年产20万吨过磷酸钙生产工艺的毕业设计

科 技 学 院 毕 业 设 计论文题目：年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺的设计 学科专业： 化学工程与工艺 学生姓名： XXX 导师姓名： XXX 完成时间： 2016.5.25 年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计2年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺的设计目 录摘要 .(4)1. 前言 .(5)1.1 过磷酸钙的产量及施用现状 .(5)1.2 过磷酸钙的发展前景 .(5)2. 设计原则 .(6)2.1 工艺路线的选择 .(6)2.1.1 现有工艺路线的比较及分析 .(6)2.1.2 工艺路线影响因素分析 .(7)2.2 生产过程中的主要化学反应方程式 .(9)3. 产品方案 .(9)3.1 产品 .(9)3.2 产品规格 .(9)3.3 产品的主要物性 .(10)3.4 包装贮运 .(10)4. 生产方法及工艺过程 .(10)4.1 生产方法 .(10)4.2 原料准备 .(11)年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计34.3 混合化成 .(11)4.4 熟化中和 .(12)4.4.1 熟化工序 .(12)4.4.2 中和工序 .(13)4.5 含氟气体的吸收处理 .(14)4.6 造粒与干燥 .(15)5. 计算 .(17)5.1 物料衡算 .(17)5.1.1 数据计算 .(17)5.1.2 反应式 .(18)5.1.3 计算 .(19)5.2 热量衡算 .(25)5.2.1 输入热量 .(25)5.2.2 输出热量 .(27)6. 设备选型 .(28)6.1 卧式混合机 .(28)6.2 挤压造粒机 .(29)7. 总结 .(30)参考文献 .(32)年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计4年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺的设计学 生： XXX指导教师： XXX（三峡大学 材料与化工学院）摘要: 过磷酸钙是由磷矿粉和硫酸起化学反应后制成的一种含磷的化学肥料。由于具有生产工艺简单，生产操作易于掌握；生产设备容易制造，投资较省；施用后见效快，增产显著等特点，使其在各种磷肥新品种不断涌现的情况下产销量仍然持高不下。本设计采用干法来生产过磷酸钙，原料矿与硫酸在混合机内进行混合，然后进入化成室再经过熟化、中和及造粒干燥后得到成品过磷酸钙。通过物料衡算、热量衡算以及设备选型设计出能符合国家标准的产品的工艺流程。关 键 词 ： 过 磷 酸 钙 ;磷 矿 ;生 产 ;干 法The design of the annual output of 200000 tons of calcium superphosphate production processStudent: Shi TengkunTutor: Chen Weifeng(College of Materials and Chemical Engineering, Three Gorges University)Abstract: calcium superphosphate is a containing phosphorus chemical fertilizers which was made of phosphate rock and sulfuric acid from the chemical reactions because of the production process, and operation simple is easy to master; production equipment easy to make,invest save; It will become effective quickly after used, Increase notable and so on characteristics,so that Under the situation that the new various phosphate fertilizer breed springs up unceasingly,production and sales remained stubbornly high.This design uses a dryprocess to produce superphosphate,the raw material ore and sulfuricacid carry out commixture within blending machine, and then enter kasei room and curing and after drying and granulation to get finished superphosphate.Through material accounting quantity of 年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计5heat accounting and equipment chooses a type to designs a design which conform to the nationalstandards product。Key words: calcium superphosphate, Phosphorus ore, production,dry-process1. 前言1.1 过磷酸钙的产量及施用现状过磷酸钙在中国是从 50 年代开始发展的。经过 60 年的发展，现在全国已经有过磷酸钙厂 400 多个，达到甚至大于 20 万吨/年的厂有 20 多家。过磷酸钙年产量在 400 万吨 P2O5 左右，占肥产量的 55%。目前，虽然 在国 内 农 业 上 使 用 的 磷 肥 主 要 是 磷 酸 二 铵 和 含 磷 复混肥，过 磷 酸 钙 的 用 量 也在逐年降低，但是由于过磷酸钙施用的历史比较长，许多农民仍然还有一定需求，特别是在小麦、棉花主产区，有一些农民还习惯施用过磷酸钙去作为底肥。尤其是在近几年磷酸铵大幅涨价的情况下，农民更加倾向于购买施用过磷酸钙。过磷酸钙的使用有效的提高了土壤中含磷水平，尤其是在小麦、棉花上使用，增加产两效果非常明显。虽然施用过磷酸钙有着明显的增加产量的效果，但据调查发现，过磷酸钙在生产、施用中仍然还存在着一些问题。1995 年原国家化工部修订颁布了过磷酸钙行业标准，确定了过磷酸钙的合格品、一等品、优等品的技术指标，并规定过磷酸钙的有效磷（P2O5）含量不得低于 12，游离酸含量不得高于5.5，水分含量不得高于 15。该标准的颁布对于加强企业质量管理，保证产品质量起到了特别好的促进作用。但由于过磷酸钙生产工艺比较简单，企业规模也相对较小，产品质量仍然不够稳定。在历年来有关部门的质量抽检中，过磷酸钙、复混肥合格率都相对较低。主要问题是由于有效磷含量不达标或游离酸、水分含量超标严重。另外不合格的过磷酸钙产品中含有来自磷矿粉的重金属和来自硫酸的三氯乙酸、三氯乙醛等，使得有害物质污染和减产事故也时有发生，因此除了企业自身要严以自律，切实按照国家标准进行生产以外，有关部门去也要加强监管力度，杜绝劣质过磷酸钙产品的上市1.2 过磷酸钙的发展前景过磷酸钙虽然充分利用中低品位磷矿资源、满足市场不同消费层次和习惯需求等方面具备一定的优势，由于受高浓度磷肥的冲击，加上过磷酸钙本身存在 生 产 工 艺 技 术 落 后 、 质 量 不 稳 定和 价 格 低 、 利润薄等问题，预计其产量以及施用 面积 会 逐 年 减 少 ， 如 果 不 给 予 足 够 重 视 ， 那 么 在新工艺技术开发、市场开拓等方面去改进突破的话，其生存的空间可能会变的越来越狭窄。另外，为保证过磷酸钙的施用后的效果，过磷酸钙施入土壤以后，其有年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计6效成分磷酸一钙容易与土壤中的某些成 分 发 生 反 应 从 而 被 固 定 ， 使 过 磷 酸 钙 的 当 季 利 用 率 降 低 ， 因 此 必 须 合 理的 施 用 ， 既要减少肥料与土壤的接触避免水溶性的磷酸盐被固定，又要尽量将肥料施用在根系 密 集 的 土 层 中 ， 使 养 分 很 容 易 输 送 到 根 系 ， 利于植物吸收。据此可推广采取集 中 施 用 、 分 层 使 用 ， 或 与 有 机 肥 料 混 合 施 用 等 方 法 以 外 ， 因 过 磷 酸 钙 中 含 有 大 量 的 硫 酸 钙 ， 所 以 应 优 先 使 用 在 缺 硫 、缺钙的土地上，充 分 的 发 挥 过 磷 酸 钙 的 综 合 增产作用。根据有关资料报道，目前世界化肥年生产能力大约 22400 万吨，其中氮肥大约 14170 万吨，磷肥大约4050 万吨，钾肥大约 4180 万吨。化肥年产量大约 14320 万吨，其中氮肥大约8670 万吨，磷肥大约 3380 万吨，钾肥大约 2270 万吨。世界化肥年贸易量大约5500 万吨，其中氮肥大约 2400 万吨，磷肥大约 1100 万吨，钾肥大约 2000 万吨。根据联合国粮农组织预测，今后 5 年以内世界化肥生产和消费增长缓慢，年均增长 2左右。2005 年世界化肥消费量大约为 15600 万吨，其中氮肥大约9400 万吨，磷肥大约 3800 万吨，钾肥大约 2500 万吨。世界磷肥消耗量将从1995 年的 2962.5 万吨增加到 2000 年的 3359.5 万吨。目前世界磷肥生产形势是供大于求，但从亚洲的生产与消费形势总的来看，磷肥供求矛盾还是比较大，我国仍然将是世界上磷肥进口最多的国家之一。2. 设计原则2.1 工艺路线的选择2.1.1 现有工艺路线的比较及分析根据不同的原料工艺条件.过磷酸钙的生产方法可分为干法 (稀酸矿粉法)和湿法 (浓酸矿浆法) 。稀酸矿粉法是目前世界上广泛采用的一种方法，故又称为传统法。它是用浓度为 6078%的稀硫酸和磷矿粉混合，再经过化成和熟化工序制成粉状过磷酸钙。此处的所谓稀硫酸是相对于 95%-98%浓度的浓硫酸而言，而实际上此法所用的硫酸浓度是根据所用磷矿的特性以及其他的工艺条件来具体确定。浓酸矿浆法是以浓硫酸与经过加水湿磨的磷矿浆来进行混合，然后同样经过化成与熟化工序制成粉状的过磷酸钙。此法的特点是浓硫酸经过计量后直接加入混合机与磷矿浆来进行反应，省去了加水稀释配酸和调温带来的麻烦；磷矿加水湿磨后磷矿不需干燥，因此可以露天堆存.既可以节省仓库的投资，又能够节约燃料；湿磨磷矿与干磨磷矿相比较的电耗低，生产强度高，劳动和环境条件好。湿磨磷矿的缺点是磨机中的钢球消耗比干磨磷矿时高大约 5 倍。为了使磷矿浆具有流动性，矿浆的最低水分含量因矿种从而有所不同、亲水性磷矿的矿浆最低水分会含量偏高，导致使用它生产的过磷酸钙成品含水量超过质量年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计7标准要求，并影响生产成品的物理性质。经过科研单位和生产企业的后来不断努力开发了多种添加剂(即所谓的稀释剂、减水剂等)。使矿浆在水分含量偏高的问题基本上得到解决。论文中将对干法（稀酸矿浆法）生产过磷酸钙工艺路线进行详细介绍。2.1.2 工艺路线影响因素分析影响硫酸与磷矿粉(或磷矿浆)的反应过程的主要因素有：矿粉的粒度、硫酸的浓度、温度和用量、混合时间及搅拌强度等，具体分析如下：（1）矿粉的粒度由于硫酸与磷矿粉的反应为液固相反应，因此反应速率会与液固相接触面积成正比，而矿粉的比表面积会与矿粉的粒径成反比。即矿粉越细，比表面积越大，与硫酸的反应也会就越快。矿粉由大小不同的颗粒组成，以致于粒度较会细的先与硫酸反应，余下较粗的矿粒会与磷酸反应。这是第二阶段反应比第一阶段反应所需要时间长的原因之一。（2）硫酸的浓度按照磷矿的 P2O5 、CO 2 、Fe 2O3 及 A12O3 组分来计算硫酸定额(100 份质量磷矿需用的 100H 2SO4 质量数)，如生产时提高硫酸定额，第一阶段反应终了时，新鲜过磷酸钙的产率、水分和游离 P2O5 都将增加。但新鲜过磷酸钙的总P2O5 含量将会降低(因加入的硫酸及水量增加)(参见图 2- 1)。 图 2- 1 H2SO4 质定额与过磷酸钙的游离 P2O5 关系1第一阶段反应刚结束时的过磷酸钙；2化成室的过磷酸钙由于游离 P2O5 增加了必须用中和剂中和超过产品质量标准规定的游离P2O5 同时增加硫酸用量将提高生产成本。因在实际生产的硫酸定额一般仅较计算的硫酸定额会稍稍高一点。游离P2O5，年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计8（3）温度和用量过磷酸钙生产是所用的硫酸浓度对产品的各项工艺指标也会有一定的影响。同时不同浓度的硫酸各自都会有一个最适宜的温度。如 H2SO4 浓度为 61.1%时，H2SO4 的初温宜为 6575；当浓度为 62.5%时， H2SO4 的初温宜为 6070；当浓度为 64%时，H 2SO4 的初温则应为 5060。如果提高硫酸的浓度及初温，开始时与磷矿的反应速度加快，因而形成硫酸钙过饱和溶液的速度与硫酸钙结晶速度也随之增大，很快会在尚未反应的磷矿颗粒.上形成致密的硫酸钙薄膜，从而使反应受到阻滞，磷矿的进一步分解变慢。（4）混合时间及搅拌强度磷矿粉与硫酸的混合时间以及搅拌强度，也是过磷酸钙生产过程中的重要工艺指标。混合搅拌目的是为了提高液相在磷矿颗粒表面的流动速度，强化离子在边界层及溶液内的扩散交换，从而提高磷矿的分解反应速度。同时，湍流的搅拌状态可以降低边界层中溶液过饱和度，利于生成较粗大的硫酸钙结晶，在磷矿颗粒上形成渗透性较好的薄膜。使磷矿的分解过程加快。磷矿粉与硫酸的混合时间以及搅拌强度。既与磷矿的特性有关，又会不同的工艺设备而有差别。如在同样的搅拌强度下，容易分解的磷矿混合时间会较短，从而较难分解的磷矿混合时间会较长。至于不同型式的混合设备，其搅拌方式及混合时间也会各有不同。因此当原料磷矿确定以后，应该取具有代表性的矿样在模拟装置中进行评价试验，以便求取最优化的各项工艺条件。硫酸与磷矿粉在第一阶段反应会较为激烈，生成的 CaSO4 H2O 结晶呈细1小的针状、棒状或帚形晶簇交叉堆积从而形成骨架。在反应过程中逸出的二氧化碳等气体会使反应物料出现许多孔隙。它们吸附会大量的液相。而促使反应料浆逐渐固化成为疏松多孔。反应生成的 CaSO4 H2O 系介稳态。随着反应过1程的进行，逐渐转变为 CaSO4 。 因此，第一阶段反应将结束时。CaSO 4 常在磷矿颗粒的表面形成致密的薄膜，而使磷酸与磷矿反应的阻力增加。又磷酸二氢钙在磷酸中的溶解度较大，当磷酸为磷酸二氢钙所饱和时，其中氢离子浓度降低，液相的反应能力相应下降，由于这些原因，从而致使第二阶段反应需要较长的时间。在第二阶段反应中，除进行主要反应以外，Ca(H 2PO4)2 还会与第一阶段反应生成(Fe, Al)2(SO4)3)相互作用生成酸性磷酸盐，化学反应式如下：(Fe, Al)2(SO4)33Ca(H 2PO4)2 =2(Fe, Al) (H2PO4)3 CaSO 4 (2-1)在第二阶段反应的后期，液相量会逐渐减少，液相的 P2O5 浓度逐渐降低。这时，上述性磷酸盐会转变成难溶的中性磷酸盐析出，反应式如下：年产 20 万吨过磷酸钙生产工艺设计9(Fe,Al)(H2PO4)32H 2O=(Fe, Al) PO42H2O 2H 3PO4 (2-2)因此在过磷酸钙的生产中，原料磷矿中的倍半氧化物诸反应，合并成如下的总反应式:(Fe, Al) 2O3 H2SO4Ca(H 2PO4)2=2(Fe, Al) PO4 CaSO 43H 2O (2-3)第二阶段反应的所需时间，取决于原料磷矿的特性及生产工艺条件，通过评价试验即可得知。一般所需的时间 530 天，转化率能达到 95左右。2.2 生产过程中的主要化学反应方程式第一阶段反应需时数分钟至 1h 不等。其中主要的化学反应式如下：7Ca5F(PO4)335H 2SO4 17 H2O=21H3PO435CaSO 4 H2O7HF (2