二水物湿法磷酸工艺计算

1 工艺计算基础数据 (1) 原料

表4.1 磷矿成分组成表（干基）

组分 P2O5 % CaO Fe2O3 Al2O3 0.57 SiO2 MgO Na2O K2O F 0.32 CO2 其他 30.56 48.86 0.66 11.32 0.76 0.18 3.2 2.91 0.75 (2) 硫酸：选浓度为98%的H2SO4。 2 反应部分工艺数据

(1) 磷矿浆的含水率取36%(湿基)。 (2) 磷矿浆中P2O5的萃取率96.5%。

(3) 磷矿中次要组分在反应过程中的分配如下：

表4.2磷矿中次要组分在反应过程中的分配表

组分 率酸% 石膏% 气相% CO2 ╱ ╱ 100 F 70 13 17 Fe2O3 91 9 0 Al2O3 82 18 0 MgO 98 2 0 Na2O 20 80 0 SiO2 10 87 3 K2O 13 87 0 其他 68 32 0 3.过滤部分工艺数据

(1) 成品磷酸主要组成： P2O5 25%。 (2) 过滤时对成品磷酸的稀释率取0.5%。 (3) P2O5的回收率取96.0%。 (4) 率饼的含液量(湿基)

1.第一次过滤50% 2.第二次过滤40%

3.第三次过滤35% 4.第四次过滤29%

(5) 第二次过滤后水溶性P2O5残留率

洗涤后率饼中水溶性 五氧化二磷=0.3

洗涤前率饼中水溶性五氧化二磷(6) 第三次洗涤后水溶性P2O5残留率

洗涤后率饼中水溶性 五氧化二磷R2==0.15

洗涤前率饼中水溶性五氧化二磷(7) 第四次过滤后水溶液中P2O5浓度为1.13%

R1=

4 计算过程及结果 以1000Kg磷矿(干基)为准: 1）磷矿用量：1000kg(干基) 磷矿浆量:

10001562.5kg

(136%)已知成品磷酸为80万t/a，折成小时磷矿消耗量为：

2010422.5300100.995t/h 干基量

(130.56%96%)100.995157.805t/h 矿浆量

(136%)2）硫酸用量

(1) 假定磷矿中的MgO全部以MgCO3形式存在,多余的CO2则以CaCO3形式存在，矿中的F及P2O5分别以Ca5F(PO4)3及CaF2形式存在。MgCO3与H2SO4反应生成MgSO4，而MgSO4在磷酸溶液中呈离子状态，故计算成品磷酸中游离硫酸时将MgSO4计入，而计算硫酸消耗时不再列入。假定成品磷酸中不含Ca2+。

（2）计算1000Kg磷酸矿中各种Ca的量。

Ca5F(PO4)3的量：

100010330.56%CaF2的量：

12=1434.742mol 1423（10001033.2%MgCO3的量：

11434.742）0.5=124.735 mol 1910001030.76%CaCO3的量：

1188.539 mol 40.3110001032.91%1188.539=472.825 mol 44(3) 各种钙盐消耗硫酸量：

Ca5F(PO4)3的消耗量

1434.74296.5%598=678.418kg

1000CaF2的消耗量：

124.7359812.224 kg 1000CaCO3消耗量：

472.825 9846.337 kg

1000(4)成品酸中的游离硫量

1100032.2%96.5%2.9%96.5%33.011 kg

25%(5)消耗硫酸总计

678.41812.22446.33733.011769.99 kg

折算成98%的Ｈ2SO4为 ：

769.991785.704 kg 98%折算成SO3的量为：

769.993）成品磷酸组成：

(1)成品磷酸中个组分量

180628.563 kg 98P2O5=100030.56%96.5%294.904 kg

11SO3=100032.2%96.5%2.9%96.5%8026.948 kg

25%98Fe2O3=10000.66%91%6.006 kg Al2O3 =10000.57%82%4.674 kg SiO2=100011.32%10%11.32 kg K2O=10000.18%13%0.234 kg Na2O=10000.32%20%0. kg MgO=10000.76%98%7.448 kg F=10003.2%70%22.4 kg

其他=10000.75%68%5.1 kg （2）总磷酸量：294.90425%（3）成品磷酸中水的计算

1179.616 kg

在磷酸中的水可以分为自由水和结合水两种，结合水的计算采用阴阳离子平衡方法。

非金属和其他氧化物：P2O5 SO3 SiF4 F等。

金属及其他氧化物：Fe2O3 Al2O3 MgO Na2O K2O等。

判断F与Si是否平衡，首先判断磷酸中F与Si是否平衡，如果是Si过量，则酸中F以SiF62-的形式存在，多余的Si以SiO2的形式存在，如果是F过量，则酸中Si全部以 SiF62-的形式存在，多余的F以F-形式存在。

11.32=60.1MSiO2:MF22.4190.160＜0.1667 说明F过量。

阴离子组 物质的量：

1612.461kmol 1421 SO3=226.94820.674 kmol

801 SiO2=11.3220.377 kmol

60.111.321 F=[22.4(619)]10.049 kmol

60.119 小计：13.561 kmol 阳离子组物质的量：

1Fe2O3=6.00660.231 kmol

159160.273 kmol Al2O3=4.674102120.370 kmol MgO=7.44840.31Na2O、K2O及其他物质的量均用Na2O的值代替

1(0.0.2345.1)20.193 kmol

62小计：1.067 kmol

P2O5 =294.9041结合水量：（13.5611.067）18112.446kg

2由于在计算干物质时以氧原子代替SiF62-、F-等形式等量的氧为：

SiO2→SiF6→O

116(11.32142.1)3.014kg

60.1142.111F→O (22.411.32619)160.391kg

60.1192小计 ：3.405 kg

总干物质的量：

294.904+26.948+6.006+4.674+11.32+0.+0.234+7.448

+22.4+5.1+112.446-3.405=488.715 kg

自由水量：1179.6-488.715=690.885 kg

（4）成品磷酸组成：

表4.3成品磷酸组成表

组P2O5 分 % 25 结合水 SO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 0.396 F MgO Na2O K2O 其他 自由水 2.284 0.509 0.960 1.9 0.631 0.542 0.019 0.425 9.532 58.569 以上合计 100.766 调整-0.766，总计100 4 磷石膏组成

（1）磷石膏的组成量（kg）

CaO=100048.86%488.6

P2O5=100030.56%196.5%10.696

180601.615 98Fe2O3=10000.66%90%0.594 SO3=678.41812.22446.337Al2O3=10000.57%18%1.206 SiO2=100011.32%87%98.484 Na2O=10000.32%80%1.84 MgO=10000.76%2%0.152 K2O=10000.18%87%1.566 F=10003.2%13%4.160

其他=10000.75%32%2.4 结晶水678.41812.22446.3371182270.767 98（2）干物质中扣除与F相当的氧的物质的量为：

1F→O 4.16161.751kg

192（3）干物质总两量为：

488.6+10.696+601.615+0.594+1.026+98.484+0.152+1.84 +1.566+4.16+2.4+270.767-1.751=1480.149 kg

（4）磷石膏的组成

表4.5磷石膏的组成表

组成 % CaO SO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 MgO Na2O K2O 0.04 0.08 6.65 0.01 0.12 F P2O5 其他 结晶水 0.72 0.16 18.29 30.01 40. 0.11 0.28 以上合计100.1，调整-0.1，总计100

5 反应料浆量

反应后磷酸料浆中固体含量即干物质总量为1480.149 kg 已知料浆含固量为33%所以料浆量：

1480.1494485.3 kg

33%6.反应过程中排出气体的量，排出气体含CO2、HF、SiF4和H2O。各组分的量分别为： CO2：10002.91%29.1 kg

11045.877 kg 60.111HF：（[10003.2%17%）（100011.32%2%）4]201.206 kg

1960.1反应槽排出的水与闪蒸冷却蒸发水的计算，假定其总和为S=1.35 kg

SiF4：100011.32%3%7.回磷酸量及其组成： (1) 对反应槽进行物料衡算，

则有回磷酸量+磷矿浆量+硫酸量=磷酸料浆量+反应过程中排出的气体量+闪蒸冷却水量+反应槽蒸发水量

回磷酸

=4485.3+(29.1+5.877+1.206)-1562.5-785.704+S=2173.279+170.34=2343.619 kg

(2) 对反应槽进行P2O5平衡

[(4485.31480.149)(25%0.5%)100030.56%96.5%]120.115%

2343.619(3) 假定回磷酸是由成品磷酸稀释而成，故回磷酸组成（%）如下：

表4.6 回磷酸组成表

结合水 组P2O5 分 % SO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 0.396 0.319 F MgO Na2O K2O 其他 自由水 25 2.284 0.509 20.115 1.838 0.410 0.960 1.9 0.631 0.542 0.019 0.425 9.532 58.569 0.772 1.528 0.508 0.436 0.015 0.342 7.669 66.048 8 热平衡计算数据 (1) 物料温度：

磷矿浆 40℃ 磷酸料浆温度 78℃ 回磷酸 62℃

98% H2SO4 40℃

萃取槽尾气

磷酸料浆闪蒸冷却温差2.7℃ 65℃

(2) 大气参数：

环境温度 15℃ 相对湿度 78% 大气压 91.9KPa

(3) 比热容

干磷矿粉比热容：0.92 KJ/(kg·℃) 矿浆比热容：

0.92%4.184(1%)2.095KJ/(kg℃)

98%硫酸比热容：

Cp9.61714.3870.986.1540.9821.860103(4020)1.466KJ/(kg℃)

磷酸料浆比热容：

Cp4.1844.97825.5%0.38825.5%22.940KJ/(kg℃)

回磷酸比热容：

Cp4.1844.97820.115%0.38820.115%23.198KJ/(kg℃) (4) 生成热 （25℃ KJ/mol）

Ca5F(PO4)3(s)

-6813.8 Fe2O3(s) -824.80

H2O(l) -1297.0

-286.03

FePO4(s)

-1676.80

-1735.0 -1207.68 393.77 - -

CaSO4.2H2O(s) MgCO3(s) MgSO4(s) HF(g) CaF2(s) 1549.10 SiO2(s) 2332.88 H2SO4(l)(100%)

-2022.47

-1278.88

Al2O3(s) CaCO3(s)

-1113.68 -271.30 -1215.40 -909.66

AlPO4(s) CO2(g) SiF4(g) H2SiF6(g)

-909.875

9 显热

热量平衡计算的温度基准25℃，单位KJ

(1) 磷矿浆 2.0951562.5(4025)49101.563KJ

(2) 98%硫酸 1.466769.99(4025)16932.080KJ (3) 回磷酸 3.1982343.619(6225)277345.206KJ (4) 搅拌产生热量：搅拌桨装机功率850kW

18503600=30298.530KJ

100.99510 热损失

计算反应槽和过滤热量损失为5%

(49101.56316932.080277345.20630298.530)0.0518683.869KJ 11硫酸的稀释热

假如在反应过程中加入反应器的浓硫酸先稀释到料浆液相的硫酸根浓度，然后再与磷矿反应。

（1）稀释热计算公式：

74.76n74.76n

n1.7923n1.7953Q—稀释热KJmol n1—稀释前水与硫酸的摩尔比

Q

试中

n2—稀释后水与硫酸的摩尔比

已知成品磷酸中SO42-为2..9%，过滤操作时磷酸中P2O5浓度被稀释到0.5%，故磷酸料浆液相中的SO42-浓度为：

25%0.5%2.958%

25%已知成品磷酸中含自由水58.569%，磷酸料浆液相中含自由水为：

0.5% 58.569%-(1-58.569%)54.568%

25%2%98%(4) n10.111

1854.568%2.958% n2100.437

18(5) 2.958% H2SO4的生产热

2.9%747.6n

n1.7983Q生—生成热，KJmol； n—100.437

则 Q生=1548.830KJmol

(6) 98%H2SO4稀释到2.958% H2SO4的稀释热

Q生814.38 Q=69.099KJmol=705.092 KJkg（100% H2SO4）

12 磷酸生成热

(1) 将料浆中P2O5浓度折成H3 (PO4)3浓度

129834.507% 142(2) H3 (PO4)3 在自由水中的浓度

25%自由水：54.568% 在自由水中的浓度：

34.597%38.739%

34.507%54.568%(3) 查表得38.739%的H3 (PO4)3生成热为：1290.12KJmol 13.反应热

(1) 磷矿中各组分在与硫酸进行反应时，发生如下反应，各组分反应热见下面各式：

① Ca5F(PO4)3 ＋5H2SO4＋2H2O = 5CaSO4﹒2H2O＋3H3PO4＋HF＋Q1

Q1 = 140.6 KJ / mol

② CaF2＋H2SO4＋2H2O = CaSO4﹒2H2O＋2HF ＋ Q2 Q2 = -110.24 KJ / mol

③ HF＋1/6 SiO2 = 1/6 H2SiF6＋1/3 H2O＋Q3 Q3 = 61.25 KJ / mol

④ Fe2O3＋2H3PO4 = 2FePO4＋3H2O＋Q4 Q4 = 47.07 KJ / mol

⑤ Al2O3＋2H3PO4 = 2AlPO4＋3H2O＋Q5 Q5 = 71.09 KJ / mol

⑥ CaCO3 H2SO4＋ H2O = CaSO4.2H2O CO2＋Q6 Q6 = 34.68 KJ / mol

⑦ MgCO3＋H2SO4 = MgSO4＋CO2 ↑＋H2O＋Q7

Q7 = -42.92 KJ / mol

⑧ SiO2＋4HF = SiF4＋2H2O＋Q8

Q8 = 126.30 KJ / mol

（2）1000kg磷矿中各组分的物质的量

①、Ca5F(PO4)3 ：MCa5F(PO4)3=1434.742 mol ②、CaF2 ：MCaF2 =124.734 mol ③、MgCO3 ：MMgCO3 =188.539 mol ④、CaCO3 ：MCaCO3 =472.825 mol

⑤、Fe2O3 ：MFe2O3=41.327 mol ⑥、Al2O3 ：MAl2O3 =55.882 mol

⑦、SiF4 计算已知1000kg磷矿在反应产生气体5.877kg

1

5.877×103 ×104 =56.510 mol；

⑧、H2SiF6 由于磷酸中 HF过量，故以SiO2 的量计算H2SiF6 的量为：

100011.32188.353mol；

60.1(10) 反应热：

QQiMi

i=18140.61434.74296.5%(110.24)124.73461.25188.35347.0941.32771.0955.88234.68472.825(42.92)188.539126.3056.510 213811.785KJ14 反应热+稀释热

213811.785705.092769.99756725.574KJ/1000kg(矿)

15 热平衡 （单位：KJ/1000kg矿）

(1) 输入热量

磷矿浆显热：491010.563 回磷酸显热：277345.206 30298.530

反应热+稀释热：756725.574 总和：130402.953 (2) 输出热量

料浆带出显热：2.940 ×4485.3×(78-25)=69.446 热损失：18683.869 则总和为：717583.315

(3)需冷却系统及反应槽尾气移走的热量为：

130402.953-717583.315=412819.638KJ

16 料浆真空冷却蒸发水量 3200m3/h料浆经真空冷却系统温度降低2.7℃，移走热量为：

32001.521032.942.7=38610432KJ/h 382300.431KJ/1000kg(矿)

78℃时水的蒸发潜热为2313.317KJkg.H2O 料浆真空冷却系统蒸发的水量为：

硫酸显热： 16932.080

搅拌产生热：

382300.431165.261kg

2313.31717 (1)反应槽尾气带走的热量为：

412819.638-382300.431=30519.208KJ

(2) 反应槽尾气有两部分组成：空气+水蒸气；CO2+ HF +SiF4

其中：CpCO20.921KJ/(kg℃)；

CpHF1.423KJ/(kg℃)；CpSiF40.753KJ/(kg℃)。

(3)CO2、 HF 、SiF4、带走的热量为：

(0.921×29.1+1.423×1.206+0.753×5.877) ×(65-25)=12958.704KJ (4) 由空气和水蒸气带走的热量为

30519.208-12957.704=17561.504KJ

(5) 空气带走热量，进反应槽空气状态参数

环境温度：15℃ 相对湿度：78% 大气压力：91.9KPa 此时空气饱和蒸汽压力为：

PS123991.11exp(18.5916)1.679KPa 1515233.54(91.91.67978%)8.994103KJ/kg(干空气)

水蒸气量为：

H10.62278%1.679空气焓值为：

I1(1.0051.8848.994103)15+2491.38.994103=37.736KJ/kg(干空气) 出反应槽空气状态参数：

温度 65℃ 相对湿度：75% 大气压：91.9KPa

此时空气饱和蒸汽压力为：

PS223991.11exp(18.5916)24.713KPa 1565233.54(91.924.71375%)0.15KJ/kg(干空气)

水蒸气量为：

H10.62275%24.713空气焓值为：

I1(1.0051.8840.15)15+2491.30.15=480.651KJ/kg(干空气) (6) 进反应槽干空气量为：

17561.504=33.877kg(干空气)

（37.736+480.65）(7) 由空气带走的水分量为：

33.877(0.158.99103)5.078kg

18 计算出真空蒸发和反应槽尾气蒸发的水量

165.261+5.078=170.339kg

该值与原假定值170.34很接近，故计算通过

19 第一次过滤

（1）过滤机给料量：4485.3kg

（2）过滤机给料量中的固相量：1480.149kg （3）从料浆中分离出的液相量： (4485.3－1480.149)－[1480.149×150%]=1525.002kg

150%（4）滤布带入水量

1－1525.002=30.500kg 25%（5）第一次过滤后滤饼含液量：

50%1480.149×=1480.149kg

(150%)（6）第一次过滤滤液总量

1525.002×(0.5%＋25%)×1525.002+30.5=1555.502kg

其中成品磷酸量为：1179.616kg

并入回磷酸的量为：1555.502-1179.616=375.886kg （7）滤饼中液相P2O5浓度为25%，滤饼中可溶性P2O5量为：

1480.149×（25%+0.5%）=377.438kg

20 第二次过滤

（1）由第一次过滤来的固相量：1480.149kg 由第一次过滤来滤饼中的液体量：1480.149kg 去第三次过滤的固体量：1480.149kg 去第三次过滤的液体量：

11480.149××40%=986.768 kg

140%第二次过滤的滤液量：2343.619-375.886=1967.733 kg

(2) 对第二次过滤作物料平衡得到一洗滤液量

1480.149+986.768 +1967.733-1480.149-1480.149=1474.352kg (3) 对第二次过滤作P2O5平衡：

已知回磷酸浓度为20.115%，则第二次过滤滤液中P2O5浓度为：

119.182%

1967.733第一次过率后滤饼液相中含可溶性 P2O5量为377.438 kg

(2343.61920.115%375.88625%)第二次过滤带出滤液的P2O5量：

2343.61920.115%375.88625%=377.447 kg

设第二次过滤时滤饼中带出的可溶性P2O5量为y，第一次带入的P2O5量为x x377.438377.447y

因为以知磷矿的分解率以的P2O5回收率，则在磷石膏排渣中可溶性P2O5量为：

100030.56%96.5%96.0%1.528kg

又R1=0.3 R2=0.15可计算到第二次过滤后滤饼中含有可溶性P2O5量为:

1111y1.5281.52833.955kg

R2R10.30.15 因此得 x=33.9 kg 一洗液的P2O5浓度为：

33.9100%2.304%

1474.352

去第三次过滤的操作的滤饼中可溶性P2O5浓度为：

33.955100%3.441%

986.76821 第三次过滤

（1）由第二次过滤来的固相量：1480.149kg

由第二次过滤来滤饼中的液体量：986.768kg 第三次过滤滤液量（一洗液）：1474.352kg 去第四次过滤的固体量：1480.149kg 去第四次过滤的液体量：1480.149（2）二洗液量

1474.352+1480.149+797.003-1480.149-986.768=1284.587kg

（3）对第三次过滤作P2O5平衡

由第二次过滤带入可溶性P2O5量为：33.955kg

由第二次洗液带入P2O5量x kg 第三次过滤滤液带出P2O5：33.9kg 第三次过滤饼中带出可溶性P2O5为y 则： 又 故得：

33.955x33.9y

y R10.333.955 y=10.186 x=10.195

135%797.003kg

135% 因此二洗液的P2O5浓度为：

10.1950.794%

1284.587去第四次过滤的滤饼中可溶性P2O5浓度为：22 第四次过滤

（1）由第三次过滤来的固相量：1480.149kg

10.1861.278%

797.003由第三次过滤来滤饼中的液体量：797.003kg 加入的洗涤水量x

去排渣系统的固相量：1480.149kg 去排渣系统的液相量：

129%604.568kg

129%第四次过滤的滤液量（二洗液）：1284.587 kg

1480.149因此，洗涤水量：

x=1480.149+604.568+1284.587-1480.149-797.003 =1092.152kg

排渣时磷石膏中可溶性P2O5量为1.528kg，折算成液相P2O5浓度为：

1.5280.253%

604.568即排出的磷石膏滤饼中液相含可溶性P2O5的浓度为：0.253%

表4.6湿法磷酸系统热量衡算表

输入 项目名称 磷矿浆带入 硫酸带入 回磷酸带入 反应热+稀释热 搅拌产生热 合计

热量KJ/t矿 49101.563 16932.08 277345.206 756725.574 30298.530 1130402.953 输出 项目名称 反应槽料浆带出 热损失 冷却空气带出 CO2、SiF4及HF气体带出 二水分蒸发 合计 热量KJ/t矿 69.446 18683.869 17561.504 12957.704 382300.431 1130402.953 磷矿浆157.805（含水36%） 硫酸785.704（98%） 尾气 总量：41.261 其中：CO2：29.1 SiF4：5.877 HF： 1.206 H2O：5.078 反 应 槽 真空冷却 二次蒸汽 165.261 反应料浆 4485.3 （含固33%） 回磷酸 2343.619 20.115% 滤布带入水 30.5 并入回磷酸 375.886（25%） 第 一 次 过 滤 成品酸 1179.616（25%） 滤饼总量 2960.298 固相 1480.149 液相 1480.149 滤液 1967.773 （19.182%） 第 二 次 过 滤 （一洗） 滤饼总量 2466.917 固相 1480.149 液相 986.768 滤液 1474.352 （2.304%） 第 三 次 过 滤 （二洗） 滤饼总量 2277.152 固相 1480.149 液相 797.003 洗涤水 1092.152 第 四 次 过 滤 （三洗） 滤液 1284.587 滤饼总量 2084.717 固相1480.149 液相 604.568 磷石膏 （单位：kg） 图 4.1二水物磷酸反应和过滤部分物料平衡图（以1000kg干基磷矿为基

准）

磷矿浆1562.5（含水36%） 硫酸79.352（98%） 尾气 总量：4.167 其中：CO2：2.939 SiF4：0.594 HF： 0.122 HO：0.513 反 应 槽 反应料浆 452.993 （含固33%） 真空冷却 二次蒸汽 16.691 回磷酸 236.694 20.115% 滤布带入水 3.080 成品酸 119.135（25%） 并入回磷酸 37.963（25%） 第 一 次 过 滤 滤饼总量 298.975 固相 149.488 液相 149.488 滤液 198.735 （19.182%） 第 二 次 过 滤 （一洗） 滤饼总量 249.146 固相 149.488 液相 99.659 第 三 次 过 滤 滤液148.902 （2.304%） （二洗） 滤饼总量 229.981 固相 149.488 液相 80.493 第 四 次 过 滤 （三洗） 滤液 129.737 洗涤水 110.302 滤饼总量 210.546 固相149.488 液相 61.058 磷石膏 （单位：t/h） 图4.2 二水物法磷酸反应和过滤部分物料平衡图（年产20万t/a100%P2O5磷

酸）