41

1.2. Постановка задачи о расчёте вариантов получения кормового МКФ или камерного двойного суперфосфата, удовлетворяющих ГОСТу

В промышленности получают кормовой МКФ, как и двойной суперфосфат, путём обработки фосфатов фосфорной кислотой по камерному методу, который осуществляется в несколько стадий, отличающихся друг от друга аппаратурным оформлением.

Стадия основного разложения осуществляется в смесителе и суперфосфатной камере, затем дозревание (вызревание, доразложение на складе). Процесс сушки кормового МКФ производится после дозревания на складе. При получении же двойного суперфосфата следующей стадией является нейтрализация свободной кислоты, гранулирование, а затем сушка.

Технологический режим получения кормового МКФ и двойного суперфосфата во многом схож: используется фосфорная кислота концентрации 48-52% P₂O₅ (69-75% H₃PO₄), температура на стадии разложения составляет 353-373К (80-100С), дозревание происходит в одинаковых условиях. Однако при получении кормового МКФ расходуют несколько больше фосфорной кислоты (норма фосфорной кислоты для МКФ составляет 1,1 –1,25 от стехиометрического количества, для двойного суперфосфата – 1,05-1,1). Сушка кормового МКФ осуществляется при более высоких температурах (температура продукта 403-423К (130-150С)) для обеспечения высокой степени обесфторивания продукта, для двойного суперфосфата -373-383К (100-110С). На схеме приведены принципиальные потоки производства двойного суперфосфата из апатита камерным способом .

Рис.1.1. Получение двойного суперфосфата камерным способом

Недостатком камерного способа производства двойного суперфосфата является необходимость использования концентрированной термической фосфорной кислоты или упаренной экстракционной фосфорной кислоты (дополнительные расходы энергии на выпарку) для разложения фосфатов; перемешивания и длительного складского вылеживания продукта (затраты энергии и капитальные затраты на сооружение склада). Кроме того, при складском дозревании продукта выделяются сильно разбавленные фтористые газы, улавливание которых затруднительно. От этих недостатков свободен метод получения двойного суперфосфата по поточной схеме. В случае использования неупаренной экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) фосфаты разлагают в смесителях – реакторах, а избыточную влагу удаляют сушкой продукта в распылительных и вращающихся сушилках (см. рис. ниже).

При использовании полученной из апатитового концентрата кислоты с концентрацией 28-32% P₂O₅ (41-46% Н₃РО₄), при перемешивании пульпы в течение одного часа при 343-363K (70-90⁰С) в непрерывно действующих реакторах фосфорит разлагается на 50-55%. Вытекающая из реакторов пульпа разделяется на два потока. Часть её (около половины) высушивается в распылительной сушилке топочными газами. Температура выходящих из сушилки газов- 398-403K (125-130⁰С). Температура высушенного материала не превышает 368K (95⁰С). Продукт смешивают в шнековом смесителе-грануляторе со второй частью пульпы; сюда же поступает небольшое количество ретура (фракция размером меньше 1 мм). Затем гранулы, содержащие 20-22% влаги, высушивают в прямоточной барабанной сушилке до влажности 3-4%. В процессе сушки разложение фосфорита продолжается, и общая степень разложения сырья увеличивается до 80-85% ( и более при применении Н₃РО₄ повышенной концентрации- 37-40% P₂O₅). Продукт, выходящий из барабанной сушилки с температурой 368K (95⁰С), направляется на грохочение. Гранулы с размерами от одного до 4-х мм нейтрализуют мелом в горизонтальном вращающемся барабане-нейтрализаторе для уменьшения свободной кислотности до 5% и ниже; это- готовый продукт, он содержит 42-44% P₂O_5усв. Частицы крупнее 4 мм измельчают в дробилке, смешивают с ретуром и возвращают в смеситель- гранулятор.

Таблица 1.2.

Характеристика продуктов

Продукты	Содержание компонентов в продуктах, %
	P2O5* с.к.р.	P2O5 усв.	P2O5св. не более	F не более	H2O не более
Двойной суперфосфат ГОСТ 16306-75 Монокальцийфосфат ГОСТ 23999-80	-	491	2,5	-	4
	-	431	5,0	-	5
	55	-	-	0,2	4
	50	-	-	0,2	4

Примечание: P₂O₅ с.к.р.-растворимое в 0,4%НСl.

МКФ кормовой и двойной суперфосфат должны удовлетворять следующим основным показателям, указанным в табл.1.2.

Цель работы: Освоение методики расчёта по уравнениям реакций материальных балансов процесса производства кормового фосфата или двойного суперфосфата камерным способом на основе фосфорной кислоты (экстракционной и термической) из различного сырья (фосфорита, апатита).

Задание:

1. Используя полученные исходные данные (табл.1.3), по программе RP2.BAS рассчитать варианты материального баланса производства кормового МКФ или двойного суперфосфата по камерному способу.

2. Используя расчётные и литературные данные, сопоставить качественные показатели продукта и обосновать возможность получения продукта с более высокими ТЭП при изменении исходных данных: качественных показателей сырья (апатит, фосфорит), нормы и выбора вида кислоты (термическая или экстракционная).

3. По номеру студента в списке группы выбрать из таблицы свой вариант задач и их решения представить в отчёте вместе с условиями задач.

Порядок выполнения работы:

1. Набор исходных данных (табл.1.3) после получения задания для самостоятельного решения производится с дисплея компьютера после уточнения у преподавателя варианта и объёма необходимых расчётов. Изучите технологический режим получения МКФ камерным и поточным методом. После изучения подберите один или несколько вариантов показателей технологического режима, и сведите их в таблицу исходных данных и проанализируйте результаты расчётов, выполненных по использованной рабочей программе.

2. В отчёте приведите характеристику сырья (фосфорита, апатита), продуктов -кормового МКФ и двойного суперфосфата по камерному способу, параметры технологического режима, принципиальную схему производства продуктов, исходные данные для расчётов, таблицы результатов расчётов материального баланса и качественных показателей продуктов, список использованной литературы.

3. Если по качественным показателям полученный продукт (кормовой МКФ или двойной суперфосфат) не соответствует требованиям ГОСТа, то необходимо пересмотреть параметры технологического режима, выбрать по литературным и практическим данным улучшенный вариант, позволяющий получить продукт, удовлетворяющий стандарту.

Предполагаем, что на всех стадиях производства МКФ происходит постепенное разложение минералов, входящих в состав фосфатного сырья, с одинаковой скоростью и по следующим основным уравнениям (1.2.1-1.2.10):

Расчёт относительного количества фосфорной кислоты (a), которое необходимо для разложения исходных компонентов сырья в реакциях (1.2.1; 1.2.9; 1.2.10; 1.2.5; 1.2.6), воды (b), которая выделяется в результате разложения исходных компонентов сырья в реакциях (1.2.1; 1.2.10; 1.2.5; 1.2.6), а также основных и побочных продуктов (с), которые образуются в каждой из реакций (1.2.1; 1.2.9; 1.2.10; 1.2.5; 1.2.6; 1.2.7; 1.2.8) с соответствующими стехиометрическими коэффициентами.

Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄ + 3H₂O = 3Ca(H₂PO₄ ) ₂∙ H₂O (1.2.1)

; ;

(98; 18; 310; 252- M_r- H₃PO₄; H₂O; Ca₃(PO₄)₂ ; Ca(H₂PO₄ ) ₂ ∙ H₂O)

CaF₂ + 2 H₃PO₄ + H₂O = Ca(H₂PO₄)₂∙ H₂O + 2HF (1.2.2)

CaCO₃+ 2 H₃PO₄ = Ca(H₂PO₄)₂∙ H₂O + CO₂ (1.2.3)

MgCO₃ + 2 H₃PO₄ = Mg(H₂PO₄)₂ + CO₂ + H₂O (1.2.4)

Fe₂O₃ + 2 H₃PO₄ = 2FePO₄ + 3 H₂O (1.2.5)

(98; 18; 160; 151 - M_r - H₃PO₄; H₂O; Fe₂O₃; FePO₄)

Al₂O₃ + 2 H₃PO₄ = 2AlPO₄ + 3 H₂O (1.2.6)

(98; 18; 102; 122 - M_r - H₃PO₄; H₂O; Al₂O₃; AlPO₄)

4HF + SiO₂ = SiF₄ + 2H₂O (1.2.7)

2HF + SiF₄ = H₂SiF₆ (1.2.8)

; ;

(18; 19; 144; 60 - M_r - H₂O; F; H₂SiF₆)

CaO + 2H₃PO₄ = Ca(H₂PO₄)₂∙H₂O (1.2.9)

;

(98; 56; 252 - M_r - H₃PO₄; CaO; Ca(H₂PO₄ ) ₂ ∙ H₂O)

MgO + 2H₃PO₄ = Mg(H₂PO₄)₂ + H₂O (1.2.10)

; ;

(98; 18; 40,3; 218,3 - - M_r - H₃PO₄; H₂O; MgO; Mg(H₂PO₄)₂)

Фтористый водород, выделяющийся при разложении сырья по реакции (1.2.2), соединяясь с кремнеземом, образует четырёхфтористый кремний (1.2.7), который может выделяться в газовую фазу, или образовывать кремнефтористоводородную кислоту, находящуюся в составе продукта (1.2.8). Допускаем, что фтор после разложения находится во всех фазах в виде H₂SiF₆.

Фосфор находится в сырье в виде трикальцийфосфата Ca₃(PO₄)₂, с которым связана часть CaO, оставшаяся в виде CaF₂, CaCO₃ и др. Вместо расчёта по уравнениям реакций (1.2.3-1.2.4), расчёт ведётся по упрощённым уравнениям (1.2.9-1.2.10).

Степень разложения сырья составляет после камеры 75-80%, после дозревания на складе 80-90%, на стадии сушки монокальцийфосфата происходит дополнительное разложение минералов, входящих в состав сырья.

Программа расчётов материального баланса состоит из следующих разделов:

1.2.1. Расчёт состава фосфатного сырья.

1.2.2. Расчёт расхода фосфорной кислоты.

1.2.3. Расчёт состава продукта после разложения сырья в камере.

1.2.4. Расчёт состава продукта после стадии дозревания на складе.

1.2.5. Расчёт состава продукта после стадии сушки.

1.2.6. Расчёт качественных показателей продукта.

Исходные данные для расчёта приводятся в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Исходные данные к программе RP2.BAS в системе QBASIC

Показатель	Единица измерения	Идентификатор вели-чины	Варианты исходных данных			Контрольный пример[1]
Расход фосфатного сырья	кг	Q	1000			1000
2. Состав фосфатного сырья: CaO P2O5 MgO Fe2O3 Al2O3 F CO2	Доли единицы	САО Р2О5 GMO FE2O3 AL2O3 F CO2	0,3 0,25 0,02 0,01 0,009 0,02 0,06	0,39 0,27 0,03 0,02 0,01 0,02 0,07	0,4 0,28 0,02 0,01 0,01 0,02 0,06	0,42 0,28 0,02 0,01 0,009 0,02 0,06
3. Концентрация фосфорной кислоты	То же	С	0,7	0,75	0,72	0,7
4. Норма фосфорной кислоты	>>	Н	1,1	1,0	1,2	1,05
5. Степень разложения по стадиям: разложение сырья в камере; дозревание продукта на складе; сушка продукта.	>>	X1 X2 X3	0,8 0,9 0,93	0,7 0,9 0,93	0,8 0,9 0,93	0,8 0,9 0,93
6. Степень выделения фтора в газовую фазу по стадиям: разложение; дозревание; сушки.	>>	F1 F2 F3	0,1 0,6 0,8	0,1 0,6 0,8	0,1 0,6 0,8	0,1 0,6 0,8
7. Испарение воды по стадия разложение; дозревание.	>>	W1 W2	0,1 0,15	0,1 0,15	0,1 0,15	0,1 0,15
8. Содержание воды в готовом продукте.	>>	W3	0,03	0,03	0,03	0,03
9. Степень дегидратации Ca(H2PO4)2∙H2O.	>>	Y	0,4	0,4	0,4	0,4

Описание алгоритма решения задачи.

Отметим, что в каждом разделе все употребляемые вещества обозначаются с помощью идентификаторов языка QBASIC [7].

1.2.1. Расчёт состава фосфатного сырья (таблица 1,3-1 вариант)

Масса компонентов исходного сырья (кг)

Расчётная часть:

Масса СаО, связанного в виде Ca₃(PO₄)₂ в пересчете на Р₂О₅:

CAOT : P₂O₅∙ 3∙56/142 = 1,183 ∙P2O5∙ Q;

CAOT=1,183∙ 0,25∙ 1000 = 295,75

Масса Ca₃(PO₄)₂ в пересчете на Р₂О₅

TK : 310 ∙P2O / 142 = 2,183 ∙P2O5 ∙Q;

TK = 2,18 ∙0,25∙1000 = 545,75

Масса СаО, связанного в виде других соединений:

GCAO : CAO ∙Q – CAOT; GCAO = 0,3∙1000 – 295,75 = 4,25.

Масса MgO : GMGO = GMO ∙Q. Масса MgO = 0,02∙1000 = 20.

Масса Fe₂O₃ : GFEO=FE2O3 ∙Q. Масса Fe₂O₃ = 0,01∙1000 = 10.

Масса Al₂O₃: GALO= AL2O3 ∙Q. Масса Al₂O₃ = 0,009∙1000 = 9.

Масса F: GF=F∙Q Масса F = 0,02∙1000 = 20.

Масса CO₂:GCO=CO2∙Q Масса CO₂ = 0.06∙1000 = 60.

Массу «прочих» определяют по разности между общей массой фосфатного сырья (например, 1000 кг ) и суммарной массой известных компонентов

PR = Q – (TK +GCAO +GFEO +GALO +GMGO +GF +GCO).

Масса прочих PR = 1000 - 545.75 - 4.25 – 20 – 10 – 9 – 20 - 60 = 331.

0. 1.2.2.Расчёт количества фосфорной кислоты

Исходные данные:

1. Концентрация фосфорной кислоты (H₃PO₄) – C (доли единицы).

2. Норма расхода фосфорной кислоты, доли от стехиометрического количества – Н.

Различные виды расчёта количества фосфорной кислоты кг.

Количество фосфорной кислоты рассчитывают по уравнениям 1.2.1, 1.2.5, 1.2.6, 1.2.9, 1.2.10.

Стехиометрическое количество H₃PO₄ :

GK = TK ∙4 ∙98 /310 + GCAO ∙2∙98/56 + GFEO∙2∙98/160 + GMGO∙2∙98/40,3 +G ALO ∙ 2 ∙98 / 102.

GK = 545,75 ∙4 ∙98 / 310 + 4,25 ∙2∙ 98 / 56 + 10 ∙2∙ 98/ 160 + 20 ∙2 ∙ 98 / 40,3 + 9 ∙2 ∙98/ 102 = 831,7.

Практическая норма H₃PO₄ :

GKH = GK∙H.

GKH = 831.7∙1.1 = 914.9

Практическая норма фосфорной кислоты заданной концентрации:

GKP = GKH/C

GKP = 914,9 / 0,7 = 1307.

1.2.3. Расчёт состава продукта после разложения сырья в камере.

Исходные данные:

1. Степень разложения сырья – X1= 0,8 (в долях единицы).

2. Степень выделения фтора в газовую фазу – F1= 0,1 (в долях единицы).

3. Доля испарившейся H₂O, вносимой с кислотой – W1=0,1 (в долях единицы).

Масса компонентов пульпы кг.

1) Состав пульпы, образующейся по уравнениям 1.2.1, 1.2.9, 1.2.5, 1.2.6, 1.2.10:

Ca(H₂PO₄) ∙Н₂ О : CAP = (TK ∙X1∙3 ∙252) / 310 + (GCAO ∙X1 ∙ 252) / 56

CAP = (545,75 ∙0,8 ∙3 ∙252) / 310 + (4,25 ∙0,8 ∙252) / 56 = 1080,4. 1080,14.

FePO₄ : FEP = GFEO ∙X1 ∙2∙151 / 160 = 1,89 ∙GFEO ∙ X1.

FEP = 1,89 ∙10 ∙0,8 = 15,12.

AlPO₄ : ALP = GALO ∙X1 ∙2 ∙122 / 102.

ALP = 2,39 ∙9 ∙0,8 = 17,21.

Mg(H₂PO₄) : GMP = GMGO ∙X1 ∙218,3 /40,3 = 5,42 ∙GMGO ∙X1

GMP = 5,42 ∙20 ∙0,8 = 86,72.

H₂SiF₆ : GFK = (GF ∙X1 ∙144 / 6∙19) ∙ ( 1- F1) = 1,26 ∙GF ∙X1∙ (1 - F1).

GFK = 1,26 ∙20 ∙0,8 ∙0,9 = 18,14.

H₃PO₄ своб : GKS = GKH – GK ∙X1 = GK∙ (H - X1).

GKS = 831,7 ∙ 0,3 = 249,5. 249,51.

H₂O : H2O(1) = (GKP - GKH) + (GFEO ∙3∙18 / 160 + GALO ∙3∙18 / 102 + GMGO 18 / 40,3 + GF ∙ 2 ∙ 18 / 6 ∙19 – TK ∙ 3 ∙18 / 310) ∙X1 – W1∙ (GKP – GKH) = (GKP – GKH) ∙ (1-W1) + (0,34 ∙ GFEO + 0,53 ∙ GALO + 0,45 ∙ GMGO + 0,316 ∙ GF – 0, 17 ∙ TK) ∙X1.

H2O(1) = (1307– 914,9) ∙ 0,9 + (0,34 ∙ 10 + 0,53 ∙ 9 + 0,45 ∙ 20 + 0,314 ∙ 20 – 0,17 ∙ 545,75) ∙ 0,8 = 295,48.

Неразложенное сырьё

HS = TKO + CAOO + FEOO + ALOO + GMOO + FO + COO

В том числе:

Ca₃(PO₄)₂ : TKO = TK ∙ (1-X1); TKO = 545,75 ∙ 0,2 = 109,15.

CaO : CAOO = GCAO ∙ (1-X1); CAOO = 4,25 ∙ 0,2 = 0,85.

Fe₂O ₃: FEOO = GFEO ∙ (1-X1) FEOO = 10 ∙ 0,2 = 2.

Al₂O ₃: ALOO = GALO ∙ (1-X1) ALOO = 9 ∙ 0,2 = 1,8.

MgO : GMOO = GMGO ∙ (1-X1) GMOO = 20 ∙ 0,2 = 4.

F : FO = GF ∙ (1-X1) FO = 20 ∙ 0,2 = 4.

CO₂: COO = GCO ∙ (1-X1) COO = 60 ∙ 0,2 = 12.

HS = 109,15 + 0.85 + 2 + 1.8 + 4 + 4 + 12 = 133,8.

Прочие смеси:

PRO(1) = PR – GF ∙ X1 ∙60 / 6 ∙ 19 = PR – 0,53 ∙ GF ∙ X1.

PRO(1) = 331 – 0,53 ∙ 20 ∙ 0,8 = 322,52.

2) Состав газовой фазы:

CO₂ : CO2G = GCO ∙ X1, CO2G = 60 ∙0,8 = 48.

H₂SiF₆ : FKG = GF ∙X1 ∙F 1∙144 / 6 ∙ 19 FKG = 1,26 ∙20 ∙ 0,8 0,1 = 2,02.

= 1,26 ∙ GF ∙ X1 ∙ F1.

H₂O: H2OG = (GKP – GKH) ∙ W1 H2OG = (1307 – 914,9) ∙ 0,1 = 39,21.

Полученные данные заносят в таблицу 1.4.

Таблица 1.4.

Разложение фосфатов в камере

Приход	Масса, кг			Расход	Масса, кг
1. Фосфатное сырьё в том числе: Ca3(PO4)2 (в пересчёте на P2O5) CaO (в пересчёте на P2O5) Fe2O3 Al2O3 MgO F CO2 прочие	Q = 1000 TK = 545,75 GCAO=4,25 GFEO=10 GALO=9 GMGO=20 GF=20 GCO=60 PR=331			1. Пульпа (подкамерный продукт): в том числе Ca(H2PO4)2∙ ∙H2O FePO4 AlPO4 Mg(H2PO4)2 H2SiF6 H3PO4 H2O неразложенное сырьё прочие	CAP = 1080,14 FEP = 15,12 ALP = 17,21 GMP = 86,72 GFK = 18,14 GKS = 249,51 H2O(1) =295,48 HS = 133,8 PRO(1)=322,52
				2. Газовая фаза, в том числе: H2SiF6 CO2 H2O	FKG = 2,02 CO2G = 48 H2OG = 39,21
Итого:		2307	Итого:		2308,11
Неувязка баланса Х, % = 0,05

1.2.4. Расчёт состава продукта после стадии дозревания на складе

Исходные данные:

1. Состав пульпы подкамерного продукта из таблицы 1.4.

2. Степень разложения сырья – Х2 =0,9 (в долях единицы).

3. Степень выделения фтора в газовую фазу – F2 = 0,6 (в долях единицы).

4. Доля испаряемой воды, вносимой с пульпой – W2=0,15 (в долях единицы).

Масса компонентов продукта на стадии дозревания кг.

На стадии дозревания происходит дальнейшее разложение компонентов сырья фосфорной кислотой

1). Состав вызревшего продукта:

Ca(H₂PO₄)₂ ∙H₂O : CAP = CAP = (2,44 ∙ 545,75+4,5 ∙ 4,25) ∙ 0,9=1215,68

=(2,44 ∙TK+4,50 ∙ GCAO) ∙ X2, .

FePO₄ : FEP = 1.89 ∙ GFEO ∙Х2, FEP = 1, 89 ∙10 ∙ 0,9 = 17,01.

AlPO₄ : ALP = 2,39 ∙ GALO ∙ X2, ALP = 2,39 ∙ 9 ∙ 0,9 = 19,36.

Mg(H₂PO₄)₂ : GMP = 5,42 ∙ GMGO ∙ X2, GMP = 5,42 ∙ 20 ∙ 0.9 = 97,59.

H₂SiF₆ : GFK = 1,26 ∙ GF ∙ X2∙ (1 – F2), GFK = 1,26 ∙20 0,9 ∙ 0,4 = 9,07.

H₃PO₄ : GKS = GKH – GK ∙X2 = GKS = 831,7∙ 0,2 = 166,34.

= GK∙ (H – X2),

H₂O: H2O(2) = H2O(1) ∙ (1 – W2) + (X2 – X1) ∙ (0,34 ∙ GFEO + 0,53 ∙GALO + 0,45 ∙ GMGO + 0,316 ∙ GF – 0,17 ∙ TK),

H20(2) = 295,72 ∙ 0,85 + 0,1∙ (0,34 ∙10 + 0,53 ∙ 9 + 0,45 ∙ 20 + 0,316 ∙ 20 – 0,17 ∙ 545,75) = 243,89.

Неразложенное сырьё: HS =

=(TK + GCAO + GMGO + GFEO + GALO + GCO + GF) ∙ (1 – X2)

HS = (545,75 + 4,25 + 20 + 10 + 9 + 60 + 20) ∙ 0,1 = 66,9.

Прочие примеси:

PRO(2) = PRO(1) – 0,53 ∙ GF ∙ X2, PRO(2) = 322,52 – 0,53 ∙ 20 ∙ 0,9 = 312,98.

2) Состав газовой фазы:

CO₂: CO2G = GCO ∙ (X2 – X1), CO2G = 60 ∙ 0,1 = 6.

H₂SiF : FKG=

= 1,26 ∙G F∙ (X2 ∙ F2 – X 1 ∙ F1), FKG = 1,26 ∙20(0,9 ∙ 0,6 – 0,8 ∙ 0,1) = 11,59.

H₂O : H2OG = H2O(1) ∙ W2 H2OG = 295,72∙ 0,15 = 44,35.

Полученные данные заносят в таблицу 1.5

Таблица 1.5

МКФ на стадии дозревания на складе готового продукта

Компоненты	Приход, кг	Расход, кг
Подкамерный продукт Ca(H2PO4)2 ∙ H2O FePO4 AlPO4 Mg(H2PO4)2 H2SiF6 H3PO4 H2O неразложенное сырьё прочие	CAP = 1080,14 FEP = 15,12 ALP = 17,21 GMP = 86,72 GFK = 18,14 GKS = 249,51 H2O(1) = 295,72 HS = 133,8 PRO(1) = 322,52	CAP = 1215,68 FEP = 17,01 ALP = 19,36 GMP = 97,59 GFK = 9,08 GKS = 166,34 H2O(2) = 243,89 HS = 66,9 PR(2) = 312,98
Газовая фаза в том числе: CO2 H2SiF6 H2O	CO2G = 48 FKG = 2,02 H2OG = 39,21	CO2G = 6 FKG = 11,59 H2OG = 44,35
Итого:	2308,11	2210,76
Неувязка баланса X % = 4,2

1.2.5. Расчёт состава продукта после стадии сушки

Исходные данные:

1. Состав вызревшего продукта из таблицы 1.5.

2. Степень разложения сырья – Х3= 0,93 (в долях единицы).

3. Степень выделения фтора в газовую фазу – F3=0,8 (в долях единицы).

4. Содержание влаги в готовом продукте – W3= 0,08 (в долях единицы).

5. Степень дегидратации продукта –Y=0,4.

Масса компонентов высушенного продукта кг.

1. Состав высушенного продукта:

2. Ca(H₂PO₄)₂ ∙H₂O : CAP = ( 2,44 ∙ 545,75 + 4,5 ∙ 4,25) ∙ 0.93 = 1256,20.

CAP= (2,44 ∙ TK + 4,50 ∙ GCAO) ∙ X3,

FePO ₄: FEP = 1,89 ∙ GFEO ∙ X3, FEP = 1,89 ∙10 ∙ 0,93 = 17,58.

AlPO₄ : ALP = 2,39 ∙ GALO ∙ X3, ALP = 2,39 ∙ 9 ∙ 0,93 = 20.

Mg(H₂PO₄)₂ : GMP = 5.42∙GMGO∙ X3, GMP = 5,42 ∙2 ∙ 0,93 = 100,8.

H₂SiF ₆: GFK = 1,26∙GF∙X3∙ (1 – F3), GFK = 1,26 ∙2 0 0,93∙ 0,2 = 4,69.

H₃PO ₄: GKS = GKH – GK ∙X3 = GKS = 831,7 ∙ 0,17 = 141,39.

= GK∙ (H – X3)

Неразложенное сырьё:

HS = (TK + GCAO + GMGO +

+ GFEO + GALO + GCO + GF) ∙ (1 – X3)

HS = (545,75 + 4,25 + 20 + 10 + 9 + 60 + 20) ∙ 0,07 = 46,83

Прочие:

PRO(3) = PRO(2) – 0,53 ∙ GF ∙ X3,

PRO(3) = 312,98 – 0,53 ∙ 20 ∙ 0,93 = 303,12

GMKF = CAP + FEP + ALP + GMP + GFK + GKS + HS + PRO,

где GMKF – масса продукта.

GMKF = 1256,20+ 17,58 + 20 + 100,08 + 4,69 + 303,12+ 141,39+46,83=1890,61

H2OMFK=GMFK∙W3/(1-W3), H2OMFK = 1890,61∙ 0,03 / 0,97 = 58,47

.

2) Состав газовой фазы:

CO₂ : CO2G = GCO ∙ (X3 – X2 )

CO2G = 60 ∙ 0,03 = 1,8.

H₂SiF₆ : FKG =1,26 ∙ GF∙ (X3 ∙ F3 – X2 ∙ F2), .

FKG = 1,26 ∙20∙ (0,93 ∙ 0,8 – 0,9 ∙ 0,6) =5,0 4.

H₂O: H2OG = H2O(2) + (X3 – X2) ∙ (0,34 ∙ GFEO + 0,53 ∙ GALO + 0,45 ∙GMGO + 0,316 ∙GF – 0,17 ∙TK) – H2OMFK,

H2OG = 243,89 + 0,03∙ (0,34 ∙10 + 0,53∙ 9 + 0,45 ∙ 20+ 0,316 ∙20 – 0,174 ∙545,75) –58,47 =183,28.

Полученные данные заносят в таблицу 1,6

Таблица 1.6

МКФ на стадии сушки

Компоненты	Приход, кг	Расход, кг
Подкамерный продукт: Ca(H2PO4)2 H2O FePO4 AlPO4 Mg(H2PO4)2 H2SiF6 H3PO4 H2O неразложенное сырьё прочие	CAP = 1215,68 FEP = 17,01 ALP = 19,36 GMP = 97,59 GFK = 9,07 GKS = 166,34 H2O(2) = 243,89 HS = 66,9 PRO(2) = 312,98	CAP = 1256,2 FEP = 17,58 ALP = 20 GMP = 100,8 GFK = 4,69 GKS =141,39 H2OМКF = 58,47 HS =46,83 PRO(3) = 303,12
Газовая фаза: CO2 H2SiF6 H2O	CO2G = 6 FKG = 11,59 H2OG = 44,35	CO2G = 1,8 FKG = 5,14 H2OG = 183,28
Итого:	2210,76	2139,3
Неувязка баланса X, % =3,2

1.2.6. Расчёт качественных показателей продукта

Содержание P₂O₅ (в долях единицы):

P2O5MKF = (Q ∙ P2O5 + 0,724 ∙ GKH) / (GMKF + H2OMKF),

P2O5MKF = (1000 ∙ 0,25 + 0,724 ∙ 914,9) / (1890,61+58,47) = 0,468.

Содержание P₂O_{5 усв} (в долях единицы):

P2O5USV = (0,563 ∙ CAP + 0,47 ∙FEP + 0,58 ∙ALP + 0,564 ∙GMP + 0,724 ∙GKS) / (GMKF + H2OMKF),

P2O5USV = (0,563 ∙1256,2+ 0,47 ∙17,577 + 0,582 ∙ 20 + 0,564 ∙100,8 + 0,724∙ 141,39) / ((1890,61+58,47) = О,44.

Содержание P₂O_{5 св} (в долях единицы):

P2O5SV = 0.724 ∙ GKS / (GMKF+H2OMKF), P2O5SV=0,724 ∙141,39/ (1890,61+58,47) = 0,053.

Содержание фтора (в долях единицы):

F = (GF∙ (1 – X3) + 0.792∙FK) / GMKF + H2OMKF),

F = (20∙ 0,07 + 0,792 ∙ 4,68) / (1890,61+58,47) = 0,0026.

H2O= H2OMKF/ (GMKF + H2OMKF) (в долях единицы),

H2O = 57,92/1949,08=0,03.

Данные заносят в таблицу 1.7.

Таблица 1.7

Качественные показатели монокальцийфосфата

Содержание показателей продукта, в долях единицы
P2O5	P2O5USV	P2O5SV	F	H2O
0,468	0,44	0,053	0,0026	0,03

1.3. Краткие сведения для самостоятельного решения задач [2,3]

В производстве фосфорной кислоты степень разло­жения фосфата серной кислотой характеризуется коэф­фициентом разложения:

K_разл=(0,7∙100%)/(C_CaO/ ) (1.3.1)

где 0,7— отношение молекулярных масс СаО/SО₃ в сульфате кальция С_сао и — концентрации СаO и SО_з в фосфогипсе.

Фосфогипсом или фосфорополугидратом называют осадок сульфата кальция СаSО₄∙2Н₂О или СаSО₄∙0,5Н₂О, содержащий неразложившиеся фосфаты.

Для облегчения расчетов по уравнениям используют следующие понятия. Нормой серной кислоты называют число массовых долей моногидрата Н₂SО₄, приходящих­ся на 100 масс, долей фосфата. Стехиометрическую норму Н₂SО₄ определяют, исходя из общего содержания СаО в фосфате:

98 •С_саo/56= 1,75 С_сао масс. долей на 100 масс. долей фосфата, (1.3.2)

где 98 и 56 — молекулярные массы Н₂SО₄ и СаО; С_сао — содержание СаО в 100 масс. долях фосфата.

Если концентрация серной кислоты с, а коэффици­ент избытка ее (то есть, отношение фактического количества к стехиометрическому) составляет а, то расход кис­лоты равен:

m_K=1,75∙C_CaO∙a/c (1.3.3)

Масса образовавшегося в результате реакции сухого фосфогипса (СаSО₄∙2Н₂О) или фосфополугидрата (СаSО₄∙0,5Н₂О) в расчете на единицу массы фосфата

оценивается гипсовым числом: g_r=m_г/m_ф,

где m_г и m_ф — массы фосфогипса (фосфорополугидрата) и фосфорита (апатита). В производстве суперфос­фата стехиометрической нормой серной кислоты назы­вают число массовых долей серной кислоты (моногидра­та), приходящихся на 1 масс, долю Р₂О₅, рассчи­танное по уравнению реакции:

Ca₅F(PO₄)₃+3,5H₂SO₄=3,5CaSO₄+1,5Ca(H₂PO₄)₂+HF (1.3.4)

исходя из предположения, что реакция идет до конца:

3,5M (H₂SO₄ )/1,5M (P₂O₅)=343/213= 1,61. (1.3.5)

Выход суперфосфата на 1 т сырья определяют по формуле:

M_C=C_Ф ∙1000/C_C, (1.3.6)

где С_ф и C_C — содержание Р₂О₅ соответственно в исход­ном фосфате и в полученном суперфосфате.

Процентное отношение усвояемого Р₂О₅ к общему содержанию в продукте называют коэффициентом раз­ложения сырья.

K=C_усвP₂O₅∙100/C_общP₂O₅ (1.3.7)

Пример 1. Определите коэффициент избытка а сер­ной кислоты при получении простого суперфосфата, ес­ли норма серной кислоты (моногидрата) 68 масс. долей на 100 масс. долей апатитового концентрата с содержа­нием Р₂О₅ 39,4 %. .

Решение. Стехиометрическую норму серной кисло­ты определяем, используя коэффициент 1,61 (формула 1.3.5). На одну масс. долю Р₂О₅ необходимо 1,61 масс. до­лей серной кислоты, следовательно, на 39,4 масс. долей Р₂О₅, содержащихся в 100 кг апатитового концентрата, нужно:

1,61∙39,4 = 63,4 (кг).

Отсюда коэффициент избытка равен:

а=68/63,4 = 1,07.

Стехиометрическую норму фосфорной кислоты x (в кг/100кг фосфата) рассчитывают по реакциям разложения компонентов сырья в соответствии с его минералогическим составом или по формуле

, (1.3.8)

где a,b,c,d и e- содержание СаО, Ме₂О₃, MgO, P₂O₅- в разлагаемом фосфате и концентрация первого иона Н⁺ в фосфорной кислоте, %; 145- условная средневзвешенная молекулярная масса полуторных окислов.

Пример 2. Определить расход фосфорной кислоты, необходимой для разложения 100 кг фосфата, содержащего 26% P₂O₅, 41,8% СаО, 5,08% Ме₂О₃. Концентрация в кислоте первого иона водорода,определённая титрованием с диметилгельбом, равна 0,712%.

Решение. По формуле (1.3.8)

находим:

Пример 3. На 1000 кг двойного суперфосфата расходуется 366,7 кг фосфорной кислоты (в расчёте на P₂O₅) и 349,1 кг апатитового концентрата. Определить избыток кислоты на 100 кг апатитового концентрата по сравнению со стехиометрическим её количеством.

Решение. Согласно уравнению реакции

Са₅F(PO₄)₃+7H₃PO₄+5H₂O=5Ca(H₂PO₄)₂∙H₂O+HF (1.3.9)

теоретический расход фосфорной кислоты на 100 кг апатита составляет

,

где 142 504 –молекулярные массы P₂O₅ и Са₅F(PO₄)₃.

Фактический расход кислоты на 100 кг апатитового концентрата равен

(100∙366,7)/349,1=105,04 кг P₂O₅

Следовательно, применяемый избыток кислоты составляет

Пример 4. На разложение 1000 кг апатитового концентрата, содержащего 39,8% Р₂О₅, расходуется 1950 кг 54%-ной фосфорной кислоты (в пересчете на Р₂О₅). Определите, сколько извести добавляют для пол­ной нейтрализации избытка фосфорной кислоты и ка­кова концентрация Р₂О_{5 общ} и Р₂О_{5 усв} в готовом продук­те. Степень разложения апатитового концентрата 80%. Содержание СаСОз в известняке 95%. Степень исполь­зования его 90%. Фосфор в апатите находится в виде соли Са₅F(РО₄)з.

Решение. Процентное содержание Ca₅F(PO₄)₃ в апатите составляет:

2∙504∙39,8 /3∙142-=94,2 (%).

Масса Са₅F(РО₄)з, вступившего во взаимодействие с фосфорной кислотой, с учетом степени разложения:

1000∙0,942∙0,80 = 753,6 (кг)

Масса Р₂О₅ в фосфорной кислоте:

1950∙0,54=1053 (кг).

Рассчитаем, сколько фосфорной кислоты пошло на раз­ложение 753,6 кг фторапатита в соответствии с уравне­нием реакции (1.3.9):

753,6∙7∙142/2∙504=743,13 (кг).

При этом получается суперфосфата:

753,6∙5∙252/504= 1134 (кг),

где 252 — молекулярная масса Са(Н₂РО4)₂∙Н₂О. Избыток фосфорной кислоты (в пересчете на Р₂О₅):

1053—743,13=309,9 (кг).

Масса известняка, необходимая для его нейтрализа­ции, согласно уравнению реакции:

309,9∙100/142=218,2 (кг),

где 100 — молекулярная масса СаСО₃.

При этой реакции образовалось Са(Н₂РО4)₂∙Н₂О:

309,9∙252/142 =549,96 (кг).

Всего суперфосфата вместе с неразложившейся ча­стью апатита:

1134 + 549,96+(1000—753,6) =1930,36 (кг) Определяем массу Р₂О_5усв в 1683,96 кг суперфосфата: 1683,96 ∙142 /252 = 948,9 (кг)

и процентное содержание его в готовом продукте:

948,9∙100% / 1683,96 =49,2 (%).

Определяем массу Р₂О₅ в неразложившемся апатите:

(1000—753,6)∙0,398 = 98,07 (кг)

и массу Р₂О_5общ: 948,9 + 98,07 = 1046,97 (кг).

Процентное содержание Р₂О_5Общ в готовом продукте составит:

1046,97∙100%/1930,36=54,2%.

1.3.1. Задачи и ответы для самостоятельного решения

1. Определите процентное содержание Р₅О₅ во флотационном фосфорите, перерабатываемом в простой суперфосфат. Процесс протекает в стандартной супер­фосфатной камере диаметром 7,1 м, высотой 2,5 м и ин­тенсивностью 600 кг/м³ в 1 ч суперфосфата, содержаще­го 15% Р₂О₅. В сутки перерабатывается 7130 т фосфо­рита. Ответ: 30% Р₂О₅ .

2. Определите теоретический расход серной кисло­ты в расчете на моногидрат для разложения 5000 кг апатитового концентрата, содержащего 50,5% СаО. Ответ: 4419 кг

3. Определите расход башенной (75%-ной) серной кислоты для обработки 1 т апатитового концентрата, содержащего 52,3% СаО, если норма серной кислоты составляет 98,9% от стехиометрической массы. Ответ: 1206,9 кг

4. При разложении фосфорита, содержащего 25% Р₂О₅, образовалось 3850 кг фосфогипса. Считая, что разложение фосфорита произошло полностью, опре­делите, сколько 35%-ной Н₃РО₄ получено при этом. Гипсовое число g_г= 1,6. Ответ: 372 кг

5. 12 000 кг фосфорита обрабатывают серной кис­лотой. Анализ показал, что в полученном фосфогипсе содержание СаО 43,5%, SОз 56,5%. Определите массу неразложившегося фосфата Са₃(РO₄)₂. Ответ: 1092 кг

6. Рассчитайте, сколько теоретически необходимо серной кислоты (73%-ной) и воды для обработки 100 кг апатитового концентрата, содержащего 72% . Са₃(РO₄)₂, с целью получения: а) экстракционной фосфорной кислоты полугидратным методом, т. е. с обра­зованием

СаSО₄∙0,5 Н₂О; б) простого суперфосфата. Ответ: а) 91 кг; 6,27 кг; б) 60,70 кг; 4,18 кг

7. Из апатитового концентрата, содержащего 37% Р₂О₅, получают экстракционную фосфорную кислоту дигидратным способом. Полученная 30%-ная Н₃РО₄ в пересчете на Р₂О₅ после выпаривания содержит 43,5% Р₂О₅. Сколько упаренной кислоты можно полу­чить из 1000 кг апатитового концентрата? Сколько во­ды удаляется при выпаривании? Ответ: 849,4 кг; 382,2 кг

8. Обрабатывают 1500 кг апатитового концентрата (СаО 52%, Р₂О₅ 39,4%) башенной 75%-ной серной кислотой. Сколько воды нужно добавить для получения 35%-ной но содержанию Р₂О₅ фосфорной кислоты (про­цесс полугидратный)? Норма серной кислоты 105% от стехиометрической. Ответ: 746,25 кг.

9. 1000 кг апатитового концентрата (39,4% Р₂О₅) обрабатывают серной кислотой. Коэффициент извлече­ния Р₂О₅ при экстракции 98%, потери Р₂О₅ при фильтра­ции 20%. Гипсовое число 1,6. В результате разбавле­ния при экстракции и отмывке отношение жидкой фазы к твердой 3:1. Концентрация образующейся при этом фосфорной кислоты 32%.Каков массовый выход пульпы и продукционной кислоты? Ответ:6400; 1196кг.

10. Составьте материальный баланс производства 500 кг экстракционной фосфорной кислоты 35%-ной концентрации (Р₂О₅) по следующим данным: апатито­вый концентрат содержит СаО 51,3%, Р₂О₅ 39,1%. Концентрация серной кислоты 78%. Норма серной кис­лоты 98,8% от стехиометрической по СаО. Отношение жидкой фазы к твердой в пульпе 2,5 : 1. Потери Р₂О₅ при экстракции и отмывке 4 %. Выделение газообраз­ной фазы за счет фтора в виде SiF₄ 8,21 кг. Ответ. Приход: 466,22 кг апатитового концен­трата, 511,10 кг серной кислоты, 1551,2 кг воды. Расход: 500 кг фосфорной кислоты, 746,6 кг фосфогипса; 8,21 кг потери.

11. Сколько фосфорита 92%-ной концентрации Ca₃(PO₄)₂ нужно разложить в электрической печи для получения 1000 кг 73%-ной Н₃РО₄? Сколько энергии для этого необходимо?

Ca₃(PO₄)₂+5C+2SiO₂=P₂+5CO+Ca₃Si₂O₇; ΔН=1460 кДж/моль.

Ответ: 1154,59 кг; 5438·10³ кДж

12. Определите теоретический расход воздуха, не­обходимый для сжигания 500 кг жидкого фосфора (Р), содержащего 0,98 % примесей. Коэффициент избытка воздуха а=1,2. Содержание влаги 10 %. Ответ: 2580,6 м³

13. Сколько воды расходуется в 1 ч для образова­ния и разбавления фосфорной кислоты в башне сжигания, если масса сжигаемого фосфора 2350 кг/ч, в башне улавливается 53,2% от общей массы образую­щегося Р₂О₅, а концентрация полученной кислоты 73% Н₃РО₄. Ответ: 2406,33 кг

14. Рассчитайте расходные коэффициенты сырья — апатитового концентрата, содержащего 86 % Са₃(РО₄)₂, серной кислоты (моногидрата) и воды для получения 1 т простого суперфосфата. Ответ: 7836,2 кг; 426 кг; 39,1 кг

15. Рассчитайте норму серной кислоты (моногид­рата и 68%-ной кислоты) на разложение 100 масс, до­лей апатитового концентрата, содержащего 39,6% Р₂О₅ Коэффициент избытка a= 1,3. Ответ: 82,88 кг; 121,88 кг

16. Рассчитайте расход серной кислоты и воды на разложение 350 кг апатитового концентрата. Нормы серной кислоты (моногидрата) 68 масс, долей на 100 масс, долей апатита. Концентрация кислоты 75%-ная. Разложение ведут 69%-ной кислотой. Ответ: 317,3 кг; 32,7 кг

17. При обработке 100 кг апатитового концентра­та, содержащего 39,6% Р2О5, серной кислотой получен камерный суперфосфат, содержащий 20,5% Р₂О₅. Пос­ле его вызревания на складе содержание Р₂О₅ со­ставило 20,63%. Определите, сколько суперфосфата получено. Сколько воды выделилось при его вызре­вании? Ответ: 191,09 кг; 2,8 кг

18. Составьте материальный баланс производства простого суперфосфата из 1000 кг апатитового концен­трата по следующим данным: содержание Р₂О₅ в апа­титовом концентрате 41,2%, концентрация серной кис­лоты 78%-ная. Норма моногидрата 79 масс, долей, на 100 масс, долей апатита. Разложение ведут 68%-ной кислотой. Камерный суперфосфат содержит 20,4% Р₂О₅, суперфосфат (вызревший на складе) —20,65% Р₂О₅. Ответ. Приход: 1000 кг апатитового концентрата, 1012,8 кг воды. Расход: 1995,16 кг суперфосфата, 14,6 кг воды.

19. Определите коэффициент разложения сырья и выход камерного суперфосфата по следующим данным: в сырье содержится 39,4% Р₂О₅; в суперфосфате — 20,15% Р₂О_5общ и 17,6 Р₂0_5усв. Ответ: 87,3%; 1955,33 кг

20. Определите теоретические расходные коэффи­циенты обогащенного фосфорита, содержащего 30% Р₂О₅ и 70%-ной в пересчете на Р₂О₅ фосфорной кислоты, на производство 1 т двойного суперфосфата. Ответ: 563,5 кг; 563,5 кг.

21. Определите расход фосфорной кислоты для разложения фосфата, содержащего 26 % Р₂О₅. Фос­фор в сырье содержится в виде Са₅F(РО₄)₃. Ответ: 837 кг

22. Для получения 1000 кг двойного суперфосфата расходуется 370,7 кг фосфорной кислоты (в расчете на Р₂О₅) и 350 кг апатитового концентрата. Определите избыток кислоты на 1000 кг апатитового концентрата по сравнению со стехиометрической массой. Ответ: 7,4%.

23. Определите, сколько известняка необходимо для нейтрализации Р₂О₅своб в 100 кг суперфосфата, если концентрация оксида Р₂О₅ 26,15%. В результате нейтрали­зации содержание Р₂О₅своб понижается до 2,92%. Со­держание СаСОз в известняке 95%, степень использо­вания его 75%- Сколько углекислого газа выделится при этом? Ответ: 24,65 кг; 7,20 кг

24. 192 кг апатитового концентрата, содержащего 61% гидроксилапатита ЗСа₃(РО₄)₂•Са(ОН)₂, обрабаты­вают стехиометрической нормой фосфорной кислоты. Определите концентрацию (в %) Р₂О_5общ и Р₂О_5уcв в полученном суперфосфате. Степень разложения сырья 85%. Ответ: 54%; 51,2%

25. 250 кг апатитового концентрата, содержащего фосфор в виде Са₅F(РО₄)_з (концентрация Р₂О₅ 39,2%), обрабатывают стехиометрической нормой фосфорной кислоты. При этом получается суперфосфат следующего состава: Р₂О_5общ=50%, Р₂О_5уcв=46,2%, а Р₂О_5своб практически нет. Определите степень разложения апа­титового концентрата. Ответ: 85,71%

26. 350 кг апатитового концентрата, содержащего 85% Са₅F(РО₄)₃, разлагают фосфорной кислотой, нор­ма которой составляет 120% от стехиометрической. Степень разложения 100%. Определите содержание Р₂О₅ (свободного в %). Ответ: 3,6%.

1.3.2. Список рекомендуемой литературы.

1. Л.Г.Корс, Ю.Ф.Болтнев, Н.В. Корс Применение методов математического моделирования в химии и химической технологии: Учебно-практическое пособие. – К-д: Изд-во РГУ им.И.Канта,2006.-135с.

2. Сборник задач по химич. технологии: Учеб. пособ. для студентов хим. и хим-биол. спец.пед.ин-тов/И.И.Беляева и др.-М: Просвещение, 1982.-143 с.

3. Расчёты по технологии неорганических веществ. /Под ред.проф. М.Е. Позина.- Л.: Химия.-1977.-496 с.

4. Основы химической технологии./ Под ред. И.П.Мухлёнова.-М.: ВШ.-1991.-463 с.

5. Р.С.Соколов. Химическая технология.-М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 2003.- Т.1.-368 с.

6. ХЭ в пяти томах. /Под ред. И.Л.Кнунянца.- Изд-во «Советская энциклопедия». М.: 1990. т.2.-С.937-938, 869-870.

7. В.Ф.Очков. Языки программирования - GW BASIK и QBASIK- сравнительное описание. М.: Энергоатомиздат.-1992.- 76 с.

8. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений.-Л.:Химия.-1989.