磷酸一銨工業(yè)設(shè)計計算方法

第_章概述我國是一個已經(jīng)擁有十三億人口的大國，但人均耕地已從幾年前的兩畝左右下降到不足一畝，僅為世界人均耕地的一半左右。加上耕地的逐年減少，人口的逐年增加，而人民的生活水平的不斷提高，糧食消費不斷上升，在這種情況下，為了保證糧食的供給，提高糧食單位產(chǎn)量是最有效的措施之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)的過程。留在農(nóng)業(yè)內(nèi)部再循環(huán)的部分是很少的，大部分隨農(nóng)產(chǎn)品的收獲而轉(zhuǎn)移到社會的各個方面。因此必需從外部投入必要的能量和物質(zhì)作為補(bǔ)償。在能量和物質(zhì)的投入中，在有機(jī)肥和無機(jī)肥相結(jié)合的前提下，化肥投入的能量和物質(zhì)占□□-左右。對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)所起的作用占」!~左右。故試用化肥經(jīng)常是提高糧食產(chǎn)量的關(guān)鍵。我國土壤含磷元素一般都不滿足農(nóng)作物的需求，這已成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的大障礙。根據(jù)調(diào)查，全國D億畝土地中，嚴(yán)重缺磷的約占一億畝=Y??.□{YYRO中等缺磷的耕地約占一億畝七.?.尸—金，目前施化肥的.?.：Y—".□_□□—：□□□—遠(yuǎn)低于國際平均水平（?:Y.□□□:□□—）。造成這種情況的主要原因是因為我國化肥生產(chǎn)中磷肥和含磷高的復(fù)合肥料所占的比例太低，例如磷銨是最受歡迎的高含磷的復(fù)合肥。在發(fā)達(dá)國家其磷肥產(chǎn)量已占5~以上。但在我國還不足H。在今后相當(dāng)長的一段時間里，為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的需要，磷復(fù)合肥應(yīng)該是我國化肥發(fā)展的重點。磷酸銨是用氨中和磷酸制得的高濃度氮磷復(fù)合肥料。其主要產(chǎn)品是磷酸一銨（/Y，產(chǎn)品有?□□_~，Y.?.□□□□—~和.?1口—~，Y??.□□□_~兩類和磷酸二銨，產(chǎn)品有.?.□□—'類和磷酸二銨，產(chǎn)品有.?.□□—'〔?.□□□一二和.??□□——?，Y??.□□□[?.□□□—~）和硝酸銨兩類。此外，還可加工硫酸銨（EY,[?.□□□—~）和硝酸銨（□<.，??.□□—，七"—）等等。第二章磷銨工業(yè)生產(chǎn)工藝流程概述2.1生產(chǎn)流程被普遍采用的磷鉉生產(chǎn)流程是將含p2O5大于40%的磷酸用氨中和后，再轉(zhuǎn)鼓氨化造粒，或使?jié)饬姿嵩诠苁椒磻?yīng)器中直接氨化得到磷鉉料漿，再于轉(zhuǎn)鼓中造粒，最后經(jīng)干燥而得到產(chǎn)品。這種用濃磷酸生產(chǎn)磷鉉的方法被稱為“傳統(tǒng)法”。用“傳統(tǒng)法”生產(chǎn)磷鉉需要大量的優(yōu)質(zhì)弄磷酸。而這種濃磷酸需要由優(yōu)質(zhì)磷礦或精選的磷礦來生產(chǎn)的濕法磷酸濃縮得來。世界上的磷礦資源經(jīng)過幾十年的開采，逐漸趨于貧化，高品位的磷礦資源明顯減少。因此，中低品位的磷礦的應(yīng)用開發(fā)勢在必行。我國磷礦的儲量僅蘇聯(lián)，美國，摩洛哥而居世界第四，但富礦很少，80%是中低品位的磷礦，其中還有80%是難選的磷塊礦巖（在我國也稱膠磷礦），兼之長期以來對礦山的建設(shè)重視不夠，使得我國磷肥工業(yè)的發(fā)展受到很大的影響。所以，實際生產(chǎn)中運(yùn)用的都只是中低品位的磷礦。采用濕法磷酸生產(chǎn)法一般只能生產(chǎn)出20%左右的磷酸。顯然，用普通的“傳統(tǒng)法”來生產(chǎn)磷鉉是不行的。鑒于此種情況，我國從蘇聯(lián)引進(jìn)了一種生產(chǎn)方法：料漿法。2.2料漿法以20%的稀磷酸、氣氨為原料，利用中和器或管式反應(yīng)器將中和料漿在氨化粒化器中進(jìn)行涂布造粒，在生產(chǎn)過程中添加部分氮素和鉀素以及其他物質(zhì)，再經(jīng)干燥、篩分、冷卻而得到NPK復(fù)合肥產(chǎn)品，這是國內(nèi)外各大化肥公司和工廠大規(guī)模生產(chǎn)常采用的生產(chǎn)方法。磷酸可由硫酸分解磷礦制取，有條件時也可直接外購商品磷酸，以減少投資和簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。該法的優(yōu)點是既可生產(chǎn)磷酸鉉也可生產(chǎn)NPK肥料，同時也充分利用了酸、氨的中和熱蒸發(fā)物料水份，降低造粒水含量和干燥負(fù)荷，減少能耗，此法的優(yōu)點是：生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)品質(zhì)量好，產(chǎn)品強(qiáng)度較高。2.3工藝流程生產(chǎn)原理主反應(yīng)：NH3(g)+H3pO4(l,20%)====NH4H2pO4(aq)TOC\o"1-5"\h\z-46.1 -1291 -1435副反應(yīng)：) 2NH3(g)+H3PO4(l,20%)===(NH4)2HpO4(aq)-2x46.1——1291-- -1560) 2NH3(g)+H2SO4(aq)===(NH4)2SO4(aq)-2x46.1--907 -11733) 2NH3(g)+H2SiF6(aq)===(NH4)2SiF6(aq)采用料漿法。首先是磷酸和氣氨在中和槽中發(fā)生中和反應(yīng)，生成磷銨中和料漿。中和料漿拿來進(jìn)行干燥而獲得產(chǎn)品。但在干燥過程中，所能干燥的料漿需要先濃縮到一定的濃度，這就涉及到干燥前要先進(jìn)行濃縮處理。大概的整個流程就是：中和一濃縮一干燥。所得的工藝流程圖就是整個料漿法生產(chǎn)磷銨的工藝流程圖。2.4流程方框圖2.5主要設(shè)備一覽表中和槽雙效濃縮蒸發(fā)器(帶冷疑器)三缸泵空氣壓縮機(jī)鍋爐房 一噴霧干燥塔及轉(zhuǎn)鼓造粒干燥機(jī)2.6磷鉉外排廢水指標(biāo)項目范圍GB15580-95允許排放限值PH3-86-9氟化物(以F計)(mg/1)10-D20磷酸鹽(以P計)(mg/1)10-5050懸浮物(mg/1)30-50150排水量m3t產(chǎn)品8-121第三章物?熱衡算3.1物衡算3.1.1氨中和工序物料衡算計算基準(zhǔn)：1000千克磷酸。進(jìn)料1）磷酸量J1=1000Kg，組成含量X=20%,即其中y“l(fā).口含量為）□□Kg2）氣氨（氨用量應(yīng)該是磷銨中雜質(zhì)與氣氨的結(jié)合量，磷酸中扣除與雜質(zhì)的結(jié)合量后的D_\D結(jié)合的氣氨的量以及氨損失量三者的集合）（―）磷酸中的游離硫酸中和氣氨生成（.?.□_））□.?.—的耗氨量以及生成（.??□_）J'.—的量：生成（.??□_）^D\_的量:工皿」口~0 ― /「□□—Kg生成（.?〔_）J._的耗氨量：,—,^0^-0^—/^ z^-0^—jKg（2） 氨與磷酸中的F反應(yīng)生成（NH4）2SIF6的耗氨量以及生成的（NH4）2SIF6的量：生成的（NH4）2SIF6的量：1000x1.59%x178/（19x6）=24.8Kg生成（NH4）2SIF6的耗氨量：24.8x（2x17）/178=4.7Kg（3） 生成FepO4-2H2O的量，以及其結(jié)合0^\0和結(jié)合水的量：生成FepO4-2H2O的量：1000x1.04%x(182x2)/160=24.31Kg結(jié)合Y^.?.口的量：r一一口 l/(—5“)□□□_Kg結(jié)合水的量：x(2x18)/187=4.7Kg(4)生成AlpO4-2H2O的量，及其結(jié)合Yr'.口和結(jié)合水的量：生成AlpO4-2H2O的量：1000x2.07%x(158x2)/102=64.1Kg結(jié)合Yr'口的量：,一□」/(—□「」)口—□—Kg結(jié)合水的量：64.1x(2x18)/158=14.6Kg(5)生成MgHpO4-3H2O的量及其耗氨量，結(jié)合Yr'口和結(jié)合水的量：生成MgHpO4-3H2O的量：1000x1.28%x174/40=55.7Kg結(jié)合Yr'口的量：業(yè)5 r/(J_十)Dr^^Kg結(jié)合水的量：DDD^O P_//jO^^O^/Kg氨化濕法磷酸所得產(chǎn)品的物質(zhì)成分中，F(xiàn)e,Al等雜質(zhì)生成的化合物實際上是比較復(fù)雜的，但由于這些化合物的定量鑒定尚有困難，且無熱化學(xué)數(shù)據(jù)，因此，習(xí)慣上假設(shè)Fe,Al按生成中性磷酸鐵、鋁(Fe,Al)9O4-2H2O,Mg按生成Mg9O4-3H2O來進(jìn)行計算。這樣計算的結(jié)果當(dāng)然與實際情況有一定的偏差。通常計算所得的產(chǎn)品中Or'O的量比實際的高而氮的含量比實際的要偏底一些。由于Fe,Al,Mg的磷酸鹽都是非水溶性鹽。故生成的非水溶性鹽的總量為：+64.1+55.7=144.1Kg所以，產(chǎn)品中Yr'O的水溶率為口nO~ -(^OO^/r^O100%)=72.4%結(jié)合水的總量為：4.7+14.6+17.3=36.6Kg結(jié)合雜質(zhì)后剩余的Yp'.口的量為：J口 -」□/ □—Kg已知中和工序的中和度工藝指標(biāo)為1.01。設(shè)與磷酸一銨中和的磷酸的量為XKg與磷酸二銨中和的磷酸的量為(159.3-X)Kg可得{X/142x2+[(159.3-X)x4/142]}/159.3x2/142=1.01解得X=157.71Kg所以，與磷酸二銨結(jié)合的磷酸的量為：-157.71=1.6Kg(6) 應(yīng)生成磷酸一銨的量為：157.71x115/71=255.446Kg(7)反應(yīng)生成磷酸二銨的量為：(159.3-157.71)x132/71=2.956Kg(8) 反應(yīng)生成磷酸一銨所結(jié)合的氣氨的量：255.446x17/115=37.762Kg(9) 反應(yīng)生成磷酸二銨所結(jié)合的氣氨的量：2.956x17x2/132=0.7614Kg所以，包括(.?.□_)pD'._0(NH4)2SIF6,MgHPO4-3H2O等鹽在內(nèi)的總耗氨量為：A=0.7614+37.762+17+4.7=60.2234Kg而已知中和濃縮過程中氨的在損失為1%,所以實際的需氨量為：60.2234-(1-1%)=60.832Kg3.1.1.2出料.蒸發(fā)水已知每千克.??口一就要蒸發(fā)一千克的水，所以蒸發(fā)水的量為：U—0 60.832Kg標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積為000」00「jp /^0pP0_=75.702Kgp0.0— 的損失量為0Up0 60.832x0.7%=0.426Kg中和料漿的量U—有以上得出出料的總和為口U—UDUJ5「一5口_mj~nj「□U—Kg而￡J=EC即^□□□□^□^□□□□□U—所以□—□□□□□_Kg其中□.?.□」。Y?? 口口 LKg一'□—^Dy'._^□□□^Kg(NH4)2SO4: 66Kg(NH4)2SIF6:24.8KgMgHPO4-3H2O:55.7KgAlpO4-2H2O:64.1KgFepO4-2H2O:24.31Kg所以，不包括濃縮過程中分解逸出的?□—的量，鹽類的總量為□、.□□□ ,□、.□□□,□,,□_「□□□□/ □n^_□入門人—□▼ Kg—□中和料漿含水量為口□□□□l -— ”-□□』—□“ Kg中和部分的物料衡算平衡表見表一Oj表JCj 計算基準(zhǔn)□」□□□...&□▼??□~?D進(jìn) 料出料序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量^—g)百分含r序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量j..g)百分含rJ 氣氨□□□l□□一 蒸發(fā)水□□□l□□一磷酸□_叮_□□□□—□— \.?□_損失量□□_□□□_ /中和料漿□□□□l□_□_合計_□□□□_□□合計_□□□□_□□3.1.2濃縮工序物料衡算3?3?1?2?1進(jìn)料耍地濃縮系統(tǒng)婪理由已知：中和料漿的進(jìn)料量為J=999.6 Kg。其中水的含量為526.2Kg。出料由已知：1）氣氨的損失量為：C1=59.6x0.3%=0.2Kg2） 濃縮料漿（最終出料的含水量為25%）干鹽量=473.2Kg濃縮料漿=473.2/（1-25%）=630.9Kg3） 蒸發(fā)水由已知有EC=C1+C2+C3=0.2+630.9+C3=631.1+C3而￡J=EC即□Mq^^uanU—C3=3585Kg濃縮部分的物料衡算表見表3-2。表一0十 計算基）#□」：□□..?g□▼?.□“進(jìn) 料出料序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量^—g）百分含r序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量^—g）百分含ru 干鹽 A /□▼ / 蒸發(fā)水 _ \□□--□「 所含水分□_.?.□_損失量□□▼□□□□□▼ /濃縮料漿- □□-^__

合計□□□□—、□□合計□□□□—、□□干燥工序的物料衡算蒸發(fā)水濃縮料漿匕、蒸發(fā)水濃縮料漿匕、磷鉉產(chǎn)品干燥系統(tǒng)機(jī)械損失頊n頊—進(jìn)料由已知，進(jìn)料濃縮料漿的量為口口 □□Kg其中，干鹽為：一、一十Kg；含水量為m□—Kg一□—□—□▼出料—）機(jī)械損失（干燥系統(tǒng)損失一~）的量Uj：H—□人川^門、jP_□^^十 Kg）產(chǎn)品磷銨的量：（含水j~）產(chǎn)品磷銨中干鹽量口_^^□十 -——□^——/PJKg產(chǎn)品磷銨的量就為：——J^“Kg其中的水分的含量為：—— ^□^^―/ □□□--□j Kg―）蒸發(fā)水分的量由已知，出料的總和為:EC=C1+C2+C3=4.7+473.2+C3=477.9+C3而EJ=EC即,業(yè)_^^0頊一C3=1扮.0Kg濃縮工序的物料平衡衡算表見表3-3。表一□— 計算基準(zhǔn)□」：□□...gD_^D~_O進(jìn) 料出料序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量^—g)百分量~序號項目名稱物質(zhì)質(zhì)量^—g)百分含r\ 干鹽 A /0「「 蒸發(fā)水_0_00__00所含水分U0產(chǎn)品磷銨 A /0_ /機(jī)械損失_0a_^"000合計, 00_00合計, 00_003.1.4耗定額以及產(chǎn)品規(guī)格的理論計算3.1.4.1主要原材料消耗定額(以每噸磷銨產(chǎn)品為基準(zhǔn))濕法磷酸工“??.0~)0二」000 /_^^0#0#00— 噸0噸產(chǎn)品(_)氣氨(n0~的.??口一)：000U0—/n00000^^_ 噸0噸產(chǎn)品口、00、_產(chǎn)品的規(guī)格(J)磷鉉產(chǎn)品的理論組成見表4—4。產(chǎn)品的含氮量：N=58.4x14/17=48.09Kg產(chǎn)品含氮的百分比=48.09/475.2=10.2%產(chǎn)品的含0_?D量由已知，除去機(jī)械損失，產(chǎn)品的總含磷量為十一—Kg。產(chǎn)品含0^\0的百分比0十一—/_^_0^0_^00~(_)產(chǎn)品的規(guī)格表達(dá)式為.??00十??.000十??.:n0』_」000j在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品的規(guī)格是各不相同的，一些是根據(jù)不同的用途而生產(chǎn)的；一些是由于工藝條件的限制而生產(chǎn)出來就是一定的。若原礦等一些條件是一定的，那么，產(chǎn)品的規(guī)格由生產(chǎn)時的工藝情況決定。當(dāng)中和度在nanana”時產(chǎn)品以磷酸一銨（汩口）為主，產(chǎn)品規(guī)格為一a”aa；當(dāng)中和度在一口「左右時，產(chǎn)品以磷酸二銨（先aa）為主，產(chǎn)品的規(guī)格為 口一」口。但實際的生產(chǎn)中，由于濕法磷酸生產(chǎn)的條件就決定了中和度一般控制在naan左右。且在中和度為naan左右時，氨的損失小于二。而雜質(zhì)較大的原因，使得產(chǎn)品的a_\a含量較小于理論量，一般就在―~左右。磷鉉產(chǎn)品的理論組成表：X表3-4序號組成名稱物質(zhì)的質(zhì)量（Kg）物質(zhì)的百分組成（%）物質(zhì)的含氮量（Kg）物質(zhì)a”?.含量（Kg）1???a」w217.145.926.4134.02^?a_^^aa44.09.39.323.73(NH4)2SIF6:24.65.23.84MglPO4-3H2O55.111.622.55A1PO4-2H2O:63.513.428.56FePO4-2H2O:24.05.19.17(NH4)2SO440.28.58.68H2O4.71.0合計473.210048.1217.83.2各個工序的熱量衡算參考溫度：0*C 計算基準(zhǔn)：1000Kg,20%濕法磷酸。3.2.1中和工序的熱量衡算3.2.1.1輸入熱量化學(xué)反應(yīng)熱)NH3(g)+H3PO4(l,20%)====NH4H2PO4(aq)-46.1 -1291 -1435AH1=-1435-(-46.1-1291)=-97.9Kj/Mol?NH4H2PO4)2NH3(g)+H3PO4(l,20%)===(NH4)2HPO4(aq)TOC\o"1-5"\h\z-2x46.1——1291-- -1560AH2=-1560-(-2x46.1—1291)=-176.8Kj/M)l?(NH4)2HP(42NH3(g)+H2SO4(aq)===(NH4)2SO4(aq)-2x46.1--907 -1173AH3=-1173-(-2x46.1-907)=-173.8Kj/Mol-(NH4)2SO44)2NH3(g)+H2SiF6(aq)===(NH4)2SiF6(aq)-2x46.1 -2331 -2602AH4=-2602-(-2x46.1-2331)=-178.8Kj/M)l-(NH4)2SiF6總的反應(yīng)熱為：￡△H=-(97.9x2193/115+176.8x44.4/130+173.8x40.6/132+178.8x248/178)x1000=-325400KJ氣氨帶入熱設(shè)氣氨的溫度為5°C。查得此溫度下氣氨的比熱容為2.065KJ/Kg-K。所以，其帶入熱為：Q1=59.6x2.065x5=615KJ磷酸的帶入熱設(shè)磷酸的溫度為：40C。查得此溫度時磷酸的比熱容為：3.26KJ/Kg-K。所以，磷酸的帶入熱為：Q2=1000x3.26x40=130400KJ所以，輸入的熱量總計為：Q輸入=130400+615+325400=456400KJ3.2.1.2輸出熱量中和料漿帶出熱設(shè)中和料漿的溫度為101C，查得此溫度下磷銨的比熱容為2.85KJ/Kg-K。所以，料漿的帶出熱為：Q3=999.6x2.85x101=287700KJ水分的蒸發(fā)熱在101C時，水的蒸發(fā)比熱容2256KJ/Kg-K。所以，水分的蒸發(fā)熱為：Q4=59.6x2256=134500KJ熱損失熱損失為總的輸入熱減去中和料漿帶出熱和水分的蒸發(fā)熱。Q5=Q輸入-Q3-Q4=456400-287700-134500=34200KJ熱損失占輸入熱量的百分率為：34200/456400=7.5%從能量節(jié)約和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，這一熱損失還是較為合理的。說明原假設(shè)通入1KgNH3即要蒸發(fā)1KgH2O的假設(shè)是比較合理的。因此，對物，熱衡算不再作修正。中和過程所蒸發(fā)的水量占料漿含水量的百分率是：59.6/(526.2+59.6)= 10.2%氨中和工序的熱量衡算表見表3-5。

表一口 計算基準(zhǔn)日」：廠..g日二.CT頊輸 入輸 出序號項目名稱所含熱(..?C)百分含量(T)序號項目名稱所含熱(...□)百分量(T)\ 反應(yīng)熱_頊一□□―」 /' 蒸水帶出' / □□□頊□—氣氨帶入?_□□□ ，□中和料漿帶出r 4, □ /磷酸帶入' □」□—□□二 /熱損失__^□』_:合計^□,□□_□□合計_□:_□□濃縮工序的熱量衡算蒸發(fā)過程涉及蒸汽的地方甚多，用焓計算較為方便。規(guī)定0°C水的焓為零。計算基準(zhǔn)：1000Kg20%的濕法磷酸。上圖中，W——蒸發(fā)水的總量，KgF 中和料漿的進(jìn)料量，KgX0,X1,X2——分別是中和料漿，第I效溶液，第II效溶液的百分組成，%D0,D1,D2——分別是新鮮蒸汽耗量，第I,第II效的蒸汽量，Kgt0,t1,t2——分別是中和料漿的溫度，第I,第II效的溶液溫度0CH0,H1,H2——分別是新鮮蒸汽的焓，第I,第I效的二次蒸汽的焓，KJ/KgT0,T1,T2——分別是飽和新鮮蒸汽的溫度，第I,第I效的二次蒸汽的溫度，0Cr0,r1,r2——分別是新鮮蒸汽的汽化熱，第I,第I效的二次蒸汽的汽化熱， KJ/Kgh0,h1,h2,hw——分別是中和料漿的焓，第I,第I效溶液的焓和水的焓，KJ。c0,c1,c2,cw——分別是中和料漿的比熱容，第I,第I效 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 溶液的比熱容和水的比熱容， KJ/Kg-K。注： 忽略熱損失。實際上熱損失可以從循環(huán)泵的軸功率得到補(bǔ)償溶液焓由比熱容計算。假定二次蒸汽均為飽和蒸汽。3.2.2.1作第II效的粉衡算輸入的熱量=Fh0+D1H1輸出的熱量=(F-D2)h2+D2H2+D1hw,輸入=輸出 即Fh0+D1H1=(F-D2)h2+D2H2+D1hw(4-1)或Fh0+D1(H1-hw)=(F-D2)h2+D2H2(4-2)已知：h0=c0t0,h2=c2t2,H1-hw=r1將之代入式(4-1)，得Fc0t0+D1r1=(F-D2)c2t2+D2H2同理3.2.2.2作第I效的焓衡算輸入的熱量=D0h1+D2H2輸出的熱量=(D0-D1)h1+D1H1+D0hw,輸入=輸出 即D0h1+D2H2=(D0-D1)h1+D1H1+D0hw(4-3)或D0h1+D0(H1-hw)=(D0-D1)h1+D1H1(4-4)已知：h1=c1t1,h2=c2t2,H1-hw=r1將之代入式(4-4)，得Fc2t2-D2c2t2+D0r1=(F-D1-D2)c1t1+D1H1又D1+D2=W聯(lián)立式(4-2)(4-3)(4-4),可得D0,D1,D2。然后利用已知的數(shù)據(jù)可作出第I,II效的焓平衡表。已知：F=999.6Kg,查得：r0=2159KJ/Kg(生蒸汽為136°C的飽和蒸汽)；r1=2258KJ/Kg(假設(shè)此二次蒸汽為100C的飽和蒸汽)；H1=2677KJ/Kg(假設(shè)此二次蒸汽為100C的飽和蒸汽)；H2=2638KJ/Kg(假設(shè)此二次蒸汽為79C的飽和蒸汽)；t1=108C；t2=108；t0=90C；c0=2.85KJ/Kg-K；c1=2.00KJ/Kg-K；c2=2.45KJ/Kg-K；W=368.5Kg。解得D0=210.2Kg,D1=179.4Kg,D2=189.1Kg。3.2.2.3作第I效的焓衡算第II效完成液帶入量：(F-D2)h2=(999.6-189.1)x2.45x82=162800KJ新鮮蒸汽汽化熱帶入的量：D0r1=2159x210.2=453800KJ濃縮料漿完成液帶出的量：(F-W)xh1=(999.6-3685)x2.00)x108=136300J第I效二次蒸汽帶出的量：D1H1=2677x179.4=480300KJ其中，以上1,2項為輸出熱的量：Q輸入=162800+453800=616600KJ3,4項為輸入熱的量：Q輸出=136300+480300=616600KJ顯然，Q輸入=Q輸出第I效蒸發(fā)器的焓衡算表見表3-6。表—Dl 計算基準(zhǔn)□」：□□...gD_^D~_O輸入輸出序號項目名稱修(...O)百分含量(~)序號項目名稱修(.?口)百分含量(~)\ 第I效完成液帶入量'__ L_ooF=' 濃縮料漿完成液帶出的量-^O-OO^^o新鮮蒸汽汽化熱帶入的量OOn_o' ^^第I效二次蒸,汽帶出的量' 七—■OppO' 合計-^'_'—頊no合計'—'_'—頊no3.2.2.4作第II效的焓衡算中和料漿進(jìn)料帶入量：Fh0=999.6x2.85x90=256400KJ第I效二次蒸汽的汽化熱：D1r1=179.4x2258=405100KJ第II效完成液帶出量：(F-D2)h2=(999.6-189.1)x2.45x82=162800KJ第II效二次蒸汽的帶出量：D2H2=189.1x2638=498700KJ其中以上1,2項為輸出熱：Q輸入=256400+405100=661500KJ3,4項為輸入熱的量：Q輸出=162800+498700=661500KJ顯然，Q輸入=Q輸出第II效蒸發(fā)器的焓衡算表見表3-7。表一0^ 計算基準(zhǔn)onooo...gOp'?.o頊輸 入輸 出序號項目名稱修(...□)百分含量(~)序號項目名稱修(...□)百分含量(~)\ 中和料漿進(jìn)料帶入U^,□□—「□—' 第II效完成液帶出'_' L—□□U^'—'—第［效二次蒸汽汽化熱」日_□□,_□— 第II效二次蒸氣帶出□□』□—□合計/^■/—'_□□□_□□合計'—'—'_□□□—□□干燥工序的熱量衡算計算基準(zhǔn)：1000Kg20%的濕法磷酸。已知條件：序號物料名稱物質(zhì)的質(zhì)量(Kg)溫度(°C)比熱容(KJ/Kg-K)1濃縮料漿630.91002.02煙道氣W4501.033返料4x473.2601.424磷銨產(chǎn)品473.2901.425廢氣W+1531001.03+1.884x153/W3.2.3.1輸入的熱量(計算公式：Q=質(zhì)量x比熱容乂溫度)濃縮料漿帶入的熱量：630.9x2.00x100=126200KJ煙道氣帶入的熱量：Wx1.03x450=463.5WKJ返料帶入的熱量：x473.2x60=161300KJ3.2.3.2輸出的熱量(計算公式：Q=質(zhì)量x比熱容x溫度)出干燥機(jī)的固體物料帶出的熱量：x473.2x1.42x90=302400KJ廢氣帶出的熱量(廢氣由煙道氣和蒸發(fā)的水蒸氣組成)：Wx1.03x100+153x2677=103W+409600KJ干燥機(jī)的熱損失為輸入熱量的15%。又輸入=輸出287500+463.5W=302400+409600+103W+0.15x(287500+463.5W)解得W=1607Kg干燥機(jī)的焓衡算表見表3-8。計算基準(zhǔn)口―￡「?.□=輸入輸出序號項目名稱焓(...□)百分含量(~)序號項目名稱焓(...□)百分含量(~)\ 濃縮料漿帶入' Lt—^□l' 固體物料帶出□□/_煙道氣帶入 _□□…_□^L.廢氣帶出□1—□□□□□— /返料帶入'—'t'—_□□n□—□ 干燥機(jī)損失n_「□日- □□合計_□□」□合計_□□nn一般，返料系統(tǒng)的熱損失為：4x473.2x1.42x(90—60)=80600KJ占輸出熱量的百分率為：80600/1032300=7.8%包括返料系統(tǒng)的熱損失，干燥系統(tǒng)的總的熱損失為：(154800+80600)=235400KJ第四章蒸發(fā)器的設(shè)計4.1概述蒸發(fā)過程的實質(zhì)是；傳熱壁面1則的蒸汽冷凝與另一則的溶液沸騰間的傳熱過程。溶劑的汽化速率由傳熱速率控制。故蒸發(fā)屬于傳熱過程，但又有區(qū)別于一般專熱過程。因為傳熱過程具有下述特點：1） 傳熱性質(zhì):傳熱壁一側(cè)為加熱蒸汽進(jìn)行冷凝，另一側(cè)為溶液進(jìn)行沸騰。故屬于兩側(cè)均有相變化的恒溫傳熱過程。2）溶液性質(zhì)：有些溶液在蒸發(fā)過程中有晶體析出，易結(jié)垢和生泡沫，高溫下易分解或聚合。溶液的粘度在蒸發(fā)過程中逐漸增大，腐蝕性逐漸增強(qiáng)。3） 溶液沸點的改變：含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液，其蒸發(fā)壓較同溫度下溶劑（即純水）的底。換而言之，在相同壓強(qiáng)下，溶液的沸點高于純水的沸點。故當(dāng)加熱蒸汽一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度要小于蒸發(fā)水的傳熱溫度。溶液濃度越高，這種現(xiàn)象就越顯著。4） 泡沫夾帶：二次蒸汽中夾帶大量液沫，冷凝前必須先除去，否則不但損失物料，而且污染冷凝設(shè)備。5） 能源利用：蒸發(fā)時產(chǎn)生大量蒸汽，如何利用它的潛熱是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問題之一。對于磷銨生產(chǎn)，一般工業(yè)上都采用外熱式蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器的加熱管較長，其長徑之比為50?100。由于循環(huán)管中的溶液未受蒸汽加熱，其密度較加熱管內(nèi)大。因此形成溶液沿循環(huán)管下降而沿加熱管上升的循環(huán)運(yùn)動。其循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s，但鑒于磷銨工業(yè)生產(chǎn)中料漿粘度大，易結(jié)垢，特別是生產(chǎn)工業(yè)磷銨時，其有效磷酸一銨的濃度可達(dá)77%以上，故在加熱器和蒸發(fā)器間加一個循泵。在單效蒸發(fā)器中每蒸發(fā)1kg的水要消耗比1kg多一點的加熱蒸汽，工業(yè)生產(chǎn)中，蒸發(fā)大量的水分必須消耗大量的加熱蒸汽。為了減少加熱蒸汽消耗量，可采用多效蒸發(fā)操作。多效蒸發(fā)時要求后效的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點均較前效的為低。因此可引入前效的二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽。這就是多效蒸發(fā)的操作原理。一般多效蒸發(fā)裝置的末效或后幾效總是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽。故提高了生蒸汽的利用率，即提高了經(jīng)濟(jì)效益。假如單效蒸發(fā)或多效蒸發(fā)中所蒸發(fā)的水量相等，則前者需要的生蒸汽量遠(yuǎn)大于后者。例如，當(dāng)原料在沸點下進(jìn)入蒸發(fā)器，并忽略熱損失，各種溫度差損失及不同壓強(qiáng)下汽化熱的差別時。理論上，單效的D/W=1，雙效的D/W=1/2，三效的D/W=1/3……n效的D/W=1/n。但實際中存在的各種溫度差損失和蒸發(fā)器的熱損失度，則多效蒸發(fā)時便達(dá)不到上述經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)生產(chǎn)中常采用自然循環(huán)反流加料流程，原料液有末效進(jìn)入，完成液有第一效取出。但一般工業(yè)上為了能更好地達(dá)到工業(yè)要求，常常加一個強(qiáng)制循環(huán)泵。反流加料流程的優(yōu)點是：溶液的濃度沿著流動方向不斷提高，同時溫度也不斷的上升。因此，各效的濃度較為接近，使得各效的傳熱系數(shù)也大致相同。反流加料流程的缺點：效間的溶液需要用泵輸送，能量消耗較大，且因各效的進(jìn)料溫度均低于沸點，產(chǎn)生的二次蒸汽量較多。所以，為了能達(dá)到較好的效果，工業(yè)上就采用濃縮用，連續(xù)的，管式，循環(huán)型，反流，真空蒸發(fā)，外熱式雙效蒸發(fā)器。4.2已知條件：由固體磷銨的物，熱衡算知，1效加熱蒸發(fā)水1684.6kg/h，蒸汽冷疑熱為2258kj/kg°II效的加熱新鮮蒸汽量為1973.8kg/h，蒸汽冷疑熱為2159kj/kg(136°C)。I效加熱器料漿的平均溫度為：108C。加熱用飽和蒸汽溫度為：136C°I效平均傳熱溫差：Tm1=136-108=28C注：忽略溫差損失等因素。II效加熱蒸發(fā)器蒸汽溫度為：100C。料漿的平均溫度為：82C。II效平均傳熱溫差：Tm2=100-82=18C。注：忽略溫差損失等因素。中和料漿的濃度X0=(1-54%)=46%;完成液的濃度.X1=(1-25%)=75%。第I效加熱器的傳熱系數(shù)取K1=680w/m2*C;第II效加熱器的傳熱系數(shù)取K2=900w/m2?C。注：一般來說，加熱器的傳熱系數(shù)是需要專門確定的，但在磷銨工業(yè)生產(chǎn)中，已有一定的經(jīng)驗值，故在此就取經(jīng)驗平均值。富裕系數(shù)取1.15。原料的流量F=999.6 kg；溫度為82C。4.3類型選擇：工業(yè)生產(chǎn)蒸發(fā)器的類型很多。但在磷銨工業(yè)生產(chǎn)中，磷銨料漿的濃度較大時,溶液的粘度也較大，且其隨溫度的變化較大。并且,由于在濕法磷酸的生產(chǎn)中就含得有大量的陰、陽離子，尤以Fe,Mg的離子含量較多，使得生成的料漿極其容易結(jié)垢。所以一般選擇外熱式、反流加料、自然循環(huán)、雙效濃縮蒸發(fā)器。但要在循環(huán)管和加熱器間加一臺循環(huán)泵，以增大循環(huán)速度，盡量避免結(jié)垢，減短因為發(fā)生堵塞而造成的清洗維修周期，增長生產(chǎn)周期。4.4 蒸發(fā)水的量W：計算公式： W=F(1-X0/X1).?. W=999.6X(1-0.46/0.75)=386.5kg焓衡算：(注:1,計算中忽略熱損失。實際上熱損失可以從循環(huán)泵的軸功率中得到補(bǔ)償。2,溶液的焓由比熱容計算。假設(shè)二次蒸汽均為飽和的蒸汽)由濃縮系統(tǒng)的熱衡算知：第I效的熱負(fù)荷為：Q1=2159X1973.8=4260000kj傳熱的基本方程式是：Q=K?S-Atm?.?S=Q/(Atm?K)=4260000X1000/28X680X3600=62.1m2實際所需的傳熱面積為：△S1=62.1X1.15=71.4m2第II效的熱負(fù)荷為：Q2=2258X1684.6=3800000kj所以，傳熱面積為：S=3800000X1000/(900X18X3600)=65.2m2實際所需的傳熱面積為：△S2=65.2X1.15=75.0m2由于AS1、AS2相近，為了便于制造、安裝及維護(hù)等，第I效、第II效取相同的傳熱面積75.0m2,結(jié)構(gòu)也完全相同。加熱器(換熱器)的設(shè)計此處選用最簡單的單程列管式換熱器。單程列管式換熱器的加熱管直徑一般選擇30-60mm,在此選用①32X3型的，且為鉬鈦鋼管。管長一般取2000—10000mm,此取2000mm。每個加熱器所需的管子數(shù)N為：計算公式：N=F(n?L?D)?N=75/(nX6X0.032)=124.3根圓整為125根。加熱管的排列方式按正三角形錯列式排列，因為三形排列較正方形排列更為緊奏。查標(biāo)準(zhǔn)換熱器加熱管正三角形排列表，應(yīng)取127根。按正三角形排列，則管束中心線上的管數(shù)為：計算公式：Nc=1.1"N? Nc=1.1"127=13根所以，查得管層數(shù)為6層。加熱管的中心距心計算公式：t二(1.25—1.35)Dk，Dk為管子的外徑。一般有如下的表列關(guān)系：Dk253857mmt324870mm所以，取管心距為40mm。取管束中心線上最外層的中心全殼體內(nèi)壁的距離B為15d則加熱室的內(nèi)徑為；計算公式：D內(nèi)=t(Nc-1)+2B?.? D內(nèi)=40(13—1)+2X15X32=1440mm圓整為：1500mm加熱室的高度H查得取加熱器的上下封頭的高度均為標(biāo)準(zhǔn)封頭，高度為375mm所以，加熱室的總高度為：H=200+2X1500+120+=5120mm加熱器管子排列圖4.7 循環(huán)管的設(shè)計循環(huán)管的大小直接影響溶液的循環(huán)速度。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中的一般經(jīng)驗，循環(huán)管的截面積取加熱管總面積的80%，即循環(huán)管的總截面積為：I S=0.8XNX(H/4)X[(0.032-2X0.002)X(0.032-2X0.002)]?必皿 S=0.8X127X(n/4)X[(0.032—2X0.002)X(0.032-2X0.002)]I=0.063m2\y所以，循環(huán)管的直徑為：循環(huán)管圖D="(4S/n)D=V(4X0.063/n)=283.22mm圓整為：300mm循環(huán)接管口共為4個。4.8 分離室的設(shè)計分離室的工業(yè)要求為：能良好的分離液沫和液滴；流體的阻力小；不會堵塞和阻塞；所分離的液體能連續(xù)的排出；外廓尺寸要小，而且在特殊的情況下，例如安裝在塔內(nèi)的，其建筑高度要下；金屬的消耗量要小，結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉。在分離器的幾種類型中，根據(jù)磷銨生產(chǎn)工業(yè)的特殊情況，選用網(wǎng)式離器。由物、熱衡算知：I效的蒸發(fā)水量為：1684.6kg/h°II效的蒸發(fā)水量為：1775.6kg/h。與加熱室相同，I效，II效的尺寸完全相同，而II效的蒸發(fā)量較大，故取II效來作為設(shè)計目。取分離室的高徑比為：H有效/D內(nèi)=2.3。分離室的截面蒸發(fā)強(qiáng)度為：700kgH2O/m2-h。則正常生產(chǎn)時，所需分離室的截面積A閃為；A閃=1775.6/700=2.54m2A閃="(4A閃/n)="(4X2.54/n)=1.8m實際生產(chǎn)中，由于開車時料漿的濃度很低，傳熱系數(shù)很大，水分的蒸發(fā)量比正常生產(chǎn)時要大得多，因此，一般將分離室的內(nèi)徑擴(kuò)大到2m。所以，分離室的有效高度為：H有效=2.3XA閃=2.3X2=4.6m分離室是不能也不需要起分離液滴的作用的，所以在蒸發(fā)器中，為達(dá)到工業(yè)要求，一般要裝個網(wǎng)式除沫罩。除沫罩一般安裝在距離殼頂(0.35—0.5)D之處。此取d=0.45X2=0.9m處。左圖為網(wǎng)式分離器圖，中間的網(wǎng)即為網(wǎng)式除沫罩。4.9接管口的設(shè)計對此整個雙效濃縮蒸發(fā)系統(tǒng)共有18個接管口，每個加熱器4個，每個分離室有5個。但他們可歸為三個類：一是料漿的進(jìn)出網(wǎng)式分離器口；一是加熱蒸汽的進(jìn)口與二次蒸汽的出口；一是蒸汽冷疑水的出口。把他們分為此三類是因為方便制造與維修的方便，他們往往是造得尺寸完全一樣的。計算公式： d=V(4Vs/n?u)4.9.1料漿進(jìn)出口由物、熱衡算知，1效的蒸發(fā)量小于II效的蒸發(fā)量，所以按II效的蒸發(fā)量來確定料漿進(jìn)出口的尺寸大小。因日產(chǎn)100噸產(chǎn)品，則每小時產(chǎn)：100/22.3=4.44噸。已知工藝指標(biāo)為：濃縮后的料漿濃度為1.45—1.53g/ml取濃縮后的料漿濃度為：1.49g/ml。取1000kg20%的濕法磷酸為計算基準(zhǔn)。已知干燥工序中損失量為1%,則產(chǎn)品中P2O5的盡含量為：1000X(1-1%)X20%=198kg工藝指標(biāo)：N—P2O5—H2O：11%—46%—1%?？刂芇2O5為46%顯然是節(jié)約了N2的。?.?1000kg20%的濕法磷酸能產(chǎn)出：198/46%=430.5噸產(chǎn)品?.?1000kg20%的濕法磷酸約合需要：430.5/4.44=97個小時..?進(jìn)料的流量為：999.6/97=10.33kg/h由試插法求進(jìn)料料漿的密度X：X/(1-54%)=1.49/(1-25%)解得X=0.914g/ml? Vs=10.35/0.914=11.305m3/h查得，取料漿的流速為：u=8m/s所以，d=V(4X11.035/n?8)=22.4mm鑒于穩(wěn)定生產(chǎn)的考慮，一般把料漿的進(jìn)出口接管圓整擴(kuò)大到160mm。4.9.2加熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽出口因為選擇各效的尺寸相同，而II效的蒸汽流量較大，所以取II效的蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽出口作為設(shè)計對象。已知：11效的蒸汽流量為189.1kg，溫度為82°C。查得飽和蒸汽的性質(zhì)如下：(因為假設(shè)過程中所涉及的蒸汽均為飽和蒸汽)溫度(C)Vg(m3/Kg)803.409902.361試插法：(3.409-X)/(3.409-2.361)=(80-82)/(80-90)解得X=4.2474m3/Kg艮口 Vg=4.2474m3/Kg由Vs=W/Vg有Vs=189.1/97/4.2474=0.459m3/h取u=25m/s,所以d="(4X0.459/n?25)=152.9mm查標(biāo)準(zhǔn)接管口表，圓整為160mm。但一般擴(kuò)大到300mm4.9.3冷疑水出口冷疑水的排除一般屬于自然流動。1、11效中，顯然I效的蒸汽消耗量較大。所以，取I效的冷疑水出口作為設(shè)計對象。已知：I效的蒸汽流量為D0=210.2Kg,溫度為136°C。查得溫度(C)Vg(m3/Kg)1300.66811400.5085試插法：(0.6681-X)/(0.6681—0.5085)=(130—136)/(130-140)解得 X=0.59834 m3/Kg艮口 Vg=0.59834 m3/Kg由 Vs=W/Vg 有Vs=210.2/97/0.59834=0.002332m3/h取u=0.1m/s,所以d="(4X0.002332/n?0.1)=2.9mm查標(biāo)準(zhǔn)接管口表，圓整為10mm。但在工業(yè)生產(chǎn)中，為了避免發(fā)生堵塞等情況的發(fā)生，一般要擴(kuò)大到20mm。流體的適宜流速表(皿/、)強(qiáng)制流動的液體自然流動的液體飽和蒸汽、及其他的氣體0.8—150.08—0.1515—20不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)消耗量效數(shù)理論蒸汽消耗量實際蒸汽消耗量本裝置gt虹效可節(jié)約的蒸汽量(%)蒸發(fā)1kgH2O所需蒸汽量蒸發(fā)1kg蒸汽所1蒸水量蒸發(fā)1kgH2O所需蒸汽量蒸發(fā)1蛔蒸汽所1蒸水量11.011.10.919320.520.571.7543030.3330.42.52540.2540.33.3310選用多層孔板式蒸汽冷疑器4.10.1 冷疑水量VI冷疑水的量由冷疑器的熱量衡算來確定。計算公式：Vl=[Wl(h-Cwtk)]/[Cw(tk-tw)]

式中， Vl-h冷疑水量，kg/h。h-進(jìn)入冷疑器的二次蒸汽的焓j/kg。Wl-進(jìn)入冷疑器的二次蒸汽的流量kg/hCw-水的比熱容，4187j/kg?°C。tw-冷疑水的初始溫度，C。tk-水和冷疑液的排出溫度，C。查得，h=4.987kj,Wl=189.1/4.44=42.6kg/htw=20C，tk=50C。?.? Vl=42.6(4987—4187X50)/4187(50-20)4.10.2冷疑器的直徑D取二次蒸汽的流速為u=18m/s。若已知進(jìn)入冷疑器的二次蒸汽的體積流量，即可根據(jù)公式求出冷疑器的直徑D。已知：t=82C。.?.Wv=189.1/4.44=42.5kg/h溫度(C)Vg(m3/Kg)800.0010292900.0010361查得80C，90C時的飽和蒸汽的性質(zhì)如表：則由試插法求得Vg=0.001032Vs=42.5/0.001032X3600=11.44m3/s?D="4X11.44/18Xn=0.9m圓整為1000mm4.10.3淋水板的設(shè)計1查得淋水板板數(shù)的選擇有如下關(guān)系:直徑范圍(mm)淋水板板數(shù)(塊)DV500mm4—6D>500mm7—9所以，取8塊。2淋水板間距的寬有如下關(guān)系:淋水板板數(shù)(塊)板間距的計算公式4—6Ln+1=(0.5—0.7)Ln，L0=D+(0.15—0.3)7—9Ln+1=(0.6—0.7)Ln，L末>=0.15利用上表餓關(guān)系就可以算出各層間的距離。取L末=0.2m。3弓型淋水板的寬度B'=B'=(0.8—0.9)D。其他各塊的寬度為：B=0.5D+0.05m。4淋水板的堰高h(yuǎn)直徑范圍(mm)淋水板的堰高(mm)D<50040D>50050—70一般有如下關(guān)系所以，取h=60mm。5淋水板的孔徑d若冷卻水的水質(zhì)較好或冷卻水循環(huán)使用時，淋水板的孔徑d可取4—5mm，反之，則取6—10mm。工業(yè)上一般都是循環(huán)使用水，所以取d=5mm6淋水板的孔數(shù)n淋水板的淋水孔流速u用下式計算：u=n甲”2gh其中n——淋水孔的阻力系數(shù)。n=0.95—0.98。甲 水流收縮系數(shù)。甲=0.80—0.82。h一淋水板的堰高 m。分別取n=0.96,甲=0.81，則u=n甲”2gh=0.96X0.81”(2X0.98X0.06)=0.85m/s?.?n=Vl/3600XnxDXDXu/4=11.44X1000/3600XHX1X1X0.852/4=4.75由《化工原理課程設(shè)計資料?華東化工學(xué)院編》查得，n合為6。考慮到長期操作容易造成孔的堵塞，最上層淋水板的淋水孔一般比實際尺寸加大10%14%，其他各塊的加大5%。淋水孔采用正三角形錯列式排列。附表——殼體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)人孔或手孔上水進(jìn)口1—I二次蒸汽進(jìn)口排水口多層多孔板式冷凝器人孔或手孔上水進(jìn)口1—I二次蒸汽進(jìn)口排水口多層多孔板式冷凝器殼體內(nèi)徑(mm)400-700800-10001100-1500最小壁厚(mm)81012第五章計算數(shù)據(jù)總匯加熱器的數(shù)據(jù)總匯傳熱面積：75m2。管徑： 32X3，且為鉬二鈦不銹鋼管。管長： 2000m。管數(shù)： 127根。中心線上的管束數(shù)：13根。排列方式：正三角形錯列式排列。管心距：40mm。加熱室內(nèi)徑：1500mm。操作溫度：100—136°C。操作壓強(qiáng)：0.1—0.042MP。封頭高度：選用標(biāo)準(zhǔn)封頭，375mm。管箱高度：1125mm。加熱器總高度：5120mm