«Производство фосфорной кислоты термическим методом»

3. Технологические расчеты

3.1. Материальный баланс башни сжигания фосфора

В башню сжигания поступает весь перерабатываемый элементарный фосфор и необходимое количество воздуха, часть воды, необходимой в процессе, и фосфорная кислота, получаемая в башне гидратации. Из башни уходит в последующие аппараты для дальнейшей обработки непоглощенный фосфорный ангидрид в виде тумана фосфорных кислот, газы и пары воды, а также продукционная фосфорная кислота.
Исходные данные.
Фосфора поступает на сжигание – 3000 кг/ч (0,5% примесей).
Степень поглощения фосфорного ангидрида в башне сжигания – 0,5; в башне гидратации – 0,445.
Концентрация образующейся фосфорной кислоты в башне сжигания – 75%, в башне гидратации – 65%.
Расход воздуха на сжигание фосфора – 31112,4 кг/ч (24165 м³ при н.у.).
Содержанием влаги в поступающем воздухе пренебрегаем.
Влагосодержание газов, отходящих из башни гидратации – 0,18.
Приход.
Количество фосфора, подаваемого на сжигание равно 3000 кг/ч.
Количество воздуха, поступающего в башню, составляет 31112,4 кг/ч.
Количество фосфорной кислоты концентрации 65 H₃PO₄, образующейся в башне гидратации и поступающей в башню сжигания, равно 6460,2 кг/ч.
Следовательно, без учета подаваемой воды общее количество поступающих в башню фосфора, воздуха и фосфорной кислоты равно:
3000 + 31112,4 + 6460,2 = 40572,6 кг/ч
Необходимое количество воды, подаваемой в башню сжигания, вычислим по балансу материалов.
Расход.
В башне сжигания поглощается 50% образующегося фосфорного ангидрида; это составляет:

Другая половина фосфорного ангидрида, также равная 3418,2 кг/ч, входит в башню гидратации.
Для сжигания 3 т/ч фосфора расходуется 3852 кг/ч кислорода, а количество уходящей смеси азота и остатка кислорода равно 27260,4 кг/ч. В ней содержится 23862,9 кг/ч азота и 3397,5 кг/ч кислорода. С ними уносится 4906,8 кг/ч водяных паров.
Таким образом, общее количество отходящей газо-паровой смеси будет:
23862,9 + 3397,5 + 4906,8 = 32167,4 кг/ч
С учетом образующегося фосфорного ангидрида количество отходящих газов составит:
32167,4 + 3418,2 = 35585,6 кг/ч
В башне сгорания образуется 50%, а в башне гидратации 44,5% общего количества продукционной 75%-ной H₃PO₄ (равного 12582 кг/ч).
Соответственно, из башни сжигания отводится продукционной 75%-ной H₃PO₄:

Содержащей, кг/ч:
H₃PO₄...
H₂O...
С материалами, уходящими из башни сжигания, уносятся также примеси, содержащиеся в фосфоре. Количество их 15 кг/ч.
Следовательно, расход материалов из башни сжигания составляет:

По разнице между расходом материалов и вычисленным выше количеством материалов, поступающих в башню сжигания, находим количество подаваемой воды:

Проверим полученное значение по частному балансу воды в башне сжигания. Количество воды в продуктах, отходящих из башни, кг/ч:
в отходящих газах 4906,8
в кислоте –
в виде воды разбавления 2972,6
в виде гидратной воды
Всего уходит воды из башни сжигания:

Количество воды в 65%-ной H₃PO₄, поступающей в башню сжигания, кг/ч:
в виде воды разбавления
в виде гидратной воды
Количество подаваемой свежей воды 6918 кг/ч.
Таким образом, приход и расход воды составляют:

Таблица 1. Материальный баланс.

Приход	кг/ч	Расход	кг/ч
Фосфор в том числе фосфор (100%) примеси	3000 2985 15	Отходящие газы в том числе P2O5 O2 N2 H2O	35585,4 3418,2 3397,5 23862,9 4906,8
Воздух в том числе N2 O2	31112,4 23863,9 7249,5	75%-ная H3PO4 в том числе H3PO4 H2O	11890,2 8917,6 2972,6
65%-ная H3PO4 в том числе H3PO4 H2O	6460,2 4199,1 2261,1	Примеси	15
Вода	6918
Всего	47490,6	Всего	47490,6

Из таблицы 1 следует, что для окисления 3 т/ч жидкого фосфора требуется 31112,4 кг/ч воздуха (воздух берется в избытке, для избежания образования низших окислов фосфора). А для поглощения образовавшегося ангидрида требуется 6460,2 кг/ч 65%-ной H₃PO₄ и 6918 кг/ч H₂O [3].