科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計論文題目：年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝的設計 學科專業(yè)： 化學工程與工藝 學生姓名： XXX 導師姓名： XXX 完成時間： 2016.5.25 年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計2年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝的設計目 錄摘要 .(4)1. 前言 .(5)1.1 過磷酸鈣的產(chǎn)量及施用現(xiàn)狀 .(5)1.2 過磷酸鈣的發(fā)展前景 .(5)2. 設計原則 .(6)2.1 工藝路線的選擇 .(6)2.1.1 現(xiàn)有工藝路線的比較及分析 .(6)2.1.2 工藝路線影響因素分析 .(7)2.2 生產(chǎn)過程中的主要化學反應方程式 .(9)3. 產(chǎn)品方案 .(9)3.1 產(chǎn)品 .(9)3.2 產(chǎn)品規(guī)格 .(9)3.3 產(chǎn)品的主要物性 .(10)3.4 包裝貯運 .(10)4. 生產(chǎn)方法及工藝過程 .(10)4.1 生產(chǎn)方法 .(10)4.2 原料準備 .(11)年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計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 含氟氣體的吸收處理 .(14)4.6 造粒與干燥 .(15)5. 計算 .(17)5.1 物料衡算 .(17)5.1.1 數(shù)據(jù)計算 .(17)5.1.2 反應式 .(18)5.1.3 計算 .(19)5.2 熱量衡算 .(25)5.2.1 輸入熱量 .(25)5.2.2 輸出熱量 .(27)6. 設備選型 .(28)6.1 臥式混合機 .(28)6.2 擠壓造粒機 .(29)7. 總結(jié) .(30)參考文獻 .(32)年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計4年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝的設計學 生： XXX指導教師： XXX（三峽大學 材料與化工學院）摘要: 過磷酸鈣是由磷礦粉和硫酸起化學反應后制成的一種含磷的化學肥料。由于具有生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)操作易于掌握；生產(chǎn)設備容易制造，投資較??；施用后見效快，增產(chǎn)顯著等特點，使其在各種磷肥新品種不斷涌現(xiàn)的情況下產(chǎn)銷量仍然持高不下。本設計采用干法來生產(chǎn)過磷酸鈣，原料礦與硫酸在混合機內(nèi)進行混合，然后進入化成室再經(jīng)過熟化、中和及造粒干燥后得到成品過磷酸鈣。通過物料衡算、熱量衡算以及設備選型設計出能符合國家標準的產(chǎn)品的工藝流程。關(guān) 鍵 詞 ： 過 磷 酸 鈣 ;磷 礦 ;生 產(chǎn) ;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 年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計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 過磷酸鈣的產(chǎn)量及施用現(xiàn)狀過磷酸鈣在中國是從 50 年代開始發(fā)展的。經(jīng)過 60 年的發(fā)展，現(xiàn)在全國已經(jīng)有過磷酸鈣廠 400 多個，達到甚至大于 20 萬噸/年的廠有 20 多家。過磷酸鈣年產(chǎn)量在 400 萬噸 P2O5 左右，占肥產(chǎn)量的 55%。目前，雖然 在國 內(nèi) 農(nóng) 業(yè) 上 使 用 的 磷 肥 主 要 是 磷 酸 二 銨 和 含 磷 復混肥，過 磷 酸 鈣 的 用 量 也在逐年降低，但是由于過磷酸鈣施用的歷史比較長，許多農(nóng)民仍然還有一定需求，特別是在小麥、棉花主產(chǎn)區(qū)，有一些農(nóng)民還習慣施用過磷酸鈣去作為底肥。尤其是在近幾年磷酸銨大幅漲價的情況下，農(nóng)民更加傾向于購買施用過磷酸鈣。過磷酸鈣的使用有效的提高了土壤中含磷水平，尤其是在小麥、棉花上使用，增加產(chǎn)兩效果非常明顯。雖然施用過磷酸鈣有著明顯的增加產(chǎn)量的效果，但據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，過磷酸鈣在生產(chǎn)、施用中仍然還存在著一些問題。1995 年原國家化工部修訂頒布了過磷酸鈣行業(yè)標準，確定了過磷酸鈣的合格品、一等品、優(yōu)等品的技術(shù)指標，并規(guī)定過磷酸鈣的有效磷（P2O5）含量不得低于 12，游離酸含量不得高于5.5，水分含量不得高于 15。該標準的頒布對于加強企業(yè)質(zhì)量管理，保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了特別好的促進作用。但由于過磷酸鈣生產(chǎn)工藝比較簡單，企業(yè)規(guī)模也相對較小，產(chǎn)品質(zhì)量仍然不夠穩(wěn)定。在歷年來有關(guān)部門的質(zhì)量抽檢中，過磷酸鈣、復混肥合格率都相對較低。主要問題是由于有效磷含量不達標或游離酸、水分含量超標嚴重。另外不合格的過磷酸鈣產(chǎn)品中含有來自磷礦粉的重金屬和來自硫酸的三氯乙酸、三氯乙醛等，使得有害物質(zhì)污染和減產(chǎn)事故也時有發(fā)生，因此除了企業(yè)自身要嚴以自律，切實按照國家標準進行生產(chǎn)以外，有關(guān)部門去也要加強監(jiān)管力度，杜絕劣質(zhì)過磷酸鈣產(chǎn)品的上市1.2 過磷酸鈣的發(fā)展前景過磷酸鈣雖然充分利用中低品位磷礦資源、滿足市場不同消費層次和習慣需求等方面具備一定的優(yōu)勢，由于受高濃度磷肥的沖擊，加上過磷酸鈣本身存在 生 產(chǎn) 工 藝 技 術(shù) 落 后 、 質(zhì) 量 不 穩(wěn) 定和 價 格 低 、 利潤薄等問題，預計其產(chǎn)量以及施用 面積 會 逐 年 減 少 ， 如 果 不 給 予 足 夠 重 視 ， 那 么 在新工藝技術(shù)開發(fā)、市場開拓等方面去改進突破的話，其生存的空間可能會變的越來越狹窄。另外，為保證過磷酸鈣的施用后的效果，過磷酸鈣施入土壤以后，其有年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計6效成分磷酸一鈣容易與土壤中的某些成 分 發(fā) 生 反 應 從 而 被 固 定 ， 使 過 磷 酸 鈣 的 當 季 利 用 率 降 低 ， 因 此 必 須 合 理的 施 用 ， 既要減少肥料與土壤的接觸避免水溶性的磷酸鹽被固定，又要盡量將肥料施用在根系 密 集 的 土 層 中 ， 使 養(yǎng) 分 很 容 易 輸 送 到 根 系 ， 利于植物吸收。據(jù)此可推廣采取集 中 施 用 、 分 層 使 用 ， 或 與 有 機 肥 料 混 合 施 用 等 方 法 以 外 ， 因 過 磷 酸 鈣 中 含 有 大 量 的 硫 酸 鈣 ， 所 以 應 優(yōu) 先 使 用 在 缺 硫 、缺鈣的土地上，充 分 的 發(fā) 揮 過 磷 酸 鈣 的 綜 合 增產(chǎn)作用。根據(jù)有關(guān)資料報道，目前世界化肥年生產(chǎn)能力大約 22400 萬噸，其中氮肥大約 14170 萬噸，磷肥大約4050 萬噸，鉀肥大約 4180 萬噸?；誓戤a(chǎn)量大約 14320 萬噸，其中氮肥大約8670 萬噸，磷肥大約 3380 萬噸，鉀肥大約 2270 萬噸。世界化肥年貿(mào)易量大約5500 萬噸，其中氮肥大約 2400 萬噸，磷肥大約 1100 萬噸，鉀肥大約 2000 萬噸。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織預測，今后 5 年以內(nèi)世界化肥生產(chǎn)和消費增長緩慢，年均增長 2左右。2005 年世界化肥消費量大約為 15600 萬噸，其中氮肥大約9400 萬噸，磷肥大約 3800 萬噸，鉀肥大約 2500 萬噸。世界磷肥消耗量將從1995 年的 2962.5 萬噸增加到 2000 年的 3359.5 萬噸。目前世界磷肥生產(chǎn)形勢是供大于求，但從亞洲的生產(chǎn)與消費形勢總的來看，磷肥供求矛盾還是比較大，我國仍然將是世界上磷肥進口最多的國家之一。2. 設計原則2.1 工藝路線的選擇2.1.1 現(xiàn)有工藝路線的比較及分析根據(jù)不同的原料工藝條件.過磷酸鈣的生產(chǎn)方法可分為干法 (稀酸礦粉法)和濕法 (濃酸礦漿法) 。稀酸礦粉法是目前世界上廣泛采用的一種方法，故又稱為傳統(tǒng)法。它是用濃度為 6078%的稀硫酸和磷礦粉混合，再經(jīng)過化成和熟化工序制成粉狀過磷酸鈣。此處的所謂稀硫酸是相對于 95%-98%濃度的濃硫酸而言，而實際上此法所用的硫酸濃度是根據(jù)所用磷礦的特性以及其他的工藝條件來具體確定。濃酸礦漿法是以濃硫酸與經(jīng)過加水濕磨的磷礦漿來進行混合，然后同樣經(jīng)過化成與熟化工序制成粉狀的過磷酸鈣。此法的特點是濃硫酸經(jīng)過計量后直接加入混合機與磷礦漿來進行反應，省去了加水稀釋配酸和調(diào)溫帶來的麻煩；磷礦加水濕磨后磷礦不需干燥，因此可以露天堆存.既可以節(jié)省倉庫的投資，又能夠節(jié)約燃料；濕磨磷礦與干磨磷礦相比較的電耗低，生產(chǎn)強度高，勞動和環(huán)境條件好。濕磨磷礦的缺點是磨機中的鋼球消耗比干磨磷礦時高大約 5 倍。為了使磷礦漿具有流動性，礦漿的最低水分含量因礦種從而有所不同、親水性磷礦的礦漿最低水分會含量偏高，導致使用它生產(chǎn)的過磷酸鈣成品含水量超過質(zhì)量年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計7標準要求，并影響生產(chǎn)成品的物理性質(zhì)。經(jīng)過科研單位和生產(chǎn)企業(yè)的后來不斷努力開發(fā)了多種添加劑(即所謂的稀釋劑、減水劑等)。使礦漿在水分含量偏高的問題基本上得到解決。論文中將對干法（稀酸礦漿法）生產(chǎn)過磷酸鈣工藝路線進行詳細介紹。2.1.2 工藝路線影響因素分析影響硫酸與磷礦粉(或磷礦漿)的反應過程的主要因素有：礦粉的粒度、硫酸的濃度、溫度和用量、混合時間及攪拌強度等，具體分析如下：（1）礦粉的粒度由于硫酸與磷礦粉的反應為液固相反應，因此反應速率會與液固相接觸面積成正比，而礦粉的比表面積會與礦粉的粒徑成反比。即礦粉越細，比表面積越大，與硫酸的反應也會就越快。礦粉由大小不同的顆粒組成，以致于粒度較會細的先與硫酸反應，余下較粗的礦粒會與磷酸反應。這是第二階段反應比第一階段反應所需要時間長的原因之一。（2）硫酸的濃度按照磷礦的 P2O5 、CO 2 、Fe 2O3 及 A12O3 組分來計算硫酸定額(100 份質(zhì)量磷礦需用的 100H 2SO4 質(zhì)量數(shù))，如生產(chǎn)時提高硫酸定額，第一階段反應終了時，新鮮過磷酸鈣的產(chǎn)率、水分和游離 P2O5 都將增加。但新鮮過磷酸鈣的總P2O5 含量將會降低(因加入的硫酸及水量增加)(參見圖 2- 1)。 圖 2- 1 H2SO4 質(zhì)定額與過磷酸鈣的游離 P2O5 關(guān)系1第一階段反應剛結(jié)束時的過磷酸鈣；2化成室的過磷酸鈣由于游離 P2O5 增加了必須用中和劑中和超過產(chǎn)品質(zhì)量標準規(guī)定的游離P2O5 同時增加硫酸用量將提高生產(chǎn)成本。因在實際生產(chǎn)的硫酸定額一般僅較計算的硫酸定額會稍稍高一點。游離P2O5，年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計8（3）溫度和用量過磷酸鈣生產(chǎn)是所用的硫酸濃度對產(chǎn)品的各項工藝指標也會有一定的影響。同時不同濃度的硫酸各自都會有一個最適宜的溫度。如 H2SO4 濃度為 61.1%時，H2SO4 的初溫宜為 6575；當濃度為 62.5%時， H2SO4 的初溫宜為 6070；當濃度為 64%時，H 2SO4 的初溫則應為 5060。如果提高硫酸的濃度及初溫，開始時與磷礦的反應速度加快，因而形成硫酸鈣過飽和溶液的速度與硫酸鈣結(jié)晶速度也隨之增大，很快會在尚未反應的磷礦顆粒.上形成致密的硫酸鈣薄膜，從而使反應受到阻滯，磷礦的進一步分解變慢。（4）混合時間及攪拌強度磷礦粉與硫酸的混合時間以及攪拌強度，也是過磷酸鈣生產(chǎn)過程中的重要工藝指標。混合攪拌目的是為了提高液相在磷礦顆粒表面的流動速度，強化離子在邊界層及溶液內(nèi)的擴散交換，從而提高磷礦的分解反應速度。同時，湍流的攪拌狀態(tài)可以降低邊界層中溶液過飽和度，利于生成較粗大的硫酸鈣結(jié)晶，在磷礦顆粒上形成滲透性較好的薄膜。使磷礦的分解過程加快。磷礦粉與硫酸的混合時間以及攪拌強度。既與磷礦的特性有關(guān)，又會不同的工藝設備而有差別。如在同樣的攪拌強度下，容易分解的磷礦混合時間會較短，從而較難分解的磷礦混合時間會較長。至于不同型式的混合設備，其攪拌方式及混合時間也會各有不同。因此當原料磷礦確定以后，應該取具有代表性的礦樣在模擬裝置中進行評價試驗，以便求取最優(yōu)化的各項工藝條件。硫酸與磷礦粉在第一階段反應會較為激烈，生成的 CaSO4 H2O 結(jié)晶呈細1小的針狀、棒狀或帚形晶簇交叉堆積從而形成骨架。在反應過程中逸出的二氧化碳等氣體會使反應物料出現(xiàn)許多孔隙。它們吸附會大量的液相。而促使反應料漿逐漸固化成為疏松多孔。反應生成的 CaSO4 H2O 系介穩(wěn)態(tài)。隨著反應過1程的進行，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?CaSO4 。 因此，第一階段反應將結(jié)束時。CaSO 4 常在磷礦顆粒的表面形成致密的薄膜，而使磷酸與磷礦反應的阻力增加。又磷酸二氫鈣在磷酸中的溶解度較大，當磷酸為磷酸二氫鈣所飽和時，其中氫離子濃度降低，液相的反應能力相應下降，由于這些原因，從而致使第二階段反應需要較長的時間。在第二階段反應中，除進行主要反應以外，Ca(H 2PO4)2 還會與第一階段反應生成(Fe, Al)2(SO4)3)相互作用生成酸性磷酸鹽，化學反應式如下：(Fe, Al)2(SO4)33Ca(H 2PO4)2 =2(Fe, Al) (H2PO4)3 CaSO 4 (2-1)在第二階段反應的后期，液相量會逐漸減少，液相的 P2O5 濃度逐漸降低。這時，上述性磷酸鹽會轉(zhuǎn)變成難溶的中性磷酸鹽析出，反應式如下：年產(chǎn) 20 萬噸過磷酸鈣生產(chǎn)工藝設計9(Fe,Al)(H2PO4)32H 2O=(Fe, Al) PO42H2O 2H 3PO4 (2-2)因此在過磷酸鈣的生產(chǎn)中，原料磷礦中的倍半氧化物諸反應，合并成如下的總反應式:(Fe, Al) 2O3 H2SO4Ca(H 2PO4)2=2(Fe, Al) PO4 CaSO 43H 2O (2-3)第二階段反應的所需時間，取決于原料磷礦的特性及生產(chǎn)工藝條件，通過評價試驗即可得知。一般所需的時間 530 天，轉(zhuǎn)化率能達到 95左右。2.2 生產(chǎn)過程中的主要化學反應方程式第一階段反應需時數(shù)分鐘至 1h 不等。其中主要的化學反應式如下：7Ca5F(PO4)335H 2SO4 17 H2O=21H3PO435CaSO 4 H2O7HF (2