15万吨湿法磷酸生产工艺萃取和过滤工艺模板.docx
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15万吨湿法磷酸生产工艺萃取和过滤工艺模板
15万吨湿法磷酸生产工艺-萃取和过滤工艺模板
云南广播电视大学
云南国防工业职业技术学院
毕业设计
作者:
崔文涛
学号:
学院:
化学工程学院
专业:
精细化学品生产技术
题目:
15万吨湿法磷酸生产工艺-萃取和过滤工
序
指导者:
（姓名）（专业技术职务）
高级讲师
张永明
评阅者:
（姓名）（专业技术职务）
年2月
摘要
本设计主要介绍了采用硫酸分解磷矿（湿法磷酸）制取磷酸。
设计的主要内容有设计总论、工艺设计和非工艺设计三部分。
总论部分详细介绍了产品的规格、原料选取、全厂生产路线的选择以及磷酸在国民生产中的重要性。
工艺部分主要是分析湿法磷酸生产的基本原理、结晶过程、生产方法选择、工艺条件的确定、设备的选择、物料衡算、热量衡算和设备计算。
非工艺部分主要介绍了地面水污染、大气污染和废气污染的处理情况。
根据设计画出了湿法硫酸车间的生产工艺流程图。
关键词:
湿法磷酸,工艺设计,工艺计算。
Abstract
thisdesignmainlyintroducedusesthesulfuricaciddecompositionphosphorusore（aqueousmethodphosphoricacid）thesystemtotakethephosphoricacid.Thedesignmaincontenthasthedesigngeneralremarks,thetechnologicaldesignandthenon-technologicaldesignthreeparts.Thegeneralremarkspartialindetailintroducedtheproductspecification,therawmaterialselection,theentirefactoryproducetheroutethechoiceaswellasthephosphoricacidlivesthemid-productionimportanceinthenational.Thecraftarepartialmainlyisanalyzestheaqueousmethodphosphoricacidproductionthebasicprinciple,thecrystalprocess,theproductionmethodchoice,thecraftconditiondetermination,theequipmentchoice,Materialbalance,thethermalgraduatedarmcalculateswiththeequipmentcomputation.Thenon-craftpartialmainlyintroducedthegroundwaterpollution,theairpollutionandthewastegaspollutionprocessingsituation.Accordingtodesignedhasdrawntheaqueousmethodsulfuricacidworkshopproductionflowchart.
Keyword:
Aqueousmethodphosphoricacid,technologicaldesign,processdesign
3.2.4空气鼓风机20
第一章概述
1.1硫酸生产的发展概况
近十几年以来,中国硫酸工业得到很大的发展,重要的标志之一是硫酸工程设计项目多、质量好、技术水平高、经济效益和社会效益显著。
中国自行设计、自己建设的中、小型硫酸工程遍及全国,还承担了许多大型硫酸工程设计。
另外,从国外引进了一些先进的硫酸技术。
硫酸工程设计的进步,大大改变了中国硫酸工业的技术状况。
硫酸工程设计因采用的原料不同其形式各异,工艺过程和设备须与所用的原料相匹配。
以前中国以硫铁矿生产硫酸为主体,在今相当长的时期内,这种情况不会有较大的变化;以重有色冶金工业的冶炼烟气生产硫酸,是中国硫酸工业的重要组成部分;随着硫磺供应的增加,愈来愈多的新建工程从治理环境、生产简便和经济角度考虑,选用以硫磺生产硫酸;以石膏、磷石膏为原料生产硫酸、联产水泥的工程,也有新的发展。
一般情况下,以硫铁矿制酸工艺较复杂些,硫磺制酸过程简便些。
硫酸工程设计与消费有关,因为硫酸产品大部分用于生产磷肥等化学肥料,因此硫酸工程大部分和磷肥工业配套建设。
比较典型的是小磷铵工程中的120t/d硫酸工程;120kt/a磷铵工程中的600t/d硫酸工程;240kt/a磷铵工程中的1200t/d硫酸工程;还有配合重钙生产的硫酸工程。
对重有色金属冶炼工业的硫酸工程,硫酸装置的规模大小取决于冶炼的金属和所选用的冶炼工艺。
在这些联合企业中,硫酸装置的投资费用是举足轻重的,所占的比例均较高。
由于磷肥工业和重有色冶金工业的装置日趋大型化,配套的硫酸装置也相应大型化。
然而,毕竟硫酸生产不是这些企业的主体装置,因此硫酸工程的设计不应喧宾夺主,而应为主体装置”服务”。
装置的设计要有其适应性和灵活性。
硫铁矿制酸的南化、开封、云峰、铜陵、黄麦岭、大峪口等大型硫酸工程和冶炼烟气制酸的贵溪、白银、葫芦岛、韶关、株洲、金川、金隆等大型硫酸工程的设计都在不同程度上考虑了其配套的地位。
硫酸工程设计广泛采用了先进的技术和装备。
在许多工程设计中,应用中国自己开发的新技术,也引进了国外一些新技术;大量使用国内研制的装备,亦引
进了一些先进和大型的设备;还推广使用了许多新材料等。
这些措施大大改进了工艺和装备状态,延长了装备的使用寿命,减少了维修。
中国是世界上使用硫铁矿生产硫酸最多的国家,在矿制酸方面也是最成熟和最富有经验的国家。
有一流的沸腾焙烧技术,较全面地掌握了气体净化方面的技术,效果和指标均较好。
对装置的机械化和自动化作了足够重视,特别是在大型装置中,原料的贮运、装卸,采用和移植其它工业部门行之有效的设备,提高机械化的水平。
控制方面,已经在一些大型工程中,设置了集散系统（DCS）,提高了工程设计的自控水平。
工程设计的组织体制逐步与国际接轨,推广了以项目经理负责制为中心的新体制,提高了管理水平,适应了进入国际市场的需要。
许多设计单位的装备不断地改进和提高,应用了CAD辅助设计系统,开发和引进了许多应用软件,计算、方案选择、出图均由微机完成,确保了设计质量,加快了设计进度。
设计单位的设计质量普遍提高了,具体反映在这些年建设的硫酸工程成功率十分高,许多设计单位还经过ISO9001质量体系认证,取得了向国际市场进军的通行证。
1.2硫酸的性质
1.2.1浓硫酸
1物理性质
纯硫酸是一种无色无味油状液体。
常见的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3％,其密度为1.84g·cm-3,其物
质的量浓度为18.4mol·L-1。
硫酸是一种高沸点难挥发的强酸,易溶于水,能以任意比与水混溶。
浓硫酸溶
解时放出大量的热,因此浓硫酸稀释时应该”酸入水,沿器壁,慢慢倒,不断搅。
”若将浓硫酸中继续通入
三氧化硫,则会产生"发烟"现象,这样超过98.3%的硫酸称为"发烟硫酸"
吸水性
将一瓶浓硫酸敞口放置在空气中,其质量将增加,密度将减小,浓度降低,体积变大,这是因为浓硫酸具有吸水性。
⑴就硫酸而言,吸水性是浓硫酸的性质,而不是稀硫酸的性质。
⑵浓硫酸的吸水作用,指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合,生成一系列稳定的
水合物,并放出大量的热:
H2SO4+nH2O==H2SO4·nH2O,故浓硫酸吸水的过程是化学变化的过程,吸水性是浓硫酸的化学性质。
⑶浓硫酸不但能吸收一般的游离态水（如空气中的水）,而且还能吸收某些结晶水合物（如CuSO4·5H2O、Na2CO3·10H2O）中的水。
2化学性质
1．脱水性
⑴就硫酸而言,脱水性是浓硫酸的性质,而非稀硫酸的性质,即浓硫酸有脱水性且脱水性很强。
⑵脱水性是浓硫酸的化学特性,物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程,反应时,浓硫酸按水分
子中氢氧原子数的比（2∶1）夺取被脱水物中的氢原子和氧原子。
⑶可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物,其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有
机物,被脱水后生成了黑色的炭（碳化）。
浓硫酸如C12H22O11===12C+11H2O
2.强氧化性
⑴跟金属反应
①常温下,浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。
②加热时,浓硫酸能够与除金、铂之外的所有金属反应,生成高价金属硫酸盐,本身一般被还原成SO2
Cu+2H2SO4（浓）====CuSO4+SO3↑+2H2O
2Fe+6H2SO4（浓）====Fe2（SO4）3+3SO3↑+6H2O
在上述反应中,硫酸表现出了强氧化性和酸性。
⑵跟非金属反应
热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸,本身被还原为SO2。
在这
类反应中,浓硫酸只表现出氧化性。
C+2H2SO4（浓）====CO2↑+2SO2↑+2H2O
S+2H2SO4（浓）====3SO2↑+2H2O
2P+5H2SO4（浓）====2H3PO4+5SO2↑+2H2O
⑶跟其它还原性物质反应
浓硫酸具有强氧化性,实验室制取H2S、HBr、HI等还原性气体不能选用浓硫酸。
H2S+H2SO4（浓）====S↓+SO2↑+2H2O
2HBr+H2SO4（浓）====Br2↑+SO2↑+2H2O
2HI+H2SO4（浓）====I2↑+SO2↑+2H2O
3．难挥发性（高沸点）:
制氯化氢、硝酸等（原理:
利用难挥发性酸制易挥发性酸）如,用固体氯化钠与浓硫酸反应制取氯化氢气体
2NaCl（固）+H2SO4====（浓）Na2SO4+2HCl↑
Na2SO3+H2SO4====Na2SO4+H2O+SO2↑
再如,利用浓盐酸与浓硫酸能够制氯化氢气。
4.酸性:
制化肥,如氮肥、磷肥等
2NH3+H2SO4====（NH4）2SO4
Ca3（PO3）2+2H2SO4====2CaSO4+Ca（H2PO4）2
5.稳定性:
浓硫酸与亚硫酸盐反应
Na2SO3+H2SO4====Na2SO4+H2O+SO2↑
1.2.2稀硫酸
物理性质
无色无嗅透明液体。
化学性质
1可与多数金属（比铜活泼）氧化物反应,生成相应的硫酸盐和水;
2可与所含酸根离子氧化性比硫酸根离子弱的盐反应,生成相应的硫酸盐和弱
酸;
⑴可与碱反应生成相应的硫酸盐和水;
⑵可与氢前金属在一定条件下反应,生成相应的硫酸盐和氢气;
⑶加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解。
1.3硫酸的用途
总述-硫酸是基本化学工业中重要产品之一。
它不但作为许多化工产品的原料,而且还广泛地应用于其它的国民经济部门。
它的应用范围日益扩大,需要数量日益增加。
兹将硫酸在国民经济中的作用分述如下。
⑴为农业生产服务
①用于肥料的生产硫酸铵（俗称硫铵或肥田粉）和过磷酸钙（俗称过磷酸石灰或普钙）这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。
2nh3+h2so4====（nh4）2so4
每生产一吨硫酸铵,就要消耗硫酸（折合成100%计算）760kg,每生产一吨过磷酸钙,就要消耗硫酸360kg。
②用于农药的生产许多农药都要以硫酸为原料如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂,硫酸铊可作杀鼠剂,硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。
最普通的杀虫剂,如1059乳剂（45%）和1605乳剂（45%）的生产都需用硫酸。
前者每生产1t,需消耗20%发烟硫酸1.4t后者每生产1t,需消耗硫酸36kg。
为大家所熟悉的滴滴涕,每生产1t需要20%发烟硫酸1.2t。
⑵为工业生产服务
③用于冶金工业和金属加工在冶金工业部门,特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。
例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时,电解液就需要使用硫酸,某些贵金属的精炼,也需要硫酸来溶解去夹杂的其它金属。
在钢铁工业中进行冷轧、冷拔及冲压加工之前,都必须用硫酸清除钢铁表面的氧化铁。
在轧制薄板、冷拔无缝钢管和其它质量要求较高的钢材,都必须每轧一次用硫酸洗涤一次。
另外,有缝钢管、薄铁皮、铁丝等在进行镀锌之前,都要经过用硫酸进行酸洗手续。
在某些金属机械加工过程中,例如镀镍、镀铬等金属制件,也需用硫酸来洗净表面的锈。
在黑色冶金企业部门里,需要酸洗的钢材一般约占钢总产量的5%～6%,而
每吨钢材的酸洗,约消费98%的硫酸30kg～50kg。
④用于石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中,都需要浓硫酸精炼,以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。
每吨原油精炼需要硫酸约24kg,每吨柴油精炼需要硫酸约31kg。
石油工业所使用的活性白土的制备,也消耗不少硫酸。
⑤用于其它化工生产和其它工业部门许多化工生产都需要使用硫酸。
例如,在浓缩硝酸中,以浓硫酸为脱水剂;氯碱工业中,以浓硫酸来干燥氯气、氯化氢气等;无机盐工业中,如冰晶石（na3alf6）、硼砂（na2b4o7·10h2o）、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其它硫酸盐的制备都要用硫酸。
许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸（h2cro4,有时也指cro3）、氢氟酸、氯磺酸（clso3h）;有机酸如草酸[（cooh）2]、醋酸等的制备,也常需要硫酸作原料。
另外炼焦化学工业（用硫酸来同焦炉气中的氨起作用副产硫酸铵）、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业（有机溶剂的制备）、工业炸药和铅蓄电池制造业等等,都消耗相当数量的硫酸。
⑶对解决人民”穿”与”用”等问题所起的作用
①用于化学纤维的生产为人民所熟悉的粘胶丝,它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。
每生产1t粘胶纤维,需要消耗硫酸1.2t～1.5t,每生产1t维尼龙短纤维,就要消耗98%硫酸230kg,每生产1t卡普纶单体,需要用1.6t20%发烟硫酸。
另外,在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中,也使用相当数量的硫酸。
②用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物,在国民经济中越来越占有重要的地位。
每生产1t环氧树脂,需用硫酸2.68t,号称”塑料王”的聚四氟乙烯,每生产1t,需用硫酸1.32t;有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产,也都要使用硫酸。
③用于染料工业几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用硫酸。
偶氮染料中间体的制备需要进行磺化反应,苯胺染料中间体的制备需要进行硝化反应,两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。
因此有些染料厂就设有硫酸车间,以配合需要。
④用于日用品的生产生产合成洗涤剂需要用发烟硫酸和浓硫酸。
塑料的增塑剂
（如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯）、赛璐珞制品所需的原料硝化棉,都需要硫酸来制备。
玻璃纸、羊皮纸的制造,也需要使用硫酸。
另外,纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门,也都需要使用硫酸。
⑤用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反应,强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反应,都需用硫酸。
另外,许多抗生素的制备,常见药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素b2、b12及维生素c、某些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备,无不需用硫酸。
⑷对巩固国防方面所起的作用
某些国家硫酸工业的发展,曾经是和军用炸药的生产紧密连结在一起的。
无论军用炸药（发射药、爆炸药）或工业炸药,大都是以硝基化物或硝酸酯为其主要成分。
主要的有硝化棉、三硝基甲苯（tnt）、硝化甘油、苦味酸等。
虽然这些化合物的制备是依靠硝酸,但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。
与原子能工业及火箭技术的关系
原子反应堆用的核燃料的生产,反应堆用的钛、铝等合金材料的制备,以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金,都和硫酸有直接或间接的关系。
从硼砂制备硼烷的过程需要多量硫酸。
硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。
硼烷又用做制备硼氢化铀用来分离铀235的一种原料。
由此可见,硫酸与国防工业和尖端科学技术都有着密切的关系。
⑸农业土质方面
在农业生产中,越来越多地采用硫酸改良高pH值的石灰质土壤。
过去20年来,尿素-硫酸肥料的产量大幅度提高并在美国西部诸州的土壤中广泛施用。
将硫酸注入牛奶场湖泊,改变湖水pH值,可解决圈养牲畜过程产生的若干空气和水质问题,将硫酸施入农用土壤和水中,其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。
这些钙、镁盐然后取代可交换的钠盐,钠盐随后用水浸洗除去。
当碳酸盐和碳酸氢盐被分解后,硫酸与更惰性的物质反应,释放出磷、铁等植物养分。
简单地降低土壤的pH值可引起许多元素溶解度的变化,提高它们对植物的效力。
在高pH值的石灰质土壤上施用硫酸,可使植物更加健壮,收成增加。
第二章设计的理论依据
2.1设计要求
设计规模:
硫磺制酸年厂33万吨生产时间300天
生产过程中:
硫磺中的含硫尾气以SO2的形式排出
吸收要求:
《大气污染物综合排放国家标准》（GB16297—1996）限定二氧化硫最高允许排放质量浓度为960mg/m3,吸收率≥99.95%
2.2物料衡算
2.2.1硫磺焚烧的物料衡算
本设计的硫酸产量为每年98.3%的H2SO4330000t,则H2SO4的产量为:
Y=年产量（t）×1000/（生产日×24）=330000×98.3%×1000/（300×24）
=456054.17kg/h=4563616.08mol/h
取一小时为基准
根据关系式:
S→H2SO4
可得S的量为4563616.08mol=.43g=146035.72kg
硫磺的含硫量为96%,则需要硫磺的量为140194.28kg
2.2.2转化器物料衡算
在工艺参数确定中我们已确定了各段的物料含量和温度数据并已对其优化。
现在经过这些数据计算各段物料组成。
A.标准通气量
本设计的硫酸产量为每年98.3%的H2SO4330000t
则产酸量为
=
=456054.17（kg/h）
进转化工序a=0.09,b=0.086,总转化率x=0.995,吸收率η=0.99975,
进转化器标准气量以1小时为基准
V标=Y×22.4/（98·x·η吸·a）
=24399.7m3标=1089.3kmol
进入转化器一段炉气温度为680℃,压力为负压10kPa。
V实=V标
=94639.5m3=1089.3kmol
炉气成分:
SO2=V标×a=98.0kmol=6272.0kgO2=V标×b=93.7kmol=2998.4kg
因此N2=1089.3
98.0
93.7=897.6kmol
以实际生产经验,一般冷激炉气为总量的16%左右。
计算得炉气分配表,见表2-6
表2-6炉气的分配比
气体
进转化器一段炉气/kmol
冷激炉气/kmol
SO2
98.0
15.68
O2
93.7
14.99
N2
897.6
143.62
合计
1089.3
174.29
B.物料衡算
本设计选用两转两吸流程,转化阶段共分五段,其中第一次转化过程有三段,第二次转化有两段。
进转化器SO2浓度为9%,O2浓度为8.6%,N2浓度为82.4%。
一段转化率为60%,二段转化率为80%,三段转化率为96%,四段转化率为99.2%五段转化率为99.5%。
第一次转化:
a.转化器一段出口气量
转化率为0.60
SO298.0×（1
0.6）=39.2kmol
SO398.0×0.6=58.8kmol
O293.7
58.8/2=64.3kmol
N2897.6kmol
b.转化器二段出口气量
转化率达0.80
SO298.0×（1
0.80）=19.6kmol
SO398.0×0.80=78.4kmol
O293.7
78.4/2=54.5kmol
N2897.6kmol
c.转化器三段出口气量
转化率为0.96
SO298.0×（1
0.96）=3.92kmol
SO398.0×0.96=94.08kmol
O293.7
94.08/2=46.66kmol
N2897.6kmol
第一次SO3吸收率为99%,进入第二次转化:
d.转化器四段出口气量
转化率达0.992
SO298.0×（1
0.992）=0.784kmol
SO398.0×0.992-（94.08×99%）=4.077kmol
O293.7
98.0×0.992/2=45.092kmol
N2897.6kmol
e.转化器五段出口气量
转化率达0.995
SO298.0×（1
0.995）=0.49kmol
SO398.0×0.995-（94.08×99%）=4.371.kmol
O293.7
98.0×0.995/2=44.945kmol
N2897.6kmol
第二次吸收,二次吸收的总吸收率为99.975%,出口气体成分如表2-7:
表2-7出口气的分配比
气体
SO2
SO3
O2
N2
气量/kmol
0.49
0.02438
44.945
897.6
百分比％
0.0520
0.0026
4.7659
95.1795
第三章硫磺制酸的工艺流程及其主要设备
3.1工艺流程及各工序介绍
3.1.1工艺流程图
3-1硫磺制酸工艺流程图
3.1.2硫磺制酸工艺流程说明
（1）原料工段
固体硫磺由火车运至硫磺仓库,采用人工上料方式,经过一大倾角胶带式输送机将硫磺输送至快速熔硫槽加料口处。
（2）熔硫工段
来自原料工段的固体散装硫磺由胶带输送机送入快速熔硫槽内熔化,经熔化后的熔融液硫自溢流口自流至过滤槽中,由过滤泵送入带助滤剂预涂层的液硫过滤器内过滤后流入液硫中间槽内,再由液硫输送泵输送到液硫贮罐内,液硫由液硫贮罐经精硫泵（屏蔽泵）送到焚硫转化工段的焚硫炉内燃烧。
快速熔硫槽、助滤槽、液硫贮罐、精硫槽等内均设有蒸汽加热管,用0.5～0.6MPa蒸汽间接加热,使硫磺保持熔融状态。
助滤槽内设有助滤泵将助滤剂硅藻土预涂到
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