8.2. Материальный и тепловой баланс процесса нейтрализации в производстве аммофоса

8.2.1. Задание

Составить материальный баланс сатуратора для нейтрализации кислоты в производстве аммофоса (на 1000 кг фосфорной кислоты). Состав экстракционной фосфорной кислоты: 35% Р₂О₅ ; 2,9% SO₃; 0,15% MgO; 1,8% СаО; 1,2% А1₂О₃; 0,3% Fe₂O₃ ; 1,86% F. Состав жидкого аммиака: 97% NН₃; 3% Н₂О. В процессе насыщения кислоты аммиаком испаряется 70кг воды на 1000 кг кислоты. Содержание аммиака в нейтрали­зованной пульпе составляет 27% от общего количества Р₂О₅. Рассчитать тепловой баланс сатурации в производстве аммофоса на 1000 кг фосфорной кислоты. Температуры: поступающей кислоты 60 °С, аммиака — 27 °С, при давлении 152 кПа (1,5 атм), отходящей пульпы 102 °С.

Материальный баланс

Приход

В приходные статьи баланса включаются экстракционная фосфорная кислота и аммиак.

В 1000 кг кислоты (35% Р₂О₅) содержится, кг

m(Н₃РО₄) = m(кислоты) ∙ ω(Р₂О₅)∙ M(Н₃РО₄) / M(Р₂О₅) =

= 1000 ∙ 0,35 ∙2 ∙ 98 / 142 = 483,1кг

m(Н₂О) = m(кислоты) - m(Н₃РО₄) = 1000 – 483,1 = 516,9 кг,

где M(Н₃РО₄) и M(Р₂О₅) — молекулярные массы Н₃РО₄ и Р₂О₅.

Количество расходуемого аммиака равно 27% от общего коли­чества Р₂0₅, т. е.

m_о(NН₃) = m(кислоты) ∙ ω(Р₂О₅) ∙ ω₁(NН₃) =

= 1000∙0,35∙0,27=94,5 кг

С аммиаком поступает воды:

m₁ = m₀(NН₃) ∙ ω(Н₂О) / ω(NН₃) = (67,5∙ 3) / 97 = 2,9кг,

где ω(Н₂О), ω(NН₃) - состав жидкого аммиака: 97% NН₃, 3% Н₂О

Расход

В результате обработки фосфорной кислоты аммиаком образуется пульпа и испаряется некоторое количество воды. Состав образующейся массы определяется взаимодействием кислоты с со­держащимися в ней примесями и аммиаком. В основу расчета количеств получаемых солей берем следующие стехиометрические соотношения

MgO + Н₃РО₄ + 2Н₂О = MgHРО₄∙3Н₂О (1)

CaO + Н₃РО₄ + Н₂О = CaHРО₄∙2Н₂О (2)

Al₂O₃ + 2Н₃РО₄ = 2AlРО₄ + 3Н₂О (3)

Fe₂O₃ + 2Н₃РО₄ = 2FeРО₄ + 3Н₂О (4)

2NН₃ + H₂SiF₆ = (NH₄)₂SiF₆ (5)

2NН₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ (6)

NН₃ + Н₃РО₄ = NH₄H₂PO₄ (7)

2NН₃ + Н₃РО₄ = (NH₄) ₂HPO₄ (8)

При нейтрализации раствора фосфорной кислоты аммиаком в отделении сатурации получаются следующие соли, кг

- гидрофосфат магния:

m(MgHРО₄∙3Н₂О)=m(кислоты)∙ω(MgO)∙M(MgHРО₄∙3Н₂О)/M(MgO) =1000∙ 0,0015∙174 / 40 = 6,5 кг,

в том числе кристаллизационной воды

m₁(Н₂О) =m(кислоты)∙ω(MgO)∙3∙M(Н₂О)/M(MgO) = 1000∙ 0,0015∙ 3∙ 18/40 = 2,0 кг,

в том числе Р₂О₅

m₁(Р₂О₅) = m(кислоты)∙ ω(MgO)∙M(Р₂О₅) / 2M(MgO) = 1000∙ 0,0015∙142/(40∙2) = 2,7 кг;

- гидрофосфат кальция

m(СаНРО₄∙2Н₂О) = m(кислоты) ∙ ω(СаО) ∙ M(СаНРО₄∙2Н₂О)/M(СаО) =

= 1000 ∙ 0,018 ∙ 172 / 56 = 55,3 кг ;

в том числе кристаллизационной воды

m₂(Н₂О) = m(кислоты) ∙ ω(СаО)∙2 M(Н₂О) / M(СаО) =

= 1000 ∙0,018 ∙ 2 ∙ 18 / 56 = 11,6 кг

в том числе Р₂О₅

m₂(Р₂О₅) = m(кислоты) ∙ ω(СаО)∙ M(Р₂О₅) / 2M(СаО) =

= 1000∙ 0,018∙ 142/(56∙2) = 22,8 кг ;

- фосфат алюминия

m(AlPO₄)=m(кислоты)∙ω(Аl₂О₃)∙2M(AlPO₄)/M(Аl₂О₃) =

=1000∙0,012∙2∙122/102 = 28,7 кг ,

в том числе Р₂О₅

m₃(Р₂О₅) = m(кислоты)∙ ω(Аl₂О₃)∙ M(Р₂О₅) / M(Аl₂О₃) =

= 1000∙0,012∙142 / 102 = 16,7 кг;

- фосфат железа

m(FePO₄) = m(кислоты) ∙ ω(Fe₂O₃)∙ 2M(FePO₄) / M(Fe₂O₃)=

= 1000 ∙ 0,003∙ 2 ∙ 151 / 160 = 5,7 кг,

в том числе Р₂О₅

m₄(Р₂О₅) = m(кислоты)∙ ω(Fe₂O₃)∙ M(Р₂О₅) / M(Fe₂O₃) =

= 1000 ∙ 0,003∙ 142 / 160 = 2,9 кг;

- кремнефторид аммония

в том числе NН₃

- сульфат аммония

m((NH₄)₂SO₄) = m(кислоты) ∙ ω(SO₃)∙ M((NH₄)₂SO₄) / M(SO₃) =

= 1000∙ 0,029∙ 132 / 80 = 47,9 кг,

в том числе NH₃∙ ω(SO₃) ∙ 2M(NH₃) / M(SO₃) =

= 1000 ∙ 0,029∙ 2 ∙ 17 / 80 = 12,3 кг.

Количество Р₂О₅, связанной по реакциям (1) – (4):

m_r(Р₂О₅) = m₁(Р₂О₅) + m₂(Р₂О₅) + m₃(Р₂О₅) + m₄(Р₂О₅) =

= 2,7 + 22,8 + 16,7 + 2,7 = 44,9 кг.

Остальное количество Р₂О₅ связывается с аммиаком, образуя фосфаты аммония. Количество Р₂О₅, нейтрализуемое аммиаком

m_н(Р₂О₅) = m(фосфорной кислоты)∙ ω(Р₂О₅) - m_r(Р₂О₅) = 1000∙ 0,35 - 44,9= 305,1кг.

Содержание аммиака в нейтрализованной пульпе составляет 27% от общего количества Р₂О₅. Израсходовано аммиака на образование кремнефторида и сульфата аммония

5,5 + 12,3 = 15,8 кг .

Следовательно, на образование фосфатов аммония пошло ам­миака:

m_ф(NH₃) = m(фосфорной кислоты)∙ ω(Р₂О₅) ∙ ω(NH₃) - m(NH₃) =

= 1000∙ 0,35 ∙ 0,27 – 15,8 = 78,7 кг

Количество аммиака, необходимое для связывания оставшейся Р₂О₅ (305,1кг) в моноаммонийфосфат

m_ост(NH₃) = 2 ∙ М(NH₃) ∙ m_н(Р₂О₅) / M(Р₂О₅) = 2 ∙ 17∙ 305,1 / 142 = 73,1 кг

При этом остается избыточного аммиака

m_изб(NH₃) = m_ф(NH₃) – m_ост(NH₃) = 78,7 – 73,1 = 5,6 кг,

который идет на образование диаммонийфосфата; его количество

m((NН₄)₂НРО₄) = m_изб(NH₃) ∙ M((NН₄)₂НРО₄) / (2∙ M(NH₃)) = 5,6 ∙ 132 / (2 ∙17) = 21,7 кг

Это количество требует моноаммонийфосфата

m(NH₄H₂PO₄) = m((NН₄)₂НРО₄)∙ M(NH₄H₂PO₄) / M((NН₄)₂НРО₄)=

= 21,7 ∙ 115 / 132 = 18,9 кг

Так как из 305,1 кг Р₂О₅ могло образоваться моноаммонийфос­фата

m_в(NH₄H₂PO₄) = M(NH₄H₂PO₄) ∙ m_ост(NH₃) / M(NH₃) =

= 115 ∙ 73,1 / 17 = 494,5 кг,

то после образования диаммонийфосфата останется моноаммонийфосфата

m_ост(NH₄H₂PO₄) = m_в(NH₄H₂PO₄) - m(NH₄H₂PO₄) =

= 494,5 – 18,9 = 475,6 кг

Выход сухих солей (с учетом кристаллизационной воды) со­ставляет :

m(соли) = m(MgHРО₄∙3Н₂О) + m(СаНРО₄•2Н₂О) + m(AlPO₄) + m(FePO₄) + m((NH₄)₂SO₄) + m_ост(NH₄H₂PO₄) + m((NН₄)₂НРО₄) + m(NH₄)₂SiF₆ = 6,5 + 55,3 + 28,7 + 5,7+ 47,9 + +475,6 + 21,7 + 29 = 670,4 кг,

в том числе воды кристаллизационной

m(Н₂О) = m₁(Н₂О) + m₂(Н₂О) = 2,0 + 11,6 = 13,6 кг.

Выход сухих солей без кристаллизационной воды:

m(соли без воды) = m(соли) - m(Н₂О) = 670,4 — 13,6 = 656,8 кг.

Cостав сухих солей представим в виде таблицы (табл. 1)

Таблица 1

Cостав сухих солей с учетом кристаллизационной воды

Соли	Масса, кг	Содержание, %
MgHPО4•3H2O	6,5	1,0
СаНРО4•2Н2О	55,3	8,2
А1РО4	28,7	4,3
FePO4	5,7	0,8
(NH4)2SiF6	29.0	4.3
(NH4)2SО4	47,9	7,1
(NH4)2НРО4	21.7	3.2
NH4H2РО4	475.6	68,2
Всего	670,4	100

В систему поступает материалов (фосфорной кислоты, аммиака и воды с ним)

m(материала) = m(фосфорной кислоты) + m(NН₃) + m₁ = 1000 + 94,5 + 2,9 =

= 1097,4 кг.

В процессе сатурации из системы испаряется 70 кг воды на 1000 кг кислоты. Количество пульпы после испарения воды равно

m(пульпы) = m(материала) – m(вода в пульпе) = 1097,4 - 70 = 1027,4 кг.

В конечной пульпе содержится свободной воды:

m(свободной воды) = m(пульпы) - m(соли) = 1027,4 - 672,5 = 3547,0 кг.

Всего воды в пульпе:

m_к(воды) = m(свободной воды) + m(Н₂О) = 357 + 13,6 = 370,6 кг.

Процентное содержание общей влаги в пульпе:

ω(вода в пульпе) = m_к(воды) ∙ 100 / m(пульпы) =

= (370,6 ∙ 100) / 1027,4 = 36,1%.

Составляем материальный баланс сатурации в производстве аммофоса (на 1000 кг фосфорной кислоты) (табл. 2):

Таблица 2

Материальный баланс сатурации в производстве аммофоса

Приход	кг	%	Расход	кг	%
35%-ная по Р2О5 экст-ракционная кислота в пересчете на моногиграт (100%Н3РО4)	483.1	44.02	Солевая масса пульпы в том числе: MgHPО4•3H2O СаНРО4•2Н2О А1РО4 FePO4 (NH4)2SiF6 (NH4)2SО4 (NH4)2НРО4 NH4H2РО4	670,4 6,5 55.3 28.7 5,7 29.0 47.9 21.7 475.6	61.4
Вода с фосфорной кислотой	516.9	47.10
аммиак	94.5	8.61	Вода в пульпе (свободная)	357,0	32.2
Вода с аммиаком	2.9	0.27	Водяной пар	70.0	6.4
Итого	1097.4	100	Итого	1097.4	100