Реконструкция цеха экстракционной фосфорной кислоты ОАО “ГХЗ”

5 Расчет материальных и тепловых балансов

5.1 Расчет материальных балансов

Исходные  данные согласно[15]: производительность установки в расчете на P₂O₅, 12557,078 кг/ч, сырье – 92%-ная серная кислота и апатитовый концентрат состава, представленного в таблице 5.1:

Таблица 5.1 –  Состав апатитового концентрата

Компоненты	Содержание, масс.%
Р2О5 СаО CaF2 Ce2O3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 Нерастворимый остаток H2O	39,35 47,42 6,22 0,95 0,82 2,0 1,67 1,07 0,5
Итого:	100,00

Все реакции, происходящие с участием редкоземельных элементов, рассчитаны на церий. Готовый продукт – фосфорная кислота с содержанием 28% P₂O₅.

Условия проведения процесса:

норма серной кислоты (моногидрат) –из стехиометрического расчета на кальций

степень разложения апатитового концентрата 0,98

степень отмывки фосфогипса от P₂O₅ 0,98

степень извлечения P₂O₅ в Н₃РО₄   0,96

кратность циркуляции (отношение количества циркулирующей суспензии к количеству продукционной суспензии, т.е. к суспензии, поступающей на фильтрование) 8:1

степень перехода фтора из апатитового  концентрата, выделяющееся в газовую фазу 25%

отношение (Ж:Т) 3:1

5.1.1 Материальный расчет  разложения апатитового концентрата

Расход апатитового  концентрата (исходя из указанного выше состава)

 

 

 

 

 

 

где 0,3935–доля P₂O₅ в апатитовом концентрате; 0,96–степень извлечения P₂O₅ в Н₃РО₄.

Часовой расход отдельных компонентов представлен  в таблице 5.2.

Таблица 5.2 –  Количество отдельных компонентов  в апатите

Компоненты	Количество, кг/ч
Р2О5 СаО CaF2 Ce2O3 Fe2O3 Al2O3 SiO2 Нерастворимый остаток H2O	13080,29 15762,44 2067,58 315,79 272,58 664,82 555,12 355,68 166,20
Итого:	33240,50

Производство  фосфорной кислоты может быть представлено с помощью последовательных химических реакций:

               Ca₅(PO₄)₃F + nH₃PO₄ + aq = 5Ca(H₂PO₄)₂ + (n-7)H₃PO₄ + HF + aq,    (5.1)

                   5Ca(H₂PO₄)₂ + 5H₂SO₄ +aq =10H₃PO₄ + 5CaSO₄ ∙ 2H₂O + aq.         (5.2)

Суммарное стехиометрическое  уравнение имеет вид

Са₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + nH₃PO₄ + aq = 3H₃PO₄ + 5CaSO₄ ∙2H₂O + nH₃PO₄ +

+ HF + aq                                                              (5.3)

Так как по представленному суммарному уравнению не представляется возможным рассчитать материальный баланс в полном объеме, то необходимо учитывать следующие дополнительные стехиометрические уравнения, по которым и производится расчет:

Р₂О₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄                                                     (5.4)

CaO + H₂SO₄  = CaSO₄ + H₂O                                         (5.5)

CaF₂ + H₂SO₄  = CaSO₄ + HF                                          (5.6)

Fe₂O₃ + 2H₃PO₄ = 2FePO₄ + 3H₂O                                  (5.7)

Al₂O₃ + 2H₃PO₄ = 2FePO₄ + 3H₂O                                (5.7)

Ce₂O₃ + 2H₃PO₄ = 2CePO₄ + 3H₂O                                  (5.8)

6HF + SiO2 = H₂SiF₆ + 2H₂O                                          (5.9)

4HF + SiO2 = SiF₄ + 2H₂O                                                    (5.10)

В уравнениях (5.9) и (5.10) участвует фтористый водород, образовавшийся по реакции (5.6).

– по уравнению (5.4) образуется Н₃РО₄

расходуется воды

где 142, 98, 18 – молекулярные массы  Р₂О₅, Н₃РО₄, H₂O; 0,98 – степень разложения апатитового концентрата.

– по уравнению (5.5) расходуется H₂SO₄

образуется CaSO₄

,

образуется воды

где 98, 56, 136 – молекулярные массы  Н₂SО₄, CaO, CaSO₄

 

– по уравнению (5.6) расходуется H₂SO₄

образуется CaSO₄

,

образуется HF

где 98, 78, 136, 20 – молекулярные массы Н₃SО₄, CaF₂, CaSO₄, HF.

Всего по уравнениям (5.5) и (5.6) требуется  серной кислоты

При этом образуется

 

При этом связывается  воды:

– по уравнению (5.7) расходуется Н₃РО₄

образуется FeРО₄

образуется воды

– по уравнению (5.7) расходуется Н₃РО₄

образуется AlРО₄

образуется воды

– по уравнению (5.8) расходуется Н₃РО₄

образуется CeРО₄

образуется воды

По уравнениям (5.9) и (5.10), согласно данным, 25% фтора переходит в газообразную фазу, из них 20% – в виде SiF₄ и 5% – в виде HF; 75% фтора остается в жидкой фазе в виде H₂SiF₆.

Количество HF, перешедшего в газообразную фазу:

в виде SiF₄

в виде HF

всего переходит HF в газовую фазу

Остается HF в жидкой фазе

– по уравнению (5.9) реагирует HF

расходуется SiО₂ (раств.)

образуется Н₂SiF₆

образуется воды

– по уравнению (5.10) реагирует HF

расходуется SiО₂ (раств.)

образуется SiF₄

образуется воды

 

Всего образуется воды по уравнениям (5.5 – 5.10)

Связывается фосфорной кислотой по уравнениям (5.7) и (5.8)

Остается  свободной фосфорной кислоты  в растворе

По уравнениям (5.5) и (5.6) требуется израсходовать  серной кислоты

из них воды

С целью получения  подвижных суспензий с заданным соотношением Ж:Т разложение апатитового концентрата осуществляется 56%-ной серной кислотой, для чего 92%-ная кислота предварительно разбавляется водой. Количество 56%-ной серной кислоты составит

из них воды

Количество  воды, которое необходимо подать для  разбавления 92%-ной серной кислоты до 56%-ной,

Поступает воды с серной кислотой 23240,13 кг/ч, образуется по уравнениям (5.5–5.10) 2572,03 кг/ч, с апатитовым концентратом 166,20 кг/ч, всего 28748,03 кг/ч.

Расходуется воды на образование Н₃РО₄ по уравнению (5.4) 4874,71 кг/ч, остается воды в суспензии 28748,03–4874,71=23873,32 кг/ч. Из этого количества связывается с CaSO₄ 10865,52 кг/ч, т.е. остается свободно воды 13007,80 кг/ч.

Количество  апатитового концентрата, не перешедшего  в раствор, представлено в таблице 5.3:

Таблица 5.3 – Количество апатитового  концентрата  не перешедшего в раствор

Компоненты		Количество, кг/ч
Р2О5 СаО CaF2 CeO3 Fe2O3 Al2O3 SiO2(раств)	13080,29 ∙ 0,02= 15762,44∙0,02= 2067,58∙0,02= 315,79∙0,02= 272,58∙0,02= 664,82∙0,02= 555,12-(389,66+155,87)=	261,61 315,25 41,35 6,32 5,45 13,29 9,59
Итого:		652,86

 

Поступает с  апатитовым концентратом нерастворимого остатка 355,68 кг/ч, всего получается остатка в суспензии 652,86 + 355,68 = 1008,54 кг/ч.

Таблица материального баланса процесса разложения представлена в таблице 5.4.

Таблица 5.4 –  Материальный баланс разложения апатитового концентрата серной кислотой (без учета промывных вод и циркулирующей суспензии)

Приход		Расход
статья	кг/ч	статья	кг/ч
Апатитовый концентрат: Р2О5 СаО CaF2 CeO3 FeO3 AlO3 SiO2 Нерастворимый остаток H2O	33240,50 13080,29 15762,44 2067,58 315,79 272,58 664,82 555,12 355,68 166,20	Твердая фаза суспензии: CaSO4∙2H2O FePO4 AlPO4 CePO4 Нерастворимый остаток	51913,026 419,99 827,63 443,45 1008,54
		Итого твердой фазы	54612,64
		Жидкая фаза суспензии: Н3PO4 H2SiF6 Вода	17181,24 935,18 13007,80
Итого	33240,50
H2SO4(100%) Вода с H2SO4	29578,35 23240,13	Итого жидкой фазы	31124,22
		Итого суспензии	85736,86
Итого H2SO4+H2O	52818,48	Газовая фаза: SiF4 HF	270,17 51,95
Всего:	86058,98
		Итого газовой фазы	322,12
		Всего	86058,98

Для проверки правильности материального расчета  разложения апатитового концентрата  составляем баланс по основному компоненту – Р₂О₅.

Всего поступает  Р₂О₅ с апатитовым концентратом 13080,29 кг/ч. Из этого количества переходит в раствор

Количество  Р₂О₅, не перешедшего в раствор,

Из 13080,29 кг/ч  Р₂О₅ образуется 17693,395 кг/ч фосфорной кислоты.

Расходуется фосфорной кислоты:

уходит с  гипсом

расходуется на образование FeРО₄ ,AlРО₄ и CeРО₄ по уравнению (5.7)-(5.8)

всего расходуется фосфорной кислоты

Количество  продукционной фосфорной кислоты

или в пересчете на Р₂О₅

Количество  продукционной фосфорной кислоты в пересчете на 28% по Р₂О₅

в том числе воды

Баланс по Р₂О₅ приведен в таблице 5.5.

Таблица 5.5 – Баланс по Р₂О₅

Приход		Расход
статья	кг/ч	статья	кг/ч
С апатитовым концентратом	13080,29	Переходит в продукционную  кислоту	11284,35
		Уходит с гипсом:  нерастворимый остаток  соли (Fe,Ce,Al)PO4 жидкая фаза	256,499 1278,079 261,61
		Итого с гипсом	1796,18
Всего	13080,29	Всего	13080,29

5.1.2 Материальный расчет  экстрактора

Раствор разбавления, вводимый в экстрактор, представляет собой смесь промывной воды, получающейся от промывки фосфогипса, с оборотной фосфорной кислотой (часть отфильтрованной фосфорной кислоты является продукционной, часть же возвращается в реакторы на разложение фосфата). Масса раствора разбавления рассчитывается следующим образом.