前 言
(1)磷在生命起源中的作用
在生命中的物质转移、能量交换、信息传递等诸多重要过程中，磷起着十分重要的又是不可代替的作用，研究生命起源，决不可忽视磷元素的特殊地位。在核酸化学界，１９５７年诺贝尔诡获得者托德认为：“哪里有生命，哪里就有磷”，并且指出：“只有在有磷的星上，才能存在生命。”韦斯特海默则提出了一个世纪性课题——“为什么大自然选择了磷”。
磷在生命物质成分比重是中虽属微量元素，但是，它却是生命现象的重要调控物质，在组成ＲＮＡ和ＤＮＡ的结构中磷酸根是关键。现在地球上的许多磷矿几乎是在生物参与下形成的，有不少是生物骨骼的堆积。因此，人们不禁会提出，原始地球时期磷是怎么来的？它以何种形式存在？对这个问题的回答，是解决生命起源化学进化的关键问题之一。
１９９６年，荷兰的胥华滋在第１１届国际生命起源会议上说，由于地球表面上磷的唯一来源是磷灰石，溶解度太底，不足以构成生命所需的磷。他们在默奇逊陨石中鉴定出烷基膦酸的存在，提出外源空间磷的来源，并且碳磷键比碳氧磷酯键稳定，能经受宇宙空间原始的严酷条件，提供了早期基因物质来源的可能。根据近代行星化学的研究，王文清早在１９８２年就考虑到三氢化磷可能是原始大气组成部分之一，用火花放电使它们反应，结果发现；在不含三氢化磷时，只产生六种氨基酸，含三氢化磷时，可产生至少１９种氨基酸，只产生六种氨基酸，含三氢化磷时，可产生至少１９种氨基酸，发现了磷的催化作用。
近年来赵玉芬提出了“磷是生命化学过程的调控中心”假说，磷是生命物质核酸、蛋白的主控因子。磷的化学规律控制着糖（核糖、核酸）以及氨基酸（蛋白）的化学规律，从而控制着生命的化学进化。
王文清等还发现，在原始地球条件下，磷酸根的存在对生命起源有重要影响。磷酸根吸收太阳紫外光子产生磷酸氢根自由基，能损伤碱基、核苷造成光解损失，但氨基酸对其有抑制作用。这一发现解决了“ＲＮＡ世界”学说的困难，提出进化早期氨基酸与核苷酸以及磷酰基与宇宙场共存的观点。
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(2)磷化工行业概述
磷化工包括磷肥和磷酸盐两个子行业。世界上磷矿石的消费结构中约70%左右用于农业，其余的用于提取黄磷、磷酸及制造其它磷酸盐系列产品。磷除了在农业中用作磷肥、含磷农药、家禽和牲畜的饲料以外，在洗涤剂、冶金、机械、选矿、钻井、电镀、颜料、涂料、纺织、印染、制革、医药、食品、玻璃、陶瓷、搪瓷、水处理、耐火材料、建筑材料、日用化工、造纸、弹药、阻燃及灭火等方面广泛使用。随着科技的发展，高纯度及特种功能磷化工产品在尖端科学、国防工业等方面被进一步的推广应用，出现了大量新产品，如：电子电气材料、传感元件材料、离子交换剂、催化剂、人工生物材料、太阳能电池材料、光学材料等等。由于磷化工产品不断向更多的产业部门渗透，特别是在尖端科学和新兴产业部门中的应用，使磷化工成为国民经济中的一个重要的产业。磷化工产品在人们的衣、食、住、行各个领域，发挥着越来越重要的作用。
1、磷化工产业链
从最初原料磷矿石到下游应用领域，共分为三大部分，上游是磷矿，所有的含磷材料的磷元素都来自磷矿的加工；黄磷是处于产业链的中游，通过黄磷的深加工，可以开发出有机磷酸盐和无机磷酸盐两大类；磷酸盐根据其性能和特征最终被应用到工业、农业、食品等各个领域。从目前发展趋势来分析，磷化工优势主要体现在是否拥有上游的磷矿资源，降低下游产品受磷矿石供给的波动；另一方面就是下游的精细磷化工领域，国内磷化工企业的产品还基本上属于是低端的、低附加值的磷酸盐产品，因此，今后拥有核心技术的企业，将会在精细磷酸盐方面占有一席之地，最终在市场竞争中胜出。 2、我国磷化工行业概述
我国有相对丰富的磷矿资源和水电资源,这给我国发展以黄磷为基础的精细磷化工创造了较好的条件。目前我国磷化工企业总数在500家以上,磷化工产品生产能力在6000kt/a以上,年产量约4000kt/a。生产品种80多个,100多个规格型号。从产能和产量上看我国已列为世界第二的磷酸盐大国,个别产品能力和产量位居世界第一。我国磷化工产品仍以基础产品为主,主要为热法磷酸、三聚磷酸钠、
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饲料磷酸氢钙,前三种产品产量已居世界第一,而精细磷化工产品只占4%,磷资源消费结构基本处于初级和次级消费阶段,总体水平与国际发达国家相比还有很大的差距。
(3)磷酸概述
无机类精细磷酸盐产品主要有高纯黄磷、赤磷、次磷酸及其盐类、亚磷酸及其盐类、五氧化二磷、五硫化二磷、三氯化磷、三氯氧磷、磷化氢等。
磷酸是一种重要的无机化工原料，特别是最重要的磷肥原料， 分子式H3PO4，分子量为98。在通常条件下，纯磷酸是一种易流动，不易挥发的液体。它主要用于制造肥料和其他磷酸盐,用于金属防锈、糖的精制和软饮料的调味剂。 磷酸是重要的化工原料,按用途可分为:工业磷酸,食品磷酸和电子级磷酸;工业级磷酸主要用于生产各种磷酸盐,金属表面磷化处理,配制电解抛光液和化学抛光液,并用作催化剂,干燥剂以及清洗液,用于生产磷酸耐火泥,无机粘结剂,涂料工业用作金属防锈漆;食品磷酸用作酸味剂和酵母营养剂,可用于调味料、罐头、清凉饮料的酸味剂，用于酿酒时的酵母营养源；电子级磷酸中高纯度的主要用于电子晶片生产过程中的清洗和蚀刻，纯度较低的主要用于液晶面板部件的清洗等。
世界磷酸产量从99年以来产量稳定增长,年均增长在2.8%左右,2006年世界磷酸产量达到3417万吨,磷酸产量增加的同时磷酸出口在下降,06年的出口量为480万吨,出口占产量的比例从06年最高的16.7%下降到14%,这主要是出口地区的内需提升,特别是磷肥对磷酸的需求,另外是出口地区延长了磷酸的产品线,推动磷酸下游产品的出口。
(4)湿法磷酸概述
磷酸按工艺可分热法磷酸和湿法磷酸。热法磷酸即有黄磷加工而成,我国热法磷酸所占比重较大,在磷酸工业中达70%左右,大多数企业基本上是黄磷---热法磷酸----三聚磷酸钠或六偏磷酸钠,生产品种单一,产品规格较少。目前我国湿法磷酸的生产能力已达600万t/a(P2O5,下同),2010年将达到1000万t/a。随着我
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国高浓度磷肥的快速发展,供需趋向平衡,生产能力供过于求的状况日渐突出,湿法磷酸的深加工和精细化是我国磷酸工业必须面对的问题。国内一些磷化工企业开始尝试用净化的湿法磷酸或用净化湿法磷酸部分取代热法磷酸生产三聚磷酸钠和其他工业磷酸盐。
从已建成装置运行的可靠程度上看，二水法工艺最为优越，作业率最高。本项目磷酸装置采用二水法工艺，即所得磷石膏为二水硫酸钙，生产工艺采用多室反应槽、倾覆盘式过滤机、强制循环真空蒸发浓缩流程。
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第一章 流程和设备选择及说明
1.1湿法磷酸生产原理及国外湿法磷酸工艺技术概况
1.1.1湿法磷酸生产原理
湿法磷酸工艺是以无机酸（主要是硫酸）分解磷矿制造磷酸。用硫酸与磷矿反应生产磷酸，生成硫酸钙结晶和磷酸溶液，再进行液固分离，得到磷酸。以生成二水硫酸钙结晶为例，其主要化学反应方程式如下：
Ca3（PO4）2+3H2SO4+6H2O = 3CaSO4·2H2O+2H3PO4 (2-1) 以上反应实际上分二步进行：
Ca3（PO4）2+4H3PO4+6H2O = 3Ca（H2PO4）2·2H2O (2-2)
3Ca（H2O4）2·2H2O+3H2SO4 = 3CaSO4·2H2O+6H3PO4 (2-3) 由于磷矿中还含有其它杂质，与硫酸反应时还有副反应发生： CaF2+H2SO4 = CaSO4+2HF (2-4) 6HF+SiO2 = H2SiF6+2H2O (2-5) 3SiF4+2H2O = 2H2SiF6+SiO2 (2-6) CaCO3+H2SO4 = CaSO4+CO2+H2O (2-7)
H2SiF6（+热量+H2SO4）= SiF4+2HF (2-8) Fe2O3（或Al2O3）+2H3PO4 = 2FePO4（或AlPO4）+3H2O (2-9) Na2O（或K2O）+H2SiF6 = Na2SiF6（或K2SiF6）+H2O (2-10) 由于这些副反应的发生，使湿法磷酸产品中存在杂质，并使生产过程中产生废气和结垢。
选择适宜的磷酸生产装置的目的是：① 磷矿中P2O5收率高；② 生成易分离的硫酸钙结晶；③ 生成的硫酸钙结晶易洗涤，从而使石膏中的水溶性P2O5损失最小。
即磷酸的生产是围绕取得质量好的硫酸钙结晶（石膏）而进行的。在不同的反应温度和磷酸浓度下，硫酸钙结晶可生成二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），半水硫酸钙（CaSO4·1/2H2O）和无水硫酸钙（CaSO4）。因而，湿法磷酸的生产工艺由此而区分为二水法（DH）、半水法（HH）、无水法（AH）、半水——二水法（HDH）
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和二水——半水法 （DHH）等流程。
1.1.2 国外湿法磷酸工艺技术概况
湿法磷酸工业经过百余年的发展，目前已进入了现代化生产阶段，主要特点是：
① 装置大型化。随着市场对湿法磷酸需求量的增加，为增加产量，提高劳动生产率，降低单位产品投资成本和日常的维修管理费用，从二十世纪七十年代末，世界磷酸装置的单系列生产能力（指反应槽）不断增加，到目前为止，日产1000吨P2O5以上的装置有数十套，最大单系列能力已达到2650吨P2O5/天。
由于工艺技术不断完善，大型设备和新型材料的问世，使磷酸装置的关键设备（如料浆泵，过滤机）不断改进，更加速了磷酸工业规模大型化的发展。现在大型磷酸装置的建设其反应槽均采用单系列，而过滤和浓缩均采用多系列。如2650吨P2O5/天装置由一个反应槽、5套过滤系统、6套浓缩系统所组成。
② 二水法流程仍占主导地位，同时积极发展半水法和再结晶工艺，使装置更加节能。
目前世界上共有湿法磷酸生产装置350套左右，其中80%以上用二水法生产，二水法生产的磷酸约占世界湿法磷酸生产总量的85%。为进一步节约能耗，降低磷矿和硫酸消耗，世界各国竞相研究开发半水法（HH）和再结晶法（HDH或DHH）工艺。目前半水法最大能力已达1500t/dP2O5，半水——二水法的单系列最大能力为1100吨P2O5/天。但随着世界磷矿品位的降低和杂质含量的增加，二水法流程因其对磷矿的适应性和工艺的可靠性，稳定性较强，在大型磷酸装置工艺中仍占主导地位，目前世界上最大单系列能力2650吨P2O5/天的装置即采用二水法JACOBS工艺。
1.2 工艺技术方案的比较及其选择
至目前为止，全世界采用各种工艺建设的磷酸装置数见表2-1。
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计 表2-1 世界采用各种工艺建设的磷酸装置数
二水法 350
半水法 10
半水—二水法
15
二水—半水法
9
无水法 0
由上表可以看出，二水法应用最广，半水法、半水—二水法、二水—半水法只建成了少数装置，无水法还未能成功建成一座装置。
二水、半水及半水-二水法
[1]
各自的特点如下。
1.2.1二水（DH）法工艺
二水（DH）法工艺优点：
（1）工艺技术成熟，操作稳定可靠，单系列规模大，在国内外建厂数多。 （2）对磷矿的适应性强，操作灵活。作业率高，一般可达到85%以上，维修工
作量小。
（3）对材质要求不高，只需普通不锈钢。
（4）磷矿可采用湿磨，矿浆加料，能耗低、投资省，计量容易，环境好。 （5）国内利用引进技术已建设了几个规模较大的工厂，在设计、设备制造、生产等方面积累了丰富经验，且大部分设备可国产化，使总的投资降低。 缺点：
（1）过滤酸浓度低，只有26～30% P2O5，必须经过浓缩后才能满足磷铵或重钙
生产的需要。且酸中含有的Al及F等杂质较多。 （2）由于过滤酸需要蒸汽浓缩，消耗能量，相对成本较高。 （3）要求加入的磷矿颗粒要细，增加磨矿的能耗。
1.2.2 半水（HH法）法工艺
优点：
(1)工艺流程短，投资低。
(2)可直接获得42～45% P2O5的磷酸，不需浓缩即可直接用于DAP或TSP的生产，所以能耗及生产成本较低。
(3)可以用粒度较粗的矿，节省磨矿的能耗。
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(4)产品酸中SO3，Al及F等杂质低，酸质量高，贮存时沉淀量少，澄清简单。 (5)不需贮存稀磷酸，从而节省稀酸贮存和输送的投资。 缺点：
(1)P2O5回收率低，仅90～92%。
(2)操作不慎易在过滤系统结垢，清理周期短，作业率低。 (3)由于反应温度高，要求较高的耐腐耐磨的结构材料。 (4)磷石膏中P2O5含量高，不利于综合利用。 (5)如产品为50%-52% P2O5商品酸则需浓缩。
1.2.3 半水——二水（HDH法）法工艺
优点：
(1)节能，可直接获得42～45% P2O5磷酸，无需浓缩即可用于DAP或TSP生产。 (2)P2O5回收率高，可达98～98.5%。
(3)由于酸浓度较高，酸中溶解的杂质少，产品酸的质量好。 (4)副产石膏质量好，利于综合利用。
(5)原料磷矿可使用较粗粒度，节省磨矿能耗。 (6)总能耗低，生产成本最低。 缺点：
(1)生产较难控制，操作要特别小心，作业率低。
(2)反应温度高，对设备的腐蚀严重，需要用高档耐腐蚀材料。
(3)对磷矿的质量要求高，对杂质敏感，且不能用稀硫酸和湿磨磷矿矿浆。 (4)由于流程长，材料要求高，因此投资要比相同规模的二水物工艺高。 (5)如需产品为50～52% P2O5商品酸则需浓缩。
综合上述对比，除无水法外，磷酸工艺技术二水法、半水法、半水——二水法，在技术上都是成熟的，但从已建成的装置运行稳定性、可靠程度上看，二水法工艺最为优越，作业率最高。在投资方面，由于二水法工艺操作条件不及半水法及半水——二水法苛刻，设备材料较易解决，制造较易，因此投资适中，在半水法和半水——二水法之间。从装操作弹性上看，由于二水物的结晶范围较大，
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二水物结晶又是硫酸钙结晶中最稳定的形态，因而操作条件的波动对装置运行影响小，对加料磷矿矿种的适应性强，且配套建设的硫酸装置有副产蒸汽可供磷酸浓缩之用。基于这些考虑，世界上众多磷酸工厂均选用二水法工艺。
为使磷酸装置建成后尽快达产、达标，给工厂带来效益，本项目磷酸装置采用二水法工艺。其中二水法工艺技术有多种，如普莱昂、吉科布斯—道尔科、罗纳普朗克外、斯温森、SIAPE、费森斯（N.H）等。但世界上建厂业绩较多的是普莱昂、吉科布斯—道尔科、罗纳普朗克。这三种技术国内均已引进。本设计采用普莱昂工艺。
1.3湿法磷酸的生产及关键工序
1.3.1二水法湿法磷酸的工艺条件
(1)磷矿粉碎至80～100目
(2)H2SO4浓度为90%～95%（通常选用92% H2SO4） (3)H2SO4实际用量为理论用量的102%～105% (4)反应温度约70～80oC（分解反应系放热反应） (5)反应时间为4～6小时
(6)回浆量：一般为加入物料所形成料浆的100～150倍 (7)所的磷酸浓度为28～32% P2O5
单槽晶浆循环的二水物流程是目前广泛采用的工艺。目前国内多采用同心圆式的多浆单槽，它是湿法磷酸生产的主要设备：为两个同心圆的内外圆所组成的圆筒型容器，内分为7个反应区，每区都有搅拌桨，内外之间的环行空间分装6只搅拌桨，依次称为第一～第六区，内筒装有一只搅拌桨，称为第七区，在第一区和第七区之间都有挡墙，把两个区的液相部分分开，挡墙靠液面及外壁处开有一个长方形的回浆口，在第六区和第七区的内筒槽壁上设有溢流口，以便第六区的料浆流到第七区，第七区料浆用浸没式撩泵送去过滤。
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1.3.2二水法湿法磷酸的净化
净化湿法磷酸，降低磷酸的生产成本是湿法磷酸生产的关键工序。其净化过程如下：
(1)重金属离子的去除，如铁、铜、银等
(2)脱氟：加石灰或者碳酸钠，生成氟硅酸钠的沉淀 (3)除砷：一般可用或硫化氢、五硫化二磷或者硫化钠 (4)有机物的去除：可用双氧水 (5)过滤：真空处理
(6)浓缩：在不锈钢容器内进行
湿法磷酸的净化按原理可分为物理净化、化学净化和物理化学净化三种类型。具体的净化方法包括化学沉淀法、溶剂萃取法、溶剂沉淀法、结晶法、浓缩法、离子交换法、电析法等。目前溶剂萃取法是工业生产上应用较多制备高质量湿法磷酸的方法。溶剂萃取法是利用一种或者多种溶剂混合处理湿法磷酸，根据磷酸和杂质在不相容的两相中分配上的差异来提取或者分离杂质，从而达到净化的目的。主要溶剂有正丁醇、异丁醇、异丙醇、二异丙醚、磷酸三丁酯、甲基异丁基酮、三异丙醚/异丁醇、二异丙醚/磷酸三丁酯等。
在湿法磷酸溶剂萃取工艺中，比利时的普莱昂公司溶剂萃取技术更有特色： (1)采用复合溶剂——二异丙醚（50～95%）磷酸三丁酯（5～50％）的混合物,改善了溶剂对磷酸的分离系数,增加了杂质的选择性,同时降低粘度,有利于溶剂的回收,降低了生产成本.
(2)采用新型反应工程技术,优化生产工艺,能适应不同原料磷矿酸的净化. (3)根据市场和客户的要求,及时调整工艺操作,可生产饲料级、工业级、食品级、医药级和电子级磷酸。
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肥料级磷酸 脱硫 脱氧 除有机物 脱砷 浓缩 溶剂萃取 倾析 过滤 脱色 蒸发 脱氧 沉淀 氧化 STPP等工业级磷酸
电子级磷酸
医药级磷酸
技术级/食品级磷酸
比利时的普莱昂公司湿法磷酸净化工艺流程
1.4 磷酸生产装置简介
1.4.1 反应槽、消化槽、搅拌器
(1) 反应槽
反应槽是矩形结构，由六个格室组成，每个格室的尺寸为5.975.978m，格室之间的隔墙开有工艺介质流通的门式开口，由于格室为方形，因此不需要再设置挡板。
反应槽的每个格室内均带有专用的搅拌桨，反应槽搅拌桨是两层四叶桨，下层采用推进式高效桨，桨叶直径φ2250mm，它的作用是向下产生巨大的轴向均匀流动，使得固体处于良好的悬浮状态，防止在底部形成沉积；上层采用折叶桨，桨叶直径φ1940mm，它的作用是产生向下的轴向流，使得反应物料与加入到反应槽料浆液面下的矿浆进行混合。搅拌转速n=63r/min，电机功率N=160kW。为减小搅拌器对减速机的冲击载荷，提高减速机的服务系数，电机和减速机间采用恒扭矩液力偶合器。
(2) 消化槽
消化槽是紧接反应槽下游的反应容器，其作用是使反应槽中磷矿和硫酸反应
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饲料级磷酸
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得到的磷酸和石膏组成的料浆得以进一步熟化，使反应进一步完成，让结晶得以长大，达到好的过滤条件和减少结垢趋势。消化槽也为矩形容器，尺寸为5.975.978m，三个，槽内装有单层四叶桨，直径φ2580mm，转数n=57r/min，电机功率N=75kW。
国内制造的减速机用于磷酸装置搅拌器特别是反应槽消化槽搅拌器，要满足大功率和特殊工况，目前还存在一些如主要轴承的使用寿命短、减速箱漏油等问题，不能满足生产需要，因此，反应槽和消化槽搅拌器减速机拟定从国外引进。
（3）搅拌器
搅拌器的桨和轴，通过消化吸收类似引进装置搅拌器，总结其先进的技术和经验，目前国内已具备设计加工和制造的能力。因此，搅拌器拟定国产。
1.4.2 过滤机
过滤机是湿法磷酸生产的关键设备，其作用是将反应得到的酸及石膏组成的料浆进行固液分离。本项目因装置能力大，为简化工艺操作，降低厂房占地面积和节省投资，过滤机采用单机能力大，操作维修方便的30-EH型BIRD翻盘过滤机。
30-EH型BIRD过滤机，采用两级逆流洗涤，湿法排渣，单台过滤机有效面积为195.8m2，操作最大真空度可达610ｍｍＨｇ，用30kW的AC电机带动液压装置驱动。错气盘采用带预分离器的结构，既可避免产品酸的稀释，又可降低建筑标高，减少建筑成本，同时，还降低了滤液泵的功率，减少了附件和管道的费用。错气盘耐磨环采用高聚合物和不锈钢组合结构，减少了结垢，大大的延长了耐磨环寿命。液压系统能将错气盘动环升高300mm，便于其维修。
过滤机选用的主要材料为：与工艺介质接触的润湿件均为904L不锈钢。滤盘，加料箱，一洗洗涤箱为904L不锈钢，二洗洗涤箱为317L不锈钢。尾气风罩为PP，风罩支架为316L。经过过滤后，磷酸的稀释率<0.5%。该过滤机拟定从国外引进。
1.4.3 酸加热器
本装置中，酸加热器选用列管式石墨换热器，三系列。单台换热面积为758
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ｍ2。工艺介质走管程，蒸汽走壳程。换热器由上下管箱和中间管束等部件组成。上下管箱均为碳钢内衬橡胶结构。上管板为固定管板，下管板为浮动管板，均为不透性浸渍石墨制品。管束采用规格为Φ50.8X6.35m的增强不透性浸渍石墨管。在上下管板中间，设有折流板。在壳体周向，蒸汽进口设有一个蒸汽分布带，以使蒸汽分布均匀，避免直接冲刷换热管造成管子破裂。
换热器壳程壳体材料上部为碳钢，下部约1500ｍｍ高筒节为316L，以防止冷凝液被酸污染时发生腐蚀。在换热器酸进口轴向方向设备需设一膨胀节以吸收热膨胀，保护换热器。在酸进口处，管箱前端还装有一个材料为904L的多孔滤锥，以防止循环酸中杂物带入，堵塞换热管。
本装置所用这种规格的酸加热器关键部件国内目前还无法制造，本项目考虑换热管、管板等石墨+材料零部件从国外引进，碳钢衬胶管箱和其他部件在国内制造，整台设备在国内工厂组装。
1.4.4 磷酸贮槽及其转耙
磷酸装置设置有2台稀磷酸澄清槽和4台浓磷酸澄清槽，直径均为Φ25m，高12.5m，下部为平底带锥形淤浆收集器，以便于排出沉积的磷石膏结晶，设备为碳钢＋橡胶衬里，筒体下部1m及槽底，加衬一层厚度为75ｍｍ碳砖。上部用桥式梁支撑转耙。转耙转速0.09R.P.M，耙臂及转轴材料为317L，转耙带有自动提升装置，并配有停电和故障时使用的手动提升装置，最大提升高度为610mm，转耙配有扭矩超载自动报警系统。该耙的传动装置、自动提升装置和控制系统拟定从国外引进，耙体部分和锥形淤浆收集器拟定在国内制造。
1.4.5 橡胶衬里
本装置中使用的橡胶衬里，按其操作条件，分为二类，一类为真空设备橡胶衬里，另一类为常压设备橡胶衬里。其中常压衬胶设备的衬里，在国内已有成熟的使用经验，本装置中选用国产。
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1.4.6 机泵设计
磷肥装置中使用的机泵，种类和数量较多，共同特点是具有较强的腐蚀性和磨蚀性，因此对泵的过流部件材质和密封型式的选择要求较高，其设计原则和宗旨是依据每台机泵的工艺条件，本着节能，安全稳定操作的原则来确定，以保证整个装置的稳定运行。凡是国内能制造并经过实际运行证明性能良好的机泵，考虑国内配套。
（1）轴流泵
这类泵有低位闪冷循环泵、浓缩循环泵等，共同特点是流量大，功率大，输送的介质含有多种酸成分，对泵材质要求较高，因此选用CD4MCu或叶轮UB6材质。轴流泵为单机操作，没有备机。目前国内已有生产这类轴流泵的制造厂家，并有较好业绩。
此类大流量、低扬程轴流泵均是磷酸装置的关键设备。为了保证装置的连续稳定运行，根据国内生产厂使用经验，我们建议低位闪冷循环泵从国外引进，浓缩循环泵国内采购。
（2）矿浆泵和石膏料浆泵
矿浆泵输送介质为含固量约65%的磷矿浆，介质对泵材质具有强烈的磨蚀性，因此泵过流部件材质采用Cr30或DF2，既耐腐蚀又有相当高硬度的材料。石膏料浆泵输送介质为含固量约20%的石膏料浆，并且有微酸性，泵材质既要求耐腐蚀又要求耐磨蚀，因此选用CD4MCu或Cr30材质，以满足操作工况的要求。
（3）氟盐泵
这类泵有尾气洗涤器的各级泵和氟洗涤循环泵等，输送介质为含有氟硅酸和氢氟酸成分的混合液体，对一般金属材料有极强的腐蚀性，因此泵过流部件材质选用高密度聚乙烯或相当材料。
（4）其他类型机泵
这类机泵包括真空泵、蒸汽喷射器和计量泵等，它们数量少，规格特殊，应采用有类似工况运行业绩的制造厂家产品。
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第二章 工艺计算
湿法磷酸物料平衡计算一般有三种方法：理论计算、经验方法和电算程序。本工序采用经验方法进行物料衡算。
单浆单槽二水法工艺装置物料平衡主要包括反应、过滤和浓缩三个系统的工艺计算。
2.1 反应和过滤工序的物料衡算
计算基准：1000kg P2O5`过滤酸。
反应系统和过滤系统的物料平衡计算如下。
2.1.1计算依据
① 该磷酸装置按一年300天，一天22.5小时开车运行。 ②磷矿化学组成 组成 P2O5 %
SO3 SiO2 CO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O
12
F
31.5 0.2 3.5 1.1 1.15 45.5 1.05 0.55 0.51 2.94
③硫酸浓度：98%H2SO4。
④反应槽操作条件：反应温度 82oC ； 反应槽液相P2O5浓度 29%； 反应槽料浆含固量35% 。
⑤反应槽氟分配（以矿中F计）：气相 5%；固相 25% 。 ⑥洗涤滤饼含固量：53%（干基）。
2.1.2 计算
2.1.2.1 磷矿成分核查：
E=31.5%+0.2%+12%+3.5%+1.1%+1.15%+45.5%+1.05%+0.55%+0.51%+0.58%×2.94% =98.76%
由E值可知磷矿的成分是可靠的。
2.1.2.2 反应槽料浆液相磷酸密度[1]
I=(0.7 Fe2O3+0.5 Al2O3+0.6 MgO+1.2F+0.8 Na2O+0.029)/Pr
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= 0.19
F = (0.38+0.8x)×(t-25) = (0.38+0.8×29%)×(82-25)=34.884
ρa=1000+（820+670I）X+718X 2。58-f
=1000+（820+670×0.19）×29% + 718×29% 2。58-34.884 =1269.28 kg/m 3 2.1.2.3 未反应P2O5损失
取未反应P2O5损失为0.45%, 即L0=0.45%
L=5.54×10 -5×(Pcao /Pr)×Pa×ρa×100%
=5.54×10 -5×(45.5/31.5)×29%×1427×100%
=3.3%
取水溶性P2O5损失为0.7% 即L2 =0.7% 2.1.2.4 反应收率
[1]
Rd=1-L0-L1
=1-0.45%-3.3%=96.25%
过滤收率 Rf=1-0.7%=99.3% 总P2O5收率Rt=96.25%+99.3%-1=95.55% 2.1.2.5 硫酸用量[1]
MSA=1.745PCaO-0.718Pr (1-Rd)-1.225PSO3+0.015 =0.794-0.00848-0.00245+0.01629 =0.799kg(H2SO4)/kg(干矿) 2.1.2.6 石膏值[1]
G=3.07(Pcao-0.002 Rd×Pr /Pa )+Psio2-0.53PF
=3.07( 45.5%-0.002×96.25%×31.5%/29% )+12%-0.53×2.94% =1.49kg/kg(干矿) 2.1.2.7 矿浆量
干磷矿量: 1000/(95.55%×31.5%)=3322 kg 矿浆量: 3322/62%=5358 kg
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中 P2O5 3322×31.5%=1046.43kg F 3322×2.94%=97.67kg H2O 5358×(1-62%)=2036.04kg 2.1.2.8硫酸量
硫酸量 0.799×3322/98% = 2708 kg
其中 H2SO4 H2O
2708×98%=2654kg 2708-2654=54kg
2.1.2.9 反应料浆量
料浆量 1.49×3322/36% = 13749 kg 液相P2O5 13749×(1-36%)×29%=2551.8 kg 固相未反应P2O5损失 1046.43×0.45%=4.71 kg 固相共结晶P2O5损失 1046.43×3.3% = 34.532 kg 总P2O5 量 2551.8+4.71+34.532=2591 kg 固相中F 97.67×26%=25.39 kg 2.1.2.10 反应槽蒸发气体量
CO2 量 3322×3.5%=116.27kg
SiF4+2HF量 97.67×6%×1440(6×19)=7.4kg 其中 SiF4 量 (7.4/144)×104=5.34 kg HF 量 7.4/144×2×20=2.06 kg
取水蒸发率为 0.36kg/kg(干矿) 蒸发水量 3322×0.36=1195.92kg 总蒸发气体量 116.27+7.4+1195.92=1319.6kg 其中 F 97.67×6%=5.86kg H2O 1195.92kg 2.1.2.11 返回酸量
矿浆量5358 kg 硫酸量 2708kg 料浆量13749 蒸发气体量 1319.6kg 返回酸量 13749+1319.6-(5358+2708)=7002.6kg
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其中 P2O5 2551.8-1046.43×96.25% =1544.6kg 2.1.2.12 过滤酸量
过滤酸量 1000/29% = 3448.27 kg 其中 P2O5 1000kg
F 97.67×(1-6%-26%)×1000/(1046.43×96.25%) =65.94kg 2.1.2.13 石膏滤饼量
石膏滤饼量: 1.49×3322×(1+52%)=7524kg 其中 水溶性 P2O5 1046.43×0.7%=7.325kg 未反应 P2O5 4.71kg
共结晶 P2O5 34.532kg
固相中 F 25.39kg
液相中 F (65.94/1000) × 7.325=0.483 kg 总 P2O5 7.325+4.71+34.532=46.567kg
总 F 25.39+0.483=25.873kg
2.1.2.14 滤饼洗水量
反应料浆量 13749kg 过滤酸量 3448.27kg 石膏滤饼量 7524kg 返回酸量 7002.6kg 滤饼洗水量 3448.27+7524+7002.6-13749=4225.87kg 2.1.2.15 P2O5平衡
矿浆中 P2O5 1046.43kg 过滤酸量 P2O5 1544.6kg 料浆中 P2O5 2591kg 返回酸量 P2O5 1000.00kg 滤饼中 P2O5 46.567kg 2.1.2.16 F平衡
矿浆中 97.67kg 蒸发气体中 F 5.86kg 返回酸中 F (65.94/1000)×1544.6=101.85 kg 反应料浆中F 97.67+101.85-5.86=193.66kg
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其中 固相中 F 25.39kg
液相中 F 193.66-25.39=168.27kg 过滤酸中F 65.94kg 滤饼中 F 25.873kg
2.1.2.17 H2O平衡
矿浆中H2O 2036.04kg 硫酸中H2O 54kg 滤饼洗水 4225.87kg 蒸发气体中H2O 1195.92kg
对反应槽系统进行CaO平衡可求出结晶水量 磷矿水中CaO 3322×45.5%=1511.51kg
未反应和共结晶中CaO 511.51×(0.45%+3.3)=56.68kg
结晶水量 (1511.51–56.68 )/56×2×18 = 935.25 kg 设过滤磷酸中水量为X kg(H2O)/kg(P2O5) 则滤饼液相水量为
7.325X+1.49×3322×5.2%-(7.4/29%) =2569.57+7.325X 对整个系统进行水平衡有:
带入系统水 2036.04+54+4225.87=6315.91
带出系统水 1195.92+935.25+2569.57+7.325X+1000X=4678.04+1007.4X
X=(6315.91-4678.04)/1007.4 =1.626 kg (H2O)/kg(P2O5)
由X值可求出滤饼中H2O量: 结晶 H2O 量 935.25kg
游离 H2O 量 2569.57+7.325×1.626=2581.48kg
滤饼中 H2O 量 935.25+2581.48=3516.73kg 过滤酸中 H2O 量 1.626×1000=1626kg
返回酸中 H2O 量 7002.6-1544.6/29% + 1.626×1544.6=4187.91 kg
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料浆中水量为: 结晶水量 935.25kg
液相中H2O量 1.626×2551.8=4149.23kg 料浆中H2O量 935.25+4149.23=5084.48kg 反应工序物料平衡图见图2-1。
蒸发气 1319.6 kg
F 5.86 kg H2O 1195.92 kg 矿浆 5358kg 硫酸 2708 kg 反应槽 H2O 54 kg P2O5 2591 kg 料浆 F 193.66 kg 13749kg H2O 5084.48 kg 返回酸 7002.6 kg
图2-1 反应工序物料平衡图
过滤工序物料平衡图见图2-2。
P2O5 2591 料浆 F 193.66 kg 13749kg kg H2O 5084.48 kg
洗水4225.87 kg 过滤机 H2O 4225.87 kg P2O5 1000 kg 过滤酸 F 65.94 kg 石膏滤饼 7524 kg 3448.27kg H2O 1626 kg
图2-2 过滤工序物料平衡图
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反应系统物料平衡见表2-1。
表2-1 反应槽系统物料平衡表
进 料
物料名称 矿浆 硫酸 返回酸 合计
质量流量 （t/h）
206.37 104.32 269.73 580.42
出 料
物料名称 蒸发气 料浆 合计
质量流量（t/h）
50.83 529.59
580.42
过滤系统物料平衡见表2-2。
表3-2 过滤机系统物料平衡表
进 料
物料名称 洗 水 料 浆 合 计
质量流量 （t/h）
162.78 529.58 692.36
出 料
物料名称 返回酸 石膏滤饼 过滤酸 合计
质量流量（t/h）
269.75 289.87 132.79 692.36
2.2 计算稀酸的化学组成
2.2.1 原料
（1）磷矿的化学组成 组成
P2O5 SO3 SiO2 CO2 Al2O3 Fe2O3 CaO
MgO Na2O
K2O
F%
含量 31.5 0.2 12 3.5 1.1 1.15 45.5 1.05 0.55 0.51 2.94 （2）硫酸
硫酸浓度：98%H2SO4 。
2.2.2 反应部分工艺数据
（1）磷矿浆含水：35%（湿基） （2）磷矿中P2O5萃取率：取96.25%
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（3）磷矿中次要组成在反应过程中的分配如下： 组分 CO2 F Fe2O3 Al2O3 MgO
滤酸% 石膏，% 气相，% 组成 滤酸，% 石膏，% 气相% / 70 91 82 98
/ 13 9 18 2
100 K2O 0 0 0
Na2O 17 Si2O
20 13 10
80 87 86
0 / 4
2.2.3 过滤部分工艺数据
（1）过滤酸主要组成 P2O5 ：29% 游离H2SO4：2.85%
（2）过滤使稀磷酸的浓度降低0.5%
2.2.4 过滤酸中各组分量
（1）过滤酸中各组分量（kg）
P2O5 1000×31.5%×96.25%=303.188
SO3 1000×31.5%×96.25%×1/29%×2.85%×80/98=24.32 SiO2 1000×12%×10%=12
Al2O3 1000×1.1%×82%=9.02 MgO 1000×1.05%×98%=10.29 Na2O 1000×0.55% × 20%=1.1 K2O 1000×0.51%×13%=0.663 F 1000×2.94%×70%=20.58 （2）总磷酸量 303.188/29%=1045.48 （3）产品浓度 48%P2O5
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2.2.5 稀磷酸的化学组成
稀磷酸的化学组成如下：
组分
P2O5
Fe2O3 Al2O3 1
MgO
F
SO3
CaO
Na2O 0.1
%（质量） 29
0.863 0.98 1.97 2.33 0.15
2.3 蒸发部分物料衡算
计算基准：1000kg稀磷酸
2.3.1 磷酸中各组成的量
P2O5 290/142=2.042kmol
Fe2O3 10/160=0.0625kmol Al2O3 8.63/102=0.846kmol MgO 9.8/40=0.245kmol F 19.7/19=1.0368kmol SO3 23.3/80=0.29kmol CaO 1.5/56=0.0268kmol Na2O 1/62=0.016kmol 将以上结果列表如下： 组分 含量wt 浓度
P2O5 29
Fe2O3 1
Al2O3
MgO
F 1.97
SO3 2.33
CaO 0.15
Na2O 0.1
0.863 0.98
2.042 0.0625 0.846 0.245 1.0368 0.29 0.0268 0.016
2.3.2 磷酸中存在的化合物量
（1）溶解的CaSO4 0.0268kmol
（2）游离 H2SO4 0.29-0.0268=0.2632kmol （3）MgO结合生成的Mg（H2PO4）
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计 0.245komlMgO与0.245kmolP2O5 生成0.245 kmolMg（H2PO4）2
（4）Fe2O3结合生成的FePO4
0.0625 kmolFe2O3 和0.0625 kmol P2O5 结合生成FePO4 为 0.0625×2 = 0.125kmol （5）Al2O3 结合生成的 AlPO4
0.846 kmol Al2O3与0.846 mol P2O5 结合生成的AlPO4 为 0.846×2=1.692 kmol （6）结合成H3PO4 的 P2O5 量
P2O5 2.042-0.245-0.0625-0.846=0.8885kmol
H3PO4 0.8885×2=1.777kmol （7）Na2O 结合生成的Na2SiF6
0.016kmol Na2O与0.016kmol H2SiF6 结合生成 Na2SiF6 为 0.016kmol （8）形成的 H2SiO6 量 1.0368/6－0.016=0.1568kmol
2.3.3 浓缩后各物质量
（1）浓缩后的浓酸量 290/0.48=604.17kg （2）总逸出量 1000－604.17=395.83kg （3）氟逸出量 当氟逸出量为60%时
F 氟逸出量 19.1×60% = 11.46 kg
折合 2HF + SiF4 11.46×144/（6×19）= 7.64kg （4）蒸发量： 395.83－14.48 = 381.35kg （5）浓酸中各组分物的量
总P2O5 290 kg相当于 290/142=2.042kmol
CaSO4 0.0268 kmol 相当于136×0.0268 = 3.6448kg 游离H2SO4 0.2632 kmol 相当与 98×0.2632 = 25.79kg Mg（H2PO4）2 0.245×218.32 = 53.488kg
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计
FePO4 0.125×151 = 18.875kg AlPO4 1.692×122 = 206.424kg H3PO4 98×1.777 = 174.146kg Na2SiF6 0.016×188 = 3.008kg
H2SiO6 7.64/（19×6）-0.016 = 0.051 kmol
相当于 144×0.051 = 7.344kg
（6）浓酸中各组成物的质量白分比浓度
CaSO4 3.6448/604.17×100% = 0.6% 游离H2SO4 25.79/ 604.17×100% = 4.27% Mg（H2PO4）2 53.488/604.17×100% = 8.85% FePO4 18.875/604.17×100% = 3.12% AlPO4 206.424/604.17×100% = 34.17% H3PO4 174.146/604.17×100% = 28.82% Na2SiF6 3.008/604.17×100% = 0.5% H2SiO6 7.344/604.17×100% =1.22%
在此浓度下，某些组分已处于饱和状态，CaSO4 及氟硅酸盐要沉析出来 在760C条件下48% P2O5 浓度的磷酸溶液中CaSO4溶解度约为0.248% 故析出的CaSO4量为3.6448－604.17×0.248% = 3.49kg
另外尚有部分Na2SiF6将沉淀下来,从29% P2O5 浓缩到48% P2O5 时, Na2SiF6的溶解度下降到 0.21%左右. 故析出的氟盐(Na2SiF6)为 3.008-604.17%×0.21% = 1.739kg 以上合计总量 492.72 kg 水量 604.17-492.72=111.45kg
2.3.4 考虑液相飞沫损失和固相器壁沉析后各物质的量
（1）飞沫损失和固相器壁沉析各为0.12%时，各组分为
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计 游离H2SO4 25.79×99.8%=25.74kg Mg（H2PO4）2 53.448×99.8%=53.38kg FePO4 18.875×99.8%=18.84kg AlPO4 206.424×99.8%=206.01kg H3PO4 174.146×99.8%=173.8kg Na2SiF6 3.008×99.8%=3.002kg （其中：固相 1.739×99.8% =1.736kg
液相 1.268×99.8%=1.265kg )
H2SiO6 7.344×99.8%=7.329kg CaSO4 3.6448×99.8%=7.329kg
（其中：固相 2.146 P2O5=2.142kg 液相 1.4988×99.8%=1.496kg）
水 111.45×99.8%=111.227kg 以上合计量 602.966 kg
（2）飞沫损失后液相的P2O5量 290×99.8% =289.42kg （3）飞沫中的P2O5量 290-289.42=0.58kg （4）总的飞沫损失及器壁沉析量 604.17－602.966 = 1.204 kg
其中：固相沉析量 1.204-0.007=1.197kg
液相中 H3PO4 飞沫量 174.146-173.8=0.346kg
（5）换算成质量百分比浓度
H2SO4 25.74/602.966×100% ＝4.27 %
折SO34.27%×80/98＝3.486 %
Mg(HPO4)2 53.38/602.966×100%＝8.85 %
折 MgO 8.85%×40/218.32＝1.622 % AlPO4 206.01/602.966×100%＝34.166%
折 Al2O3 34.166%×102/（2×122）=14.28 %
P2O5 289.42/ 602.966×100%=48%
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计 Na2SiF6 固相 1.736/602.96×100%=0.288%
液相 1.265/602.966×100%=0.21% 折 F 0.21%×19×6/144=0.166% 折 Na2O 0.21%×62/188=0.069 %
H2SiF6 7.329/602.966×100%=1.215%
折 F 1.215%×19×6/144=0.96 %
CaSO4 固相 2.142/602.966×100%=0.355 %
液相1.496/602.966×100%=0.248 % 折 SO3 0.248 %×80/136=0.146 % 折 CaO 0.248%×56/136=0.102% SO3 总和（液相）3.486+0.146%=3.632% F总和 （液相）0.166%+0.96%=1.126 %
固相总和 0.102%+0.355﹦0.457%
浓缩磷酸组分如下表： 组分
P2O5
Fe2O3
Al2O3
MgO
F
SO3
CaO
Na2O
组分%（wt） 48 1.653 14.28 1.622 1.126 3.632 0.102 0.069
2.4 泵的选型计算
2.4.1 料浆泵的计算
已知，料浆流量为QV=73.9t/h（0.012m/s），料浆密度ρ=1700kg/m， 饱和蒸汽压PV=27.5kp，黏度为λ=200mpa，泵设计有四个弯头阻力系数为ξ=4×0.175=0.7，料浆设计输送高度为（14—15）m，取Z2-Z1=14m，本设计采用卧式泵，计算时可假设进口P1和出口压力P2均可近似设为大气压，吸入管长度为L1=0，直径d1=0.2m，压出管长度L2=15m，直径d2=0.15m。
浓缩工序的物料平衡见图3-3。
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3
3
毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计
F 65.94kg 过滤酸 H2O 1626 kg 3448.27 kg P2O5 1000 kg
蒸发H2O 1365kg P2O5 1000 kg
浓缩酸 F 26.34 kg 2083kg H2O 791.54 kg 浓缩工序的物料平衡见表3-3 。
表3-3 浓缩系统的物料平衡表
进 料
物料名称 过滤酸 合计
质量流量（t/h）
132.79 132.79
出 料 物料名称 浓缩酸 蒸发水 合计
质量流量（t/h）
80.23 52.46 132.79
真空蒸发浓缩器 （1）泵的压头H，可按下式计算： H= Z2-Z1+（P2-P1）/ρg+（u22-u21）/2g+Hf 阻力 Hf=8（λL2/d2+ξ）*QV2/（π2d24g） 解得 Hf =0.4203 m
u1=4 QV/（πd12）=0.355m/s u2=4 QV/（πd22）=0.63m/s
带入数据解得压头H=14.5 （2）泵的功率P 可按下式计算： P=ρgH QV=2691.7 w
（3）泵的最大容许安装高度Hg 可按下式计算 Hg= P0/ρg- Pv/ρg-Hf（0—1）-［（NPSH）r+0.5］ 由L1=0，得Hf（0—1）=0； P0为大气压；
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气蚀余量（NPSH）= P1/ρg+ u21/2g- Pv/ρg 由于是卧式泵P1为大气压。 带入数据解得Hg=4.42m
2.4.2 轴流泵的选型计算(出浓缩器的泵)
2.4.2.1 已知条件
①浓缩回流循环量为11056.2m3/h （选用12000m3/h计算） ②循环酸密度ρ=1650kg/ m3 ③循环管流速v=1m/s ④石墨列管流速v=2m/s
⑤酸循环管道Dg800，石墨列管d内=38mm ⑥循环酸粘度15.2mPa·s 2.4.2.2 计算
. 1 循环管内雷诺数Re及摩擦系数λ
（1）雷诺数
Re循环管道=dwρ/μ=0.8×1×1650/0.0152=8.68×104
（2）摩擦系数取循环管道绝对粗糙度ε=0.75mm（考虑管内结垢）其相对粗糙度ε/d=0.75/800=0.001。查摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度ε关系图得λ=0.045
2 石墨列管内雷诺数Re及摩擦系数λ （1）雷诺数
Re石墨列管= dwρ/μ=0.038×2×1650/0.0152=8250
（2）摩擦系数取ε=0.75mm，其相对粗糙度ε/d=0.75/38=0.02。查摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系图得λ=0.06 3. 循环管内阻力损失∑hf1
根据阻力系数计算
（1）闪蒸室流入循环管ξ1=0.04 （2）大变小Dg800/Dg450 一个ξ2=0.2 （3）变大Dg450/ Dg800一个ξ3=0.4
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（4）三通当弯管用（进）一个ξ4=1.5 （5）三通当弯管用（出）一个ξ5=1.3 （6）流入（进列管）ξ6=0.5 （7）流出（出列管）ξ7=1.0 （8）900弯头三个ξ8=3×0.75 （9）循环管流入闪蒸室ξ9=1.0 ∑hf1=hf+hL=λLw2/2dg+∑ξw2/2g
=0.0215×1/（2×9.81）［22/0.8+（0.04+0.2+0.4+1.5+1.3+0.5+1.0+3×0.75+1.0）］ =0.82m（液柱）
式中22—直管段长度，m 4石墨列管内阻力 ∑hf2
∑hf2=λL/d×（w2/2g）=0.051×（6+0.5）/0.038×（2×2/2×9.81）=2.09（液柱）
式中6—列管长度，m 0.5 —上下管板厚，m 总阻力损失∑hf总
∑hf总=∑hf1+∑hf2=0.45+1.78=2.91m（液柱） 4. 轴流泵的选用
设计取Q=12000m3/h,H=6m(液柱)
2.4.3 轴流泵的选型计算（进浓缩器的泵）
2.4.3.1 已知条件
①浓缩回流循环量为13000m3/h ② 循环酸密度ρ=1556kg/ m3 ③循环管流速v=1m/s ④石墨列管流速v=2m/s
⑤酸循环管道Dg800，石墨列管d内=38mm
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⑥循环酸粘度240mPa·s 2.4.3.2 计算
1 循环管内雷诺数Re及摩擦系数λ （1）雷诺数
Re循环管道=dwρ/μ=0.8X1X1556/0.24=5186.7
（2）摩擦系数取循环管道绝对粗糙度ε=0.75mm（考虑管内结垢）其相对粗糙度ε/d=0.75/800=0.001。查摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度ε关系图得λ=0.060
2 石墨列管内雷诺数Re及摩擦系数λ （1）雷诺数
Re石墨列管= dwρ/μ=0.038×2×1556/0.24=492.7
（2）摩擦系数取ε=0.75mm，其相对粗糙度ε/d=0.75/38=0.02。查摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系图得λ=0.07 3 管内阻力损失∑hf1 根据阻力系数计算
1 2 3 4 5 6 7 8 9
闪室流入循环管ξ1=0.04 大变小Dg800/Dg450一个ξ2=0.2 小变大Dg450/ Dg800一个ξ3=0.4 三通当弯管用（进）一个ξ4=1.5 三通当弯管用（出）一个ξ5=1.3 流入（进列管）ξ6=0.5 流出（出列管）ξ7=1.0 900弯头三个 ξ8=3×0.75 由循环管流入闪蒸室ξ9=1.0 ∑hf1=hf+hL=λLw2/2dg+∑ξw2/2g
=0..46m（液柱） 式中22—直管段长度，m
10
石墨列管内阻力∑hf2
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∑hf2=λL/d×（w2/2g）=0.07×（6+0.5）/0.038×（2×2/2×9.81）
=1.02（液柱） 式中6—列管长度，m
0.5—上下管板厚，m
11
总阻力损失∑hf总
∑hf总=∑hf1+∑hf2=0.46+1.02=1.46m（液柱）
12
轴流泵的选用
设计取Q=13000m3/h ，H=1.46m(液柱)
2.5 过滤机的选型计算
以年产26万吨即866.7 t/d（P2O5）磷酸装置为例 ①小时产量38.52 t/h（P2O5） ②每天运行时间24小时
③根据磷矿评价试验，设计取过滤强度为5t（P2O5）/dm2 ④需过滤面积为38.52×24/5=184.9 m2 ⑤过滤机设计富裕系数1.2
⑥过滤机设计有效面积199×1.2=221.88 m2 ⑦选 256 m2，13号UCEGO过滤机。
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第三章 设计结果及设备一览表
3.1 总工序的物料平衡图
总工序物料平衡图 3-1
蒸发气 1319.6 kg
F 5.86 kg H2O 1195.92kg 矿浆5358kg 反应槽 H2O 54 kg 硫酸2708kg
P2O5 1046.43kg P2O5 2591 kg F 97.67kg 料浆 F 193.66 kg H2O 2036.04kg 13749kg H2O 5084.48kg 返回酸 7002.6kg 洗水 4225.87 kg 过滤机 P2O5 1544.6kg H2O 4225.87kg F 101.85 kg H2O 4187.91 kg P2O5 1000kg 过滤酸 F 65.94kg 石膏滤饼7524kg 3448.27kg H2O 1626kg P2O5 46.57 kg F 101.85kg 蒸发水 1365kg 真空蒸发 H2O 3516.73kg 浓缩器 P2O5 999.83 kg 浓缩酸 F 26.34 kg 2083kg H2O 791.54 kg
图3-1 总工序物料平衡图
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毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计 表3-1 总工序各主要物料的质量流量
物料名称 矿浆 蒸发气 返回酸 洗 水 石膏滤饼
质量流量（t/h）
222.26 54.76 290.5 175.3 312.1
物料名称 硫 酸 料 浆 过滤酸 浓缩酸
质量流量（t/h）
112.33 570.33 143 86.4
3.2 设备一览表
主要设备一览表
序 号 设 备 位 号 名 称 及 图 号 或 规 格 过滤机给1 P42103A/B 料泵 离心式, P42203A/B VVVF Q=300m3/ h, H= 20m 2 3 P42104A/B P42204A/B h, H= 29m S42101/S42201 P= 22kW 冷凝器除雾器 立式圆筒 15001500（直段）
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型 号 材 料 数 量 重 量（kg） 备 单 总 注 CD4MCu 4 P= 75kW 滤饼洗涤离心式 Q=105m/3 F-0067 CS 橡胶 4 2 毕业设计 年产26万吨磷酸装置工艺设计
反应水滴4 S42102/S42202 分离器 型式；立 式圆槽 1000 1000
序 号 设 备 位 号 名称及规格 转台过滤机 图号或型号 材料 数量 重 量（kg） 备 单 总 注 F-0812 CS 2 400 橡胶 5 F43101/F43201 HEZP-140 4 F43301/F43401 型式：转台式 规格：F总＝140m, F有效＝120m 6 L43001 电机功率：15kW 过滤机吊车 电动单梁式起重机 提升重量：10t, 提升高度：22m 7
22 组合件 BQ6170 1 P43101 P43201 P43301 P43401 跨度：22.5m P=7.5+1.0+21.0k过滤酸泵 离心式,VVVF Q= 100m3/h, H= 40m P= 37kW CD4MCu 4 第 35 页 共 37 页
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第四章 致谢
此次毕业设计在乎湖北兴发化工集团完成, 所完成的项目是年产26万吨磷酸生产装置工艺设计。 由于湖北兴发化工集团楚磷公司现在正在做这个项目, 所以这也为我提供了很多方便。首先该公司的技术工程人员为我们四位学生大体介绍了该工艺设计的基本要点, 这其中包括所用原材料, 生产方法及生产装置。然后我们参考了相关的书籍, 初步了解了这一工序的生产原理，并通过了解国际上最先进的生产工艺，设计出了本方案。本方案在技术上都是成熟的，但从已建成的装置运行稳定性、可靠程度上看，工艺最为优越，作业率最高。另外，我们还查阅了大量资料，对主要的生产装置进行了改进设计，并对其进行了物料衡算，同时我们还应用CAD对设备及工艺流程进行了绘制。
此次磷酸装置采用先进、成熟、国内已有成功运行经验的二水法工艺, 生产工艺采用多室反应槽、倾覆盘式过滤机、强制循环真空蒸发浓缩流程。所用原料是含31.5%P2O5的磷矿石和98%的H2SO4。经反应，过滤，浓缩三个工序后得到48%的磷酸溶液。
此次能顺利完成毕业设计得益于武汉工程大学周玉新老师和吴广文老师的精心指导和帮助，也要感谢兴山职教中心老师对我们的大力帮助，同时由于我们在湖北兴发化工集团刘草坡化工厂上班，许多领导、同事都给予了我们大力支持，在此我们一并致谢。感谢老师们和各位领导对我们的帮助和关怀，我们今后一定会加倍努力的。
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参考文献
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究.2007
[5] 旷衡浦 陈群.磷肥与复肥.第20卷第5期.湿法磷酸生产中设备的选材.2005. [6] 吴佩芝.湿法磷酸.北京：化学工业出版社，1998. [7] 徐刚. 最新磷化工工艺技术手册. 中国知识出版社
[8]化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册.北京：化学工业出版社，1993. [9] A V. 斯拉克编. 磷酸. 下册. 陈明磊等译. 北京：石油化学工业出版，1977 [10] 上海化工研究院.磷矿湿法加工制肥评价实验报告.1986
[11] 台湾经济研究院，工业技术研究院化学工业研究所. 化学工业年鉴. 台北，
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[12] 原化学工业部. 化学工业统计年报（1950～1997）. 北京 [13]中国行业研究网. 磷化工行业分析.2007
[14]中华商务网.2007年中国磷矿及磷化工行业投资发展分析研究报告 .2007. [15]Phosphorus and Potassium. 1963.(8): 32
[16] Symposium of new phosphoric acid .The Fert. Soc. Proc. 1969. [17] Slack A. V. Phosphoric Acid Part Ⅱ. New York; Marcel Dekker Inc, 1968
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