1、贵州川恒化工股份有限责任公司湿法磷酸生产基本原理湿法磷酸生产基本原理-贵州川恒化工股份有限责任公司目录1 湿法磷酸基本原理湿法磷酸基本原理1.1 湿法磷酸原理结构图湿法磷酸原理结构图1.2 化学反应原理化学反应原理1.3 硫酸钙结晶原理硫酸钙结晶原理1.3.1 硫酸钙晶型和晶习硫酸钙晶型和晶习1.3.2 硫酸钙结晶热力学原理硫酸钙结晶热力学原理1.3.3 硫酸钙结晶动力学原理硫酸钙结晶动力学原理1.3.4 硫酸钙在四元系统相平衡硫酸钙在四元系统相平衡2 硫酸钙结晶过程硫酸钙结晶过程2.1 晶核生成对结晶过程影响晶核生成对结晶过程影响2.2 晶核生长对结晶过程的影响晶核生长对结晶过程的影响2.3
2、晶核生成和晶体成长在硫酸钙结晶过程体现晶核生成和晶体成长在硫酸钙结晶过程体现3 工业操作条件及杂质对二水硫酸钙结晶过程影响工业操作条件及杂质对二水硫酸钙结晶过程影响3.1 工业操作条件对二水硫酸钙结晶影响工业操作条件对二水硫酸钙结晶影响3.2 磷矿中杂质对二水硫酸钙结晶过程影响磷矿中杂质对二水硫酸钙结晶过程影响4主要工艺指标计算主要工艺指标计算5 参考文献参考文献-贵州川恒化工股份有限责任公司湿法磷酸生产基本原理化学反应基本原理硫酸钙结晶原理硫酸钙结晶热力学原理硫酸钙结晶动力学原理1.1 湿法磷酸原理结构图湿法磷酸原理结构图-贵州川恒化工股份有限责任公司1.2 化学反应原理化学反应原理1.2.
3、1 湿法磷酸定义 用酸(H2SO4、HNO3、HCl等)分解磷矿制得磷酸的方法，湿法磷酸最基本和常见的是用H2SO4分解磷矿制取磷酸。1.2.2 H2SO4分解磷矿的主要化学反应式v磷矿与循环料浆(或返回系统的磷酸)进行预分解反应：Ca5F(PO4)3 +7H3PO4 =5Ca(H2PO4)2 +HF (A)v磷酸二氢钙料浆与稍过量的硫酸进行萃取结晶反应：5Ca(H2PO4)2 +5H2SO4 +5nH2O =5CaSO4nH2O+10H3PO4 (B)(A)+(B)的总反应为：Ca5F(PO4)3+5H2SO4 +5nH2O=5CaSO4nH2O+3H3PO4+HF 1.2.3 湿法磷酸生产
4、的控制方向 最大P2O5收率磷矿P2O5转化率P2O5过滤洗涤率结晶粗大整齐易过滤洗涤硫酸钙水合结晶稳定-贵州川恒化工股份有限责任公司1.3 硫酸钙结晶原理硫酸钙结晶原理1.3.1 硫酸钙的晶型硫酸钙的晶型(不同硫酸钙水合结晶不同硫酸钙水合结晶)和晶型和晶型(各种硫酸钙水合结晶的外形各种硫酸钙水合结晶的外形)硫酸钙晶型CaSO42H2O-CaSO40.5H2OCaSO4薄片状结晶:晶体面积大，孔隙率小，不易过滤。双晶体或多晶体:较好的过滤洗涤性能，晶间包藏大。斜方六面单晶体:有一定厚度，较佳过滤洗涤性能。针状晶体:过滤速度快，洗涤困难，滤饼含湿量大。针状聚合晶体:过滤性好，晶间包藏大，不易洗涤
5、。球状聚合晶体:颗粒晶体粗大均匀，孔隙率大，有较好的过滤洗涤性能。细小长方形片状晶体:结晶细小，过滤洗涤困难。-贵州川恒化工股份有限责任公司1.3.2 硫酸钙结晶的热力学原理硫酸钙结晶的热力学原理1.3.2.1 硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2O三元体系相平衡ef线半水物与无水物转化平衡线CaSO40.5H2O CaSO4 +0.5H2O转化平衡点磷酸浓度与温度关系式T1=-0.153P+0.00667P2-0.000533P3+107Cd线-半水物与二水物转化平衡线CaSO40.5H2O+1.5H2O CaSO42H2O 转化平衡点磷酸浓度与温度关系式T1=-0.032P+0.0506P
6、2+265.4二水物的稳定区域在cd线以下湿法二水物流程极限温度在c点处，极限磷酸浓度在d点处。-贵州川恒化工股份有限责任公司v根据图3和图4可以看出cd线以下CaSO42H2O的稳定区域是相对的。存在CaSO4的稳定相。v图2中ab线二水物与无水物转化平衡线 CaSO42H2O CaSO4 +2H2Ov图2中cd线-半水物与二水物转化平衡线CaSO40.5H2O+1.5H2O CaSO42H2Ov区域为二水物稳定区；区域为无水物稳定区；区域为无水物稳定区。-贵州川恒化工股份有限责任公司cd线以上区域线以上区域为为CaSO4稳定稳定区，转化顺序区，转化顺序：CaSO42H2OCaSO40.5H
7、2OCaSO4abcd线区域为线区域为CaSO4稳定区，稳定区，转化顺序：转化顺序：CaSO40.5H2OCaSO42H2OCaSO4ab线以下区域为线以下区域为CaSO42H2O稳稳定区，转化顺序：定区，转化顺序：CaSO40.5H2OCaSO4CaSO42H2Ov根据CaSO4-H3PO4-H2O系统相平衡图，简明湿法磷酸生产中，所采用的工艺流程和工艺条件的关系。v采用二水物流程，工艺条件应控制在abcd区域内，cd线是二水物流程极限v二水物稳定区域内，温度过低，不利于磷矿分解和硫酸钙结晶，且要移走大量热，在实际工业上难于实现。很快很快很慢很慢很慢很慢很快很快-贵州川恒化工股份有限责任公司
8、1.3.3硫酸钙结晶的动力学原理硫酸钙结晶的动力学原理磷酸浓度P2O5%3019.612.75完全转化时间(d)101978表一 80时二水物转化为无水物的完全转化期v潜期-旧相保持不变，主要进行新相萌发，转化过程实际没有开始。v转化期-旧相开始转化为新相，直到完全转化为止。v磷酸有延缓半水物向二水物转化趋势，即低磷酸浓度下，二水结晶顺利。v磷酸有促进二水转化为无水物趋势，但二水转化为无水物转化期较长，在生产上无实际意义。-贵州川恒化工股份有限责任公司平衡点P2O5%30(A点）28(B点)25(C点)22(D点)平衡点SO3%-1.150.623.286表二表二 80各个平衡点对应的各个平衡
9、点对应的SO3%和和P2O5%值值v根据所用磷矿通过实验测得，二水物工艺中优惠SO3%=3%v80下，生产30%P2O5对应SO3%=-1.15%，而实际控制SO3%=3%,状态点A1将落在平衡点A上，处于半水物介稳区，无法实现二水工艺流程。v80下，生产28%P2O5对应SO3%=0.62%，而实际控制SO3%=3%,状态点B1将落在平衡点B上，处于半水物介稳区，无法实现二水工艺流程。v80下，生产25%P2O5对应SO3%=3.28%，而实际控制SO3%=3%,状态点C1将落在平衡点C下，处于二水物稳定区，但C1距平衡点C太近，转化推动力小，转化控制区域窄，不利于工业化二水工艺流程。v80
10、下，生产22%P2O5对应SO3%=6%，而实际控制SO3%=3%,状态点D1将落在平衡点D下，处于二水物稳定区，D1点SO3%比D点SO3%浓度3%，能够进行稳定二水物流程生产。v当温度和磷酸浓度一定时，平衡点SO3%浓度比液相优惠SO3%高23%较佳v75下，生产25%P2O5对应SO3%=6%，而实际控制SO3%=3%,状态点C1将落在平衡点C2下，处于二水物稳定区，且C1点SO3%C2点SO3%浓度低3%，能够进行稳定二水物流程生产。即要用二水法生产25%P2O5时，需将温度降到75。-贵州川恒化工股份有限责任公司1.3.4、硫酸钙在、硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2SO4-H2O
11、四元体系中相平衡四元体系中相平衡v一定温度下，湿法磷酸中有：SO42-%CaO%=Ksv图8中，硫酸钙溶解度随着溶液中SO42-%的升高而降低，随温度降低而降低。v图中虚线为表示剩余SO42-浓度，也是硫酸钙随温度降低理论结晶析出线，其斜率为=56/96。v剩余SO42-存在，导致硫酸钙溶解度变化，即引起硫酸钙结晶在系统中平衡点轨迹移动。-贵州川恒化工股份有限责任公司1.3.5、硫酸钙在、硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2SO4-H2O四元体系中相平衡四元体系中相平衡v溶液中SO3=0时，半水硫酸钙与二水硫酸钙转化平衡线对应于三元系统中cd线，平衡点移动轨迹与三元系统吻合。v随着溶液中SO3
12、%浓度的增加，平衡点向着低磷酸浓度和温度方向移动。v曲线上方为半水物介稳定区；曲线下方为二水物稳定区。v随着溶液中SO3%浓度增加，二水物稳定区减小，半水物介稳定区增大。-贵州川恒化工股份有限责任公司1.3.6、硫酸钙在、硫酸钙在CaSO4-H3PO4-H2SO4-H2O四元体系中相平衡四元体系中相平衡-2、磷矿的分解过程、磷矿的分解过程1、磷矿被分解的反应过程是液磷矿被分解的反应过程是液固相反应，其反应速度主要与反应温度、固相反应，其反应速度主要与反应温度、氢离子浓度、矿粒的有效表面积和液膜的扩散等因素有关。氢离子浓度、矿粒的有效表面积和液膜的扩散等因素有关。因此，提高反应温度、氢离子浓度、
13、矿细度增大向矿粒的有效表面因此，提高反应温度、氢离子浓度、矿细度增大向矿粒的有效表面积、提高搅拌强度以增大向矿粒表面的扩散速度，均可以强化反应过程积、提高搅拌强度以增大向矿粒表面的扩散速度，均可以强化反应过程并提高磷矿分解率。并提高磷矿分解率。提高磷矿分解率应注意避免提高磷矿分解率应注意避免“钝化膜的生成。因为硫酸分解磷矿时，钝化膜的生成。因为硫酸分解磷矿时，生成的硫酸钙结晶会在磷矿颗粒表面形成一层薄膜并包裹在颗粒表面，生成的硫酸钙结晶会在磷矿颗粒表面形成一层薄膜并包裹在颗粒表面，使磷矿的继续分解受到阻碍，这种阻碍将会减缓磷矿的分解速度甚至终使磷矿的继续分解受到阻碍，这种阻碍将会减缓磷矿的分解
14、速度甚至终止分解过程。形成的薄膜称为止分解过程。形成的薄膜称为“固态膜固态膜”，如果生成的固态膜，如果生成的固态膜”对反应对反应物及反应产物透过性很差，则称为物及反应产物透过性很差，则称为“钝化膜钝化膜”，这种现象为，这种现象为“钝化现钝化现象象”。“钝化现象钝化现象”与与H2SO4含量、磷酸中含量、磷酸中P2O5含量及反应温度有关，当含量及反应温度有关，当磷酸磷酸中磷酸磷酸中P2O5含量与反应温度愈高时，形成含量与反应温度愈高时，形成“钝化膜钝化膜”时对应的时对应的H2SO4含量越低。含量越低。二水物操作条件下，一般不会形成二水物操作条件下，一般不会形成“钝化现象钝化现象”。-但半水物生成磷
15、酸浓度但半水物生成磷酸浓度4245%，若反应温度为，若反应温度为110，则液相中，则液相中H2SO4含量只能保持在含量只能保持在2%以下，否则将生成可透性很差的固态膜，二发以下，否则将生成可透性很差的固态膜，二发生生“钝化现象钝化现象”。因此，在半水生产中温度宜控制低一些，以。因此，在半水生产中温度宜控制低一些，以100左右为左右为宜。宜。在形成固态膜的情况下，液在形成固态膜的情况下，液固相反应过程包括以下七个步骤：固相反应过程包括以下七个步骤：1、反应物向矿粒扩散；、反应物向矿粒扩散；2、反应物扩散透过固体表面液态膜；、反应物扩散透过固体表面液态膜；3、反应物进一步扩散透过固态膜；、反应物进
16、一步扩散透过固态膜；4、反应物与磷矿发生化学反应；、反应物与磷矿发生化学反应；5、生产的不溶性产物使固态膜增厚，而生成的可溶性产物扩散透过、生产的不溶性产物使固态膜增厚，而生成的可溶性产物扩散透过 固态膜；固态膜；6、生成的可溶性产物扩散透过、生成的可溶性产物扩散透过 液态膜；液态膜；7、生成的可溶性产物扩散到溶液主体。、生成的可溶性产物扩散到溶液主体。在液固相反应过程中，各个步骤进行的速度是不相同的，而总反应速在液固相反应过程中，各个步骤进行的速度是不相同的，而总反应速度取决于最慢步骤的速度。度取决于最慢步骤的速度。当扩散是最慢步骤时，反应属于扩散控制类型，当化学反应是最慢步当扩散是最慢步骤
17、时，反应属于扩散控制类型，当化学反应是最慢步骤时，反应属于化学反应控制类型。骤时，反应属于化学反应控制类型。-贵州川恒化工股份有限责任公司2 硫酸钙结晶过程硫酸钙结晶过程2.1 晶核生成对结晶影响晶核生成对结晶影响结晶微观过程：过饱和溶液晶核生成晶体生长过饱和度过饱和度晶体形状晶体粒度生成速率生长速率v过饱和溶液-溶质超过所处条件下的饱和溶解度，而未析出晶体的溶液。(不稳定状态)v过饱和度S=C/C0；相对过饱和度=S-1C-过饱和溶液浓度；C0-饱和溶液浓度v晶核大小及生成速率与过饱和度关系r-微晶(晶核)半径;M-晶体分子质量-晶体密度;-晶体界面比自由表面能R-气体常数;T-绝对温度;K
18、-一级近似常数A-与比表面能有关的常数a-晶核生成速度(单位时间内生成晶核数)v从公式可以看出，从公式可以看出，S越大，自发生成晶核越大，自发生成晶核几率越大，且晶核生产速度几率越大，且晶核生产速度a越大，生产越大，生产晶核尺寸越小。晶核尺寸越小。-贵州川恒化工股份有限责任公司二次成核(碰撞成核)-晶体在晶浆中由于碰撞产生碎片，而达到临界尺寸可以继续生长的碎片及为新生晶核。工业上碰撞成核方式：(1)晶体与搅拌浆间的碰撞(占总成核速度40%)(2)流体湍动的剪切力引起晶体与晶体之间的碰撞(占总成核速度25%)(3)晶体沉降速度不同引起晶体与晶体之间的碰撞(占总成核速度20%)(4)湍动作用下晶体
19、与器内壁之间的碰撞(占总成核速度15%）2.2 晶体成长对结晶的影响晶体成长对结晶的影响微观晶体表面是不完整，当有晶种条件下，组成晶体的微粒将按照各自晶体结构规律性的不断排列生长。晶体成长速度与过饱和以及晶体特性粒度关系式：GM晶体生长速度(kg/m2.h)；g-晶体成长速度(m/min)；t-时间KG-晶体生长总系数(与结晶表面，扩散速度，表面反应速度有关)A-晶体表面；L-晶体特征粒度；(C-C*)-过饱和度)v从公式可以看出，在溶液其他条件不变下，溶液过饱和度越大，晶核生成从公式可以看出，在溶液其他条件不变下，溶液过饱和度越大，晶核生成速度越快，晶体生长速度越快。晶体生长速度过快，对晶体
20、粒度影响较大。速度越快，晶体生长速度越快。晶体生长速度过快，对晶体粒度影响较大。v溶液过饱和度过大，还将会造成晶体沿某一晶面过快生长，严重影响晶体溶液过饱和度过大，还将会造成晶体沿某一晶面过快生长，严重影响晶体外形。外形。-贵州川恒化工股份有限责任公司2.3 晶核生成和晶体成长在硫酸钙结晶过程中体现晶核生成和晶体成长在硫酸钙结晶过程中体现硫酸分解磷矿简化式：H2SO4 2H+SO42-(1)Ca5F(PO4)3+nH+2H2PO4-+2HF+4Ca2+(n-6)H+(2)4Ca2+SO42-+2H2O CaSO42H2O (3)用上述晶体成核原理和晶体成长过程简述硫酸钙结晶的微观过程。过饱和度
21、对硫酸钙结晶的影响-贵州川恒化工股份有限责任公司3、工业操作条件及杂质对硫酸钙结晶过程的影响、工业操作条件及杂质对硫酸钙结晶过程的影响(二水湿法工艺二水湿法工艺)硫酸钙结晶过程影响因素主要有：v液相SO3%浓度v液相P2O5%浓度v反应温度v料浆液固比v反应时间v磷矿细度及搅拌强度v磷矿中杂质的影响v回浆量的影响-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.1 SO3%浓度影响浓度影响液相剩余硫酸根浓度对产品和原料影响对分解过程影响对结晶过程影响剩余浓度大，将增加原料硫酸消耗，影响产品磷酸的纯度剩余浓度过大，对磷矿产生包裹钝化，分解率低过饱和度影响晶核生成和晶体成长影响剩余浓度提高，减少HPO42-对
22、SO42-的取代，减少共结晶损失SO42-0.5%,生成薄片状晶体，过滤困难 0.5%SO42-1.5%,双晶体或多晶体，晶间包藏大 2%SO42-3%,斜方结晶，过滤洗涤性能好SO42-3%,针状结晶或聚合结晶，过滤快,洗涤困难对晶体形状影响v较好晶形和高的分解率，需根据磷矿具体情况通过实验来确定工艺“优惠SO3%”。v在稳定的“优惠SO3%”下，形成晶体粗大均匀。稳定的“优惠SO3%”通过回浆量控制。-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.2 回浆回浆(循环料浆循环料浆)影响影响回浆作用回浆的作用提供成熟的硫酸钙晶种，缩短结晶转化期，使结晶粗大。稀释料浆冲淡Ca2+与SO42-浓度，降低过饱
23、和度，防止过多细小晶核生成。对加料的波动起缓冲作用，稳定液相SO3%浓度。v从表中可以看到，增大回浆量，第一阶段SO3%浓度有所增大；第二阶段SO3%浓度降低，但大回浆量的反应系统各个阶段SO3%变化不大，维持在优惠的3%左右。降低Ca2+局部浓度过高，减少共结晶损失。v不同回浆量对反应料浆液相SO3%稀释稳定情况如下表：-贵州川恒化工股份有限责任公司v图图12中看出，矿粉加入区中看出，矿粉加入区Ca2+浓度局部过浓，超过浓度局部过浓，超过5%时将在析出硫酸钙同时结晶时将在析出硫酸钙同时结晶析出磷酸一氢钙，引起大量的析出磷酸一氢钙，引起大量的CaHPO4共结晶损失。共结晶损失。v矿粉加入区的矿
24、粉加入区的Ca2+浓度随着回浆量的增大而大幅度降低，减少了浓度随着回浆量的增大而大幅度降低，减少了Ca2+局部过浓，降局部过浓，降低了低了CaHPO4共结晶损失共结晶损失。v不同回浆量对反应料浆液相不同回浆量对反应料浆液相CaO%稀释情况如下稀释情况如下：-贵州川恒化工股份有限责任公司v回浆量过大，将会引起料浆返混增加，使新加矿粉停留时间缩短，结晶不够完善。v合适的回浆量由料浆中SO3%需要稀释程度决定，且可以通过反应槽的设计结构和搅拌情况来调节。v回浆量(M)计算公式：生成料浆量回浆量回浆倍数)()4242(PQSOCHSOCHQWbMvWb-100份磷矿粉应加入的100%H2SO4理论量v
25、P-100份磷矿粉所获得的石膏值(干石膏)vQ-100份磷矿粉酸解反应后所获得酸解料浆中的磷酸溶液量vM-回浆量(循环料浆量)vQ+P生成料浆量-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.3 液相液相P2O5%浓度影响浓度影响液相液相P2O5%浓度对工艺影响情况浓度对工艺影响情况液液相相磷磷酸酸浓浓度度磷酸浓度提高，可以增加磷酸浓度提高，可以增加P2O5单位产量，降低浓缩成本，提高经济效益。单位产量，降低浓缩成本，提高经济效益。v合适的磷酸浓度需要通过工艺操作条件和经济成本综合衡量决定合适的磷酸浓度需要通过工艺操作条件和经济成本综合衡量决定。v磷酸浓度的调节，生产是采用返回淡磷酸的浓度和用量来实现，
26、即洗水量和返回的滤液酸量。v磷酸量及浓度计算公式：磷酸浓度提高，粘度大，离子扩散速度慢，引起局部过饱和增大，结晶细小磷酸浓度提高，粘度大，离子扩散速度慢，引起局部过饱和增大，结晶细小。磷酸浓度高，优惠磷酸浓度高，优惠SO3%浓度范围变窄，不利于浓度范围变窄，不利于SO3%浓度的稳定控制。浓度的稳定控制。延缓半水物到二水物的转化，甚至可能导致生成半水物，不能稳定生产。延缓半水物到二水物的转化，甚至可能导致生成半水物，不能稳定生产。)(d10021)(52100VHPWWKKOPC磷矿粉中C-成品磷酸浓度，P2O5%；K1-转化率；K2-洗涤率；K3-机械损失Wd-100份磷矿粉所需洗涤水量；Wc
27、-100份磷矿所得的成品磷酸产量W-100份磷矿粉所需加入的实际硫酸量H-随石膏率渣带走的水分(不计磷石膏结晶水)P-100份磷矿粉所得石膏值V-100份磷矿粉逸出气体量CKKKOPWc)31(21)(52100磷矿中-贵州川恒化工股份有限责任公司v磷酸浓度控制方法常采用“浓度-密度”对照法。如下表所示：密度(g/ml）1.091.171.201.241.261.281.291.301.32浓度(P2O5%)7.7014.2916.4418.4419.3220.1321.3221.7523.60v不同磷矿的杂质含量和液相SO3%不一样，浓度密度关系存在差异。浓度-密度对照法应根据磷矿和具体工艺
28、情况对照分析做出的浓度密度表更精确。v根据经验，可以参考以下公式进行浓度密度的转化计算12-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.4 反应温度反应温度(T)的影响的影响反应温度对工艺影响情况反应温度提高反应T，分解速度快，利于离子扩散，降低粘度，防止局部过饱和，提高分解率。v工艺生产要稳定进行，需将硫酸分解磷矿放出热量和硫酸稀释热部分移走，保证磷矿分解和硫酸钙结晶和最佳温度。合适温度需要根据四元系统的相平衡和运行控制成本综合考虑决定。二水法一般温度控制在7085，过程中保持温度稳定。v反应温度的控制，常采用冷却料浆冷却料浆和稀释硫酸方式来实现。v稀释硫酸：不同硫酸浓度分解磷矿的反应热不同，随着硫
29、酸浓度降低，需要移走热量大幅度降低。v硫酸稀释极限：硫酸稀释程度受到系统水平衡的影响，硫酸稀释过低，带入系统水过多，过滤系统中洗水量将减少，可能会造成洗涤不充分，P2O5洗涤损失大。v用洗液作为硫酸的稀释，可以解决系统水平衡，但硫、磷混酸在温度较高的情况下，用洗液作为硫酸的稀释，可以解决系统水平衡，但硫、磷混酸在温度较高的情况下，腐蚀性相当强，对稀释器的材质要求较高腐蚀性相当强，对稀释器的材质要求较高。提高T，增加硫酸钙溶解度，降低过饱和度，利于晶体成长和过滤。提高温度，降低热量移走动能消耗和设备负荷。温度过高，二水物晶型不稳定，增加杂质溶解度，增加管道结构堵塞，影响产品质量。-低位闪蒸降温系
30、统工作原理低位闪蒸降温系统工作原理v液体的沸点随外界压力而变化，若降低液面上的压力，液体的沸点就会降低。液面上的压力越低，液体沸点就会越低。工作原理：萃 取 槽循环泵闪 蒸 室冷 凝 器循环水池循环水泵 真空泵料浆料浆水蒸气不凝气体 利用真空将萃取料浆提至循环泵的泵利用真空将萃取料浆提至循环泵的泵壳以上后，启动循环泵将萃取料浆通过壳以上后，启动循环泵将萃取料浆通过闪蒸室后回到萃取槽，实现料浆循环闪蒸室后回到萃取槽，实现料浆循环。萃取料浆在闪蒸室内，因液面取料浆在闪蒸室内，因液面压力降低，料浆沸点降低，当压力降低，料浆沸点降低，当真空度达到一定值后，料浆沸点真空度达到一定值后，料浆沸点降至料浆温
31、度以下时，料浆产生降至料浆温度以下时，料浆产生沸腾，水不断蒸发带走热量，料浆沸腾，水不断蒸发带走热量，料浆温度降低。低温料浆返回萃取槽，温度降低。低温料浆返回萃取槽，高温料浆又进入闪蒸室，循环蒸发高温料浆又进入闪蒸室，循环蒸发，达到降温的目的，达到降温的目的 根据以上工作原理，对萃取槽料浆温度的控制，就变为了控制循环料浆量和闪根据以上工作原理，对萃取槽料浆温度的控制，就变为了控制循环料浆量和闪蒸室的真空度高低来实现。蒸室的真空度高低来实现。-贵州川恒化工股份有限责任公司v不同浓度硫酸分解磷矿反应热不同浓度硫酸分解磷矿反应热v鼓风冷却料浆-通过在反应槽中鼓入冷空气，强化传质传热来实现。冷却效果通
32、过鼓泡空气量和鼓泡管在液面深度来调节。v真空冷却料浆-使料浆在真空环境下，发生绝热蒸发或沸腾，蒸发水量来带走热。冷却效果通过调节料浆流量和真空度(后置大气冷凝器水量)实现。v真空冷却移热关系式：v真空冷却温度降，需根据设备情况决定。-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.5 料浆液固比影响料浆液固比影响料浆液固比(S)对工艺影响情况料浆液固比S过低，不利于搅拌和输送，不利于磷矿的分解和硫酸钙结晶长大。v料浆液固比测定方法一般采用烘烤法与密度对照法密度对照法。v料浆液固比及生成料浆的容积计算公式：S过低，增大二次成核量，导致结晶细小。S过高，料浆的容积量增大，降低反应槽生产能力或缩短反应停留时间。
33、)(32.2)32.2(rRRrPQSPQPQV1S-料浆液固比R-料浆密度(g/ml)r-磷酸密度(g/ml)2.32-二水石膏密度(g/ml)V1-100份磷矿生成酸解料浆容积Q-100份磷矿酸解后得到酸解料浆中磷酸溶液量P-100份磷矿粉所得石膏值 -100份磷矿酸解后得到酸解料浆中磷酸溶液密度 -100份磷矿酸解后得到磷石膏密度QQQQP-贵州川恒化工股份有限责任公司v液固比的调节是通过改变返回淡磷酸量和浓度来控制v返淡磷酸量和浓度计算公式如下：WA-100份磷矿粉应返回淡磷酸量WB-100份磷矿粉实际加入硫酸量WP2O5-返淡磷酸中P2O5量P-100份磷矿粉所得石膏值Q-100份磷
34、矿粉酸解后所得酸解料浆中磷酸溶液量V-100份磷矿粉逸出气体量K1-转化率P2O5(Q)-磷酸溶液中P2O5%含量(成品磷酸浓度)v从公式中看到，料浆液固比从公式中看到，料浆液固比S大，液相量大，液相量Q增大，则需返回淡磷酸量增大，则需返回淡磷酸量WA增增大。大。v返淡磷酸在工艺系统中循环，返淡磷酸在工艺系统中循环，WA增大，则会增加过滤系统负荷。增大，则会增加过滤系统负荷。v要保证成品酸浓度不变，要保证成品酸浓度不变，WA增大，则返淡磷酸浓度增大，则返淡磷酸浓度WP2O5增大，需要回增大，需要回流的滤液酸量增大。流的滤液酸量增大。)100()(BAWVQPW)()100(VPWWQAB1)(
35、52100)(5252KOPQOPQWOP磷矿粉中-贵州川恒化工股份有限责任公司3.1.6 搅拌强度影响搅拌强度影响v提高搅拌强度，物料混合均匀，增加反应速度，利于离子扩散，改善结晶条件。v搅拌强度过高，增加动力消耗，可能碰碎大量晶体导致二次成核多，结晶细小。v在矿粉加入区、硫酸加入区和回浆区可适当提高搅拌强度。3.1.7 反应时间的影响反应时间的影响v反应时间延长，单位时间内投料量减少，过饱和度降低，利于结晶生长。v反应时间延长，增加杂质溶解度，影响产品质量和过滤效果。v反应时间延长，单位时间内投料量减少，降低酸解槽生产强度。3.1.8 矿粉细度影响矿粉细度影响v提高矿粉细度，能加快反应，提
36、高磷矿分解率。v矿粉细度过细，增大动力消耗，反应过快，产生局部过饱和度较大，不利于结晶生长。-贵州川恒化工股份有限责任公司3.2 磷矿中杂质对硫酸钙结晶过程影响磷矿中杂质对硫酸钙结晶过程影响3.2.1 MgO对工艺生产的影响对工艺生产的影响vMgO在磷矿酸解过程中发生反应式:224423COOHMgSOSOHMgCOv从反应式看到，MgO存在，将消耗硫酸，增加成本。v生成的MgSO4全部溶解于磷酸溶液中，与Mg2+结合的SO42-将对液相”优惠SO3%”浓度的控制产生干扰。vMgSO4在磷酸溶液中引起液相SO3%浓度的增值为MgO的“SO3当量浓度”。v从MgO耗酸计算可以看到，MgO耗硫酸量
37、占理论耗酸量的百分率是磷矿中MgO/CaO的1.4倍。-贵州川恒化工股份有限责任公司v从计算可以看到，生产磷酸浓度越浓，MgO的“SO3当量浓度”越大，干扰越大。v我国主要磷矿MgO的“SO3当量浓度”如下表所示-贵州川恒化工股份有限责任公司v湿法磷酸生产中，湿法磷酸生产中，MgO对工艺生产的影响可以从以下两方面来理解。对工艺生产的影响可以从以下两方面来理解。v当液相控制优惠当液相控制优惠SO3浓度等于浓度等于MgO的的“当量当量SO3浓度浓度”高时，那么磷矿中高时，那么磷矿中MgO刚好将液相优惠浓度刚好将液相优惠浓度H2SO4中的中的SO42-结合为结合为MgSO4。此时，磷矿中带。此时，磷
38、矿中带入的入的MgO-贵州川恒化工股份有限责任公司并未额外消耗硫酸，且生成MgSO4也可以提供相等量的SO42-.，不改溶液液相优惠SO3浓度。因此，此种情况下可以理解为，MgO的存在不耗硫酸；对液相SO3%浓度控制不干扰(不考虑Mg2+干扰)。v当液相控制的SO3浓度比MgO的“SO3当量浓度”高时，磷矿中MgO将结合液相剩余硫酸中的部分SO42-生成MgSO4，此时MgO未额外消耗硫酸。液相中的SO42-由生成MgSO4提供的SO42-和与MgO反应后剩余H2SO4提供的SO42-之和，液相总SO42-浓度并未改变，此时MgO带入未干扰液相SO3浓度的控制。v当液相控制的SO3浓度比MgO
39、的“SO3当量浓度”低时，磷矿中MgO将结合液相剩余硫酸中全部SO42-生成MgSO4，此时MgO未额外消耗硫酸，液相中的SO42-由生成MgSO4提供的SO42-，此时MgO带入未干扰液相SO3浓度的控制。但过量部分MgO将消耗溶液中H3PO4中第一H+生成Mg(H2PO4)2，产出磷酸溶液中实际的H3PO4量将减少，若此时含MgSO4和Mg(H2PO4)2的磷酸用于后续磷酸盐生产时，使磷酸的消耗升高；同时反应系统中 Mg(H2PO4)2的存在，增大了HPO42-量，将会使CaHPO4随同CaSO4结晶，P2O5共结晶损失增加。同时产品中Ca的含量会降低。v上述情况下，MgO的影响是：不耗硫
40、酸，不干扰SO3%浓度控制；增加了P2O5共结晶损失，降低了磷酸溶液中实际H3PO4浓度。-贵州川恒化工股份有限责任公司v在上述情况下，为了保证磷酸中H3PO4浓度，降低P2O5共结晶损失，可以将液相SO3浓度控制为MgO的“SO3当量浓度”，此时SO3浓度比优惠SO3浓度高，要保证硫酸钙良好的结晶条件，可以适当的降低温度。因为根据四元平衡可知低温度下，优惠SO3浓度较高。此法将消耗额外硫酸，最好还是在将进反应系统的磷矿中MgO含量降低到原有优惠SO3浓度以下。v假定SO3优惠浓度为0.0350.045g/ml，表6-5中所列磷矿中只有五种(表中有者)能适用。这也可以解释MgO的“SO3当量浓
41、度”比优惠SO3浓度低时，MgO不耗硫酸，对干扰液相SO3浓度控制。vMgO在反应过程中不耗硫酸，不对液相剩余硫酸量产生干扰。碳酸镁在磷矿中含量少，且比磷酸盐易酸解，所以碳酸镁的酸解较磷灰石先完成，生成MgSO4，但是随着磷灰石的酸解进行，CaSO4溶解度极低，由于同离子效应，MgSO4中SO42-将与Ca2+结合生产CaSO4沉淀，Mg2+与H2PO4-结合以Mg(H2PO4)2形式存在于溶液中，不能同H2SO4发生反应。vMg在溶液中存在形式，可以通过实验来测定是以MgSO4还是Mg(H2PO4)2存在。-贵州川恒化工股份有限责任公司3.2.2 Fe、Al及及F的影响的影响vFe、Al及及
42、F在磷酸酸解过发生化学反应如下：在磷酸酸解过发生化学反应如下：OHFePOPOHOFe244332322OHAlPOPOHOAl2443323226226SiFHSiOHFOHSiFSiOSiFH24262232HFSiFSiFH2462v从反应式可以看到，磷矿中氧化铁和氧化铝与磷酸反应生成相应磷酸盐，部分会随石膏结晶沉淀，导致磷损失增加。v反应中逸出的生成的HF将严重腐蚀设备管道。v在反应系统内，Fe3+、Al3+、F-及SiF62-离子对结晶影响，如下图所示：-贵州川恒化工股份有限责任公司vF-对半水吸收转化有明显的促进作用，加速转化，生成细小的针状结晶；对半水吸收转化有明显的促进作用，加
43、速转化，生成细小的针状结晶；SiF62-对转化表现不明显。因此可在反应中加入活性对转化表现不明显。因此可在反应中加入活性SiO2来减缓来减缓F-对结晶的影响，对结晶的影响，还可以减轻还可以减轻HF对设备管道腐蚀。对设备管道腐蚀。vHF与与Al3+共存时，对半水吸水转化起了明显的延缓作用，生成片状结晶。因此共存时，对半水吸水转化起了明显的延缓作用，生成片状结晶。因此磷矿中适当的磷矿中适当的Al2O3也可以消除也可以消除HF的影响。可能是由于生成了的影响。可能是由于生成了AlF63-、AlF62-等等复杂离子影响。复杂离子影响。vFe3+在与在与F-、SiF62-离子共存时，对结晶过程的影响不明显
44、。但是离子共存时，对结晶过程的影响不明显。但是Fe3+的存在对的存在对磷酸溶液粘度影响较大，磷酸溶液粘度影响较大，-3.2、半水湿法磷酸工艺条件的选择v3.2.1、半水湿法磷酸有诱人的独特优点：贵州川恒化工股份有限责任公司1、用硫酸分解磷矿石可直接制取含P2O5 42%左右的磷酸；2、生产流程短，减少磷酸的浓缩过程；3、在浓磷酸介质条件下可以获得较好过滤性能的半水石膏结晶。半水湿法磷酸生产也存在以下问题：半水湿法磷酸生产也存在以下问题：1、半水湿法磷酸生产对磷矿石质量要求较高；、半水湿法磷酸生产对磷矿石质量要求较高；2、半水石膏具有不稳定的性质以及反应温度高，对材质耐腐蚀性能要求高。、半水石膏
45、具有不稳定的性质以及反应温度高，对材质耐腐蚀性能要求高。3、在浓磷酸条件下：、在浓磷酸条件下：磷矿石溶解、反应的优化工艺条件，却不利于磷石膏的结晶成长；磷矿石溶解、反应的优化工艺条件，却不利于磷石膏的结晶成长；磷石膏的结晶成长的优化工艺条件，却不利于磷矿石溶解。磷石膏的结晶成长的优化工艺条件，却不利于磷矿石溶解。v因此半水湿法磷酸萃取工艺采取双槽和多槽生产：即溶解槽、分解槽、结晶槽。在溶解槽按照磷矿石溶解、反应的优化工艺条件控制，结晶槽按照磷石膏的结晶成长的优化工艺条件控制。-3.2.2、半水湿法磷酸工艺指标选择a、养晶槽料浆温度：98-102贵州川恒化工股份有限责任公司 从CaSO4H3PO
46、4H2O三元系统分析，反应温度和酸中P2O5%一样是半水物磷酸系统在稳定区域内的必要条件之一。提高反应温度，将降低磷酸料浆的粘度，有利于离子扩散，降低过饱和度，有利于结晶成长。也加速了磷矿的反应进程。但提高反应温度后，也对磷矿转化率提高和设备腐蚀等带来不利影响。综合考虑，反应温度控制在98-102 是比较适宜的。b、养晶槽液相P2O5%：4042%磷酸中的液相P2O5%过高对磷矿的分解和半水物结晶的成长都是不利的，但在半水物系统中磷酸中的液相P2O5%必须高于40%，料浆的过滤速率才更理想。-c、溶解槽、养晶槽的液相(SO42-)浓度：溶解槽在(SO42-)不足的条件下进行，故以液相中CaO的
47、浓度来表示溶解槽液相中CaO的浓度：1.01.5%；养晶槽液相(SO42-)浓度：2.02.5%。为获得较高的磷矿分解率和易于过滤的半水物磷酸钙结晶，磷矿分解应在硫酸不足的条件下进行，即有过量的CaO存在（控制在1.01.5%）；而为使半水物磷酸钙结晶长大，易于过滤，应在硫酸过量的条件下进行，控制液相(SO42-)在2.02.5%范围内。贵州川恒化工股份有限责任公司-3.2.3、半水萃取工艺流程简图、半水萃取工艺流程简图1#、2#溶解槽溶解槽1#、2#分解槽分解槽1#、2#养晶槽养晶槽闪蒸室液封槽混合槽料浆循环泵过滤料浆泵磷精矿浓硫酸返回淡酸冷凝器闪蒸真空泵液封槽去带式过滤机去尾气处理工序贵州
48、川恒化工股份有限责任公司返回循环料浆冷却循环料浆-3.2.4、结晶槽游离硫酸根离子波动的原因分析及对策、结晶槽游离硫酸根离子波动的原因分析及对策1、来自溶解槽料浆的影响：、来自溶解槽料浆的影响：这方面的影响主要从质和量两方面进行分析：这方面的影响主要从质和量两方面进行分析：1.1、来自溶解槽料浆质量的影响：、来自溶解槽料浆质量的影响：即是加入矿粉质量的影响。因为矿粉的组成元素相当多，也相对较复杂 然而消耗硫酸主要是矿中的CaO和MgO。其实，由于磷矿中含镁脉石被硫酸分解后生成可溶性的硫酸镁(MgSO4)，全部留于溶液中，这将增大料浆液相中SO3 浓度，从而干扰硫酸根的稳定控制，最终影响结晶，导
49、致过滤效果变差。2.1、来自溶解槽料浆量的影响：、来自溶解槽料浆量的影响：从溶解槽进入结晶槽这部分料浆对硫酸根的波动影响的原因有以下4点：1、料浆体积流量的波动：、料浆体积流量的波动：循环料浆的波动，矿粉的波动，将造成料浆体积流量的波动。所以在操作时必须稳定控制这两个要素。不论其中哪一个因素变动，都会影响结晶槽硫酸根浓度的波动，当波动的因素增加时，系统将更加混乱，变得难以判断，无法下手调节。所以在操作过程中，往往将可粉的加入量给定，再来调节循环料浆量。不能两者一起调节，那样会很被动，结晶槽料浆液相的硫酸根浓度也控制 不稳定。贵州川恒化工股份有限责任公司-2、循环料浆密度的影响、循环料浆密度的影
50、响 必须严格控制结晶槽料浆固含量指标，不能随意调控，这部分的影响也是矿粉的波动、循环料浆的波动引起的，但不是那么的明显。3、料浆固含量的影响、料浆固含量的影响 固含量直接制约着反应速度的快慢，当其升高超过一定程度时，料浆的粘度增大，流动性变差，反应速度减慢。当降低到一定程度时，过饱和度过高，晶核生成数量过多，结晶细小，影响过滤效果。在操作中，造成溶解槽固含量波动的原因还是矿粉和循环料浆的问题，只有稳定控制这两点，才能进一步稳定控制结晶槽中的硫酸根浓度。4、溶解槽进入结晶槽料浆中液相硫酸量的影响、溶解槽进入结晶槽料浆中液相硫酸量的影响 溶解槽的分解条件不适合晶体的成长条件。在分解过程中半水物能够
