Производство ортофосфорной кислоты экстракционным способом, производительностью 70 т/сут

2.2 Материальный баланс производства экстракционной фосфорной кислоты

Составим материальный баланс производства экстракционной фосфорной кислоты из апатитового концентрата на основании следующих исходных данных.
Содержание P₂O₅ в продукционной кислоте 32%. Концентрация серной кислоты 76%. Апатитовый концентрат содержит 39,4% P₂O_5, 52% оксида кальция и 3% фтора. Норма серной кислоты 100% от стехиометрической на оксид кальция. Коэффициент извлечения P₂O₅ при экстракции 98%, коэффициент отмывки P₂O₅ при фильтрации 98%.
В газовую фазу выделяется 20% фтора от содержания в сырье. Кратность циркуляции пульпы равна 5,8:1; в пульпе, поступающей на фильтрацию, отношение Ж/Т =3/1 . Влажность гипса на карусельном фильтре: в первой зоне 47%, во второй 44,2%, в третьей 42%, в четвертой 40%.
В процессе фильтрации испаряется 1746,31 кг/сут воды (по практическим данным). Производительность ЭФК составляет 70 т/сут, то есть 70000 кг.
Значит, расчет ведем на 59,197 т/сут апатитового концентрата.
1. Расход моногидрата серной кислоты на разложение апатита, содержащего 52 % CaO:
m (моногидрата H₂SO₄) =  (59197· 0,520 · 98) / 56 = 53869,27 кг
или 76%-ой H₂SO₄ 
m (H₂SO₄76%-ой) = 53869,27  / 0,76 = 70880, 62 кг
Кислота содержит воды:
m ( H₂O в серной к-те) = 70880, 62 -53869,27 = 17011,35 кг.

2. Количество фтора, выделившегося при экстракции:

m (F) = 59197 · 0,03 · 0,2 = 355,18 кг.
В пересчете на SiF₄ это составляет:
m (SiF₄) = (355,18 · 104)/(19 · 4) = 486,22 кг.

3. Количество P₂O₅, переходящее в раствор при экстракции:

m (P₂O₅) _{при экстр.} = 59197 · 0,394· 0,98 = 22857, 15 кг

4. Количество P₂O₅, переходящее в кислоту при отмывке гипса:

m (P₂O₅) _{при отмывке гипса} = 22857, 15· 0,98 = 22400 кг

5. Потери P₂O₅:

m (потерь P₂O₅) _{при экстр.} = 23323,62 - 22857, 15 = 466,47 кг
m (потерь P₂O₅) _{при отмывке гипса} = 22857, 15 - 22400 = 457,15 кг

6. Количество образующейся фосфорной кислоты:

m (32% P₂O₅) = 22400 /0,32 = 70000 кг.
m ( H₂O в фосфорной к-те) = 70000-22400 = 47600 кг.

7. Найдем количества раствора разбавления и циркулирующей пульпы. Количество экстракционной пульпы, поступающей на фильтрацию (Ж/Т =3/1; гипсовое число =1,6) равно:

m (экстр. пульпы) = 94715,2 · (3+1) = 378860,8 кг.
В ней содержится жидкой фазы:
m ( H₂O в пульпе) = 378860,8 - 94715,2 = 284145,6 кг,
в том числе 32 % P₂O₅ ,т.е.:
m (32% P₂O₅)_{в пульпе} = (284145,6 -538,7) · 0,32 = 90754,21 кг.
где 538,7 - количество влаги, испаряющейся в первой зоне фильтрации.

8. Количество жидкой фазы в фосфогипсе после первой фильтрации (до промывки в первой зоне влажность осадка по заданию 47%):

m (H₂O в фосфогипсе) = (94715,2 *47)/53 = 83992,73 кг.
Фосфорная кислота, содержащаяся в жидкой фазе осадка, после промывки фосфогипса возвращается в процесс.
В жидкой фазе осадка содержится P₂O₅:
m (P₂O₅)_{в осадке} = 83992,73 · 0,32 = 26877,67 кг.
Учитывая потери при отмывки фосфорной кислоты из фосфогипса, количество P₂O₅, вводимого (возвращаемого) на экстракцию с промывным раствором, равно:
m (P₂O₅)_{возвращаемого с пром. р-ром} = 26877,67 - 457,15 = 26420,52 кг
Количество P₂O₅, вводимого на экстракцию с оборотной кислотой
m (P₂O₅)_{возвращаемого с обор. к-той} = 90754,21 - (23323,62 - 466,47) - 26420,52 = 41476,54 кг
где 23323,62 и 466,47 - количества P₂O₅ в исходном апатите и оставшееся в неразложившемся апатите, кг.
Количество оборотной кислоты с концентрацией 32% P₂O₅:
m (32% P₂O₅)_{обортная} = 41476,54 /0,32 = 129614, 2 кг

9. Количество промывного раствора, которое должно быть подано на экстракцию, определяется по разности между расходом и приходом материалов:

m (промывного р-ра) _{для экстракции} = (378860,8 + 486,22 + 8287,58) - (59197+70880, 62 +129614,2) = 127942,78 кг
где 70880, 62 - количество вводимой 76%-ой H₂SO₄, кг; 8287,58 - количество воды, испаряющейся при вакуум-испарении пульпы (по заданию), кг; 486,22 - количество фтора, выделяющегося в газовую фазу (в пересчете на SiF₄), кг.
Концентрация P₂O₅ в промывном растворе:
С (P₂O₅)_{в промывном р-ре} = 26420,52 · 100/127942,78 = 20,65 %
Количество раствора разбавления:
m (р-р разбавления) = 129614,2 + 127942,78 = 257557 кг

10. Количество циркулирующей пульпы определим в соответствии с заданным значением кратности ее циркуляции (5,8) по отношению к пульпе, поступающей на фильтрацию.

Количество циркулирующей в процессе пульпы:
m (пульпы) = 378860,8 · 5,8 = 2197392,64 кг
Составим баланс материалов процесса экстракции (без учета испарения воды):

Таблица 1 - Баланс материалов процесса экстракции

Поступает на экстракцию	m, кг	Уходит с экстракции	m, кг
Апатитовый концентрат	59197	Фтор (в пересчете на SiF4)	486,22
Серная кислота	70880, 62	Экстракционная пульпа	2584541,04
Раствор разбавления	257557
Циркулирующая пульпа	2197392,64
Итого:	2585027,26	Итого:	2585027,26

11. Определим содержание P₂O₅ в экстракционной пульпе.

Количество P₂O₅ в жидкой фазе экстракционной пульпы (циркулирующей и вновь образующейся при экстракции):
m (P₂O₅)_{экстр. пульпы} = 90754,21 · 5,8 + 90754,21 = 617128,63 кг
, в том числе из апатитового концентрата 22857, 15 кг и из раствора разбавления
41476,54 + 26420,52 = 67897,06 кг
Следовательно, вновь образующаяся пульпа содержит P₂O₅:
m (P₂O₅) _{в новой пульпе} = 22857, 15 + 67897,06 = 90754,21 кг.

12. Количество P₂O₅, поступающей с циркуляционной пульпой:

m (P₂O₅) _{с цирк. пульпой} = 90754,21 · 5,8 = 526374,42 кг
На экстракцию поступает пульпы (при принятой кратности циркуляции и без учета испаряющейся воды при экстракции)
m (пульпы) _{на экстр.} = 378860,8 + 5,8· 378860,8 + 8287,6 = 2584541,04 кг
в том числе, кг:
твердой фазы 94715,2 + 5,8· 94715,2 = 644063,36 кг
жидкой фазы 284145,6 + 5,8· 284145,6 + 8287,6 = 1940477,68 кг
Концентрация P₂O₅ в жидкой фазе пульпы (без учета испарения):
С (P₂O₅) _{в жид. пульпе} = (617128,63 /1940477,68) · 100 = 31,8%

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

1. В последнюю секцию поступает 378860,8 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
2584541,04 - 378860,8 - 8287,6 = 2197392,64 кг
(8287,6 кг-количество воды, испаряющейся при вакуум-испарении пульпы)
в том числе, кг:
твердой фазы 644063,36 – 94715,2 = 549348,16 кг
жидкой фазы 1940477,66 – 284145,6 - 8287,6 = 1648044,46 кг
3. Количество P₂O₅ в жидкой фазе пульпы, возвращаемой в первую секцию (то же, что поступает с циркуляционной пульпой):
617128,63 - 90754,21 = 526374,42 кг
Концентрация P₂O₅ в жидкой фазе циркулирующей пульпы:
(526374,42 /1648044,46) · 100 = 31,94%.

14. 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	70880, 62	Влажного гипса, содержащего 40% воды	94715,2/0,6 = 157858,67
Апатитового концентрата	59197	Фосфорной кислоты	70000
		SiF4	486,22

Поступает в систему	m, кг	Уходит из системы	m, кг
		Испаряется воды при фильтрации	1746,31
		Испаряется воды при вакуум-охлаждении	8287,58
Итого:	130077,62	Итого:	238378,78

Необходимо ввести воды в систему: 238378,78 - 130077,62 = 108301,16 кг. Ниже приведен материальный баланс производства экстракционной фосфорной кислоты производительностью 70 т.

Таблица 3 - Материальный баланс производства ЭФК, производительностью 70 т/сут

Приход	m, кг	Расход	m, кг
Апатитовый концентрат	59197	Продукционная фосфорная кислота	70000
Серная кислота	70876,57	Фосфогипс (влажный)	157858,67
Раствор разбавления: - оборотная кислота -промывные р-ры	129614,2 127942,78	Раствор разбавления: - оборотная кислота -промывные р-ры	129614,2 127942,78
Циркулирующая пульпа	2197392,64	Фтористый газ (SiF4)	486,22
Вода	108301,16	Испарившаяся вода: - при фильтрации - при вакуум- охлаждении	1746,31 8287,6
		Циркулирующая пульпа	2197392,64
Всего	2693324,35	Всего	2693328,42

2.3 Тепловой баланс производства ЭФК