晶體磷酸一銨三效蒸發工藝設計

吳 迪

(貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

磷酸一銨(MAP)是重要的化工產品，其不僅能夠用于生產消防滅火，作為各種添加劑、電池材料[1]使用于日常生活中，而且由于其易溶解，含有豐富的氮、磷，其經常直接作為農肥直接用于農業生產。磷酸一銨根據其外形可以分為粉狀磷酸一銨和晶體磷酸一銨，由于晶體磷酸一銨具有高濃縮、高養分、高速溶等特點，其主要應用于以滴灌、噴淋為主要施肥方式的高端、高價值農業生產中[2]。

晶體磷酸一銨的生產裝置根據其原料及工藝來源可以分為磷酸預處理、反應、過濾、濃縮結晶、分離、干燥、包裝等工段[3]，其中濃縮結晶工段是整個生產工段的核心部分，其不僅需要消耗大量的能量用于物料加熱蒸發，且其結晶效果直接影響晶體磷酸一銨的質量[4]。為降低能耗，且實現濃縮過程溫度梯度降低，在某廠3萬t/a晶體磷酸一銨裝置設計中，采用三效蒸發與Oslo蒸發結晶器相結合的工藝來實現磷酸一銨節能降耗的目的。

1 工藝簡介

三效蒸發結晶主要由閃蒸室、循環泵、加熱器、Oslo蒸發結晶器及冷凝器構成[5]，其流程如圖1。

圖1 晶體磷酸一銨三效蒸發工藝流程圖

來自板框過濾機的濾液經泵提壓后由一效閃蒸罐上部進入閃蒸罐，自罐底經一效循環泵送入一效加熱器加熱，加熱器采用低壓蒸汽加熱，加熱后的物料返回一效閃蒸罐閃蒸，氣相自罐頂流出進入二效加熱器殼側，一效濃縮液液自一效閃蒸罐自流進入二效循環泵入口管，經二效循環泵循環至二效加熱器加熱后在二效閃蒸罐內閃蒸，氣相自罐頂進入三效加熱器殼側，二效濃縮液自二效閃蒸罐自流入三效循環泵入口管，經三效循環泵循環至三效加熱器加熱后進入三效閃蒸罐內閃蒸，三效閃蒸罐底部直聯Oslo蒸發結晶器，來自三效閃蒸罐的過飽和磷酸一銨在Oslo結晶器內結晶，料液自結晶器底部流至離心機，循環液自Oslo結晶器上部管口溢流至三效循環泵，二次蒸汽自三效閃蒸罐頂流至冷凝器冷凝。

2 三效蒸發工藝設計[6]

在某廠3萬t/a磷酸一銨工藝項目設計中，來自板框過濾機的磷酸一銨料液流量為20700 kg/h，其中磷酸一銨濃度為38.20%，進料溫度為75℃，自奧斯陸結晶器流出的磷酸一銨溶液濃度為59.02%(其中磷酸一銨晶體4174 kg/h)，取第三效閃蒸罐灌頂壓力為9.6 kPa，查蒸汽壓力-溫度表易得三效閃蒸罐頂蒸汽溫度為45℃。根據公用工程條件，第一效加熱蒸汽壓為200 kPa，則蒸汽溫度為133.3℃，根據工藝條件計算如下：

根據磷酸一銨-水沸點關系圖[7]，可以查的在三效蒸發器中磷酸一銨溶液沸點溫升Δ3'=5.64℃

三效出口物料流量為L3：

(1)

根據進出物料關系可以求得總蒸發量W：

W=F0-L3=20700-133896.83=7303.17 kg/h

(2)

由于采用順流三效蒸發，前一效進入后一效應的物料為過熱物料，故假設各效蒸汽分配比為Wf1∶Wf2∶Wf3=1∶1.3∶1.6，則各效閃蒸罐蒸發量可以由以下公式計算獲得：

(3)

經計算可得W1=1872.61 kg/h，W2=2434.39 kg/h；W3=2996.17 kg/h

分別對第一效、第二效、第三效采用以下公式進行物料衡算：

Li-1=Wi+Li(i=1,2,3,L0=F0)

(4)

經計算可得：L1=18827.39 kg/h；L2=16393.00 kg/h；L3=13396.83 kg/h

各效物料出口濃度分別為：x1=42.00%；x2=48.24%；x3=59.02%(含結晶)；

根據磷銨濃度與傳熱系數關系[7]，一效加熱器傳熱系數K1為1450 K/m-2K-1，二效加熱器傳熱系數K2為1400 K/m-2K-1，三效加熱器傳熱系數K3為1350 K/m-2K-1。

根據磷酸一銨-水沸點關系圖[7]，可以查得第一效溫升Δ1'=3.04℃；第二效溫升Δ2'=3.52℃；

則總有效溫差∑Δt=133.3-45-3.04-3.52-5.64=76.1℃

則根據公式Q=KAΔt可得：

(5)

為方便制作，令三個換熱器面積均相等，則有A1=A2=A3；為簡化計算令三效換熱器熱負荷均相等，則有Q1=Q2=Q3，由公式5可得：

(6)

則可以算出Δt1=24.47℃，Δt2=25.35℃，Δt3=26.28℃。

由于進入第一效進料為過冷液體進料，為了提高原料的溫度，其需提供更多的熱量，因此可以適當的調整各效傳熱溫差，并將調整后的傳熱溫差作為初值計算，經過調整，最終的傳熱溫差Δt1=27.97℃，Δt2=20.35℃，Δt3=27.78℃。

根據各效果傳熱溫差可以計算得到第一效物料的沸點溫度t1

t1=T1=Tis-Δt1=133.3-29.97=105.33℃

(7)

T2s=105.33-3.04=102.29℃

(8)

同理可得：

t2=T2=81.94℃;T3s=76.30℃;t3=T3=50.64℃;T4s=45.00℃

計算中忽熱磷酸一銨的溶解熱，則磷酸一銨溶液的定壓比熱容可以按以下公式近似計算

cp=1.228×x+4.2×(1-x)(kJ/kg·K)

(9)

蒸發過程的熱量衡算以0℃為基準，對工藝過程進行能量衡算，其中：

第一效二次蒸汽焓值H1=H2S(T2S溫度下飽和蒸汽的焓)+蒸汽過熱焓 (10)

=2680.816+3.04×1.88

=2686.53kJ/kg

一效加熱器蒸汽冷凝焓差=H1s-h1s

(11)

=2728.5-560.38

=2168.12 kJ/kg

同理可以獲得各效二次蒸汽焓值及二次蒸汽帶入的熱量其分別為：

第二效二次蒸汽焓值為：H2=2639.63 kJ/kg；

第三效二次蒸汽焓值為：H3=2588.50 kJ/kg；

二效加熱器蒸汽冷凝焓差為：2256.92 kJ/kg；

三效加熱器蒸汽冷凝焓差為：2319.15 kJ/kg。

則對各效系統進行熱量衡算有：

Fc0t0+D(H1s-h1s)=L1c1t1+W1H1

(12)

L1c1t1+W1(H1-c×T2s)=L2c2t2+W2H2

(13)

L2c2t2+W2(H2-c×T3s)=L3c3t3+W3H3

(14)

聯立12、13、14方程式，可以解得：

L1=18801.93 kg/h；W1=1898.07 kg/h；

L2=16369.59 kg/h；W2=2432.34 kg/h；

D=2854.70 kg/h；W3=2972.76 kg/h。

由于計算獲得的W1，W2，W3與假設的初始值比較接近，故可以不用重復計算，直接使用，若計算值與初始值誤差較大，則需要重新假設初始值重復計算。

根據換熱器傳熱公式Q=KAΔt，可得一效加熱器的面積A1為：

同理可得二效換熱器的面積A2為41.78 m2；

三效換熱器的面積A3為41.78 m2；

由于各效換熱面積均比較接近，故可選比42.39 m2大的換熱器。

若換熱器面積相差較大，則需根據換熱器面積比重新調整傳熱溫差，重復計算。

故1 kg 200 kPa的低壓蒸汽可以蒸發2.56 kg的水。

3 結論

在采用多效蒸發工藝進行磷酸一銨濃縮工段工藝設計中，三效蒸發較二效蒸發能夠節省更多的能量，在三效蒸發設計中，為簡化設備設計、加工制造，理想的三效蒸發罐、三效加熱器結構尺寸應保持一至，這對三效蒸發過程中的二次蒸汽的分配比、傳熱溫差的設計提出了挑戰，在實際設計過程中，需多次調整二次蒸汽分配比及傳熱溫差，使三效蒸發罐、三效加熱器所需的直徑、面積基本保持一致，并最終取其中最大者進行設備設計。

在設計過程中，物料的加熱器內升溫，在閃蒸罐內完成閃蒸，故可以通過調整各效的循環物料的循環量，控制加熱器出口物料溫升。

由于磷酸一銨三效蒸發計算量較大，且涉及二次蒸汽分配、傳熱溫差的調整，可以借助計算機軟件完成工藝計算。而在實際設計中，可以將中和反應器產生的二次蒸汽與一效閃蒸罐產生的二次蒸汽混合，通入二效蒸發加熱器加熱二效循環物料，此時可以在計算中適當的調整二次蒸汽分配系數、傳熱溫差及二效加熱器蒸汽進料條件即可完成工藝計算。