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畢業(yè)設(shè)計(jì)
鹽酸分解磷礦裝置設(shè)計(jì)
摘要：本論文以解決現(xiàn)有鹽酸法分解磷礦制飼料磷酸氫鈣流程問題為目的,進(jìn)行了多方面的研究.研究?jī)?nèi)容主要包括:通過對(duì)酸解動(dòng)力學(xué)行為及酸解液中雜質(zhì)影響的研究,尋求較佳的酸解工藝控制條件;通過對(duì)酸解液中膠體及不溶物的絮凝沉降影響因素的研究,尋找較為合理的沉降操作條件;通過對(duì)不加絮凝劑的沉降濃縮液離心分離實(shí)驗(yàn)及仿帶式真空過濾機(jī)的平底漏斗實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)了二次酸解工藝,推薦了過濾操作條件.以此為基礎(chǔ),對(duì)飼料磷酸氫鈣的去渣二段中和新流程作了一些探索性工作.即鹽酸分解磷礦的酸解液先不進(jìn)行中和,而直接將酸解液快速沉降、過濾,分離掉酸解過程中產(chǎn)生的殘?jiān)?、膠體的大部分,然后將清液進(jìn)行第一次中和,脫出重金屬、氟、少量的磷酸氫鈣作為肥料(即白肥)使用,濾液進(jìn)行第二次中和.結(jié)果令人滿意,不僅使飼料磷酸氫鈣磷回收率從58-61％提高到了72％,新增白肥磷回收率18-20％,而且,每噸飼鈣產(chǎn)生的廢渣量從1-1.5噸下降到了265kg,使流程的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益都大大的提高.本研究工作不僅打通了現(xiàn)有的不去渣二段中和、混合脫氟工藝的生產(chǎn)限制瓶頸——渣沉降和飼鈣分離.并且對(duì)現(xiàn)裝置布局不作大的改動(dòng)和投入的情況下,可改造為去渣的二段中和流程,使現(xiàn)生產(chǎn)裝置能力大幅度提高.該工藝技術(shù)合理,流程通暢,實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好,操作可靠,去渣技術(shù)有獨(dú)創(chuàng)性,國(guó)內(nèi)未見報(bào)道.
關(guān)鍵詞：鹽酸分解；磷礦；裝置設(shè)計(jì)；二次酸解；萃取
1. 前言
我國(guó)的磷肥工業(yè)起步較晚。20世紀(jì)50年代在南京和太原興建了兩個(gè)大型磷肥廠，主要生產(chǎn)過磷酸鈣；20世紀(jì)60年代初，開始發(fā)展鈣鎂磷肥；20世紀(jì)80年代以來，磷酸銨和硝酸磷肥相繼投產(chǎn)，使磷肥工業(yè)開始向高濃度、復(fù)合化方向發(fā)展。但由于我國(guó)磷礦資源多為中、低品位，生產(chǎn)高濃度磷肥有一定難度。從我國(guó)實(shí)際情況出發(fā)，磷肥工業(yè)的發(fā)展必然是多層次、多規(guī)格、多品種。
磷酸是現(xiàn)代磷肥工業(yè)的基礎(chǔ)，主要用做高濃度磷肥與復(fù)合磷肥的原料。作為磷肥工業(yè)的原料是指正磷酸或聚磷酸-水體系。
生產(chǎn)正磷酸有熱法和濕法兩種。熱法生產(chǎn)磷酸是利用元素磷在空氣中氧化成磷酐，經(jīng)吸水后獲得。濕法生產(chǎn)磷酸，先用酸分解磷礦粉，再將生成的磷酸與相應(yīng)生成的鈣鹽分開。
生產(chǎn)磷肥主要有熱法與酸法兩種工藝流程。熱法生產(chǎn)是利用高溫分解磷灰石的結(jié)構(gòu)，并加入配料，使磷生成為可被植物吸收的磷酸鹽。酸法生產(chǎn)是用硫酸、硝酸或鹽酸分解磷礦粉中磷灰石結(jié)構(gòu)，并把其中的鈣鹽分離出來，使磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽。
此外，將磷礦石經(jīng)機(jī)械粉碎所生產(chǎn)的磷礦粉，也可直接用作磷肥。
用熱法與酸法或機(jī)械粉碎所產(chǎn)生的磷肥，按其溶解度可分為水溶性磷肥、弱酸溶性磷肥和難溶性磷肥。 ?
以磷礦為原料生產(chǎn)的含有作物營(yíng)養(yǎng)元素磷的化肥。最早的磷肥是過磷酸鈣，現(xiàn)已逐漸被磷酸銨和重過磷酸鈣等高濃度磷肥取代。磷酸銨類肥料和硝酸磷肥等的生產(chǎn)過程雖與上述磷肥生產(chǎn)過程相近(或密切相聯(lián))，習(xí)慣上也把它們歸屬于磷肥范疇，實(shí)際上，它們是既含營(yíng)養(yǎng)元素氮，又含營(yíng)養(yǎng)元素磷的復(fù)合肥料。1980-1981肥料年度,世界磷肥總產(chǎn)量(以P2O5計(jì))為34.44Mt。中國(guó)1983年的產(chǎn)量為 2.666Mt。磷礦粉直接施肥，在美國(guó)、蘇聯(lián)和中國(guó)等有一定的數(shù)量，但都不統(tǒng)計(jì)在磷肥的產(chǎn)量?jī)?nèi)。美國(guó)在新開墾地上大量施用磷礦粉作為土壤磷素的基礎(chǔ)。近年來，大量的肥效研究和施肥實(shí)踐證明，活性高的磷礦粉在酸性土壤上有較好的效果。
磷在植物體內(nèi)是細(xì)胞原生質(zhì)的組分，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖起重要作用，磷還參與植物生命過程的光合作用、糖和淀粉的利用和能量的傳遞過程。植物幼苗吸收磷很快，適時(shí)施用磷肥能促進(jìn)植物苗期根系的生長(zhǎng)，保證植物生長(zhǎng)健壯。植物在結(jié)果時(shí)，磷大量轉(zhuǎn)移到籽粒中，使得籽粒飽滿。磷肥的有效成分常常是不同的磷酸鈣鹽或與其他組分組成的玻璃體物質(zhì)。其有效組分的品位以五氧化二磷的百分含量表示。磷肥分水溶性和枸溶性兩類（見表）：水溶性磷肥是速效磷肥，對(duì)土壤和作物的適用性比較廣；枸溶性磷肥不溶于水，只溶于枸櫞酸銨（即檸檬酸銨）或2％枸櫞酸(即檸檬酸)溶液,多數(shù)只適用于在酸性土壤上施用。
磷礦是生產(chǎn)磷肥的主要原料之一。其主要礦物是氟磷灰石Ca5F(PO4)3。但純的氟磷灰石很少見。其結(jié)構(gòu)中的一些組分常被其他組分所取代，被取代的磷灰石礦物統(tǒng)稱為細(xì)晶磷灰石。天然磷礦中含有多種雜質(zhì)礦物，如石灰石、白云石、含鐵或鋁的礦物、硅石和硅酸鹽礦物等。采用分級(jí)、水洗脫泥、浮選和其他方法進(jìn)行富集處理,最大限度排除雜質(zhì)礦物,變天然磷礦石為商品磷礦，這是磷肥生產(chǎn)必不可少的步驟。不同的磷肥加工方法對(duì)磷礦的質(zhì)量要求不一樣。用于磷肥酸法生產(chǎn)的磷礦，要求把鐵、鋁、鎂和泥質(zhì)等含量限制到較低限度；在磷肥的熱法生產(chǎn)中，磷礦中的含硅礦物一般是有益的；在鈣鎂磷肥生產(chǎn)中，磷礦中的含鎂礦物與含硅礦物不需要預(yù)先除去。
2.鹽酸分解磷礦簡(jiǎn)介
2.1 鹽酸分解磷礦的現(xiàn)狀和意義
近年來我國(guó)除用磷生產(chǎn)磷肥的化肥級(jí)磷酸用量增長(zhǎng)很快外，非肥磷酸用于水處理劑、民用合成洗滌劑(如三聚磷酸鈉)、飼料、食品添加劑等方面也發(fā)展較快。
磷酸生產(chǎn)工藝有熱法、濕法磷酸二大類。所謂熱法磷酸是用磷礦石、硅石(SIOz)、焦炭在電爐中將磷礦石中的磷還原為元素磷，其反應(yīng)為:
然后將黃磷在空氣中燃燒得到五氧化二磷。
五氧化二磷與水反應(yīng)得到磷酸。
我國(guó)工業(yè)級(jí)磷酸均足由熱法工藝生產(chǎn)的。這種工藝的產(chǎn)品純度高，對(duì)磷礦石品位無嚴(yán)格要求，但電耗高、)及本高。
所謂濕法磷酸，就是用酸分解磷礦石制取磷酸的工藝，所用的酸有硫酸、鹽酸和硝酸。
以硫酸為原料生產(chǎn)磷酸的反應(yīng)為:
(注:n可以等于0、1/2或2，主要是由硫酸鈣結(jié)晶體中的水合物形式確定)
通常所稱濕法磷酸，就是指該工藝(以下同少，這種工藝由于能耗、成本比
熱法工藝低，因而發(fā)展較快，目前國(guó)際上用以生產(chǎn)肥料級(jí)磷酸而取代了熱法磷酸。但如果提高產(chǎn)品質(zhì)量使達(dá)工業(yè)級(jí)或食品級(jí)成本將十分昂貴。另外該工藝付產(chǎn)大量磷石膏，處理困難。
以硝酸為原料生產(chǎn)磷酸
由于硝酸價(jià)格高，而且磷礦石中各種雜質(zhì)大部分進(jìn)入到洛液中，需用有機(jī)溶劑萃取分離。其中采用叔戊醇作為溶劑的工藝已在芬蘭得到開發(fā)。但至今國(guó)際上仍未有采用硝酸制取磷酸的工業(yè)化生產(chǎn)裝置。僅有用硝酸酸化磷礦石而制得含NT為8、含P,0。為16%的硝酸磷肥或用硫酸與硝酸的混酸制取含N23一5%、含P,O。18%的硝酸磷肥。
以鹽酸為原料生產(chǎn)磷酸
該工藝是由以色礦業(yè)研究院( ICL公司)開發(fā)井形成工業(yè)化生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)
技術(shù)成熟，這就是有名的工MI法。該工藝可分別生產(chǎn)達(dá)肥料級(jí)、工業(yè)級(jí)、食品級(jí)磷f--W。產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)廣闊，國(guó)外總生產(chǎn)能力達(dá)20萬噸pz0ao我國(guó)60年代以來曾有一些科研、高校單位進(jìn)行過研制，但僅有肥料或飼料級(jí)的沉鈣(磷酸氫鈣)生產(chǎn)裝置或以有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取制得肥料級(jí)磷酸三 氫鉀的小試產(chǎn)品(未工業(yè)化)，尚無生產(chǎn)高濃度的肥料級(jí)、二二業(yè)級(jí)、食品級(jí)磷酸的生產(chǎn)裝置問世。
磷礦問題國(guó)外的大中型磷酸裝置，幾乎都采用優(yōu)質(zhì)磷礦作為原料，裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際使用的礦種比較吻合，其生產(chǎn)非常穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也很好。我國(guó)的大中型磷酸裝置在建設(shè)之初，仍以優(yōu)質(zhì)磷礦的性能和成份為依據(jù)作設(shè)計(jì)，但在投產(chǎn)后，一部分企業(yè)就得不到這種優(yōu)質(zhì)磷礦作原料，致使這些企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)長(zhǎng)期達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。小磷酸的磷礦供應(yīng)情況就更差，不單是品位低、有害雜質(zhì)含量高，供礦點(diǎn)也多而雜，這就更增加磷酸生產(chǎn)的困難。
2.2鹽酸法萃取磷酸的工藝技術(shù)簡(jiǎn)介
1M1法磷酸工藝僅需作少許變動(dòng)可分別生產(chǎn)工業(yè)級(jí)、肥料級(jí)和食品級(jí)磷酸，其主要部分詳見下圖：
磷酸工藝流程方框圖
用商品級(jí)正戊醇和異戍醇的同分異構(gòu)體的混合醇(其中正戊醇40%、異戊醇為60 %)作為萃取溶劑，經(jīng)下列五組混合一沉降器組，從酸解液中萃取出純凈的磷酸。
①預(yù)萃取組
首先使酸解液進(jìn)入到串聯(lián)的逆流混合一沉降器組，用少量的溶劑從酸解液中萃取出一些影響下一步精制組的金屬陽離子，帶有陽離子的溶劑經(jīng)洗滌后可再循環(huán)使用。
②萃取組
從預(yù)萃取組來的經(jīng)處理除去部分金屬離子的溶液中的鹽酸和磷酸被充分的萃取入溶劑相，則萃取組的主要成分為氯化鈣和鹽酸溶液，當(dāng)然氯化鈣不會(huì)被萃取到溶劑相。含有磷酸的溶劑相，即萃取相轉(zhuǎn)入到精制組，而萃取組則進(jìn)入脫析組。
③精制組
經(jīng)數(shù)級(jí)萃取分離出的溶劑相中含有被凈化的鹽酸和磷酸，萃余水相中含有氯化鈣和少量稀酸，為了回收萃余相中的少量稀酸在將此萃余相返回了萃取組，以便回來磷酸。
④洗滌組
用軟水(無離子水)與含純凈磷酸的萃取溶劑相逆流混合，其中的磷酸和HCL就轉(zhuǎn)移到水相。這種被反萃取得到的純凈稀酸產(chǎn)品濃度約15 %,其中部分循環(huán)進(jìn)入到精制組，部分經(jīng)平衡管進(jìn)入到蒸發(fā)部分。
⑤脫析組
從萃取組來的水相與被洗滌的溶劑相棍合，因而HCL就轉(zhuǎn)入到溶劑相，萃余水相主要成分為氯化鈣和少量殘余酸及溶解于水的溶劑混合物鹵水，則該鹵水被分離后移去。
3.蒸發(fā)濃縮
從液一液萃取洗滌組來的稀酸廠品，在真空條件下在一種用石墨與Kcstra材料制的降膜式三效蒸發(fā)器中蒸發(fā)后，依蒸發(fā)效,I~亞的次序進(jìn)行。最后從亞效塔底放出濃縮磷酸(含量約為95 % )。第l效蒸出液主要是溶劑和水的混合物，將其循環(huán)到洗滌組，而溶液相在轉(zhuǎn)移到I效之前先送到金屬脫除部分。
在第3I和第I效蒸餾出的含量為15-18%的I-IC l則轉(zhuǎn)入到溶解部分。
經(jīng)上述三效蒸發(fā)器即亞效放出的濃酸含量為95%，其中還含有1.5-2%的鹽酸，即經(jīng)稀釋作肥料級(jí)磷酸。如用以生產(chǎn)三聚磷酸鈉的工業(yè)級(jí)磷酸，可將磷酸在填料塔中，用蒸汽解析將鹽酸含量降到500PPm以下。 如生產(chǎn)技術(shù)級(jí)(工業(yè)級(jí))磷酸，則將上述濃酸在真空條件下在一個(gè)單效蒸發(fā)器中蒸發(fā)濃縮達(dá)95%，該濃酸送到漂白脫色部分后再稀釋達(dá)85%濃度。 如生產(chǎn)食品級(jí)RXI，則將上述工業(yè)級(jí)濃酸再經(jīng)脫}K后稀釋達(dá)85%。,l.金屬離子脫除 將出11效溶液送入混合一沉降器組與一種浪態(tài)離子交換劑相接觸(由美國(guó)Henhc 1公司生產(chǎn)的Alarzinc 336),離子交換劑選擇性地將金屬陽離子轉(zhuǎn)移到離子交換劑中去，而將磷酸中的金屬陽離子(主要是F e十幣+等)脫除。再以水和稀堿使交換劑再生。
5.漂白脫色
酸在填料塔中與一種氧化劑逆流混合脫色。
6.脫氟
磷酸中的氟化物組分是用直接蒸汽在真空條件下脫析除去的。
7.溶劑回收
草取部分來的廢鹵水中的溶劑，在一個(gè)蒸餾塔甲用低壓蒸汽除回收。鹵水送到廢水處理部分，而回收的溶劑則輸送到萃取部分用。
8.溶劑精制
為了減少和分離磷酸中的有機(jī)物，經(jīng)單效蒸發(fā)器將溶劑蒸發(fā)進(jìn)行循環(huán)處理，蒸餾出的溶劑轉(zhuǎn)入到溶劑循環(huán)系統(tǒng)，殘余物送到溶劑回收單元，以便回收夾帶的溶劑。
9.廢水處理
從溶解部分來的廢氯化鈣鹵水及酸不溶殘?jiān)?jīng)二級(jí)中和處理，即第一次以石灰石中和達(dá)PH3,第二次以NaOH中和達(dá)PH7后即可排放。 固體沉淀物由傾析器分離出來。如欲回收廢水中的氯化鈣，可將含量為20-23%的氯化鈣鹵水進(jìn)入下一步處理。
10.片狀氯化鈣
將廢鹵水經(jīng)三效降膜蒸發(fā)器濃縮達(dá)69-70/"0'0蒸發(fā)出的融熔狀濃縮氯化鈣液流出用水冷凝至片狀并送入焙燒爐，干燥焙燒成最終結(jié)b并冷卻達(dá)550C,得77-80%的片狀氯化鈣。
其主要生產(chǎn)流程如圖所示。
2.3 鹽酸法磷酸的技術(shù)評(píng)價(jià)
1.磷礦石
)MI磷酸(鹽酸法)技術(shù)對(duì)磷礦石的品位要求不高，而1M1法硫酸法工藝對(duì)磷礦石品位要求較高。
從表3可以看出1M1工藝可以使用中低品位磷礦石，而濕法磷酸則要求用高品位磷礦石。濕法磷酸對(duì)磷礦石中雜質(zhì)MgO和C1-含量要求嚴(yán)格，因hag 0含量高會(huì)與氟形成沉淀，可能使過濾機(jī)濾布堵塞，C1-的含量高會(huì)帶來設(shè)備的腐蝕，當(dāng)氯含從超過大約0.01%時(shí)會(huì)增加對(duì)不銹鋼設(shè)備的腐蝕，采用合金鋼制作的設(shè)備可以允許氯含量為0. 1%。IM1法則對(duì)C1-、Mg0無嚴(yán)格要求。濕法磷峻的倍半氧化物含t若超過2--3%就會(huì)帶來P, O。的流失和降低生產(chǎn)能力，]MJ法的倍半氧化物要求含量不超過30%,oo其中對(duì)Fc2O3,含量要求較嚴(yán)格，其含量趁<1.5%為宜。否則會(huì)帶來P205流失及沉淀堵塞設(shè)備管路。當(dāng)然IMI,濕法工藝對(duì)礦石中CaO，PZO。的增加均會(huì)相應(yīng)地增加酸耗。
2.產(chǎn)品質(zhì)量
IMI工藝可分別制取肥料級(jí)、工業(yè)級(jí)、食品級(jí)磷酸，而熱法工藝以生產(chǎn)工業(yè)級(jí)為主。濕法工藝漢能生產(chǎn)出肥料級(jí)磷酸，工m I法產(chǎn)品應(yīng)用范圍較為廣闊。
3鹽酸分解磷礦裝置設(shè)計(jì)
3.1 物理化學(xué)機(jī)理概述
(1)骨渣炭化:經(jīng)過提膠后的骨渣，除含無機(jī)鹽類之外，還含有未提清的膠質(zhì)和一些
有機(jī)物質(zhì)，利用其本身可燃物和外加熱源灼燒到800℃以上，使其炭化成骨炭(約含P205, 40%
左右，CaO 52%左右)。
(2)鹽酸分解骨炭:主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下:
Ca3(P04)2+6HCI=3CaCl2+2H,P04
CaO+2HCI二CaCl2+H20
Rz0a+6HC1=2RC13+3 H20
所得溶液的主要成份為磷酸、氯化鈣和游離鹽酸，并含有少量AJC13, FeCl3和氟化合物等。
(3)正丁醇萃取磷酸:用正丁醇對(duì)上述酸分解液進(jìn)行萃取，將分解液中的磷酸和氯化
鈣分離，這時(shí)磷酸和游離鹽酸進(jìn)入有機(jī)溶劑相，而氯化鈣與少量殘存鹽酸以及少量溶解了的
溶劑(醇)貝留在水相中。
有機(jī)溶劑對(duì)不同物質(zhì)有不同的溶解度，采用適當(dāng)?shù)娜軇┘拥搅姿岷吐然}的混合液中，可使其中的組份得到完全或部份分離的目的。這種分離是由于物理分配或起鰲合作用所致，須視溶液的性質(zhì)而定。目前對(duì)溶劑相中磷酸的溶合作用與溶劑的結(jié)構(gòu)關(guān)系尚未清楚。
采用正丁醇作溶劑時(shí)，由于水相中有氯化鈣的推動(dòng)作用和正丁醇中有鹽酸，使萃取成為可能。因有CaCl:存在時(shí)，磷酸被有機(jī)溶劑提取得比較完全。而進(jìn)料醇相中有一定的HCl含量對(duì)P20。的分配系數(shù)亦能產(chǎn)生有利的影響，同時(shí)能抑制萃取相Ca0的含量。對(duì)此過程的解釋認(rèn)為萃取過程HCl比H,PO、的萃取速率來得大，因而水相中有形成Ca(H,PO,)的可能，而Ca(HPO,):的被萃取能力尚優(yōu)于H,P04，從而造成萃取相CaO一含量增高，加入HCl后即能防止此過程的發(fā)生。主要是因?yàn)橛邢铝蟹磻?yīng)存在的可能:
Ca(H,P04)2-1-2HCl}CaC12-S-2H,P04
所以酸度的高低會(huì)影響萃取物的純度，這是因?yàn)檎〈疾粌H對(duì)磷酸是良好的溶劑，而且對(duì)磷酸一鈣、鹽酸亦是良好的溶劑，因此，萃取物的組成是取決于相對(duì)濃度和相互作用。 萃取相中含有少量CaC幾，可用少量稀磷酸洗鈣，因水相中已有20-30克/升P,Og，因此CaCl2溶于水相要比P20。為顯著，這個(gè)現(xiàn)象就成為洗鈣過程的基礎(chǔ)。
經(jīng)過洗鈣后的萃取相(醇相)已失去了氯化鈣的推動(dòng)作用，因此，就使醇相中P20。轉(zhuǎn)移到水相中，這就稱為反萃取。反萃取所得到的稀磷酸是由H護(hù)04 H20-HC1微量CaCl:和飽和了的溶劑的混合液。
反萃取后的溶劑相與萃取過程的萃余水相相接觸，從中解析殘存的鹽酸，為此得到的溶劑，其所含HCl經(jīng)過調(diào)節(jié)，可重新用于萃取過程。此時(shí)所得的萃余水相(氯化鈣鹽水)經(jīng)蒸餾除去溶解在其中的溶劑后廢棄。
(4)蒸發(fā)與蒸餾:反萃取所得到的是稀磷酸混合液，要得到濃度較高和純度較高的磷酸，可用蒸發(fā)器來濃縮和提純，以除去水，鹽酸和有機(jī)溶劑，以正丁醇為萃取溶劑時(shí)，醇與水具有最低沸點(diǎn)，絕大部份醇是以共沸物被蒸出，隨著溫度升高，醇含量降到接近于水的沸點(diǎn)時(shí)完全蒸出，由于正丁醇和磷酸在60℃以上有可能醋化，為此，蒸餾的第一階段是在減壓下進(jìn)行。繼醇蒸出后是含有少量鹽酸的水，最后是鹽酸與水的高沸點(diǎn)共沸物被蒸出，剩下的是80%的成品磷酸。氯化鈣廢鹽水中溶解的正丁醇是經(jīng)蒸餾系統(tǒng)加以回收的。
3.2 工藝流程概述
工藝流程圖如圖所示。骨渣經(jīng)炭化后加鹽酸進(jìn)行分解，經(jīng)過濾后的酸解液進(jìn)入萃取器，在器內(nèi)與含有鹽酸的正丁醇混合攪拌進(jìn)行萃取，萃取液再放置在分離器內(nèi)靜置分層，此時(shí)磷酸與部份鹽酸即進(jìn)入醇相，絕大部分CaCl:與余下的HCl留在水相中。萃取所得的醇相用洗鈣水(8-10 0lo P20。的稀磷酸)接觸攪拌，再經(jīng)分層，分出洗鈣水，經(jīng)洗鈣后的醇相用水進(jìn)行反萃取，洗出磷酸，醇則回用。反萃取所得的稀磷酸在減壓下經(jīng)過蒸餾以回收丁醇和鹽酸，留下的是80%H少0;成品。萃余的氯化鈣溶液中含有少量丁醇和鹽酸，亦經(jīng)蒸餾回收。
工藝流程簡(jiǎn)圖
(1)鹽酸分解骨炭后所得的酸解液(酸水)，其組成為:P20,99.95克/升，Ca0133.9克/升，游離HCl 12.2克/升。用上海溶劑廠生產(chǎn)的95帕工業(yè)正丁醇(酸度<0.001,比重<0.812，餾程115.5-118.51C)作為溶劑進(jìn)行萃取試驗(yàn)。本試驗(yàn)的相比為2:1,醇中鹽酸含量為36克/升(飽和水)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，在混合溶液中質(zhì)量傳遞是很快的，五分鐘已達(dá)到平
衡，在分液漏斗中進(jìn)行模擬逆流萃取，萃取率平均為95. 75 alo ,醇相P20:含量為42.47-50.94克/升，CaO為3.283-4.432克/升，HCl為48.79-59.17克/升。水相P20。含量為2.5-7.055克/升，Ca0為92.17一106.1克/升，HCl為30.50-63.44克/升。
(2)洗鈣試驗(yàn)是在常溫下，用150克/升左右的稀磷酸，相比為100/30進(jìn)行逆流萃取，級(jí)數(shù)為四級(jí)。萃取液組成為:P20, 48.84克/升，CaO 4.066克/升，HCl 55.5克/升。洗鈣液組成:含P205154.7克/升，此時(shí)洗鈣率可達(dá)到85腸以上。實(shí)驗(yàn)表明:洗鈣液中P20:含量低時(shí)，鈣的除去率高，但萃取液中P20。也會(huì)降低，而各級(jí)之間兩相的體積變化較大，兩相混和在分層時(shí)，有嚴(yán)重的霧沫現(xiàn)象，影響純度。
(3)反萃取試驗(yàn)級(jí)數(shù)為五級(jí)，實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，將醇相和水按100/30的相比進(jìn)行逆流萃取，反萃取水加有少量鹽酸(因大生產(chǎn)時(shí)的反萃用水來自稀磷酸濃縮時(shí)的蒸餾液，其中含有醇和少量鹽酸)。原始醇組成:P20,34.20-41.92克/升，第一級(jí)醇組成:P夕。29.29-34.75克/升，第二級(jí)醇組成:P20, 22.11-28.45克，第三級(jí)醇組成:P20 , 14.56-
21.98克/升，第四級(jí)醇組成:P20,9.668-14.25，第五級(jí)醇組成:P20,4.568-7.743克/升，反萃率為80-86.8601o.
(4)磷酸濃縮試驗(yàn):反萃取得到的稀磷酸約含H,P04 10-11 a/o，并飽和了正丁醇。在蒸發(fā)過程中，先是醇與水被蒸餾出來，為了防止正丁醇與磷酸在高溫時(shí)發(fā)生醋化，因此第一階段是在減壓下蒸餾，真空度為640毫米汞柱，溫度為43-45℃時(shí)即開始沸騰，當(dāng)蒸發(fā)量達(dá)到
總量的三分之一時(shí)，溫度即升高到56-60 C，此時(shí)醇已全部蒸出，繼而被蒸出的是鹽酸與水，鹽酸的含量逐步升高，當(dāng)其全部蒸出后，留下的即為80的成品磷酸。蒸發(fā)過程無固相析出，當(dāng)成品冷卻至室溫時(shí)有少量固體析出，加少量水后此固體即行溶解。
(5)用正丁醇逆流萃取水相中的鹽酸:用正丁醇萃取酸解液后的水相中，除含有CaClz外尚含有3一5%的鹽酸和1%的丁醇，利用反萃取后的正丁醇進(jìn)行逆流萃取，經(jīng)過二級(jí)后鹽酸基本被萃取出，然后將氯化鈣廢液經(jīng)蒸餾出丁醇加以回收后排放，此操作同樣是在真空
下進(jìn)行的。
3.3 主反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)
H3PO4 一種重要的無機(jī)酸，是化肥工業(yè)生產(chǎn)中重要的中間產(chǎn)品，用于生產(chǎn)高濃度磷肥和復(fù)合肥料。磷酸還是肥皂、洗滌劑、金屬表面處理劑、食品添加劑、飼料添加劑和水處理劑等所用的各種磷酸鹽、磷酸酯的原料。
作為磷肥生產(chǎn)的原料，是正磷酸或多磷酸的水溶液。商品正磷酸的濃度一般為52％～54％P2O5，多磷酸是正磷酸和不同聚合度的聚磷酸的混合水溶液。聚磷酸包括焦磷酸 (H4P2O7)、三磷酸(H5P3O10)和長(zhǎng)鏈聚磷酸。聚磷酸的通式可寫作Hn+2PnO3n+1（n≥2的整數(shù)）。
磷酸的生產(chǎn)方法有兩種：①濕法生產(chǎn)，產(chǎn)品稱濕法磷酸；②熱法生產(chǎn)，產(chǎn)品稱熱法磷酸。
濕法生產(chǎn) 濕法磷酸的發(fā)展是與高濃度磷肥和復(fù)合肥料的發(fā)展聯(lián)系在一起的。20世紀(jì)50年代，濕法磷酸生產(chǎn)迅速發(fā)展，并成為高濃度磷肥和復(fù)合肥料生產(chǎn)的基礎(chǔ)。約有95％產(chǎn)量用于肥料生產(chǎn)。
濕法磷酸生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是從間歇生產(chǎn)發(fā)展到連續(xù)生產(chǎn)；產(chǎn)品濃度逐步提高；生產(chǎn)裝置規(guī)模從小到大。1872～1915年，產(chǎn)品濃度只有10％～15％P2O5;1915年發(fā)展了連續(xù)生產(chǎn)的工藝，產(chǎn)品濃度提高到22％～25％P2O5，裝置日產(chǎn)能力為 10tP2O5；30年代裝置日產(chǎn)能力為 100tP2O5，產(chǎn)品濃度為30％～35％P2O5；60年代，裝置日產(chǎn)能力為400～600tP2O5，由于濃縮工藝的成熟，產(chǎn)品濃度提高到52％～54％P2O5；70年代以來，裝置日產(chǎn)能力達(dá)800～1200tP2O5。
原料 主要是磷礦和無機(jī)酸(硫酸、鹽酸或硝酸，主要為硫酸)。天然磷礦分磷灰石和磷塊巖兩大類，其主要成分都是氟磷酸鈣〔Ca10F2(PO4)6〕。磷礦的品位和有害雜質(zhì)的種類及含量，對(duì)濕法磷酸生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)影響很大，開采的磷礦一般需經(jīng)過富集處理，提高其品位和排除雜質(zhì)，方能滿足濕法磷酸生產(chǎn)的要求。
生產(chǎn)工藝 主要是用硫酸分解磷礦，然后將生成的磷酸與硫酸鈣分離。其主要反應(yīng)式為：
Ca10F2(PO4)6+10H2SO4+mH2O─→10CaSO4·nH2O+2HF+6H3PO4+(m-10n)H2O
為避免反應(yīng)生成的硫酸鈣在磷礦顆粒表面形成膜層，阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，工藝上反應(yīng)過程是分成兩步進(jìn)行。第一步是磷礦溶解在磷酸（由后續(xù)工序返回的一部分）中生成磷酸一鈣；第二步是硫酸與磷酸一鈣反應(yīng)生成磷酸和硫酸鈣：
Ca10F2(PO4)6+14H3PO4─→10Ca(H2PO4)2+2HF
10Ca(H2PO4)2+10H2SO4+mH2O─→10CaSO4·nH2O+20H3PO4+(m-10n)H2O
在不同的反應(yīng)溫度和不同的磷酸及游離硫酸濃度條件下，硫酸鈣可以有三種水合物：無水物(CaSO4)、半水物(CaSO4·?H2O)和二水物(CaSO4·2H2O)。硫酸鈣水合物存在的溫度和含P2O5的濃度范圍的相圖（圖1），在實(shí)際上受游離硫酸濃度和雜質(zhì)的影響，所以圖1 在應(yīng)用上是近似的。雖然如此，此相圖對(duì)于指導(dǎo)各種濕法磷酸的工藝仍有重要意義。實(shí)際生產(chǎn)條件中，二水物硫酸鈣的結(jié)晶區(qū)是磷酸濃度28％～32％P2O5、溫度70～80℃。在這樣條件下的磷酸生產(chǎn)，稱為二水物工藝，它一直是工業(yè)上使用最普遍的工藝。半水物硫酸鈣的結(jié)晶區(qū)是磷酸濃度40％～50％P2O5、溫度90～110℃；采用這樣的條件的磷酸生產(chǎn)，稱為半水物工藝，為少數(shù)工廠所采用。無水物硫酸鈣在磷酸濃度和溫度很高的條件下穩(wěn)定；由于材料腐蝕和其他技術(shù)上的困難，其生產(chǎn)工藝一直未取得成功。
還有一類濕法磷酸生產(chǎn)工藝稱為硫酸鈣再結(jié)晶工藝，其過程中包含著有硫酸鈣結(jié)晶水合物的轉(zhuǎn)變。發(fā)展這類工藝的目的不外乎是為了獲得含 P2O5 濃度較高的磷酸；獲得較高的收率(以P2O5計(jì));獲得含雜質(zhì)少的石膏。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的有三種：①半水物－二水物一段過濾工藝?？刂品磻?yīng)物料液相濃度為30％～32％P2O5、反應(yīng)溫度80～100℃，使硫酸鈣先生成半水物結(jié)晶，然后溫度下降為65℃左右，將結(jié)晶轉(zhuǎn)化為二水物后再過濾。②半水物－二水物兩段過濾工藝。用酸分解磷礦時(shí)使石膏先生成半水物結(jié)晶，控制反應(yīng)物料液相濃度為40％～50％P2O5、溫度90～110℃，進(jìn)行半水石膏分離，獲得成品磷酸。半水石膏再轉(zhuǎn)入另一個(gè)反應(yīng)器水化成二水物石膏，控制反應(yīng)溫度為約65℃、磷酸濃度為10％～15％P2O5，進(jìn)行二水物石膏分離。③二水物－半水物兩段過濾工藝。磷礦用酸分解時(shí)，使石膏先生成二水物結(jié)晶，控制溫度約為65℃，用離心機(jī)分離二水石膏，獲得濃度為35％～38％P2O5的成品，二水石膏轉(zhuǎn)入再結(jié)晶器轉(zhuǎn)化成半水石膏，控制磷酸濃度為20％～25％P2O5，硫酸濃度為約20％H2SO4，反應(yīng)溫度為80～100℃，分離半水石膏，濾洗液返回二水物結(jié)晶槽。
濕法磷酸的生產(chǎn)，目前仍以二水物流程為主（圖2），占世界生產(chǎn)能力的90％以上。原因是技術(shù)較為可靠、工藝操作條件的范圍寬、設(shè)備材料的腐蝕比較容易解決和投資低等。
熱法生產(chǎn) 熱法磷酸是黃磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷，再經(jīng)水化制成。1838年，首次制成工業(yè)用的黃磷，1855～1890年間在歐洲建立了黃磷的生產(chǎn)廠。20世紀(jì)40～50年代，美國(guó)和德國(guó)發(fā)展了黃磷和熱法磷酸的生產(chǎn)技術(shù)。60年代，美國(guó)曾計(jì)劃大量發(fā)展黃磷和熱法磷酸生產(chǎn)以用于肥料工業(yè)，旨在利用便宜的能源和運(yùn)輸黃磷比較經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，后由于能源漲價(jià)，計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)。熱法磷酸比濕法磷酸濃度高，且產(chǎn)品純，但耗電量大，價(jià)格昂貴。在水電有富余的地區(qū)，熱法磷酸具有發(fā)展前途。現(xiàn)在除了蘇聯(lián)有少量用于肥料生產(chǎn)外，熱法磷酸主要用于工業(yè)方面。1981年世界產(chǎn)量為3.145Mt(P2O5)。含硅高的磷礦，適宜于元素磷生產(chǎn)。含鐵、鎂和鋁雜質(zhì)高的磷礦用于黃磷生產(chǎn)時(shí)，將使電耗增加、磷收率降低。
有兩種生產(chǎn)流程：一種是把燃燒和水化安排在同一塔內(nèi)進(jìn)行，液態(tài)磷從塔頂向下噴霧，空氣由塔頂吸入，磷在塔中燃燒，冷的磷酸噴入塔內(nèi)，使五氧化二磷進(jìn)行水化反應(yīng)，一部分冷的磷酸從塔頂形成膜層沿壁向下流動(dòng)，以保護(hù)塔壁。從塔底部抽出熱法磷酸送去冷卻后返回塔頂。另一種是把燃燒和水化分開在兩個(gè)塔內(nèi)進(jìn)行，在塔的外壁大量噴水以移除反應(yīng)熱。
多磷酸生產(chǎn) 生產(chǎn)方法有熱法和濕法兩種。熱法多磷酸生產(chǎn)只需在熱法磷酸的生產(chǎn)過程中強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)，使五氧化二磷在少量水的情況下水化即可。濕法多磷酸生產(chǎn)是將濃度為52％～54％P2O5的磷酸進(jìn)一步脫水。有三種脫水工藝：浸沒燃燒脫水；膜式蒸發(fā)脫水；強(qiáng)制循環(huán)真空蒸發(fā)脫水。
本設(shè)計(jì)采用的是二次酸解生產(chǎn)飼鈣用磷酸，流程為：磷礦粉再漿、輸送――鹽酸一級(jí)分解、絮凝混合、重力沉降、稠漿壓濾洗滌（硅渣外運(yùn)）――沉降清液和濾洗液加磷礦漿二級(jí)分解、絮凝混合、重力沉降、稠漿返回一級(jí)分解、清液進(jìn)儲(chǔ)槽。另外有反應(yīng)尾氣收集洗滌系統(tǒng)（文丘里洗滌、旋流分離除沫器、尾氣風(fēng)機(jī)）。
二水物法制磷酸，是一個(gè)非常成熟的工藝，前人已作過系統(tǒng)深入的研究，又有眾多生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，硫酸鈣的結(jié)晶過程是濕法磷酸生產(chǎn)的關(guān)鍵。操作運(yùn)轉(zhuǎn)的目的是為了獲得粗大、均勻的石膏結(jié)晶。近年來又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到結(jié)晶的厚度比長(zhǎng)度和寬度對(duì)過濾性能有更大的影響〔15〕。國(guó)內(nèi)的磷酸裝置幾乎都是以控制液相SO3濃度、反應(yīng)溫度、液相P2O5、液固比等四個(gè)指標(biāo)來獲得粗大、均勻的結(jié)晶，保證高的磷礦分解率和濾餅洗滌率。要獲得粗大、均勻的石膏結(jié)晶，首先要保證料漿液相中SO42－離子的濃度穩(wěn)定并和所用磷礦性能相適應(yīng)。這就要靠硫酸和礦漿的準(zhǔn)確計(jì)量和有效調(diào)節(jié)來解決。多個(gè)企業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)表明，用電磁流量計(jì)來計(jì)量硫酸，精度高，故障少，完全可以滿足生產(chǎn)要求。前已述及，礦漿計(jì)量出現(xiàn)的問題較多，準(zhǔn)確度也不夠，有些企業(yè)從穩(wěn)定礦漿濃度作起，再采用電磁流量計(jì)計(jì)量，或用容積泵配調(diào)頻設(shè)備計(jì)量，取得了較好的效果。第二是要控制好反應(yīng)溫度。生產(chǎn)實(shí)踐表明，萃取反應(yīng)溫度必須與所處理的磷礦相適應(yīng)，且范圍較窄〔15〕。對(duì)于小磷酸裝置所用的大多數(shù)國(guó)產(chǎn)商品磷礦，反應(yīng)溫度在80℃～85℃比較適宜。過低的溫度會(huì)使磷礦分解率下降、石膏結(jié)晶成長(zhǎng)緩慢，過濾強(qiáng)度降低；高的反應(yīng)溫度雖可在短時(shí)期內(nèi)獲得高產(chǎn)，但同時(shí)會(huì)使濾布結(jié)硬，過濾系統(tǒng)結(jié)垢、堵塞，萃取槽的攪拌器、過濾機(jī)、機(jī)泵等腐蝕加劇，需頻繁停車更換濾布、清理流道和檢修設(shè)備。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度看也是不可取的。第三是確定合適的磷酸濃度。對(duì)于下游產(chǎn)品是磷銨，S－NPK等的小磷酸裝置，磷酸濃度越高，后工序所耗能量就越少，但磷酸濃度受磷礦質(zhì)量和操作管理水平的制約。國(guó)內(nèi)大多數(shù)處理雜質(zhì)含量偏高磷礦的小磷酸裝置，保持磷酸濃度20～25%P2O5是適合的。若有優(yōu)質(zhì)磷礦使用，亦可把濃度更進(jìn)一步提高。第四是選取合適的料漿液固比。小磷酸裝置一般控制在(2.2～3)∶1這種范圍。礦好，磷酸粘度低時(shí)可選較低數(shù)值；礦差，磷酸粘度高則宜選用較高值。為了提高石膏濾餅的過濾性能，一些單位在磷酸料漿中加入微量的聚丙烯酰胺，有明顯的效果。一般是在過濾機(jī)上部設(shè)置一個(gè)溜槽，磷酸料漿和聚丙烯酰胺溶液同時(shí)加入槽中，經(jīng)加料裝置流入濾盤。這種設(shè)置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混合效果好，聚丙烯酰胺在料漿中的停留時(shí)間短，不易分解，是可取的設(shè)置。
磷酸料漿泵的選型要求主要是根據(jù)介質(zhì)和反應(yīng)槽中攪拌條件，選擇兼有耐腐和耐磨性能的泵過流部件材料以及結(jié)構(gòu)合理的立式泵。
??? 1、泵過流部件材料的選擇
??? 在磷酸介質(zhì)（含固量小于3%）條件下，超低碳鉬二鈦和鉬三鈦的耐腐性能良好，但在磷酸料漿（含固量25%~35%）條件下，磨損嚴(yán)重，使用壽命縮短。因此，在選擇泵過流部件材料時(shí)尤其要注意介質(zhì)和工況條件。
??? （1）介質(zhì)溫度
??? 泵過流部件腐蝕速度隨溫度升高而加劇。例如萃取磷酸溫度從70℃上升到85℃時(shí)，腐蝕速度增加一倍。因此，選材時(shí)要注意介質(zhì)溫度。
??? （2）磷酸濃度
??? 磷酸濃度增加，腐蝕加劇。例如鉬三鈦不銹鋼在二水物磷酸生產(chǎn)中能抗蝕，但在半水物磷酸中，當(dāng)用于反應(yīng)槽攪拌軸襯套時(shí)，僅使用一個(gè)月就有85%被腐蝕，呈蜂窩狀麻點(diǎn)。因此，二水物磷酸反應(yīng)槽上立式泵過流不見推薦用CD—4Mcu；Z3CNUD26-05；鉻30（F30%CrMo和FCr30）合金；半水物磷酸生產(chǎn)中泵過流部件推薦用鉻30（F30%CrMo和FCr30）合金；J-1合金；F5合金；SaniCrO28；HastelloyC。
??? 2、泵轉(zhuǎn)速的選擇
??? 泵轉(zhuǎn)速提高，會(huì)加速葉輪和蝸殼等過流部件的磨蝕腐蝕。根據(jù)國(guó)外磷酸磷氨裝置用泵和云南磷肥廠70年代引進(jìn)的磷酸裝置用泵的轉(zhuǎn)速，絕大部分是970和1460r/min（前者更多），而沒有高達(dá)2900 r/min的轉(zhuǎn)速。因此，在滿足流量、揚(yáng)程的前提下，盡量選擇低轉(zhuǎn)速的泵。
??? 3、立式泵與臥式泵的選擇
??? 80年代前，我國(guó)磷酸磷氨裝置用泵，幾乎全部為立式泵。由于當(dāng)時(shí)條件下，國(guó)內(nèi)臥式泵的軸封泄漏嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)不少臥式泵的密封技術(shù)有了很大改進(jìn)，除大連耐酸泵廠的雙端面機(jī)械密封使用較成功外，江蘇張家港江南化工設(shè)備廠生產(chǎn)的副葉輪帶飛鐵停車密封泵在國(guó)內(nèi)各種規(guī)模的磷酸磷氨裝置上運(yùn)行也很成功。臥式泵所用的填料密封，一致認(rèn)為以碳素纖維填料使用效果較為可靠。與立式泵相比，臥式泵還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
??? （1）臥式泵的價(jià)格低，一般是相同流量、揚(yáng)程條件下立式泵的1/2~1/3，甚至1/4。
??? （2）立式泵支承架下懸臂軸長(zhǎng)度有限，往往給生產(chǎn)上控制液位帶來麻煩。
??? （3）如果立式泵不能直接安裝在一個(gè)大槽上（如磷酸成品貯槽）則必須由大槽下部側(cè)面開孔將介質(zhì)引至架設(shè)立式泵的小槽上，這增加了投資，有時(shí)為了防止“打空”或“滿槽”，還要多一為操作工人。
??? 4、泵葉輪型式的選擇
??? 由于磷酸、磷酸料漿和磷氨料漿中均含有固體顆粒，加之由磷礦石帶入的鈉、鉀及鐵、鋁、鎂等雜質(zhì)，（尤其是鈉、鉀）在磷酸生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生氟硅酸鈉和氟硅酸鉀鹽，溶解于磷酸中。當(dāng)溫度下降時(shí)，溶解度降低而析出，很容易在泵的葉輪尤其是蝸殼上結(jié)成堅(jiān)硬的垢層（這些結(jié)垢物還夾雜如硫酸鈣等其它固相物）。因此，在磷酸磷氨裝置中，一般要選用開式葉輪，尤其在磷酸裝置反應(yīng)槽及磷酸過濾系統(tǒng)中，一定要選用開式葉輪；磷氨料漿泵也應(yīng)選用開式葉輪。
（1） 不斷的采用成熟可靠的先進(jìn)技術(shù)，改造裝置的瓶頸部位，是使生產(chǎn)能力得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵。
（2）均衡生產(chǎn)是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提。
（3）良好的設(shè)備管理，是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。
（4）工藝指標(biāo)的嚴(yán)格執(zhí)行，是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的保證。磷酸生產(chǎn)是一個(gè)加工天然物的復(fù)雜體系，各控制指標(biāo)之間互相聯(lián)系、互相 影響，只有全面、協(xié)調(diào)地控制好主要工藝指標(biāo)，才能長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
填料塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。如圖所示，在圓筒形塔體內(nèi)部，分段裝有若干段填料。填料堆積于支撐裝置上，液體由塔頂入口管進(jìn)入分布器，均勻噴淋在填料表面上并在重力作用下向下流動(dòng)，氣體在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下，由支承板下方氣體入口管進(jìn)入塔內(nèi)，通過填料間的空隙由塔的頂部排出。填料塔內(nèi)氣液兩相呈逆流流動(dòng)，氣體和液體在填料表面上進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化 填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造。適用范圍：
1）直徑較小的塔；
2）處理有腐蝕性物料；
3）處理熱敏性物料的真空蒸餾。
同樣,填料塔也會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象應(yīng)絕對(duì)避免.
常用填料大致分為兩大類：
（一）個(gè)體填料：
例如：拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、鞍形環(huán)等。
1.拉西環(huán)
拉西環(huán)是使用最早的一種填料，為外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖所示。一般直徑在75mm以下的拉西環(huán)采用亂堆方式；直徑大于100mm的拉西環(huán)多采用整砌方式，以降低流體阻力。
拉西環(huán)可用陶瓷、金屬、塑料及石墨等材質(zhì)制造。
拉西環(huán)形狀簡(jiǎn)單，制造容易，對(duì)其流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的研究較為充分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用中。但拉西環(huán)存在著嚴(yán)重的溝流及壁流現(xiàn)象，塔徑愈大，填料層愈高，則壁流現(xiàn)象愈嚴(yán)重，致使傳質(zhì)效率顯著下降。
2．鮑爾環(huán)
鮑爾環(huán)的構(gòu)造是在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出一排或兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)則向環(huán)內(nèi)彎曲，且諸葉片的側(cè)邊在環(huán)中心已相搭，如圖所示。
鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高氣液接觸面積，且使氣體流動(dòng)阻力降低，液體分布也較均勻。因此，鮑爾環(huán)比拉西環(huán)的傳質(zhì)效率高，操作彈性大,而氣體壓降明顯降低，但價(jià)格較高。
目前，鮑爾環(huán)以其優(yōu)良的性能為工業(yè)上廣泛采用。
3.階梯環(huán)
階梯環(huán)是在鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展起來的一種新型填料， 階梯環(huán)與鮑爾環(huán)相似之處是環(huán)壁上也開有窗孔，但階梯環(huán)的高度僅為直徑的一半、 階梯環(huán)填料以其氣體通量大、流動(dòng)阻力小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為目前使用的環(huán)形填料中性能最為良好的一種。 階梯環(huán)填料以其氣體通量大、流動(dòng)阻力小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為目前使用的環(huán)形填料中性能最為良好的一種。
波紋填料是一種整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料，如圖所示。由于結(jié)構(gòu)緊湊，具有很大的比表面積，且因氣體和液體均不斷重新分布，故傳質(zhì)效率高，又因填料的規(guī)整排列，使流動(dòng)阻力減小。
波紋填料的缺點(diǎn)是不適于處理粘度大，易聚合或有沉淀物的物料。此外，填料的裝卸、清理也較困難，造價(jià)高。
波紋填料有實(shí)體與網(wǎng)體兩種。實(shí)體稱波紋板，可由陶瓷、塑料、金屬材料制造，根據(jù)工藝要求及物料的腐蝕性來選擇適當(dāng)?shù)牟牧希徊y絲網(wǎng)填料的波紋片是由金屬絲網(wǎng)制成的，故屬于網(wǎng)體填料。近年來，又出現(xiàn)了金屬孔板波紋填料和金屬壓延孔板波紋填料。
表示填料性能的參數(shù)有以下幾項(xiàng)：
1．比表面積σ(m2/ m3)
指單位體積填料層提供的填料表面積，即
σ=填料層表面積（m2）/填料層體積（m3）。
填料的比表面積愈大，所能提供的氣液傳質(zhì)面積愈大；而對(duì)于同一種類的填料，尺寸愈小，則比表面積愈大，即越有利于傳質(zhì)分離。
2．空隙率ε
單位體積填料層的空隙體積稱為空隙率，即
ε=填料層空隙體積（m3）/填料層體積（m3）
填料的空隙率大，氣液通過能力大且氣體流動(dòng)阻力小。
3．填料因子φ
填料因子表示填料的流體力學(xué)性能，
φ= σ／ε3
可分兩種：
(1）干填料因子：指無液體噴淋時(shí)φ的大小。
(2) 濕填料因子：當(dāng)填料被噴淋的液體潤(rùn)濕后，填料表面覆蓋了一層液膜，σ與ε均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)φ稱為濕填料因子，代表實(shí)際操作時(shí)填料的流體力學(xué)特性，故進(jìn)行填料塔計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用液體噴淋條件下實(shí)測(cè)的濕填料因子。
φ值小，表明流動(dòng)阻力小，液泛速度可以提高
（一）填料塔的流動(dòng)性能參數(shù)
1．空塔氣速u (m/s)
u=氣體體積流量（m3/s）/塔截面積（m2）
2．氣體在填料空隙間的實(shí)際線速度u0 (m/s)
氣體體積流量（m3/s）/塔截面積（m2）
u0=u/ε= 填料層空隙體積（m3）/填料層體積（m3）
= 實(shí)際線氣速
(1)壓力降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過填料層的阻力大小直接決定了塔的動(dòng)力消耗。
(2)持液量是指操作時(shí)單位體積填料層中持有的液體體積，
即 液體體積（m3）/填料層體積（ m3） 。
1）當(dāng)L=0時(shí)，即無液體噴淋（又稱干填料線）時(shí)，Δp/z與u成直線關(guān)系。
2）當(dāng)有液體噴淋時(shí)，曲線都有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)： 第一個(gè)折點(diǎn)—— 載點(diǎn)； 第二個(gè)折點(diǎn)——泛點(diǎn)。
載點(diǎn)和泛點(diǎn)將Δp/z與u關(guān)系曲線分成三段，即恒持液量區(qū)，載液區(qū)和液泛區(qū)。
① 恒持液量區(qū)
有液體噴淋且氣速較低時(shí)，氣體的真實(shí)速度比空塔氣速提高，壓強(qiáng)降也較大，此區(qū)域的Δp/z—u線在干填料線的左側(cè)，且二線相互平行。
② 載液區(qū)
隨著氣速的增大，上升氣流與下降液體間的摩擦力開始阻礙液體下流，使填料層的持液量隨氣速的增加而增加，此種現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象，開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)。
③ 液泛區(qū)
如果氣速繼續(xù)增大，由于液體不能順利下流，而使填料層內(nèi)持液量不斷增多，以致幾乎充滿了填料層中的空隙，此時(shí)壓強(qiáng)降急劇升高，Δp/z—u線的斜率可達(dá)10以上。壓強(qiáng)降曲線近于垂直上升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為泛點(diǎn)，達(dá)到泛點(diǎn)時(shí)的空塔氣速稱為液泛氣速或泛點(diǎn)氣速。
．塔徑D與填料尺寸：
一般取塔徑 / 填料外徑≥8，因若該比值過小時(shí)，即填料的尺寸過大，則壁流效應(yīng)十分明顯，使液體分布不均勻。塔徑D的計(jì)算公式如下：
D=[（4×Vs）/（π×u）]1/2
式中：u指填料塔的適宜空塔氣速，空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱為泛點(diǎn)率。對(duì)易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取50％或更低；對(duì)加壓操作的塔，減小塔徑有更多好處，故應(yīng)取較高的泛點(diǎn)率。
大多數(shù)情況下的泛點(diǎn)率宜取為60～80％，一般填料塔的操作氣速大致為0.2～1.0 m／s。
根據(jù)上述方法算出的塔徑，也應(yīng)按壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，如圓整為400、500、600…1000、1200、1400mm等。確定塔徑后，還應(yīng)檢驗(yàn)塔內(nèi)的噴淋密度是否大于最小噴淋密度。
2．填料層高度z
填料塔有效高度主要指填料層的高度，計(jì)算填料層高度常采用以下兩種方法：
(1) 傳質(zhì)單元數(shù)法：
即 填料層高=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)
3.4 沉降槽設(shè)計(jì)
沉降操作是指在某種力場(chǎng)中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過程。實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力。因此，沉降過程有重力沉降和離心沉降兩種方式
受地球吸引力場(chǎng)的作用而發(fā)生的沉降過程稱為重力沉降。
??將表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，如果顆粒的密度大于流體的密度，則顆粒將在流體中降落。此時(shí)，顆粒受到三個(gè)力的作用，即：重力，浮力與阻力，如圖所示。重力向下，浮力向上，阻力與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反(即向上)。對(duì)于一定的流體和顆粒，重力與浮力是恒定的，而阻力卻隨顆粒的降落速度而變。
?沉降顆粒的受力情況
令顆粒的密度為ρs，直徑為d，流體的密度為ρ，則：
??根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知，上面三個(gè)力的合力應(yīng)等于顆粒的質(zhì)量與其加速度α的乘積，
?或
顆粒開始沉降的瞬間，速度u為零，因此阻力Fd也為零，故加速度。具有最大值。顆粒開始沉降后，阻力隨運(yùn)動(dòng)速度u的增加而相應(yīng)加大，直至u達(dá)到某一數(shù)值ut后，阻力、浮力與重力達(dá)到平衡，即合力為零。質(zhì)量m不可能為零，故只有加速度α為零。此時(shí)，顆粒便開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。
由上面分析可見，靜止流體中顆粒的沉降過程可分為兩個(gè)階段，起初為加速段而后為等速段。
?由于小顆粒具有相當(dāng)大的比表面積(即單位體積顆粒具有的表面積)，使得顆粒與流體間的接觸表面很大，故阻力在很短時(shí)間內(nèi)便與顆粒所受的凈重力(重力減浮力)接近平衡．因而，經(jīng)歷加速段的時(shí)間很短，在整個(gè)沉降過程中往往可以忽略。
等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut稱為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱為“終端速度”。由式3-la可得到沉降速度ut的關(guān)系式。當(dāng)α=0時(shí)，u=ut，則
?二、阻力系數(shù)ζ
用式3-2計(jì)算沉降速度時(shí)，首先需要確定阻力系數(shù)C值。通過因次分析可知，ζ是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的綜合結(jié)果示于圖3-2中。
由圖看出，對(duì)球形顆粒的曲線(Φs=1)，按Ret值大致分為三個(gè)區(qū)，各區(qū)內(nèi)的曲線可分別用相應(yīng)的關(guān)系式表達(dá)。
?流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū)
?過度區(qū)或艾侖定律區(qū)
?湍流區(qū)或牛頓定律區(qū) ζ=0.44
可得到顆粒在各區(qū)響應(yīng)的沉降速度公式，即：
湍流區(qū)
過渡區(qū)
湍流區(qū)
在滯流沉降區(qū)內(nèi)，由流體粘性引起的麥面摩擦力占主要地位。在湍流區(qū)，流體枯性對(duì)沉降速度已無影響，由流體在顆粒后半部出現(xiàn)的邊界層分離所引起的形體阻力占主要地位。在過渡區(qū)，表面摩擦阻力和形體阻力二者都不可忽略。在整個(gè)范圍內(nèi)，隨雷諾準(zhǔn)數(shù)月引的增大、表面摩擦阻力的作用逐漸減弱，而形體阻力的作用逐漸增長(zhǎng)．當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret超過2×105時(shí)，出現(xiàn)湍流邊界層，此時(shí)反而不易發(fā)生邊界層分離，故阻力系數(shù)ζ值突然下降，但在沉降操作中很少達(dá)到這個(gè)區(qū)域。
三、影響沉降速度的因素
?上面的討論，都是針對(duì)表面光滑，剛性球形顆粒在流體中作自由沉降的簡(jiǎn)單情況。所謂自由沉降是指在沉降過程中，顆粒之間的距離足夠大，任一顆粒的沉降不因其它顆粒的存在而受到干擾，以及可以忽略容器壁面的影響。單個(gè)顆粒在大空間中的沉降或氣態(tài)非均相物系中顆粒的沉降都可視為自由沉降。如果分散相的體積分率較高，顆粒間有顯著的相互作用，容器壁面對(duì)顆粒沉降的影響不可忽略，則稱為干擾沉降或受阻沉降。液態(tài)非均相物系中，當(dāng)分散相濃度較高時(shí)，往往發(fā)生干擾沉降。在實(shí)際沉降操作中，影響沉降違度的因素有：
(一) 顆粒的體積濃度
前述各種沉降速度關(guān)系式中，當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2％時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在1％以內(nèi)。但當(dāng)顆粒濃度較高時(shí)，由于顆粒間相互作用明顯，便發(fā)生干擾沉降。
(二) 器壁效應(yīng)
容器的壁面和底面均增加顆粒沉降時(shí)的曳力，使顆粒的實(shí)際沉降速度較自由沉降速度低。當(dāng)容器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)(例如在100倍以上)，器壁效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。在斯托克斯定律區(qū)，器壁對(duì)沉降速度的影響可用下式修正：
(三) 顆粒形狀的影響
?同一種固體物質(zhì)，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒的沉降要快一些。非球形顆粒的形狀及其投影面積A均影響沉降速度。?顆粒形狀與球形的差異程度，可用它的球形度采表征，即
對(duì)于球形顆粒，Φs=1。顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度Φs值愈低。
幾種Φs值下的阻力系數(shù)(與雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret的關(guān)系曲線，已根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)繪在圖3-2中。對(duì)于非球形顆粒，雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret中的直徑d要用顆粒的當(dāng)量直徑d0代替。d0是與一個(gè)顆粒體積相等的圓球的直徑，即：
由圖可見，顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ζ愈大，但Φs值對(duì)ζ的影響在滯流區(qū)內(nèi)并不顯著。隨著Ret的增大，這種影響逐漸變大。
另外，自由沉降速度的公式不適用于非常微細(xì)顆粒(如d<0.5μm)的沉降計(jì)算，這是由于流體分子熱運(yùn)動(dòng)使得顆粒發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Ret>10-4時(shí)，便可不考慮布朗運(yùn)動(dòng)的影響。
? 需要指出，上述各區(qū)沉降速度關(guān)系式適用于多種情況下顆粒與流體在重力方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算.
四、沉降速度的計(jì)算
計(jì)算在給定介質(zhì)中球形顆粒的沉降速度可采用以下兩種方法：
(一) 試差法
根據(jù)式3-6，式3-7及式3-8計(jì)算沉降速度ut時(shí)，需要予先知道沉降雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret值才能選用相應(yīng)的計(jì)算式。但是，ut為待求，Ret值也就為未知。所以，沉降速度ut的計(jì)算需要用試差法，即：先假設(shè)沉降屬于某一流型(譬如滯流區(qū))，則可直接選用與該流型相應(yīng)的沉降速度公式計(jì)算ut，然后按求出的ut檢驗(yàn)Ret值是否在原設(shè)的流型范圍內(nèi)。如果與原設(shè)一致，則求得的ut有效。否則，按算出的Ret值另選流型，并改用相應(yīng)的公式求ut，直到按求得ut算出的Ret值恰與所選用公式的Ret值范圍相符為止。
(二) 摩擦數(shù)群法
?該法是把圖3-2加以轉(zhuǎn)換，使其兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的無因次數(shù)群，進(jìn)而便可求得ut。
由式3-2可得到：
又
消去ut，即：
再令
得
因ζ是Ret的已知函數(shù)，則Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)，故圖3-2的ζ-Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成圖3-3的ζRet2-Ret曲線。計(jì)算ut時(shí)，可先由已知數(shù)據(jù)算出ζRet2的值，再由ζRet2曲線查得Re值，最后由Re值反算u，即：
ζRet-1-Ret曲線繪于圖3-3中。由ζRet-1值從圖中查得Ret