重庆科技学院冶金工程课程设计年产吨APT车间设计.docx
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重庆科技学院冶金工程课程设计年产吨APT车间设计
重庆科技学院
《冶金工程设计》课程
设计报告
学院:
_冶金与材料工程学院_专业班级:
冶金2012-04
学生姓名:
庞龙学号:
2012424581
设计地点（单位）_____重庆科技学院____
设计题目:
__年产2000吨APT的生产车间设计__
完成日期：
指导教师评语:
_______________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
________________
指导教师（签字）:
________________
摘要
我国是全世界公认的钨资源大国，也是全球钨生产和出口的第一大国。
近年来我国钨冶炼技术有了很大的发展。
本设计的任务是设计一个年产2000吨仲钨酸铵（APT）的工厂，其工艺设计采用目前国内外较为先进的离子交换工艺。
根据在毕业实习中所收集的基本数据和有关资料，进行了各项冶金计算，并对如何处理三废作了简要介绍。
同时对建厂进行了简单的经济评价，最后绘制了有关图纸。
关键词:
钨冶炼技术；仲钨酸铵；离子交换工艺；冶金工厂设计
ABSTRACT
IthasbeenacknowledgedthatChinaiswealthofthetungstenresource,alsoisthefirstcountryoftheproductionandexportingoftungstenallovertheworld.Thetungstenextractivetechnichasaprodigiousdevelopmentnearyears.Thetaskofthisgraduationthesistodesignafactorywhichcanproduce2000tonAPTperyear.Ionexchangetechnigueisadoptedinthedesignment,whichisakindofadvancedtechniqueusedforAPTproductionintheworld.Onthebasisofbasicprocessparametersandnecessaryinformationcollectedingraduationfieldwork.Severalkindsofmetallurgicalcalculation.Themethodshowtodealwiththewastesproducedbythisfactorywerealsointroducedbriefly.Theeconomicvalueoftheconstructionofthisfactoryhasevaluated.Intheend,severalpiecesofdrawingsofthemainequipmentsandthedistributionofworkshopsweredrawn.
Keywords:
Tungstensmeltingtechnology;Ammoniumparatungstate;Ionexchangetechnigue;metallurgicalplantdesign
第一章工艺流程选择
1.1国内外仲钨酸铵生产工艺评述
为了获得一定纯度的金属钨，应首先保证钨化合物的纯度。
由净化粗钨酸钠溶液和粗钨酸可生产出的纯化合物仲钨酸铵（APT）或三氧化钨（WO3），这两种纯钨化合物是目前工业上生产钨粉最常用的原料。
为了得到高质量的钨产品，对纯钨化合物的纯度要求越来越高。
可以将目前工业上采用的生产方法归结为以下四类，即经典沉淀净化法、溶剂萃取法、离子交换法和钨酸氨溶结晶法。
应当指出，上述方法不能截然分开，它们之中的某些单元操作可以相互借用。
溶剂萃取法工艺中就利用了沉淀净化法来除杂质，离子交换法工艺中也可能采用人造白钨的方法来回收结晶母液中的WO3，而粗钨酸氨溶净化结晶法与经典沉淀净化法中人造白钨酸分解后制取APT的流程大体相同。
因此仅对目前工业上采用的前三种仲钨酸铵生产工艺进行的简单评述。
1.1.1经典沉淀净化工艺
经典沉淀净化工艺制备仲钨酸铵的流程较长，主要步骤为粗钨酸钠溶液的净化，从净化后的钨酸钠溶液中生产钨酸，由钨酸制取钨酸铵溶液。
该法的原料是天然的白钨矿或人造白钨矿，使用酸浸作为矿石的分解方法，溶解得到钨酸；黑钨精矿用碱处理制取工业钨酸后，并在氨溶液中溶解，从钨酸铵溶液结晶中获得仲钨酸铵。
1.1.2溶剂萃取工艺
溶剂萃取法应用于钨冶金工艺始于1959年，最初在美国的碳化物公司得到工业应用。
随后,苏联、西德、加拿大等国进行了大规模的研究。
认为这是钨的湿法冶金的新方向，日本东京钨公司当时的生产工艺由钨酸钠到钨酸铵这段也准备采取萃取法。
我国70代开发了钨的萃取工艺并成功应用于生产。
目前工业上应用萃取工艺主要是用以从纯Na2WO4溶液中制取（NH4）2WO4溶液。
萃取过程起到一个转型的作用，替代经典工艺中的沉淀人造白钨、人造白钨酸分解、钨酸氨溶等工序，具有收率高，设备简单，流程短的优点，克服经典工艺沉淀结晶过程固液分离多阶段操作的缺点。
此外，萃取法还用于钨酸钠溶液净化除钼和净化除磷、砷。
其基本应用大致分为三种：
一是在酸性条件下将纯的钨酸钠溶液经萃取转型变成高含量钨的钨酸铵溶液，此法缺点是萃取前需先除杂：
二是在碱性钨酸钠溶液中直接萃取钨，使钨酸根进入有机相，杂质留在萃余液中，再反萃有机相中的钨。
三是利用钨钼性质上的差异选择适当的有机萃取剂进行钨钼分离。
1.1.3离子交换工艺
离子交换技术已在钨冶炼中得到广泛应用。
其中在我国应用最广泛的是用强碱性阴离子交换树脂将粗钨酸钠溶液净化除杂并转型成钨酸铵溶液的钨离子交换新工艺其工艺过程包括磨矿、碱分解、交换、蒸发结晶、干燥包装。
除此之外，离子交换法处理纯Na2WO4溶液转型制取（NH4）2WO4的工艺在国外也成功应用；而采用离子交换法从钨酸盐溶液除钼的技术已进入工业应用；从各种含钨的废液和低浓度溶液中用离子交换法富集提取钨的工艺也有广泛的报道，具有极好的工业应用前景。
1.1.4发展前景
综上所述，前我国钨冶炼生产中主要采用的三种工艺技术各有其特点和待改进之处。
其中，法工艺流程短、成本低、渣量少、高纯度产品的合格率高，实收率低、副流程长、腐蚀性大、工作环境差、环境污染严重、矿源适应性差；剂萃取工艺实收率高、对矿源适应性较强，成本相对较高、产渣量大、工作环境较差、环境污染较严重;离子交换流程最短、回收率高、除杂效果好、腐蚀性小、操作简便、易于机械自动化、投资和加工成本较少、工作环境好、环境污染小、对矿源适应性较强，耗水量和排水量大、产渣量大。
随着我国加入WTO，生产各方面的要求特别是对环保指标的要求进一步提高，善钨冶炼技术势在必行。
在此趋势下，现了钨湿法冶金清洁生产工艺和膜技术工艺。
1.2生产工艺流程图及流程简述
1.2.1工艺流程图
APT生产工艺流程图
1.2.2流程简述
1磨矿工序
黑钨精矿从料仓加入振动球磨机，同时自来水也以一定的流量加入，以保持适当的液固比，产出的矿浆由矿浆槽流入扬液器。
2碱分解工序
将矿浆、液碱以一定的比例加入碱分解槽，并添加硝石，在一定温度下，分解一定时间，然后过滤，浓料液进入混合澄清，下浊液返回过滤，上清液与稀料液由泵打入配料液槽，调整浓度到适当程度，经微孔过滤器进入下道工序。
3离子交换工序
钨酸钠溶液以一定流量进入交换柱，到达穿漏点时用纯水洗去柱中的残留溶液。
交后液、洗钨液经处理后排放。
然后用淋洗剂以一定流量淋洗钨，所得一段液返回交换，二段液送去蒸发结晶生产仲钨酸铵，三段液补充NH4Cl、NH4OH作为淋洗剂，淋洗结束后，用水洗去柱中残留的溶液，并将树脂用水反冲后供下一步循环使用。
4蒸发结晶工序
将二段液加入蒸发结晶槽，在一定的温度和压力下，蒸发掉部分水和氨，同时溶液由于过饱和而析出仲钨酸铵晶体，经真空过滤器过滤后，湿APT送干燥工序，结晶母液生产白钨或二次结晶。
5干燥包装工序
湿APT经圆锥真空干燥机烘干水分，再经振动筛得到粒度分布比较均匀的APT产品，秤重装桶。
第二章冶金计算
2.1原料及产品标准
根据设计任务书要求，本设计以一种白钨矿为主的混合钨精矿为原料。
精矿的主要成分为（%）：
WO365.5，Mo0.07，P0.06，As0.04，SiO25，其他。
产品质量要达到国标GB10116-88-0级。
根据标准，产品的化学成分要求如表4-1所示：
表2-1对APT化学成分的要求（GBl0116-88）
牌号
WO3
不小于%
杂质化学成分含量不大于%
Sn
As
Ca
Cu
Fe
S
Mo
P
Si
APT-0
88.5
0.0001
0.001
0.001
0.0003
0.001
0.0007
0.002
0.0007
0.001
2.2设计规模及日产量
根据设计任务书的要求，设计年产能是2000吨APT。
根据实际情况，设工厂年均实际生产320天，其余时间是工厂的检修、设备的更新时间及节假日时间，则平均日产量为：
平均日产量=年产量/年实际工作日
=2000×103/320
=6250.00kg/d
日产APT为6250.00kg,由于产品中WO3含量为88.5%，即日产WO3为6250.00×88.5%=5531.25kg。
2.3金属平衡计算
将工艺流程中，白钨矿的预处理和磨矿工序称为预处理工序（工序Ⅰ），粗钨酸钠的苏打高压浸出和压滤洗涤工序称为浸出过滤工序（工序Ⅱ），从粗钨酸钠溶液稀释到可以进行离子交换的过程称为稀释工序（工序Ⅲ），离子交换过程称为离子交换工序（工序Ⅳ），从含钼的钨酸铵溶液到钨酸铵的净溶液的除钼过程成为除钼工序（工序Ⅴ），钨酸铵的净溶液经蒸发结晶、过滤洗涤得到湿APT称为蒸发结晶工序（工序Ⅵ），从APT烘干到干APT的过程称为烘干工序（工序Ⅶ），经简化后得到的工艺流程示意图如图4-1所示。
根据《有色冶金工厂设计基础》[15]一书，设定符号如下：
Qn——（n=1、2、3、4）工序的处理量（kg）；
Pn——n工序的产量（kg）；
Xn——n工序的不可返回损失量（kg）；
Rn——n工序的可返回损失量（kg）；
χn——n工序的不可返回损失率（%）；
γn——n工序的可返回损失率（%）；
由生产实践和各种文献中数据拟定各工序的工艺参数如表2-2所示。
表2-2各工序的金属回收率
工序号
工序名称
不可返回损失率x（%）
可返回损失率r（%）
直收率η（%）
Ⅰ
预处理
0.5
0
99.5
Ⅱ
浸出过滤
1.5
0
98.5
Ⅲ
稀释
1.3
0
99.7
Ⅳ
离子交换
0.4
0
99.6
Ⅴ
除钼
0.5
0
99.5
Ⅵ
蒸发结晶
0.5
3.5
96.0
Ⅶ
烘干
0.2
0
99.8
由以上数据，下面以本设计的产品APT的日产量为衡算标准，采用逆序法进行工艺的金属平衡计算。
工序Ⅶ：
P7=5531.25kg
x7=0.2%；r7=0；η7=99.8%
Q7=P7/η7=5531.25/99.8%=5542.33kg
X7=Q7×x7=5542.33×0.2%=11.06kg
R7=Q7×r7=0kg
工序Ⅵ：
P6=Q7=5542.33kg
x6=0.5%；r6=3.5%；η6=96.0%
Q6=P6/η6=5542.33/96.0%=5773.26kg
X6=Q6×x6=5773.26×0.5%=28.87kg
R6=Q6×r6=13134.18×3.5%=202.08kg
工序Ⅴ：
P5=Q6=5773.26kg
x5=0.5%；r5=0；η5=99.5%
Q5=P5/η5=5773.26/99.5%=5802.27kg
X5=Q5×x5=5802.27×0.5%=29.01kg
R5=Q5×r5=0kg
工序Ⅳ：
P4=5802.27kg
x4=0.4%；r4=0；η4=99.6%
Q4=P4/η4=5802.27÷99.6%=5825.57kg
X4=Q4×x4=5828.57×0.4%=23.30kg
R4=Q4×r4=0kg
工序Ⅲ：
P3=Q4=5825.57kg
x3=0.3%；r3=0；η3=99.7%
Q3=P3/η3=5825.57÷99.7%=5843.10kg
X3=Q3×x3=5843.10×0.3%=17.53kg
R3=Q3×r3=0kg
工序Ⅱ：
P2=Q3-R6=5843.10-202.08=5641.02kg
x2=1.5%；r2=0；η2=98.5%
Q2=P2/η2=5641.02÷98.5%=5726.92kg
X2=Q2×x2=5726.92×1.5%=85.90kg
R2=Q2×r2=0kg
工序Ⅰ：
P1=Q2=5726.92kg
x1=0.5%；r1=0；η1=99.5%
Q1=P1/η1=5726.92/0.995=5755.70kg
X1=Q1×x1=5755.70×0.5%=28.78kg
R1=Q1×r1=0kg
Q=Q1=5755.70kg
根据以上计算，列出金属平衡表如表2-3所示（以日产金属含WO3量为基准）。
表2-3金属平衡表
工序号
工序名称
不可返回损
失率χ（%）
不可返
回损失
量X（kg）
可返
回损
失率
r（%）
可返回
损量
R（kg）
直收
率η
（%）
工序处理量
Q（kg）
工序产出量
P（kg）
Ⅰ
预处理
0.5
28.78
0
0
99.5
5755.70
5726.92
Ⅱ
浸出过滤
1.5
85.90
0
0
98.5
5726.92
5641.02
Ⅲ
稀释
0.3
17.53
0
0
99.7
5843.10
5825.57
Ⅳ
离子交换
0.4
23.30
0
0
99.6
5825.57
5802.27
Ⅴ
除钼
0.5
29.01
0
0
99.5
5802.27
5773.26
Ⅵ
蒸发结晶
0.5
28.87
3.5
202.08
96.0
5773.26
5542.33
Ⅶ
烘干
0.2
11.06
0
0
99.8
5542.33
5531.25
合计
224.55
202.08
由以上计算可知，整个流程的有价金属成分是平衡的，即最终产品的金属量+全部不可返回损失量=原料投入量。
P+ΣX=5531.25+224.45=5755.70kg
Q=5755.70kg
即，金属平衡。
由此计算整个流程的总回收率为：
η=（P/Q）×100%=5531.25÷5755.70=96.10%
2.4物料平衡计算
物料衡计算仍然以本设计的日产量，即每天生产的商品WO3为衡算标准。
根据金属平衡计算将流程分的工序，对各个工序分别进行物料平衡计算[16]。
具体计算过程如下：
2.4.1预处理工序
工艺指标：
液固比1：
1
x1＝0.5%，r1＝0，η1＝99.5%
一、进料
（1）白钨矿
每日投入的精矿中WO3的量为：
5755.70kg，精矿中WO3的含量为65.5%，则每天需投入的白钨精矿的量为：
5755.70/0.665=8787.33kg
其中含SiO2：
8787.33×5%＝439.37kg
Mo：
8787.33×0.07%=6.15kg
P：
8787.33×0.06%=5.27kg
As：
8787.33×0.04%=3.51kg
（2）苏打
由化学反应式CaWO4+Na2CO3=Na2WO4+CaCO3可知
因为日处理WO3为5755.70kg，则理论需要纯Na2CO3为（5755.70/232）×106=2629.76kg
设Na2CO3用量为理论量的2.5倍，则需纯Na2CO3为2629.76×2.5=6574.40kg
（3）水
取矿浆的液固比为1∶1，则需加入的水量为：
8787.33kg
（4）总进料量为:
8787.33+6574.40+8787.33=24149.06kg
二、出料
（1）矿浆
矿浆的回收率为99.5%，则产出的矿浆的量为
24149.06×0.995=24028.31kg
含WO3：
5755.70×0.995=5726.92kg
其中含P：
5.27×99.5%=5.24kg
As：
3.51×99.5%=3.49kg
SiO2：
439.37×99.5%=437.17kg
Mo：
6.15×99.5%=6.12kg
（2）损失
磨矿损失率为0.5%，WO3损失量为：
5755.70×0.5%=28.81kg
矿浆总损失量为:
24028.31×0.5%=120.14kg
2.4.2浸出过滤工序
工艺指标：
x2＝1.5%，r2＝0，η2＝98.5%
一、进料
（1）从预处理工序得到的矿浆量为24028.31kg，其中含WO35726.92kg
（2）返料
由干燥、过筛、包装工序返回的人造白钨WO3以不合格APT形式直接加入高压釜中反应，设人造白钨中WO3的含量为45%，则人造白钨的质量为：
202.08/45%=449.07kg
则总的返料量为：
449.07kg
（3）添加剂
为抑制杂质Si及部分P、As的浸出，需加入Al2O3或铝土矿，取Al2O3/SiO2=0.8
则添加剂的量为：
437.17×0.8=349.74kg
（4）水
在浸出工序中控制液固比为4：
1，则应加入的水量为：
（8787.33+449.07+349.74）×99.5%×4-8787.33×99.5%=29409.44kg
则总的矿浆量为：
24028.31+349.74+449.07+29409.44=54236.56kg
（5）洗涤用水
控制浸出洗涤后矿浆中WO3的浓度为120g/L，洗涤前矿浆的密度为1.3kg/L，则矿浆中WO3的浓度为5726.92/（54236.56/1.3）=137.27g/L。
则洗涤用水为：
5641020/120-54236.56/1.3=5288.07L质量为5288.07kg
（6）总进料为
54236.56+5288.07=59524.63kg
二、出料
（1）粗Na2WO4溶液Na2WO4的量为：
5641.02×294/232=7148.53kg
在该工序的浸出条件下，设P的浸出率为0.17%；As的浸出率为5%；Mo的浸出率为60%；SiO2的浸出率为0.66%，则Na2WO4溶液中含：
P：
5.24×0.17%=0.01kg
As：
3.49×5%=0.17kg
SiO2：
437.17×0.66%=2.89kg
Mo：
6.12×60%=3.67kg
Na2CO3量：
6574.40×99.5%×98.5%－7148.53×106/294－0.01×106/31－0.17×106/75－2.89×106/60－3.67×106/96=3856.61kg
粗Na2WO4溶液主要成分为Na2WO4和多余的Na2CO3，
则粗Na2WO4溶液量为：
7148.53+0.01+0.17+2.89+3.67+3856.61+（8787.33×99.5%+29409.44+5288.07）×98.5%=53801.17kg
（2）损失
由于跑、冒、滴、漏和蒸发等原因会产生损失，损失率为1.5%，
则WO3损失量为：
5726.92×1.5%＝85.90kg
矿浆损失量为：
59524.63×1.5%＝892.87kg
（3）渣量：
59524.63－53801.17－892.87=5723.46kg
2.4.3稀释工序
工艺指标：
x3=0.3%；r3=0；η3=99.7%
为了利于下面的离子交换工序的顺利进行，需将粗钨酸钠溶液由120g/L稀释至20g/L。
一、进料
粗钨酸钠溶液的密度为1.3kg/L
（1）加入的水量为：
5825570/20-53801.17/1.3=249892.98L
（2）从上工序得到的粗钨酸钠溶液的量为：
53801.17kg
（3）总的进料量：
249892.98+53801.17=303694.15kg
二、出料
（1）交前液：
303694.15×99.7%=302783.07kg
含P：
0.01×99.7%=0.01kg
As：
0.17×99.7%=0.17kg
SiO2：
2.89×99.7%=2.88kg
Mo：
3.67×99.7%=3.66kg
（2）损失量：
303694.15×0.3%=911.08kg
WO3损失量为：
5843.10×0.3%=17.53kg
2.4.4离子交换工序
工艺指标：
x4=0.4%；r4=0；η4=99.6%
一、进料
（1）交前液
从上一工序得到的交前液的量为：
302783.07kg，其中WO35825.57kg
（2）水
设生产一吨APT需要消耗淋洗用自来水100m3，则本工序需自来水量为：
5.83×88.5%×100=515.08m3,即515080kg
（3）纯水
设生产一吨APT需要消耗淋洗用纯水20m3，则本工序需纯水量为：
5.83×88.5%×20=103.02m3,即103020kg
（4）解吸剂
用5mol/L的NH4Cl-NH4OH溶液做解吸剂,生产一吨三氧化钨需消耗NH4Cl-NH4OH0.8吨。
解吸剂的密度为1.1kg/L。
解吸剂的用量为：
5.83×0.8×103/0.44×1.1=11660.00kg
（5）总的进料量
302783.07+515080+103020+11660=932543.07kg
二、出料
（1）废水
经吸附后的交后液和淋洗后液都以废水的形式排放掉，则：
302783.07×99.6%-7148.53×248/294×99.6%-3.66×96/206×99.6%+7148.53×71/294×99.6%+3.66/206×99.6%=297285.00kg
由于杂质的量很少和加入的水量相比微乎其微可忽略，则淋洗后液的量为：
（515080+1030200）×99.6%=30
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