（1）成品磷酸中个组分量
P2O5=100030.56%96.5%=294.904kg
11
SO3=100032.2%96.5%2.9%96.5%80=26.948kg
25%98
Fe203=10000.66%91%=6.006kg
AI2O3=10000.57%82%=4.674kg
SiO2=100011.32%10%=11.32kg
K?
O=10000.18%13%=0.234kg
Na2O=10000.32%20%=0.64kg
MgO=10000.76%98%=7.448kg
F=10003.2%70%=22.4kg
其他=10000.75%68%=5.1kg
（2）总磷酸量：
294.90425%W79.616kg
（3）成品磷酸中水的计算
在磷酸中的水可以分为自由水和结合水两种，结合水的计算采用阴阳离子平衡方法。
非金属和其他氧化物：
P2O5SO3SiF4F等。
金属及其他氧化物：
Fe2O3AI2O3MgONa2OK2O等。
判断F与Si是否平衡，首先判断磷酸中F与Si是否平衡，如果是Si过量，则
酸中F以SiF62-的形式存在，多余的Si以SiO2的形式存在，如果是F过量，则酸中Si全部以SiF62-的形式存在，多余的F以F-形式存在。
11.32
Msio2:
Mf=60.检4=°.16°V0.1667说明F过量/19
阴离子组物质的量：
r小1
P2O5=294.9046=12.461kmol
142
1
SO3=226.9482=0.674kmol
80
1
SiO2=11.322=0.377kmol
60.1
11321
F=[22.4-（619）]1=0.049kmol
60.119
小计：
13.561kmol
阳离子组物质的量：
1Fe2O3=6.0066=0.231kmol
159
1Al2O3=4.6746=0.273kmol
102
1MgO=7.4482=0.370kmol
40.31
Na?
。
、K2O及其他物质的量均用Na?
。
的值代替
1（0.640.2345.1）2=0.193kmol
62
小计：
1.067kmol
1
结合水量：
（13.561-1.067）-18=112.446kg
2
小计：
总干物质的量:
294.904+26.948+6.006+4.674+11.32+0.64+0.234+7.448
+22.4+5.1+112.446-3.405=488.715kg
自由水量：
1179.6-488.715=690.885kg
（4）成品磷酸组成：
表4.3成品磷酸组成表
组
分
P2O5
SO3
Fe2O
3
AI2O3
SiO2
F
MgO
Na2
O
K2O
其他
结合
水
自由水
2.28
0.96
1.89
0.63
0.54
0.01
0.42
9.53
%
25
4
0.509
0.396
0
9
1
2
9
5
2
58.569
以上合计100.766调整-0.766，总计100
4磷石膏组成
（1）磷石膏的组成量（kg）
CaO=100048.86%488.6
P2O5=100030.56%1-96.5%=10.696
j1
SO3=678.41812.22446.33780=601.615
98
Fe2O3=10000.66%90%=0.594
Ab03=10000.57%18%=1.206
SiO2=100011.32%87%=98.484
Na2O=10000.32%80%=1.84
MgO=10000.76%2%=0.152
&0=10000.18%87%=1.566
F=10003.2%13%=4.160
其他=10000.75%32%=2.4
1
结晶水678-41812-22446-33798185767
（2）干物质中扣除与F相当的氧的物质的量为：
1
F—O4.16161.7kg1
19疋2
（3）干物质总两量为：
488.6+10.696+601.615+0.594+1.026+98.484+0.152+1.84+1.566+4.16+2.4+270.767-1.751=1480.149kg
（4）磷石膏的组成
表4.5磷石膏的组成表
组成
CaO
SO3
Fe2O
3
AI2O3
SiO2
Mg
O
Na2
O
K2O
F
P2O
5
其他
结晶水
%
30.0
1
40.6
4
0.04
0.08
6.65
0.01
0.12
0.1
1
0.2
8
0.72
0.16
18.29
以上合计100.1,调整-0.1，总计100
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1480.149kg
已知料浆含固量为33%所以料浆量：
1480.149=4485.3kg
33%
6.反应过程中排出气体的量,排出气体含CO2、HF、SiF4和出0。
各组分的
量分别为：
CO2：
10002.91%=29.1kg
1
SiF4：
100011.32%3%104=5.877kg
60.1
11
HF：
[（10003.2%17%）（100011.32%2%）4]20=1.206kg
1960.1
反应槽排出的水与闪蒸冷却蒸发水的计算，假定其总和为S=164.35kg
7.回磷酸量及其组成：
（1）对反应槽进行物料衡算，
则有回磷酸量+磷矿浆量+硫酸量=磷酸料浆量+反应过程中排出的气体量
+闪蒸冷却水量+反应槽蒸发水量
回磷酸
=4485.3+（29.1+5.877+1.206）-1562.5-785.704+S=2173.279+170.34=2343.619
kg
（2）对反应槽进行P2O5平衡
[（4485.3-1480.149）（25%0.5%）-100030.56%96.5%]20.115%
2343.619
（3）假定回磷酸是由成品磷酸稀释而成，故回磷酸组成（%）如下：
表4.6回磷酸组成表
组
分
P2O5
SO3
FezO
3
AI2O3
SiO2
F
MgO
Na2
O
K2O
其他
结合
水
自由水
2.28
0.96
1.89
0.63
0.54
0.01
0.42
9.53
%
25
4
0.509
0.396
0
9
1
2
9
5
2
58.569
20.11
1.83
0.410
0.319
0.77
1.52
0.50
0.43
0.01
0.34
7.66
66.048
5
8
2
8
8
6
5
2
9
8热平衡计算数据
（1）物料温度：
磷矿浆40C磷酸料浆温度78E
回磷酸62r98%H2SO440C
磷酸料浆闪蒸冷却温差2.7r萃取槽尾气
65r
（2）大气参数:
环境温度15C相对湿度78%大气压91.9KPa
⑶比热容
干磷矿粉比热容：
0.92KJ/（kg•p
矿浆比热容：
0.9264%4.184（1-64%）=2.095KJ/（kgLjc）
98%硫酸比热容：
Cp=9.617-14.3870.986.1540.9821.86010”（40-20）=1.466KJ/（k^C）磷酸料浆比热容：
Cp=4.184-4.97825.5%0.38825.5%2=2.940KJ/（kgLC）
回磷酸比热容：
Cp=4.184-4.97820.115%0.38820.115%2=3.198KJ/（kgLC）
⑷生成热（25CKJ/mol）
Ca5F（PO4）3（s）
-6813.8
Fe2°3（s）
-824.80
H2O（l）
-286.03
FePO4（s）
-1297.0
CaSO4.2H2O（s）
-2022.47
AbO3（s）
-1676.80
MgCO3（s）
-1113.68
AlPO4（s）
-1735.0
MgSO4（s）
-1278.88
CaCO3（s）
-
1207.68
HF（g）
-271.30
C°2（g）
393.77
CaF2（s）
-1215.40
SiF4（g）
-
1549.10
SiO2（s）
-909.66
H2SiF6（g）
-
2332.88
H2SO4（l）（100%）
-909.875
9显热
热量平衡计算的温度基准25C,单位KJ
（1）磷矿浆2.0951562.5（40-25）=49101.563KJ
⑵98%硫酸1.466769.99（40-25）=16932.080KJ
（3）回磷酸3.1982343.619（62-25）=277345.206KJ
（4）搅拌产生热量：
搅拌桨装机功率850kW
1
8503600=30298.530KJ
100.995
10热损失
计算反应槽和过滤热量损失为5%
（49101.56316932.080277345.20630298.530）0.05=18683.869KJ
11硫酸的稀释热
假如在反应过程中加入反应器的浓硫酸先稀释到料浆液相的硫酸根浓度，然
后再与磷矿反应。
（1）稀释热计算公式：
Q74.76n
n1.7923n1.7953
试中Q—稀释热KJ.Jmol
n1—稀释前水与硫酸的摩尔比
n2—稀释后水与硫酸的摩尔比
已知成品磷酸中SO42-为2..9%，过滤操作时磷酸中P2O5浓度被稀释到
0.5%，故磷酸料浆液相中的SO42-浓度为:
25%+0.5%
2.9%2.958%
25%
已知成品磷酸中含自由水58.569%，磷酸料浆液相中含自由水为：
58.569%-（1-58.569%）-54.568%
25%
98%"111
98
n2
54.568%2.958%,
--100.437
1898
⑸2.958%H2SO4的生产热
Q生=814.38
747.6n
n1.7983
Q生一生成热，KJmol;
n—100.437
贝UQ生=1548.830KJmol
⑹98%H2SO4稀释到2.958%H2SO4的稀释热
Q=69.099KJmol=705.092KJkg（100%H2SO4）
12磷酸生成热
⑴将料浆中P2O5浓度折成H3（PO4）3浓度
1
25%298二34.507%
142
⑵H3（PO4）3在自由水中的浓度
34.597%
自由水:
54.568%
在自由水中的浓度：
38.739%
34.507%+54.568%
⑶查表得38.739%的H3（PO4）3生成热为:
1290.12KJmol
13.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:
1CasF（PO4）3+5H2SO4+2H2O=5CaSO4-2出0+3H3PO4+HF+
Q1
Q1=140.6KJ/mol
2CaF2+H2SO4+2H2O=CaSO4-2出0+2HF+Q2
Q2=-110.24KJ/mol
3HF+1/6SiO2=1/6H2SiFe+1/3H2O+Q3
Q3=61.25KJ/mol
4Fe2O3+2H3PO4=2FePO4+3H2O+Q4
Q4=47.07KJ/mol
5AI2O3+2H3PO4=2AlPO4+3H2O+Q5
Q5=71.09KJ/mol
6CaCO3H2SO4+H2O=CaSO4.2H2OCO2+Q6
Q6=34.68KJ/mol
7MgCO3+H2SO4=MgSO4+CO2T+H2O+Q7
Q7=-42.92KJ/mol
8SiO2+4HF=SiF4+2出。
+Qs
Qs=126.30KJ/mol
（2）1000kg磷矿中各组分的物质的量
1、Ca5F（PO4）3:
MCa5F（PO4）3=1434.742mol
2、CaF2:
McaF2=124.734mol
3、MgCO3:
MMgCO3=188.539mol
4、CaCO3:
Mcacs=472.825mol
5、Fe2O3:
MFe2O3=41.327mol
6、AI2O3:
MAl2O3=55.882mol
7、SiF4计算已知1000kg磷矿在反应产生气体5.877kg
1
5.877X10岳=56.510血；
⑧、H2SiF6由于磷酸中HF过量，故以SiO2的量计算HzSiFe的量为:
（10）反应热：
卩。
。
'1.3%。
］=188.353mol；
8
Q八QiMi
i=1
=140.61434.74296.5%（-110.24）124.73461.25188.35347.0941.327
71.0955.88234.68472.825（-42.92）188.539126.3056.510
=213811.785KJ
14反应热+稀释热
213811.785705.092769.99=756725.574KJ/1000kg（矿）
15热平衡（单位：
KJ/1000kg矿）
（1）输入热量
磷矿浆显热：
491010.563硫酸显热：
16932.080
回磷酸显热：
277345.206搅拌产生热：
30298.530
反应热+稀释热：
756725.574
总和：
130402.953
（2）输出热量
料浆带出显热：
2.940X485.3X（78-25）=698899.446
热损失：
18683.869
则总和为：
717583.315
（3）需冷却系统及反应槽尾气移走的热量为：
130402.953-717583.315=412819.638KJ
16料浆真空冷却蒸发水量3200m3/h料浆经真空冷却系统温度降低2.7C,
移走热量为：
32001.521032.942.7=38610432KJ/h-382300.431KJ/1000kg（矿）
78C时水的蒸发潜热为2313.317KJ.Jkg.H?
。
料浆真空冷却系统蒸发的水量为：
382300.431
165.261kg2313.317
17
（1）反应槽尾气带走的热量为：
412819.638-382300.43仁30519.208KJ
（2）反应槽尾气有两部分组成：
空气+水蒸气；CO2+HF+SiF4
其中：
epg=0.921KJ/（kgLC）；
CpHF=1.423KJ/（kg|_C）；Cps^=0.753KJ/（k^C）。
⑶CO2、HF、SiF4、带走的热量为：
（0.921X29.1+1.423X1.206+0.753X-S{^=7?
958.：
70455（4）由空气和水蒸气带走的热量为
30519.208-12957.704=17561.504KJ
（5）空气带走热量,进反应槽空气状态参数
环境温度：
15C相对湿度：
78%大气压力：
91.9KPa此时空气饱和蒸汽压力为：
15
exp（18.5916
3991.11
15233.54
）=1.679KPa
水蒸气量为：
H1=O.622沃78%d.67%^"mg迖78%厂8.99^10"KJ/kg（干空气）
空气焓值为：
Ii=（1.0051.8848.99410卫）15+2491.38.99410-=37.736KJ/kg（干空气）出反应槽空气状态参数：
温度65C相对湿度：
75%大气压：
91.9KPa
此时空气饱和蒸汽压力为：
2399111
Ps2exp（18.5916）=24.713KPa
1565233.54
水蒸气量为：
已=0.622X75%x24*71%]^2471^<75%^0.1589KJ/kg（干空气）
空气焓值为：
—（1.0051.8840.1589）15+2491.30.1589=480.651KJ/kg（干空气）
（6）进反应槽干空气量为：
17561.504（37.736+480.65）=33.877kg（干空气）
（7）由空气带走的水分量为：
33.877（0.1589-8.9910）=5.078kg
18计算出真空蒸发和反应槽尾气蒸发的水量
165.261+5.078=170.339kg
该值与原假定值170.34很接近，故计算通过
19第一次过滤
（1）过滤机给料量：
4485.3kg
（2）
过滤机给料量中的固相量：
1480.149kg
（3）从料浆中分离出的液相量：
（4485.3—1480.149）—[1480.149
1-50%
（4）滤布带入水量
kg
1525.002X（0.5%25%）X丄—1525.002=30.500
25%
（5）第一次过滤后滤饼含液量：
1480.149X50%=1480.149kg
（1-50%）
（6）第一次过滤滤液总量
1525.002+30.5=1555.502kg
其中成品磷酸量为：
1179.616kg
并入回磷酸的量为：
1555.502-1179.616=375.886kg
（7）滤饼中液相P2O5浓度为25%，滤饼中可溶性P2O5量为：
1480.149X（25%+0.5%）=377.438kg
20第二次过滤
（1）由第一次过滤来的固相量：
1480.149kg
由第一次过滤来滤饼中的液体量：
1480.149kg
去第三次过滤的固体量：
1
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