磷酸生产课程设计.doc

目 录第1章 总论11.1 概述11.1.1 磷酸的性质和用途11.1.2 磷酸在的市场前景51.2 厂址选择71.2.1 厂址选择原则71.2.2 地理位置 91.2.3 自然概况111.2.4 交通运输121.2.5 建厂优势121.3 设计原则131.4 产品原料及方案13第2章 生产方案论证142.1 生产工艺分析与选择142.2 湿法磷酸工艺的选择162.3 本项目工艺说明20第3章 工艺计算223.1 物料衡算与能量衡算223.1.1 物料衡算223.1.2 能量衡算243.1.3 二水法工艺物料平衡计算（理论方法）243.2 主要设备设计与选型.473.2.1 反应器的设计483.2.2 过滤机的设计及选型513.2.3 低位真空冷却器的设计663.2.4 泵的选型733.2.5 储罐的选型79第4章 经济概算824.1 估算依据 824.2 总投资估算 82第5章 工厂布置类设计说明.855.1 设计依据.915.2 设计范围.855.3 总体布局分析.855.4 分区详细布局.865.5 车间布置概述.91第6章 管道布置和设计986.1 管道设计与布置的内容996.2 管道布置的原则和要求996.3 管道布置设计的依据1026.4 管道敷设方式及敷设坡度1026.4.1 管道敷设方式1026.4.2 管道距墙的要求1036.4.3 单元设备的管道布置1046.4.4 管廊布置及管道布置1076.4.5 管架敷设1116.5 管道设计1116.5.1 管子直径的选择1116.5.2 管道材料的选择1126.5.3 管道的绝热设计1126.5.4 管沟平面布置图112第七章 自动控制1147.1 概述1147.2 典型化工单元的控制方案1147.2.1 流体输送设备的控制方案1147.2.2 液位控制系统1157.2.3 压力控制系统1167.2.4 温度控制系统1167.2.5 成分控制系统1177.3 各设备的控制自动控制1177.3.1 传热设备的控制1177.3.2 反应器的温度控制1197.3.3 仪表的选型1197.3.4 动力仪表120第八章 电气电信1218.1 电气1218.1.1 电力负荷性质1218.1.2 高压供电系统设计1218.2 电信1248.3 具体设计1258.4 电信电路敷设128第九章 公用工程及辅助设施1309.1 公用工程初步方案和原则确定1309.2 给排水工程1309.2.1 设计依据1309.2.2 生产、生活用水系统1319.2.3 给水系统1329.2.4 排水系统1339.3 供热1339.3.1 设计标准1339.3.2 供热系统1349.4 采暖1359.4.1 设计标准及规范1359.4.2 厂址所在地的气候条件1359.4.3 设计范围1369.4.4 采暖1369.4.5 通风137第10章 化工设备维护与检修13910.1 维修任务及体制13910.1.1 修理任务13910.1.2 维修体制13910.2 维修车间设计13910.3 设备的维护检修13910.3.1 磷酸萃取槽维护13910.3.2 泵的检查与处理14410.3.3 槽日常检查要点14610.3.4 石墨换热器的维护14810.3.5 管道系统的维修检查15210.3.6 氟吸收塔的检修15410.4 维修人员的管理15610.4.1 维修人员的主要任务15610.4.2 维修人员的能力要求15710.4.3 维修人员的管理要求157第11章 消防设计15811.1 消防系统15811.1.1 稳高压消防给水系统15811.1.2 中压系统和高压系统15811.2 消防管网布置15811.3 消防水炮和消防栓15911.4 消防站15911.5 防雷防静电15911.5.1 防雷接地15911.5.2 静电接地16011.6 消防设置16011.6.1 消防排水16011.6.2 器材配备16011.6.3 消防设施的启动控制及报警方式160第12章 环境保护专篇16212.1 设计依据16212.2 湿法磷酸生产中的污染问题16212.2.1 水质的污染16212.2.2 大气的污染16412.2.3 废渣16612.3 环保治理措施16712.3.1 废水的处理措施16712.3.2 废气的处理16912.3.3 废渣处理17012.3.4 产区绿化17212.3.5 环境风险评估及建设建议172第13章 节能17313.1 节能的意义17313.2 节电17313.2.1 节电途径17313.2.2 节电措施17313.3 节水17313.3.1 节水途径17313.3.2 节水措施17413.4 工艺节能特色17513.4.1 废水的利用 17513.4.2 废渣的利用17513.4.3 废气利用 175第14章 劳动安全与卫生17614.1 设计依据及采用标准17614.1.1 执行的有关安全法规及规定17614.1.2 设计中采用的劳动安全与职业卫生标准法规 17614.2 生产过程中危险及有害因素分析17714.3 涉及的危险化学品性质及其应急措施18014.3.1 氢氟酸18014.3.2 氟硅酸18114.3.3 硫酸18114.3.4 磷酸18214.4 职业安全卫生防护的措施18314.4.1 工艺设计中采用的防护措施18314.4.2 噪音危害18314.4.3 安全色及安全标志的设定18414.4.4 泄露监测与处理18414.4.5 工业卫生18514.4.6 辅助用室18514.4.7 个人卫生要求18514.4.8 预期效果分析186结论187总结与体会189谢词191参考文献192175 第1章 总论1.1 概述1.1.1 磷酸的性质和用途1磷酸的性质磷酸是由五氧化二磷（P2O5）与水反应得到的化合物。一般情况下，磷酸系正磷酸的简称，其分子式H3PO4。五氧化二磷结合的水的比例低于正磷酸时可形成焦磷酸（H4P2O7）、三聚磷酸（H5P3O10）、四聚磷酸（H6P4O13）、偏磷酸（HPO3）和多聚偏磷酸（HPO3）n等。磷酸时三元酸，可以生成三种不同的取代盐，即一代磷酸盐XH2PO4，二代磷酸盐X2HPO4和三代磷酸盐X3PO4。在水溶液中25时，磷酸三个氢离子的离解常数分别为： H3PO4 = H+H2PO4- K1=0.9310-2 H2PO4- = H+HPO42- K2=0.9910-8 HPO42- = H+PO43- K3=1.810-12磷酸或磷酸盐的溶液中，各种离子的存在及其浓度由溶液的PH值决定。当PH=2时，溶液中约有一半以一代磷酸离子（H2PO4- ）存在，到PH=4.5（弱酸性），H2PO4-才是稳定的；二代磷酸离子（HPO42- ）在PH=9.5时才是稳定的；而PO43- 则必须在强碱性溶液（PH=12.52）中才能稳定存在。磷酸为中强三元酸，具有酸的一切通性，在室温下磷酸的化学性质是很活泼的。高温下磷酸可能与大部分金属及其氧化物发生化学反应。当加热呈浆状时，磷酸能侵蚀石英。磷酸的氧化能力很弱，即使在350450下，与氢、碳等强还原剂作用也不发生明显的化学反应。纯磷酸在常温下为透明单斜结晶，在空气中易潮解，密度1.88g/cm3，熔点42.4，含怕嚄74.2%。此外，还存在半水物（H3PO40.5H2O）结晶区，熔点29.3，含91.6%H3PO4。半水磷酸与冰的低共熔点为-85，该点的磷酸含量为62.5%H3PO4。磷酸作为商品运输时的含量一般为75%H3PO4或85%H3PO4，溶液的冰点分别为-20及-21，低于此温度时会有半水物结晶析出。含量超过100%H3PO4时进入无晶区，包括一组链长不同的缩合磷酸，以焦磷酸H4P2O7为起点，接着是三聚磷酸H5P3O10，四聚磷酸H6P4O13等饱和区域。当正磷酸溶液加热蒸发时，可以得到一组各种链长不同的缩合磷酸混合物，通常称为正磷酸。提高加热温度或延长加热时间，磷酸的脱水作用将达到更高的程度，亦即正磷酸不断减少，缩合磷酸（如三聚磷酸、四聚磷酸、偏磷酸等）不断增加。这时，磷酸的含量已经大于100%H3PO4，所以在工业生产中，常常用P2O5含量来表示磷酸的含量，而不用的含量来表示。将磷酸继续浓缩可以得到一组恒沸点混合物，它的组成为91.1%92.1%，溶液的蒸汽压将从13.87kPa增至100.39kPa，相应的沸点从694提高到869。其水溶液的蒸汽压p与溶液组成%P2O5及沸点T的关系可表示如下：式中 %P2O5在60%95%之间。接近1000时，磷酸蒸汽将离解成H2O和P4O10。焦磷酸H4P2O7的熔点为61，熔融后很难重结晶，在室温下，熔融后的焦磷酸的固化时间很长，要以周或月来计算。这主要是由于焦磷酸已经被离解成正磷酸或多磷酸的混合物。偏磷酸HPO3n为一无定型磷酸的混合物，也是一个恒沸点的混合物。在72%80%P2O5时，偏磷酸为一油状液体；在80%89%P2O5时，呈焦油状或脂肪状；高于90%时，呈透明玻璃状。任何组成的聚合磷酸溶解于水均水解成正磷酸。水解速度决定于水解温度。25时形成正磷酸，温度提高到100，几分钟就完成了。因此，可以在室温下研究聚磷酸在水溶液中的性质。磷酸的稀释热随着稀释倍数的增加而增大。1molH3PO4在1mol水中的溶解热为7.285J/mol，而在100mol水中则增大为22.046J/mol。磷酸溶液的密度与黏度在一定温度下，均随磷酸中P2O5含量的增加而增加。在75下，当从19.6%增加到70.5%时，磷酸水溶液的黏度相应从1.97610-3Pas增加到59.2410-2Pas。而密度则从1.15g/cm3增加到1.49g/cm3。磷酸水溶液（30%P2O5 25%中低品位P2O5 25%磷酸质量27%35%75%85%85%左右主要工艺二水物流程一辰法和二步法隧道窑和回转窑应用主要用于制造磷肥、工业级磷酸盐和制取饲料级磷酸氢氨、三聚磷酸钠等生产工业级和食品级磷酸及电子级磷酸盐制品可用于生产工业级磷酸优点设备简单，能耗低，生产成本低产品浓度高，质量好利用中低品位磷矿，节能，不受硫资源限制存在问题对磷矿石品位要求高能耗高，生产成本高球团易结焦，出口窑气温度高，收酸困难；纯度比热法稍低成本因素硫磺的价格电价和黄磷焦炭和包裹剂热法磷酸是黄磷的主要用户，其消费量占黄磷总消费量的70左右。黄磷的生产也主要集中在磷矿资源相对丰富的省份，但其能耗高，生产成本高，正在被湿法磷酸所取代。硫磺价格是影响湿法磷酸成本的主要因素，而我国磷矿资源主要集中在缺少硫资源的云南、湖北、贵州、四川、湖南五省。我国硫磺主要依靠进口，对外依存度达90。特别是2007年以来，国际硫磺价格飞涨，导致硫酸价格上涨，使湿法磷酸生产成本大幅上升，企业经济效益降低，虽然，近期硫磺价格有所回落，但从长期来看，硫磺价格的波动会制约磷酸生产乃至我国磷肥工业的发展。但湿法磷酸的能耗比热法磷酸低20，生产成本仅为热法磷酸的7080。所以纵观全球，净化湿法磷酸替代热法磷酸是世界磷化工发展的趋势之一。当今世界许多发达国家都将其作为磷酸生产的主要技术手段。磷矿资源具有稀缺性和不可再生性。我国磷矿资源的特点是储量丰富，分布较为集中，但中低品位矿多。窑法磷酸可利用中低品位磷矿生产高浓度磷酸，对我国磷化工的可持续发展具有重要的意义。如表，与热法磷酸相比，窑法磷酸工艺显著降低了生产能耗，用电少；与湿法磷酸相比，不受磷矿品位和硫资源的限制，因此该工艺十分符合我国磷矿资源的国情，有着广阔的发展前景。但要注意，窑法磷酸要实现大规模工业化还有很多技术难点需要攻关。近年来，仍有不少的科技人员在从事该项工作的研究，并申请了专利。但短期内，窑法磷酸还不会动摇湿法磷酸在磷酸生产工艺中的地位而成为生产磷酸的主流技术。所以，从经济及技术方面考虑，湿法磷适用于现今磷酸的生产。2.2 湿法磷酸工艺的选择目前，湿法磷酸的产量占世界磷酸总产量的85-90。湿法磷酸生产方法往往以硫酸钙结晶形态来分类，分别有二水法（DH）、半水一二水稀酸法（HRC）、半水一二水浓酸法（HDH）、二水一半水法（DHHH）和半水物法（HH）。半水一二水稀酸法由于流程长、能耗高、操作不稳定，国内外没有应用。半水一二水浓酸工艺以其最佳的经济技术指标和节能减排效果而被国外越来越多的公司开发和应用，但该工艺对原料磷矿质量要求高，在我国难以推广应用。二水一半水法具有较好的节能效果，副产磷石膏杂质少、含水率低，为其综合利用创造了极为有利条件，是一种适合我国中低品位磷矿的工艺流程。该工艺目前世界上仅有比利时普莱昂公司实现了工业化生产，且不对外转让。而二水法具有技术成熟、开车率高及对原料适应性强的较大优势， 目前被世界70以上的湿法磷酸生产企业采用，比较适用于现今的磷酸生产。1932年美国道尔公司与瑞士生产公司合作开发的道尔浓酸流程，为现代化的二水物流程奠定了基础。由于二水物流程具有操作稳定、对磷矿适应性强、投资少等突出优点。因此几十年来世界各国对二水物流程进行了不断的研究和改进，使其有了较大的发展，现在世界磷酸装置总数的80以上采用二水物流程。我国湿法磷酸工业始于1953年，迄今已有50多年的历史。我国湿法磷酸80以上都采用二水物流程生产，目前年产量估计在500万600万t(P2O5计)，60用于制造高浓度磷复肥，约40用于制造工业级磷酸钠盐、铵盐以及饲料级磷酸钙盐等，少量出口。二水物法工艺技术有多种，国内大型装置主要有普莱昂(Prayon)工艺、吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺、罗纳普朗克(RP)工艺、诺斯克赫特罗工艺及斯温森工艺等，前3种工艺在世界上居主导地位，其中普莱昂(Prayon)工艺建厂最多。1. 普莱昂(Prayon)工艺图2-1 方格多槽（普莱昂第四代）二水物流程图2.吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺图2-2 吉可布斯一道尔科(JacobsDorr)工艺3.罗纳普朗克(RP)工艺图3-3 罗纳普朗克(RP)工艺4.诺斯克赫特罗工艺.图3-4 诺斯克赫特罗工艺5.斯温森工艺图3-5 斯温森工艺由于普莱昂工艺建厂较多，工艺成熟，综合考虑本项目工艺选用方格多槽普莱昂（第四代）二水物工艺流程。2.3 本项目工艺说明普莱昂流程是比利时普莱昂冶金公司开发的，已有三十多年历史。早在1950年就已在美国第一次建厂。普莱昂流程如图2-1所示普莱昂系统的特点是使用了一台长方形多室的分解室，以及使用真空冷却系统冷却料浆。据报道，分解系统取得的结果如下：1.P2O5转化率为97%；2.成品磷酸浓度为3032%；3.真空冷却系统中蒸发的水量为1千克/千克P2O5；4.石膏结晶的大小为150毫米左右。大部分反应热和硫酸稀释热是靠稀释硫酸及真空（闪蒸）冷却器移走，后者约移走60%的热量。料浆从真空冷却器内的侧边加入，水分从冷却器的料浆表面上蒸发，冷却后料浆沿着分布器的另一侧边留出，通过一条直径较大的管道返回第一反应槽，该管道是浸没在料浆中的（液封）。采用真空冷却方法可使分解槽温度控制十分稳定，还能解决返料问题。普莱昂（第四代）使用的过滤机是转盘式过滤机，具有良好的操作性能。石膏含磷酸为0.20.3%，滤饼含水通常为1618%。过滤机清理周期为12星期。普莱昂流程的磷酸浓缩装置，是强制循环换热器。普莱昂流程是湿法磷酸生产中运用最多的流程，建厂情况也较多。在降低能耗方面有如下优势：1.一台超能效的普莱昂搅拌器，它的浸没的螺旋桨只适应于普莱昂的硫酸工厂，并联结一只特殊设计的表面桨叶能帮助引进物料以及消除泡沫。2.低位的真空（闪蒸）冷却器，大量的料浆循环。大量料浆是用一台低压头，低功率、低维修的螺旋泵提供的。3.根据所用的磷矿的种类不同，用低压头的循环泵调节流量，增大或减少经过分解槽各室的料浆量。第3章 工艺计算3.1 物料衡算与能量衡算该项目为10万吨/年磷酸（27%P2O5）的设计，在初步确定的工艺流程后，从定性估计转入定量计算。通过对工艺流程中各车间和部分重要单元作详细的物料衡算，得到原料、产品、副产品及中间产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损失量、“三废”排放量及组成及原料的消耗定额等各项指标。为设计或选择设备类型、台数和尺寸提供依据，以便对设备作进一步的计算。3.1.1 物料衡算1.衡算方法物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应）。对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量= 积累的物料量（1）稳定操作状态稳定操作时，积累的物料量= 01）有化学反应，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量= 02）无化学反应，反应消耗和生成的物料量为零，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量= 02.非稳定操作状态非稳定操作时，积累的物料量不为零。1）有化学反应输入的物料量-输出的物料量-反应消耗的物料量+ 反应生成的物