学位论文-—年产21000tp2o5湿法磷酸生产工艺设计.doc

年产21000tP2O5湿法磷酸生产工艺设计
1 绪论
1.1 设计任务依据及产品概况
本设计是根据淮海工学院化学工程系下达的毕业设计任务书，即年产21000 t P2O5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
本设计中厂区在海州区内，地理位置优越，靠近连云港新浦市区，临近连云港港口，厂区内可设置铁路专用线与东陇海国铁接轨，有优越的运输条件。
1.2.1 气象条件
连云港的海州区属暖温带向亚热带过度的季风海洋性气候地带，年平均气温为14℃，最冷月份为1月，最热月份为7月。年降雨量为1000mm左右。无霜期为220天左右。四季分明，气候宜人。
根据连云港新浦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 14.7℃
最高气温 40℃(8月)
最低气温 -18.1℃(2月)
气压：
年最高气压 1016.7 Pa
最高月平均气压 1026.9 Pa(1月)
最低月平均气压 1003.3 Pa(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 93.69 mm
最大降雨量 264.4 mm
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20 cm
土壤冻结深度为30 cm
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
铁路： 有铁路专用线通往连云港，可根据当地实际情况配置装卸线，并在厂区旁边设有一个分支，便于把空的装料箱运走，把生产成品运出。
公路： 厂区邻近公路路面宽敞，可容纳两辆装运卡车并排而行，路面结构为水泥路，交通便利。
水路： 厂区不仅临近蔷薇河、盐河，且滨临黄海，水路的运输能力很好，在各个季节，行道宽度、水深变化情况不大。通过水路运输，在码头卸货，再通过公路运输到达厂区。
1.2.3 水源、能源
水源充足，厂区滨临黄海，临近蔷薇河、盐河，在厂区附近有供电站，能源供应方便。
水：
水质： 浊度≯20mg/L
水压： 0.3 MPa
水量： 常态81.2 t/h；
最大139 t/h；消防54 t/h
用电设备台数：149台
蒸汽：压力： 0.2 MPa(表压) 0.7(表压)
气量： 8 t/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
国家四大磷矿之一的锦屏磷矿位于海州区，其地形以平原为主，境内地势低平，平原高山齐观，河湖丘陵、滩涂俱备，平均海拔为5m。锦屏山马耳峰海拔为427.7m，为全区最高。平原占总面积80％。地区南侧有锦屏山、白虎山，东部有较著名的孔望山、石棚山等。境内河流纵交错，水陆交通便利，连云港白塔埠机场距海州25km，有飞往上海、广州、厦门、北京、沈阳等地的航班。南面是与灌云县交界的泊阳河，向东直通黄海。城西有全市最大的蔷薇河。
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。
“海州式”磷矿。分布于海州至大浦一带，主要工业矿体集中在锦屏、陶湾、新浦、大浦、顾庄等地，王寨、小李庄、穆跳、新浦南部也有矿点。
海州式磷矿矿体形态呈层状、似层状、透镜状，产于大理岩、云母片岩中，与围岩呈过渡关系，规模大者断续长2000m多，一般长200～800m。矿体延深550 m多，平均厚度23m。矿石品位较高，含P2O5一般在13.22～24.18%，最高达29.82%。
(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%) t 12.19
硫酸(98% H2SO4 ) t 11.40
包装袋(50kg/个) t 2
装置的运输量：
运入：磷矿 82307.1t/y
硫酸 76917.7t/y
包装袋 13500t/y
运出：磷酸（P2O5计） 21000t/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, 21000 t(P2O5计)
(3)产品规格：磷酸，P2O5约32.39%
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
锦屏镇属近郊区，位于风景秀丽的锦屏山南麓。历史悠久，古迹众多，资源丰富，交通便捷，东临运输繁忙的东盐河，西傍景色如画的蔷薇河地理位置十分优越，距市政府所在地5km，距连云港市民航机场8km，距中国八大港口之一连云港港口20km，连徐、同三高速公路交汇于此，东陇海铁路延伸至镇区。全镇面积56.6km2，辖10个行政村，总人口3.5万人。
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，南有通往连云港之铁路专用线，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32% 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82307.1t/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H2SO4 98%
(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P2O5 30%
(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)料浆在萃取槽中的停留时间：4 h
(20)料浆的密度（kg/m3）：1470
(21)夏季最高月平均温度（℃）：30
(22)不考虑萃取槽中的热量损失；
(23)喷嘴风压：废气温度为60℃时取5000～6000Pa，废气温度为55℃±时取1300-2800Pa。
(24)过滤机漏气量：1.35m3/m2·min（按过滤机总面积计算）。
(25)原料硫酸温度：26℃；
(26)过滤常数：qe=0.94m3/m2；K过滤=5.25；K一洗=3.42；
(27)洗液粘度：μ一洗=1.6×10-3Pa·s；
μ二洗=1.2×10-3Pa·s；
μ三洗=1.1×10-3Pa·s；
(28)密度：成品磷酸1260kg/m3；一洗液1210kg/m3；二洗液1060kg/m3；三洗液1020kg/m3
按照上述已知条件，计算物料平衡如下(以100kg磷矿来计算) [5] [6]：
(1)硫酸用量(kg)
100%的H2SO4 100×0.4498×104%×98/56=81.864
98%的H2SO4 81.864/0.98=87.76
(2)逸出气体量(kg)
CO2： 100×2.56%=2.56
F ： 100×4.02%×1.42%=0.05708
以SiF4计算 0.05708×104/76=0.07811
H2O： 18.65
合计：2.56+0.07811+18.65=21.29
(3)磷石膏值(kg)
100×44.98%×172.1/56+100×2.27%=140.50
其中总含P2O5： 100×32.39%(1-98.1%×98.6%)=1.06
未分解P2O5：32.39×(1-98.1%)=0.62
水溶性P2O5：1.06-0.62=0.44
(4)生成循环料浆量(kg)
140.50×(2.8+1)=533.9
液相量：533.9-140.5=393.4
含P2O5：393.4×30%=118.02
(5)成品磷酸量(kg)
100×32.39%×98.1%×98.6%×(100-3)%÷30%=101.3
含P2O5:101.3×30% =30.39
(6)机械损失(kg)
32.39×3%=0.97
(7)过滤后滤饼含液量(kg)
140.5×68.3%=95.96
含P2O5：95.96×30%=28.79
(8)一次洗涤后滤饼含液量(kg)
140.5×45.52%=63.96
(9)二次洗涤后滤饼含液量(kg)
140.5×26.11%=36.68
(10)三次洗涤后滤饼含液量(kg)
140.5×10.43%=14.65
(11)回入系统的滤液量(kg)
393.4-101.3-95.96=196.14
含P2O5: 196.14×30%=58.84
(12)洗涤用水量(kg)
101.3+140.5+14.65+21.29-(100+88.50)=89.98
(13)淡磷酸量(kg)
533.9+21.29-(100+88.50)=367.43
含P2O5：118.02+0.97+0.62-32.39=87.22
P2O5浓度：87.22/367.43×100%=23.74%
(14)一次洗涤量(kg)
367.43-196.14=171.29
含P2O5：87.22-58.84=28.38
P2O5 的浓度：28.38/171.29×100%=16.58%
(15)二次洗涤量(kg)
171.29+63.96-95.96=139.29
含P2O5：139.29×6.5%=9.05
(16)三次洗涤量(kg)
89.98+36.68-14.65=112.01
含P2O5：112.01×1.9%=2.13
(17)一次洗涤后滤饼液相含P2O5(kg)
28.79+9.05-28.38=9.44
液相P2O5浓度：9.44/63.96×100%=14.76%
(18)吸干滤液计算(kg)
设吸干滤液与一次洗涤混和后的总量为X，吸干滤液量为Y
X–Y=171.29
19%·X=30%·Y+28.38
解得：X=208.97 Y=37.68
(19)吸干滤液含P2O5(kg)
37.68×30%=11.30
(20)吸干溶液与一次洗涤混合液含P2O5(kg)
208.97×19%=39.70
(21)回磷酸量(kg)
196.14–37.68=158.46
含P2O5：158.46×30%=47.54
3.3.2 热量平衡计算[7]
在工艺概述中已经阐述的那样采用鼓凤机吹入空气带走萃取槽中的热量。
按每年生产300天，每天工作22.5h计算，为了完成21000吨/年P2O5湿法磷酸的生产。每小时的消耗量为：磷矿12.19吨，100%硫酸10.48吨，92.5%硫酸11.40吨，返回淡磷酸量47.16吨，料浆量68.37吨，原料硫酸温度20℃，淡磷酸含24.85%P2O5，返回淡磷酸的温度:64℃，空气温度30℃，萃取槽排出料浆的温度76℃，排出废气的温度55℃，废气相对湿度0.94。
(1)收入热量：
总的热量由下列物料带入的热量确定：磷矿粉（Q磷矿）；硫酸（Q硫酸）；淡磷酸（Q淡磷酸），以及反应热（Q反应）和萃取槽中硫酸稀释热（Q稀释）。另外，还有空气（Q空气）即：
Q进=Q磷矿+Q硫酸+Q淡磷酸+Q反应+Q稀释+Q空气
下面分别求每一项带入的热量：
Q磷矿=12190×0.783×30≈286.3×106J
(0.783——磷精矿比热，kJ/kg·K；
30——夏季月平均温度，即车间热负荷最大期间的温度℃)
Q硫酸=11400×1.59×20≈362.5×106J(1.59——92.5%H2SO4的比热，kJ/kg·K)
Q淡磷酸=47160×3.214×64≈9700.6×106J（3.214——24.85%P2O5磷酸溶液的比热kJ/kg·K）
硫酸与磷精矿的反应热（磷精矿中的全部P2O5都按氟磷灰石计）：
Ca5F(PO4)3+5H2SO4+10H2O=5CaSO4·2H2O+3H3PO4+HF+q2
根据盖斯定律：q2=(5×2022.6+3×1278.2+269.6)-(6828.7+5×839.5+10×286.4)=327(kJ/mol)
q2=327（kJ/mol）上式中反应物和生成物的生成热（kJ/mol）：
CaSO4.2H2O(固体)： 2022.6；
H3PO4（溶液）： 1278.2；
Ca5F(PO4)3(固体)： 6828.7；
H2SO4（溶液）： 839.5；
H2O（液体）： 286.4；
HF（气体）： 269.6
由此可得：
Q反应=12190×0.803×0.988×327×1000/504 ≈6279.1×106J
((0.3395÷3÷142)×2×504=0.803——磷精矿中氟磷灰石含量，单位分数；
0.988——氟磷灰石的分解率，单位分数；
504——氟磷灰石的分子量；
142——P2O5的分子量；)
萃取槽中H2SO4稀释热按下式确定：
Q稀释=G硫酸×q2/98=（16360×q2）/98
上式中：G硫酸——无水硫酸的量；
q2——硫酸的比稀释热(kJ/mol)，按下式确定：

式中n1和n2为硫酸进入萃取槽稀释前后溶液中H2O/H2SO4摩尔比。
n1=（8×98）/（18×92.5）=0.47,
为了确定n2，必须知道稀释后萃取槽中硫酸的浓度C2（假定硫酸同其他的液体组分混合以后，才同磷灰石反应）此浓度可根据100千克磷精矿为基准的物料衡算数据确定：
C2=86.00×100%/[86.00+7.47+386.88×(1-0.343)+560.84×(1-0.428)]=14.72%
式中：86.00和7.47分别为无水硫酸量和含水硫酸带入的水量（kg）；
386.88和560.84分别为淡磷酸量和循环料浆液相量 kg
0.343和0.428分别为淡磷酸和循环料浆液相中磷酸的浓度单位分数
从而 n2=[（100-14.72）/18]×（98/14.72）=31.54
算出 q2=55158.64
因此Q稀释=10480×55158.64÷98=5901.88×106 J
进入萃取槽空气带入的热量：
Q空气=1.004×1.29×30 V +4242×18×0.94×2555.35 V /(101323×22.4-4242×0.94×22.4)
=112.59V
(式中：1.004——空气热容，kJ/kg·K；
1.29——0℃和1.013×105Pa时的空气密度，kg/m3；
4242——30℃空气中饱和水蒸气的分压Pa；
0.94——空气的相对湿度；
2555.35——30℃时水蒸气的焓，kJ/kg）
所以，萃取槽的总收入热量为：
Q收入=286.3+362.5+9700.6+6274.7+5901.9+112.59V
=22526×106J+112.59V
(2)支出热量：
带走的热量是下列热量总和：送去过滤的料浆（Q料浆）；从萃取槽排出的气体（Q气体）和热损失（Q热损）。
下面分别求每一项带出的热量：
76℃时，送去过滤的料浆带走的热量为：
Q料浆=68366.6×C料浆×76
（式中: 68366.6——料浆量，kg
76——温度，℃ ）
C料浆——料浆比热，kJ/kg·K，其值按下式确定，
C料浆=C液X液+C固X固
（C液和C固——料浆中液相和固相的热容，kJ/kg·K;
X液和X固——料浆中液相和固相的质量分数）
当不考虑杂质时，料浆中的液相就是磷酸溶液，而固相就是石膏。
C料浆=(4.2324-0.02968×42.8)×413.252/560.842+1.072×147.59/560.842
=2.49 kJ/Kg·K
（4.2324-0.02968×42.8——浓度为30% P2O5即41.4% H3PO4的比热；
1.072 ——石膏热容 ；
413.252/560.842=0.74 ——液固比为2.8时料浆中磷酸的质量分数；
147.59/560.842=0.26 ——料浆中石膏的质量分数；）
从而：Q料浆=68366.6×2.46×76=12811.21×106J
55℃时，从萃取槽排出气体带走的热量
Q气体=V·1.004×1.29×55 + V·15731×18×0.94×2600.02/(101323×22.4-15713×0.94×22.4)
=429.1·V
(式中：1.004——空气热容，kJ/kg·K；
1.29——0℃和1.013×105Pa时的空气密度，kg/m3；
0.94——空气的相对湿度；
15713——55℃空气中饱和水蒸气的分压Pa；
2600.02——55℃时水蒸气的焓，kJ/kg ）
则萃取槽总的支出热量为：
Q支出=12811.21×106+429.1V
Q收入=Q支出
即22526000kJ+112.59V=12811210kJ+429.1V
则每小时鼓空气量V=30722.16m3
选用风机： 离心通风机
型号： 4-68
全压范围(mmH20)： 20～237
风量范围(m3/h)： 1000～239654
功率范围(kW)： 0.55～245
输送介质最高允许温度t≤(℃)：80
3.4 主要的设备选型与计算
3.4.1 设备布置说明
磷酸工段
联合厂房呈长条型，跨度15m，总长度42.77m，座北向南看。自厂房的左端至右端（向北看）按照工艺流程顺序布置以上工序的设备：萃取槽，过滤机及配套设备，石墨列管换热器，轴流泵，氟回收及配套设备。
萃取布置在厂房的最左端，从原料工段来的磷精矿、硅藻土经混合后进入萃取槽；此外考虑到萃取槽搅拌装置和料浆泵的安装检修，设单梁吊车一台。
由于大气压的要求，盘式过滤机布置在三楼平面，二楼平面上设置了气液分离器和磷石膏胶带输送机等设备。一楼布置有滤洗液中间槽、水环式真空泵等。
3.4.2 过滤机[8，9]
该机系水平回转翻盘式连接真空过滤设备。在一个圆环形柜架上设置了20个梯形滤盘。每个滤盘两端用轴承支撑。滤盘小端出液口用贮管同位于中央的分配头上错气盘相连接，上错气盘在转动杆的带动下，与转盘同步回转、上错气盘固定不动，凭借吸液管与真空系统相连。滤盘的翻转是装在滤盘大端的，翻盘又和滚轮通过曲线导轨来控制的。每只滤盘公转一周，连接完成加料，出滤，过滤，洗涤，翻盘，反吹，卸渣，清洗滤布，吸干，复位等操作过程。
该机主要特点如下：
(1)渣斗大，使滤盘倾复后，滤饼全部落在干渣斗内，尽量减少磷石膏带入滤布清洗区，有利于污水循环系统的正常工作。
(2)滤盘内所采用的聚丙烯栅板，格栅枞向筋条加高，增大断面尺寸，增加了刚性、不易变形。
(3)滤板四周采用条加契紧扶压紧，避免因螺钉固定造成四角跷曲而漏气并损坏滤布的弊病。滤布的固定采用平压板结构，安装可靠，拆卸方便。
(4)增加滤布冲洗水装置，使设备配套附件完善。
(5)原转动杆断面尺寸加大，提高转动刚性。
(6)三洗洗液汁底部由平底改成斜底，以防洗液堵塞。
(7)分配头上，各个操作区间的作业界线可以调整，以利于个工序间协调工作。
过滤机过滤面积计算方法：
采用精确计算法：
计算生产能力为21000吨/年P2O5所需盘式真空过滤机的有效过滤面积。
表1 原始数据
产物
产量(t/h)
密度(kg/m3)
粘度μ(Pa·s)
成品磷酸
12.42
1260

返回磷酸
25.45
1260

一次洗液
21.71
1210
1.6×10-3
二次洗液
17.35
1060
1.2×10-3
三次洗液
12.87
1020
1.1×10-3

qe=0.94m3/m2；K主滤＝5.25 m2/h；K一洗＝3.42 m2/h；
成品磷酸含P2O5：31