Технология производства фофорной кислоты

(10425,01/32780)*100 = 31,8%

Найдем распределение пульпы по секциям экстрактора при условии, что процесс протекает в 5 секциях

1. В последнюю секцию поступает 6400 кг пульпы (то же количество, что и на фильтрацию), так как пульпа на циркуляцию отводится из последней (четвертой) секции;
2. В первую секцию возвращается пульпа с учетом испаряющейся воды при экстракции

43660 – 6400 – 140 = 37120 кг

(140 кг-количество воды, испаряющейся  при вакуум-испарении пульпы)

в том числе, кг:

твердой фазы  10880 – 1600 = 9280

жидкой фазы 32780 – 4800 – 140 = 27840

3. Количество P2O5 в жидкой фазе пульпы, возвращаемой в первую секцию  (то же, что поступает с циркуляционной пульпой):

10425,01–1533,09 = 8891,92 кг

Концентрация P2O5 в жидкой фазе циркулирующей пульпы:

(8891,92/27840)*100 = 31,94%.

Найдем количество воды, необходимое для промывки гипса:

Таблица 2

Количество воды, требуемое для промывки гипса

Поступает в систему	m, кг	Уходит из системы	m, кг
Серной кислоты	1197,4	Влажного гипса, содержащего 40% воды	1600/0,6 ≈ 2667
Апатитового концентрата	1000	Фосфорной кислоты	1182,5
		SiF4	8,2
		Испаряется воды при                                                                                                                           фильтрации	29,5
		Испаряется воды при                                                                                                                          вакуум-охлаждении	140
Всего	2197,4	Всего	4027,2

 

Необходимо ввести воды в систему:   4027,2 – 2197,4 ≈ 1830 кг.

Ниже приведен материальный баланс производства экстракционной фосфорной кислоты (на 1 т апатитового концентрата) [7]:

Таблица 3

Материальный баланс производства ЭФК

Приход	m, кг	Расход	m, кг
Апатитовый концентрат	1000	Продукционная фосфорная кислота	1182,5
Серная кислота	1197,4	Фосфогипс (влажный)	2667,0
Раствор разбавления             оборотная кислота             промывные растворы	2189,5 2161,3	Раствор разбавления              оборотная кислота              промывные растворы	2189,5 2161,3
Циркулирующая пульпа	37120	Фтористый газ (SiF4)	8,2
Вода	1829,8	Испарившаяся вода      при фильтрации      при вакуум-охлаждении	29,5 140
		Циркулирующая пульпа	37120
Всего	45489,0	Всего	45489,0

 

6. Энергетический (тепловой) баланс производства                                                         экстракционной фосфорной кислоты

Ca5F(PO4)3 + 5 H2SO4 + 5 nH2O = 3 H3PO4 + 5 CaSO4*nH2O + HF

Составляем часовой тепловой баланс процесса экстракции фосфорной кислоты (32% P2O5) для цеха производительностью 110 тыс. т. в год в пересчете на P2O5.

Часовой расход составляет: апатитового концентрата 36,7 т; 100%-ной H2SO4 33,5 т; циркулирующей пульпы на входе в вакуум-испаритель 1412 т, а на выходе из него 1406 т; раствора разбавления 145,2 т. На фильтрование отводится 235 т/ч пульпы. В экстрактор поступает разбавленная до 56% серная кислота, охлажденная до 40 ОС. Раствор разбавления содержит 29,2 % P2O5, а жидкая фаза циркулирующей пульпы 32% P2O5. В экстрактор подается 5000 м3/ч воздуха для отсоса выделяющихся газов. Теплопотери в окружающую среду составляют по практическим данным примерно 1,8% от других статей расхода.

Приход теплоты.

Суммарная теплота определяется теплотами, вносимыми: апатитом (Qап), серной кислотой (Qск), раствором разбавления (Qр.р), а также теплотами реакции (Qр) и разбавления серной кислоты в экстракторе (Qразб). Кроме того, теплоту вносит поступающий воздух (Qвозд) и циркулирующая пульпа (Qц.п). Итак:

Qприх = Qап + Qск + Qр.р + Qр + Qразб + Qвозд + Qц.п

Определим эти теплоты.

Qап = 36700*0,783*17,6 = 505755 кДж ≈ 505 МДж,  где

где 0,783 - удельная теплоемкость апатитового концентрата, кДж/(кг*К);

17,6 - средняя температура  в Северо-Западном районе в  самом жарком месяце (июль), т.е. в  период наиболее напряженного  теплового режима цеха, °С.

Qск = 59800*2,470*40 = 5908747 кДж ≈ 5908,7 МДж,

где 2,470 - удельная теплоемкость 56%-ной H2SO4, кДж/(кг·К);

40 - температура кислоты, °С;

Qр.р = 145200*3,036*55 = 24245496 кДж ≈ 24245,5 МДж,

где 3,036 - удельная теплоемкость раствора разбавления фосфорной кислоты концентрации 29,2% P2O5 или 40,3% H3PO4 кДж/(кг*К), определяемая по уравнению: С = 4,2324 – 0,02968 * 40,3 = 3,036 кДж/(кг*К)

55 - температура поступающего  раствора разбавления, °С.

Тепловой эффект реакции взаимодействия серной кислоты с апатитовым концентратом (при условии, что весь Р2О5 в апатитовом концентрате находится в виде фторапатита)

CaF(PO4)3 + 5 H2SO4 + 10 H2O = 5 CaSO4·2H2O + 3 H3PO4 + q,

определяем по закону Гесса

q = (5*2022,6 + 3*1278,2 + 269,6) - (6828,7 + 5*839,5 + 10*286,4) = 14217,2 - 13890,2 = 327 кДж/кмоль,

В таблице ниже приведены значения теплот образования реагирующих веществ и образующихся продуктов реакции равны, в кДж/кмоль 

Таблица 4

Теплоты образования реагентов и продуктов реакции

Наименование Вещества	Теплоты образования Q, кДж/моль
CaSO4*2H2O (тв)	2022,6
H3PO4 (р-р)	1278,2
HF (г.)	269,6
CaF(PO4)3 (тв.)	6828,7
H2SO4 (р-р)	839,5
Н2О (ж)	286,4

 

Отсюда

Qр = 36700*0,93*0,98*327*1000/504 = 21701627 кДж ≈ 21701,6 МДж,

где 0,93 - содержание фторапатита в апатитовом концентрате, доля единицы;

0,98 - степень разложения  фторапатита, доля единицы;

504 - молекулярная масса  фторапатита.

Теплоту разбавления в экстракторе 56%-ной H2SO4 определяем по формуле:

Qразб = Gk*q/98 = (33500*20976,9)/98 = 717065 кДж ≈ 7170,7 МДж,

где Gk - часовое количество серной кислоты, поступающей в экстрактор, кг.

Удельную теплоту разбавления серной кислоты q определяем по формуле:

q = 74776n2/(n2 + 1,7983)  - 74776n1/(n1 + 1,7983) кДж/кмоль.

Здесь n1 и n2 - мольное отношение H2O: H2SO4 в исходном и конечном растворах серной кислоты (до и после разбавления в экстракторе).

n1 = (44 * 98)/(18 * 56) = 4,28 кмоль Н2О/кмоль H2SO4.

Для определения n2 необходимо знать концентрацию серной кислоты С2 после разбавления в экстракторе (в предположении, что взаимодействие кислоты с апатитом происходит после смешения ее с другими жидкими компонентами). Эту концентрацию определяют по данным материального баланса, составленного на 1000 кг апатитового концентрата

С2 = 910/(910+715+3940,5*(1-0,403) + 38234,4*0,75*(1-0,442)) * 100 = 4,55%,

где 910 и 715 - количества моногидрата и воды, поступающих с 56% - ной H2SO4, кг;

3940,6 и 38234,4 - количества раствора  разбавления и циркулирующей  пульпы, поступающих в экстрактор, кг;

0,403 и 0,442 - концентрации Н3РО4 в растворе разбавления и циркулирующем растворе, доли единицы;

0,75 - содержание жидкой  фазы в циркулирующей пульпе, доли единицы.

Окончательно:

n2 = 95,5/18*98/4,5 = 115,54 кмоль Н2О/кмоль H2SO4.

Следовательно

q = 74776*115,54/(115,54+1,7983) – 74776*4,28/(4,28+1,7983) = 20976,6 кДж/кмоль.

Поступающий в экстрактор воздух вносит

Qвозд = 5000*1,004*1,29*20 + 5000*2333*18*0,8*2530/((101323-2333*0,8)*22,4)= 320275 кДж ≈ 320,3 МДж,

где 5000 - объем при н. у. поступающего воздуха (по практическим данным), м3/ч;

1,004 - теплоемкость воздуха, кДж/(кг*К);

1,29 - плотность воздуха  при 0 °С и 1,013 · 105 Па (760 мм рт. ст.), кг/м3;

2333 Па - парциальное давление  водяных паров в насыщенном  при 20 ° воздухе (17,5 мм рт. ст.);

0,8 - относительная влажность  воздуха;

2530 - энтальпия водяных  паров при 20 °С, кДж/кг.

Теплота, поступающая в экстрактор с циркулирующей пульпой из вакуум-испарителя Qц.п есть разность между общим приходом и расходом теплоты.

И окончательно, общий приход теплоты в экстрактор равен

Qприх = 505755 + 5908747 + 24245496 + 21701627 + 7170675 + 320275 + Qц.п =     59852575 + Qц.п, кДж.

Расход теплоты.

Уносимая теплота есть сумма теплот: пульпы, направляемой на фильтрацию (Qп); газов, выходящих из экстрактора (Qг); циркулирующей пульпы, поступающей из экстрактора в вакуум-испаритель для охлаждения (Q'ц.п) и теплотпотерь (Qпот).

Определим эти теплоты.

Теплота отходящей о экстрактора пульпы на фильрацию при 69 °С равна

Qп = 235000*Сп*69,

где 235000 - количество пульпы, кг;

69 - температура, °С;

Сп - удельная теплоемкость пульпы, кДж/(к · К), определяемая по формуле:

Сп = Сж * Хж + Ств * Хтв,

здесь Сж и Ств - теплоемкости жидкой и твердой фаз в пульпе кДж/(кг*К)

          Хж и Хтв - массовые доли жидкой  и твердой фаз в пульпе.

Принимаем, что жидкая фаза пульпы представляет собой раствор фосфорной кислоты (без учета примесей), а твердая фаза - гипс, тогда:

Сп = (4,2324 - 0,02968*44,8)*4800/6400 + 1,072*1600/6400 = 3,188 кДж/(кг* К),

где 4,2324 - 0,2968*44,8 - удельная теплоемкость фосфорной кислоты концентрации 44,2% H3PO4 или 30% Р2О5;

4800/6400 - содержание фосфорной  кислоты в пульпе с отношением  Ж/Т = 3:1;

1600/6400 - содержание гипса  в пульпе;

1,072 - теплоемкость гипса.

И окончательно:

Qп = 235000*3,188*69 = 51693420 кДж ≈ 51693,4 МДж/ч.

Теплота газов, уходящих из экстрактора при 40 °С, в расчете на воздух и водяные пары:

Qг = 5000*1,004*1,29*40 + 5000*7373*18*0,8*2568,6/((101323-7373*0,8)*22,4) = 896950 кДж ≈ 897,0 МДж/ч.

где 5000*1,004*1,29*40 - теплота, вносимая воздухом, поступающим в экстрактор;

7373 Па - парциальное давление  водяных паров в газе, насыщенном  при 40 °С;

0,8 - относительная влажность  воздуха;

2568,6 - теплота водяных  паров, кДж/кг.

Теплота, уносимая циркулирующей пульпой, направляемой в вакуум-испаритель, составляет

Q'ц.п = 1412000*3,188*69 = 310405608 кДж ≈ 310405,6 МДж

где 1412000 – количество циркулирующей пульпы, кг;

3,188 – теплоемкость пульпы, кДж/(кг*К).

Теплопотери Qпот по практическим данным составляют ~ 1,8% от других статей расхода теплоты, т.е. 6533,9 МДж.

Общий расход теплоты из экстрактора составит:

Qрасх = 51693,4 + 897,0 + 310405,6 + 6533,9 = 369529,9 МДж/ч.

Зная общий расход, определяем теплоту, вносимую поступающей в экстрактор циркулирующей пульпой; она равна:

Qц.п = 369529,9 – 59852,6 = 309677,3 МДж.

Итак, в таблице 5 представлен часовой тепловой баланс отделения экстракции фосфорной кислоты [7]:

Таблица 5

Часовой тепловой баланс отделения ЭФК

Приход	Q, МДж/ч	Расход	Q, МДж/ч
С апатитовым концентратом	505,8	С пульпой, поступающей на фильтрование	51693,4
С 56%-ной H2SO4	5908,7	С газами, уходящими из экстрактора	897,0
С раствором разбавления	24245,5	С циркулирующей пульпой, выходящей из экстрактора	310405,6
Теплота реакции разложения апатита	21701,6	Теплопотери	6533,9
Теплота разбавления 56%-ной H2SO4	7170,7
С входящим воздухом	320,0
С циркулирующей пульпой	309677,3
Всего	369529,9	Всего	369529,9