化工工艺课程设计.docx
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化工工艺课程设计
西南科技大学材料科学与工程学院
化工工艺课程设计说明书
论文题目：
10000吨/年饲料级磷酸氢钙生产工艺设计（原
料湿法磷酸）
专业班级：
应用化学0701、0702
XX年12月30日
目录
1、概述...............................................................2
1.工艺现状.........................................................2
2.本工艺技术特点...................................................2
2、生产规模及产品质量要求.............................................2
1.生产规模.........................................................2
2.产品质量要求.....................................................2
3.主要副产品种类...................................................3
3、原材料方案.........................................................3
4、技术路线...........................................................4
1.1生产方法........................................................4
1.1.1硫酸分解磷矿................................................5
1.1.2脱氟.......................................................5
A.一段脱氟....................................................5
B.二段脱氟....................................................5
1.1.3中和.....................................................5
1.1.4离心分离....................................................6
1.1.5干燥........................................................6
1.1.6成品包装....................................................6
1.1.7废渣的来源和处理............................................6
1.2主要设备一览表..................................................7
5、物料流程及衡算.....................................................7
5.1主要物料流程....................................................7
5.2各单元物料计算..................................................7
5.2.1湿法磷酸单元计算...........................................7
5.2.2一段脱氟单元计算...........................................7
5.2.3二段脱氟单元计算............................................8
5.2.4中和单元计算................................................9
5.2.5各单元计算汇总..............................................9
5.3物料计算汇总....................................................10
6、生产制度及开工时数的说明...........................................10
6.1生产制.........................................................10
6.2开工时数.......................................................10
七、附图...............................................................10
八、总结...............................................................10
一、概述
1、工艺现状
目前,以湿法磷酸为原料,生产分子式为CaHPO4·2H2O的饲料级磷酸氢钙的方法主要有两种。
一种是湿法磷酸深度净化法。
该法通过浓缩或溶剂萃取制得深度脱氟磷酸,再与石灰或石灰石反应,制得饲料级磷酸氢钙。
该法是国外目前采用的主要方法,问题是对磷矿质量要求高,投资大,工艺复杂,成本高。
第二种是湿法磷酸化学预脱氟二段中和法。
该法以湿法磷酸为原料,经加纯碱或氯化钠预脱氟,然后二段中和,即先用石灰或石灰粉中和,去除残留氟,产出肥料级沉淀磷酸钙,然后含氟合格溶液再进行第二段中和,制得饲料级磷酸氢钙。
该法是国内目前采用的主要方法,其实用性强,可产出少量低品级氟硅酸钠副产品,缺点是操作周期长,占地面积大,约20%的磷以低价值的肥料形式产出,饲料产品中磷收率低,最高只能达80%。
2、本工艺技术特点
本工艺提供一种湿法磷酸循环脱氟制饲料级磷酸氢钙的方法。
该法采用湿法磷酸为原料,生产工艺包括:
原料选择、循环脱氟、过滤、氟碴洗涤、中和除氟、过滤、饲料钙合成、过滤洗涤、烘干、包装入库工序。
循环脱氟是在有加热搅拌的容器内进行,过滤采用真空过滤机,烘干采用气流干燥机,烘干温度为60～130℃。
循环脱氟是采用中和除氟形成的含氟沉淀物（滤饼）与磷酸反应,边搅拌边加入,搅拌反应10～30min,待大部分磷酸氢钙溶解,然后升温到95～110℃,保温5～20min;中和脱氟是将循环脱氟溶液和氟碴洗涤液合并注入加热搅拌的容器内,边搅拌边加入6%～10%的石灰乳,加入量（以CaO计）为磷酸量（以P2O5计）的30%～60%或相当量的石灰粉,反应温度35～50℃,保温搅拌5～30min。
二、生产规模及产品质量要求
1、生产规模
10000吨/年饲料级磷酸氢钙生产工艺设计
2、产品质量要求
参考GB/T22549-2008饲料级磷酸氢钙
本标准规定了饲料级磷酸氢钙的分类、要求、试验方法、检验规则、标志、标签、运输以及包装和贮存。
本标准适用用饲料级磷酸氢钙该产品在饲料加工中作为磷、钙的补充剂。
2.1分子式、相对分子质量
2.1.1主成分分子式：
CaHPO4.2H2O.
2.1.2相对分子质量：
172.10（按2007年国际相对原子质量）。
2.2要求
2.2.1外观：
白色或略带微黄色粉末或颗粒。
2.2.2饲料级磷酸氢钙应符合表1要求。
表1
项目
指标
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
总磷（P）含量/%≥
16.5
19.0
21.0
枸溶性磷（P）含量/%≥
14.0
16.0
18.0
水溶性磷（P）含量/%≥
-
8
10
钙（Ca）含量/%≥
20.0
15.0
14.0
氟（F）含量/%≤
0.18
砷（As）含量/%≤
0.003
铅（Pb）含量/%≤
0.003
镉（Cd）含量/%≤
0.001
细度（粉状通过0.5mm试验筛）/%≥
（粒状通过2mm试验筛）/%≥
95
90
3、主要副产品种类
磷石膏
肥料级磷酸二氢钙
三、原材料方案
1.原料
磷灰石石灰乳硫酸絮凝剂
1.1主要原料来源
氟磷灰石是该公司对天然磷酸盐矿物进行提纯而成，它利用高温下氟磷灰石中的磷在釉中形成玻璃分相，导致光的散射，从而表现乳蚀代替硅酸粉。
它不但可以大幅度降低成本,又能缓解目前硅酸锆供应紧张的不足。
本原料从四会市飞来峰非金属矿物材料有限公司购买。
主要化学成分
F
P2O5
Fe2O3
CaO
MgO
粒度
白度
3.2-3.4%
>36%
<0.3%
>52%
<0.38%
-200目
>70%
1.2原料物理化学性质
钙氟磷灰石，其化学式为Ca5F（PO4）3，纯的钙氟磷灰石含P2O542.26%、CaO55.56%、F3.77%，但由于同晶取代作用与半生杂质的影响，天然磷灰石往往比纯氟磷灰石品味低，其P2O5最高含量为40.70%，F为2.8-3.4%。
同晶取代是指氟磷灰石Ca5F（PO4）3晶格中的一些独立离子被某些结晶化学半径相近的其它离子所取代，如Ca5F（PO4）3中的阳离子Ca2+，可部分被其它阳离子Ba2+、Mg2+等取代，阴离子F-、PO43-的一部分可能被OH-、Cl-、CO32-、SO42-、SiO42-等离子取代。
磷灰石属六角晶系，其结构呈六方双锥晶型结晶，晶型常呈六方柱形或六方锥状，但多数是不太规则的结晶颗粒，结构坚固致密，不含结晶水，一般磷灰石的密度为3.18-3.41，氟磷灰石的比热容为0.832J/g·℃，标准生成热为6829.0KJ/mol。
四、技术路线
1.1生产方法
硫酸法生产饲料级磷酸氢钙
硫酸法以硫酸和磷矿为原料制得粗磷酸，经脱氟、中和、分离、干燥等工序最终制得磷酸氢钙产品。
国内磷酸氢钙骨干企业均采用此工艺，其工艺流程如下：
由磷石灰与硫酸反应后加入絮凝剂进行沉降分离，上层清液去一段脱氟进行磷酸净化。
在加入脱氟剂石灰乳调节PH值后，湿法磷酸中所含的氟、铁、等杂质约90%生成的沉淀物,在使用压滤机进行分离。
滤液为初步净化磷酸送至二段脱氟再次净化，再在一段脱氟和二段脱氟的滤饼中加入磷酸，在使用压滤机进行分离，所得滤液和二段脱氟所得滤液混合，最终磷酸净化到满足生产饲料级磷酸氢钙的要求P/F比大于100。
然后再加入石灰乳进行中和，料浆使用卧式离心机进行分离，离心出含有游离水的半成品经过气流干燥制得饲料级磷酸氢钙产品。
图1、工艺流程
1.1.1硫酸分解磷矿（钙氟磷灰石）制湿法磷酸反应如下：
Ca5F（PO4）3+5H2SO4+nH2O→3H3P04+5CaSO4·nH2O+HF↑
1.1.2脱氟
A.一段脱氟
湿法磷酸含有大量的铁、镁、氟等有害杂质，通过加入碳酸钙、石灰乳调节PH值，除去湿法磷酸中铁、氟等大部分有害杂质，初步净化湿法磷酸。
反应机理
H3PO4＝H＋＋H2PO4－H2PO4－＝H＋＋HPO42－
HPO42－＝H＋＋PO43－H2SO4＝2H＋＋SO42－
2H＋＋CaCO3＝Ca2+＋H2O＋CO2↑2H＋＋Ca（OH）2＝Ca2+＋2H2O
Ca2+＋2F-＝CaF2↓Ca2+＋SO42－＝CaSO4↓
Fe3＋＋PO43－＝FePO4↓
工艺指标
a.脱氟稠浆返溶温度50℃—60℃；
b.脱氟重钙终点PH值:
2.0-2.3；
c.脱氟石灰终点PH值:
2.3-2.5；
d.脱氟清液P2O5/F:
200；
B.二段脱氟
对一段脱氟粗净化的磷酸再进行深度净化，去除有害杂质，使深度净化后的磷酸完全能达到生产饲料级磷酸氢钙的标准。
反应原理
Fe3++PO43-=FePO4↓2F-+Ca2+=CaF2Ca2++HPO42-=CaHPO4↓
工艺指标
a.PH值控制范围:
2.6-3.2；
b.脱氟清液P2O5/F:
300；
1.1.3中和
经过脱氟净化后的磷酸用石灰乳进行中和，反应如下：
H3PO4+Ca（OH）2=CaHPO4·2H2O
2H3PO4+Ca（OH）2=Ca（H2PO4）2·H20+H2O
中和过程中，终点pH值应在5．0～5．5之间，若终点pH<5．0，中和反应不完全，磷的利用率降低；若终点pH>5．5，产品质量就会受到影响。
因此，终点pH值的控制是个关键。
工艺指标
a.中和后PH值:
5.5-6.5；
b.反应前的温度:
36-40℃；
c.中和终点温度:
40-50℃；
1.1.4离心分离
把中和后得饲料级磷酸氢钙与液浆清液分离。
为了使磷酸氢钙沉降快．这样磷酸氢钙结晶颗粒大、沉降快，产品易干燥。
终点pH值不能高于6.2。
1.1.5干燥
将含有游离水的半成品进行烘干，得到符合标准的饲料级磷酸氢钙产品。
工艺指标
a.炉温:
500-800℃，烘干温度:
80-160℃；
b.产品内在指标:
符合GB-T22549-2008标准：
①P％≥16.5；
②Ca％≥20.0；
③F％≤0.18；
④产品的水份≤3.0%；
饲料级磷酸氢钙含两个结晶水，温度过高易脱去结晶水，使产品枸溶率降低，质量下降．故应严格控制干燥温度与时间。
一般在100℃下干燥1—2h，使曲宇离水脱除即可。
因中和产品结晶颗粒大、过滤后游离水少、干燥容易。
1.1.6成品包装
该工序是将烘干成品通过计量、包装后使最终产品符合GB-T22549-2008标准。
控制要求
a.包装总重量:
每袋50.20Kg或25.10Kg（±0.1Kg）；
b.使用的包装应符合包装规定标准；
c.产品外观质量符合内定要求
1.1.7废渣的来源和处理
硫酸与磷矿粉反应，生成粗磷酸及磷石膏H2SO4+Ca（OH）2→CaSO4·2H2O↓经分离后，磷石膏可用作建筑材料。
硫酸分解磷矿生成HF；中和时：
2HF+Ca（0H）2→CaF2↓+2H2O
H2SiF5+3Ca（OH）2→3CaF2↓十Si02↓+4H2O
由于磷矿粉中含有Fe，
所以H3FeF6+H3PO5+3Ca（OH）2→FePO4·H2O↓+3CaF2↓+4H2O
硫酸分解磷矿生成磷酸，中和时会发生副反应：
2H3PO4+Ca（OH）2→Ca（H2PO4）2·2H2O
Ca（H2PO4）2·2H2O+Ca（OH）2→2CaHPO4·H2O↓
从以上反应式可见，在中和工序湿法磷酸中的F-、SiF62-、FeF63-、Fe3+、SO42-等杂质均生成沉淀被除去，经过滤分离出的废渣主要成分为CaF2、FePO4·2H2O、CaHPO4·2H2O、CaSO4·2H20、SiO2等。
废渣中含有的磷酸氢钙，已有相应的回收方法，主要是用酸（硫酸、盐酸、磷酸等）与渣中的磷酸氢钙反应，使其转变为水溶性的磷酸二氢钙，进入溶液中从而与渣分离，从而制得肥料级磷酸二氢钙。
1.2主要设备一览表
溶解槽2个
φ2500×2200，附搅拌桨、电机减速机
脱氟槽2个
φ2500×2200，附搅拌桨、电机减速机；
压滤器3个
φ2500×2200，附搅拌桨、电机减速机；
压滤中转泵2台
工程立式泵；65FYUC-50-55/50-1500,N=30KW-4
洗涤水泵2台
65FYUB-45-30/25-1000+500mm吸入管N=7.5KW-2
压滤液泵2台
65FYUB-45-30/25-1000+500mm吸入管N=7.5KW-2
压滤液收集池1个
4500×2400×3305
洗涤水收集池1个
4500×2400×3305
石灰乳槽1个
容积φ4000×4000，附搅拌桨，电机，减速机
石灰乳槽泵2台
65FYUB-45-30/50-1000+500吸管,N=18.5KW-2
澄清池
容积6000×3500×4000；容积5250×5000×2500
稠浆收集地池
容积10500×1050×1600
自动封包机
25.0Kg/袋，50.0Kg/袋，误差±0.1kg;包装袋有内膜，需排气后捆绑
7、物料流程及衡算
5.1主要物料流程
5.2各单元物料计算
5.2.1湿法磷酸单元计算
设所加原料钙氟磷灰石质量为x吨/年，则原料有效成分含量m（P205）:
42.26%x吨,m（F）:
3.77%x（吨）。
与过量硫酸反应得磷酸质量m（H3P04）和氢氟酸质量m（HF）:
5.2.2一段脱氟单元计算
由工艺指标脱氟清液P2O5/F:
150，可得反应后剩余的含氟量m1（F）:
则反应脱去的含氟量m2（F）：
由此可得脱氟反应所消耗氢氧化钙的质量mF（Ca（OH）2）:
由工艺条件得一段脱氟所加氢氧化钙为原料P2O5的50%，所加氢氧化钙质量为m1（Ca（OH）2）:
与磷酸反应的氢氧化钙的量mp1（Ca（OH）2）:
生成磷酸二氢钙的量为:
反应的磷酸量为：
剩余的磷酸量为：
及剩余的原料有效成分含量为：
5.2.3二段脱氟单元计算
由工艺指标脱氟清液P2O5/F:
300，可得反应后剩余的含氟量m3（F）:
则反应脱去的含氟量m4（F）：
由此可得脱氟反应所消耗氢氧化钙的质量mF2（Ca（OH）2）:
由工艺条件得二段脱氟所加氢氧化钙为原料P2O5的50%，所加氢氧化钙质量为m2（Ca（OH）2）:
与磷酸反应的氢氧化钙的量mp2（Ca（OH）2）:
生成磷酸二氢钙的量为:
5.2.4中和单元计算
通过一段、二段脱氟所得磷酸二氢钙的量为:
通过一段、二段脱氟所消耗的磷酸的量为：
通过一段、二段脱氟所剩余的磷酸及中和的磷酸的量为：
中和剩余磷酸生成磷酸二氢钙的量为：
中和剩余磷酸生成磷酸二氢钙所消耗的氢氧化钙的量为：
通过一段、二段脱氟、中和所得磷酸二氢钙的量为:
中和磷酸二氢钙生成产品磷酸氢钙的量为：
中和磷酸二氢钙所消耗的氢氧化钙的量为：
中和段所消耗的总的氢氧化钙的量为：
5.2.5各单元计算汇总
由10000吨/年的计算指标，得所加原料钙氟磷灰石质量为（吨/年）：
所消耗的总的氢氧化钙的量为：
则所加入的石灰乳（10%）的量为：
4.971×104吨/年
5.3物料计算汇总
表1各单元操作加入物料汇总
项目
物料名称
理论计算量吨/年
湿法磷酸单元
钙氟磷灰石
9747
H3PO4
5731
HF
380
一段脱氟
CaF2
720
H3P04
2096
Ca（H2P04）2
4337
石灰乳10%
20566
二段脱氟
CaF2
46
H3P04
214
Ca（H2P04）2
2251
石灰乳10%
7602
中和
Ca（H2P04）2
353
石灰乳10%
22320
六、生产制度及开工时数的说明
6.1生产制度:
24小时为一个独立单位，三班四运转制度。
6.2开工时数：
连续生产：
8000小时/年；间歇按批次计算
7、附图
工艺流程图（标有工艺控制点）
八、总结
在短短的两周里，通过同学讨论，查阅相关资料，再进行整个流程的设计与计算，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。
通过这次设计，我们对本课题相关内容有了一定程度的了解，同时巩固了专业知识。
通过本次课程设计的训练，让我们对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。
同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。
限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。
设计参考文献
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