Материал: Екстракційне відділення виробництва фосфатної кислоти напівгідратним способом

- кількість Р2О5, перейшовшого в тверду фазу, кг/год.

Отже, кількість оборотної фосфатної кислоти, введений на екстракцію, в перерахунку на 48% по Р2О5 буде

·100/48 = 10742 кг/год.

Кількість промивного розчину,яка повинна бути введена на екстракцію

(50085 + 144 + 4608) - (10043 + 15930 + 10742) = 18122 кг/год.

де 50085 - кількість пульпи, поступаючої на фільтрацію, кг/год;

- кількість газової фази, кг/год;

- кількість вологи, випареної в вакуум-випарнику, кг/год;

- кількість апатитового концентрату, кг/год;

- кількість сульфатної кислоти, поступаючої на роз положення, в перерахунку на 56%, кг/год

Концентрація промивного розчина

·100/18122 = 175% Р2О5.

Кількість циркулюючої пульпи при співвідношенні циркуляції 1:3 становить

·3 = 150255 кг/год.

Матеріальний баланс екстрактора

2.3.3 Тепловий розрахунок екстрактора

Вихідні дані

Кількість поступаючої сульфатної кислоти на екстракцію (в кг/год) 15930

Температура сульфатної кислоти (в °С) 30

Кількість апатитового концентрата (в кг/год) 10043

Температура апатитового концентрата (в °С) 25

Кількість оборотної фосфатної кислоти (в кг/год) 10742

Температура оборотної фосфатної кислоти (в °С) 91

Кількість промивних вод (в кг/год) 18122

Температура промивних вод (в °С) 85

Кількість циркуляційної пульпи (в кг/год) 150255

Температура циркуляційної пульпи (в °С) 95

Кількість газової фази (в кг/год) 144

Температура газової фази (в °С) 100

Прихід тепла.

. Тепло з сульфатною кислотою

=15930·132,2=2105946 кДж/кг,

де 132,2 ентальпія сульфатної кислоти, кДж/кг.

. Тепло з апатитовим концентратом

=10043·25·1,045=262373 кДж/год,

де 1,045 - теплоємність апатитового концентрата кДж/кг·град.

. Тепло оборотною фосфатною кислотою

=10742·91·2,750=2688186 кДж/год,

де 2,750 - теплоємність фосфатної кислоти, кДж/кг·град.

. Тепло з промивним розчином

=18122·85·3,440=5298873 кДж/год,

де 3,440 - теплоємність промивного розчину, кДж/кг·град.

. Тепло з циркулюючою пульпою

=150255·95·2,481=35414352 кДж/год,

де 2,481 - теплоємність пульпи, кДж/кг·град.

. При кристалізації сульфату кальцію в вигляді дигідрата розміщення апатитового концентрату буде проходити по рівнянні

F(PO4)3 + 5H2SO4 + 10H2O = 5CaSO4 · 2H2O + 3H3PO4 + HF + Q

Теплота утворення компонентів і продуктів реакції (кДж/моль):

(PO4)3 F 6825· 2H2O 1999,6SO4 794,1PO4 1258,6O 286,2267,8

Звідси

+ 5·794,1 + 10·286,2 = 5·1999,6 + 3·1258,6 + 267,8 + Q

Q = 384,1 кДж/моль.

Виділиться тепла при розміщенніі 1 кг апатитового концентрату

,1·1000/504 = 762,1 кДж/кг,

або Q6 = 10043·762,1 = 7653770 кДж/год.

Теплота утворення 100% H3PO4 1258,6

Теплота утворення 48% або 44,2% в перерахунку на H3PO4 1275,7

Теплота розчинення

,7 - 1258,6 = 17,1

Всього виділиться тепла від розчинення

= 5353·1000·17,1 / 98 = 934044кДж/год,

де 5353 - кількість H3PO4 яка утворилась, кг/год.

Загальний прихід тепла в систему

пр = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7пр = 2105946 + 262373 + 2688186 + 5298873 + 35414352 + 7653770 + 934044 = 54357544 кДж/год.

Витрата тепла.

. Тепло, винесене з газової фази:

з SiF4 121·65·1,072 = 8431 кДж/год.

з HF 23·65·0,915 = 1368 кДж/год,

де 1,072 і 0,915 - теплоємність SiF4 і HF, кДж/кг·град;

= 8431 + 1368 = 9799 кДж/год.

. Втрати тепла в оточуюче середовище (приблизно)

Q2 = 100000 кДж/год.

. Тепло, винесене пульпою, виходячи із екстрактора у вакуум-випарник,

= 54357544 - 100000 - 9799 = 54247745 кДж/год.

Температура пульпи в екстракторі

= Q3/m/c = 54247745/205092/2,481 = 107°C?

де 205092 - кількість пульпи, кг/год;

,481 - теплоємність пульпи, кДж/кг·град.

Зведений тепловий баланс екстрактора

2.3.4 Розрахунок екстрактора

Розрахувати розміри восьмисекційного залізобетонного екстрактора прямокутного січення, призначеного для утворення 48%-вої по P2O5 кислоті, якщо тривалість екстракції 5 годин, а на екстракцію поступає 10,043 т/год апатитового концентрату, 15,930 т/год H2SO4 і 18,122 промивного розчину. Кількість циркулюючої пульпи можна не враховувати, так як поступаючи матеріали знаходяться в системі певний час, незалежно від того, присутні чи відсутні інші потоки.

Об’єм екстрактора Vекстр рівний виробництву часового об’єму (Q) поступаючи матеріалів на довготривале їх перебування в ньому з врахуванням коефіцієнта заповнення φ

екстр = QƮ/φ;

Q = 10,04 + 15,930 + 18,122 / 1,43 = 30,8 м³/год

де 1,43 - густина пульпи, т/м³.

Якщо степінь заповнення екстрактора φ = 0,8, а пульпа знаходиться в ньому 5 год, то

екстр =30,8 · 5/0,8 = 192,7 м³

Приймаємо ширину екстрактора b ~1,3 h, l = 2,9 h, h - висота екстрактора є оприділяючим параметром, розрахована із рівності:

екстр = 2/3bhl = 2/3 · 1,3h · 2,9h · h = 2,51h3

(2/3 - коефіцієнт, враховуючий товщину стінок і об’єм перегородок).

Внутрішня сторона екстрактора футерована в два слої кислототривкою цеглою на кислототривкому цементі; перегородки виготовлені із кислототривкої цегли.

Основні розміри екстрактора знаходимо, вважаючи з конструктивних міркувань, що h = 4,25 м; тоді:

= 1,3 · 4,25 = 5,5 м;= 2,9 · 4,25 = 12,3 м.

Геометричний об’єм екстрактора:

екстр = 2/3 · 5,5 · 4,25 · 12,3 = 192 м³

Перші чотири секції (по ходу потоку пульпи) мають об’єм (по практичних даних для розглянутої конструкції) приблизно по 22 м³ кожна, і чотири останні - по 25 м³.

.4 Техніка безпеки і протипожежні заходи

Основа безпечної роботи у фосфатно-кислотному виробництві - безумовне дотримання встановлених державними законами спеціальних вимог і норм по забезпеченню нормальних умов праці і відвертанню нещасних випадків. У виробництві екстракційної фосфорної кислоти виділяються шкідливі гази, в ньому використовують агресивні розчини і протікає воно при підвищених температурах в складній апаратурі, що обслуговується транспортними засобами, приведеними в дію електричними двигунами. Воно розміщене в приміщенні, яке зводиться відповідно до вимог, що забезпечують чистоту, нормальну освітленість, легкий доступ до окремих агрегатів і їх елементів.

За характеристикою сировини, процесів і готової продукції технологія екстракційної фосфорної кислоти відноситься до шкідливи[ виробництв. У атмосферу виробничих приміщень можуть виділятися фторвмісні гази, пари фосфатної кислоти, фосфатний пил і сірчаний газ. Ці речовини чинять шкідливу дію на організм людини і їх виділення в атмосферу робочих приміщень повинне негайно ліквідовуватися.

При тривалому систематичному вдиханні розвивається хронічне захворювання - силікоз. Токсична дія фосфатної сировини посилюється наявністю в нім включень фтору.

Для відвертання попадання пилу в атмосферу подання фосфату у виробничі приміщення зазвичай здійснюється пневмотранспортом, обладнаним відповідними пристроями для очищення транспортуючого повітря.

Основна умова, що забезпечує безаварійну роботу пневмотранспорта, - підтримка заданого тиску повітря [0‚6 МПа ( 6 ат)] на пневмотрубопроводах і насосах. Перевищення тиску може привести до розриву комунікацій і створення аварійної обстановки [8].

Вузол прийому і дозування фосфатної сировини виділяється в окреме приміщення.

При утворенні запиленої атмосфери необхідно користуватися індивідуальним засобом захисту - протипиловим респіратором ШБ- 1 типу "Пелюстка"; респіратором Ф- 45 або іншим.

Сірчана кислота (концентрована) при попаданні на шкіру викликає сильні опіки. При попаданні кислоти на великі ділянки поверхні шкіри опіки, що утворюються, дуже небезпечні (іноді з летальним кінцем). Пари сірчаної кислоти дратують і обпалюють слизову оболонку верхніх дихальних шляхів і вражають легені.

При попаданні на шкіру сірчаної кислоти обпалене місце необхідно негайно промити сильним струменем води, щоб видалити з поверхні повністю кислоту, змочити 5% розчином соди і змастити вазеліном. Недостатнє і повільне промивання‚ пошкодженого місця може посилити опік внаслідок виділення теплоти при розбавленні кислоти і подальшої нейтралізації її содою. У приміщенні цеху у багатьох місцях встановлюються гідранти і банки з содовим‚ розчином. При сильних опіках після вжиття перших заходів допомоги слід звернутися до лікаря. На тіло найбільш вірогідне попадання кислоти поблизу насосів, збірок, холодильників, кислотопроводов і вентилів арматури. Тому при їх обслуговуванні необхідно користуватися запобіжними окулярами, а ремонт їх і набивання сальників робити в гумових чоботях, фартухах і рукавицях.

Сірчистий ангідрид може виділятися з сірчаної кислоти. Він викликає роздратування шкіри, слизових очей, носоглотки і верхніх дихальних шляхів. При накопиченні в глухих непровітрюваних місцях, значної концентрації його в повітрі (30-60 мг/м³) можливі гострі отруєння, що викликають набряк легенів і розширення серця. Ознаками навіть спритного отруєння служать запаморочення і роздратування слизових оболонок - щипання в носі, чхання, позиви до кашлю. Сильні отруєння викликають загальну слабкість, задишку, сильний кашель, можлива втрата пам’яті [9].

Для попередження виділення в цеху сірчистого газу усі місткості, трубопроводи і комунікації на тракті сірчаної кислоти мають бути герметизовані.

З'єднання фтору, що виділяються в газову фазу в процесі екстракції, випарювання кислоти, а також з робочих розчинів, сильно дратують слизову оболонку верхніх дихальних шляхів і чинять загальну отруйну дію на організм. При високих концентраціях з'являється роздратування слизовою оболонкою очей і носоглотки, а надалі - виразки, що повільно гояться. Фторвмісні сполуки діють на центральну нервову систему і викликають задуху, іноді блювоту, кольки, захворювання органів травлення, ясен і зубів.

Гранично допустима концентрація в повітрі робочої зони виробничих приміщень газів, НF, що містять, дорівнює 0,5 мг/м³.

При отруєнні фторовмісними газами перша допомога полягає в інгаляції содовим розчином. При важких отруєннях потрібні спокій і тепло [10].

Фосфорна кислота кислота дратівливо діє на слизову оболонку верхніх дихальних шляхів, викликаючи запалення слизової оболонки очей і носоглотки, носові кровотечі, сухість в носі і глотці, кришіння зубів. При попаданні (особливо гарячих кислот) на шкіру утворюються слабкі, але такі, що довго не гояться опіки. Для відвертання опіків при експлуатації і особливо при виробництві ремонтних робіт необхідно користуватися захисними засобами - окулярами, гумовими рукавицями, протикислотним спецодягом.

Кислоту, що потрапила на тіло, слід негайно змити щедрою кількістю води (але не сильним струменем) і змочити уражені місця 5% розчином перманганату калію. У разі поразки очей необхідно ретельно їх промити водою і звернутися до лікаря.

Екстракційна пульпа при підвищеній температурі діє на організм аналогічно фосфорній кислоті, але в дещо сильнішій формі, внаслідок змісту в ній частково сірчаної кислоти, а також твердої фази - фосфогіпса. Разом з хімічними опіками вона може заподіяти і термічний опік.

Фосфогіпс також діє дратівливо на слизову оболонку дихальних шляхів, внаслідок змісту в нім залишкової фосфорної кислоти і з'єднань фтору.

Для кожного робочого місця встановлені робочі інструкції і інструкції по техніці безпеки. Точне і свідоме виконання усіх вказівок і вимог інструкцій є необхідною умовою і гарантією безпечної роботи [11].

.5 Екологічна частина

Підприємства з виробництва фосфорної кислоти є джерелами викидів в атмосферу, утворення токсичних стоків, і великої кількості твердих відходів і пилу. Основна причина - в процесі виробництва фосфорної кислоти крім основного продукту утворюються побічні, в основному це фосфогіпс (вологий і у вигляді пилу), фтор та його сполуки в газоподібному і розчиненому вигляді, і продукти неповного розкладання фосфату, що містить домішки, які є додатковим джерелом відходів.

.5.1 Переробка фосфогіпсу

В процесі виробництва фосфорної кислоти, в залежності від концентрації і температури CaSO4 може бути виділений у формі CaSO4 • 2Н2О, CaSO4 • 0,5Н2О, CaSO4. Фосфогіпс являє собою тонкодисперсний порошок, частково скомкованный, що містить 40 мас%. (дегідратный спосіб) і до 25 мас%. (полугідратный спосіб) загальної вологи.

Основне використання фосфогіпсу - переробка в будматеріали, а саме: виробництво портландцементу, гіпсових в'яжучих і вапна, знайшло широке застосування.

Фосфогіпс застосовується і в сільському господарстві. Внесення фосфогіпсу в солончаковий грунт призводить до утворення сульфату натрію, який легко вимивається з ґрунту. На дерново-підзолистих грунтах ефективним сірковмісним добривом є фосфогіпс. При внесенні його в грунт підвищується продуктивність рослин, якість урожаю, краще засвоюються поживні елементи добрив. Використання фосфогіпсу в якості добрива або меліоранту можливо безпосередньо або в суміші з іншими компонентами (наприклад, вапном). Перевага використання фосфогіпсу в сільському господарстві полягає в тому, що не потрібно його очищення від Р2О5; в даному випадку навпаки домішка Р2О5 відіграє позитивну роль. Для придушення дії фтору, що входить до складу фосфогіпсу, застосовують добавки, що утворюють сполуки, нерозчинні у ґрунті. Відомі також методи отримання з фосфогіпсу азотних добрив; на стадії лабораторних випробувань знаходиться витяг з фосфогіпсу елементарної сірки шляхом відновлення при температурі 1100-1200°С [12].

2.5.2 Отримання H2SO4 з відходів виробництва сірчаної кислоти

Фосфогіпс використовується для виробництва сірчаної кислоти в сірчанокислотному виробництві. Гарячий газ, що містить сірчистий ангідрит, очищається в циклоні і електрофільтрі і надходить на сульфатно-кислотну установку.

Реакція розкладання CaSO4 в присутності відновника протікає в дві стадії. На першій стадії утворюються сульфід кальцію і діоксид вуглецю

+ 2C → CaS + 2CO2.

Друга стадія представлена двома паралельними процесами:

+ 3 CaSO4 → 4CaO + 4SO2,+ 2SO2 → CaSO4 + 2S2.

При температурі 900°С швидкості останніх двох процесів близькі, а при більш високих температурах переважає в основному перша з цих реакцій.

На побічні процеси, що супроводжують дане виробництво, витрачається вуглець, тому його беруть і надлишком по відношенню до стехіометричної кількості згідно сумарної реакції

CaSO4 + С → 2СаО + 2SO2 + CO2.

Надлишок вуглецю становить 20% при переробці фосфоангідрита, отриманого з фосфоритів, і 30% - у разі апатитового.

Процес дуже чутливий до кисню, при великих кількостях якого вигорає сірка, а утворюється рідкий сульфат кальцію утворює в печі важкі нарости, кільця, сварки. Тому випал ведуть при вмісті в газовій фазі 0,5-0,6% кисню. При 1200°С в присутності 20-30% надлишку відновника отримують сірчистий газ з концентрацією 10-13% SO2.

Безводний фосфогіпс змішують з висушеним і розмеленим піском, глиною, золою і у вигляді шихти направляють у обертову піч. Піч обігрівається газами від спалювання газоподібного і рідкого палива. При 1400°С утворюється клінкер. Відходить газ надходить у теплообмінник [13].