磷酸一銨生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展

磷酸一銨生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展

1磷酸一銨生產(chǎn)工藝磷酸一銨是一種高效的回族肥料。它是由含有反應作用的磷酸和反應組成的。目前國內(nèi)磷酸一銨生產(chǎn)的主要工藝方法有:①料漿濃縮-噴漿造粒法;②預中和氨化?；?③加壓中和自熱噴霧干燥法。其中加壓中和自熱噴霧干燥法流程較為簡單合理,建設投資省,僅為其它方法的1/4～1/5;完全依靠自熱,能耗低,裝置運行穩(wěn)定性較好,因而在磷酸一銨生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。其工藝流程簡圖如圖1。磷酸的氨化反應是一個中和快速反應,瞬間即能完成。氣氨在一定的壓力下進入反應器與磷酸混合,通過攪拌器的攪動和剪切,使進入的氣氨盡可能分散,形成很小的氨氣泡,達到最大的比表面,與磷酸充分接觸。磷酸與氨產(chǎn)生強烈的放熱反應,又使反應生成的料漿劇烈沸騰,水蒸汽不斷從料漿表面逸出,促進氨的擴散。反應生成的料漿在反應器內(nèi)的壓力下,由底部壓入噴霧干燥塔,閃急蒸發(fā)干燥,得到粉粒狀固體產(chǎn)品。中和反應器是裝置中的關(guān)鍵設備,其合理的設計對保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),節(jié)能降耗具有十分重要的意義。2生產(chǎn)線產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素目前,國內(nèi)已建成的磷酸一銨裝置有30kt/a和60kt/a兩種規(guī)模,中和反應器結(jié)構(gòu)見圖2。目前使用的中和反應器存在著以下幾方面的問題。(1)攪拌器采用渦輪圓盤平直6葉攪拌器,其直徑通常取為反應器內(nèi)徑的0.3倍,所以生產(chǎn)中要求較高的轉(zhuǎn)速(通常為250～300r/min),接近軸的臨界轉(zhuǎn)速,由于制造中的加工精度往往達不到設計要求,故在生產(chǎn)中會產(chǎn)生較大的振動,甚至出現(xiàn)攪拌軸被振彎,造成事故。另外,磷銨料漿易粘在攪拌器上,造成不平衡力矩,降低軸的臨界轉(zhuǎn)速。(2)氣氨由兩根對稱導管進入反應器液面下,并通過導管底部的小孔噴出。此進氣結(jié)構(gòu)氣氨的噴出速度高(>25m/s),致使氣氨不能均勻地分布在液相中,造成反應不完全,氨耗高。另外,停車后還極易造成料漿堵塞小孔,清理也較困難。(3)傳動裝置多采用擺線針輪行星減速器,這種減速器只適用于小功率傳動,一般不超過11kW;在生產(chǎn)過程中,經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)熱嚴重、損壞內(nèi)件等現(xiàn)象,導致故障率高,維修頻繁。(4)中和反應器設計不合理,設置了一些不必要的部件,如設備法蘭、夾套等,使設備偏重,制造費用高。(5)軸封選用填料密封,致使氨泄露現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。綜上所述,目前使用的中和反應器,普遍存在物料反應不完全,能耗高,操作環(huán)境差,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,故障率高,開車率低等問題。3基于中和器的優(yōu)化設計我院在1998年為貴州某重鈣廠設計的2×60kt/a磷酸一銨項目中,對中和反應器進行了優(yōu)化設計,其結(jié)構(gòu)見圖3。3.1反應器、容器操作壓力0.21MPa;設計壓力0.25MPa;操作溫度165℃設計溫度180℃反應器尺寸Φ2300mm,H=4000mm;容器類別二類;介質(zhì)磷酸(含P2O545%),氣氨、磷酸一銨料漿。3.2混器設計3.2.1折葉渦輪式冷凝器根據(jù)物料反應特點及攪拌器特性,并參照預中和氨化?；ㄑb置預中和反應器的攪拌器型式,設計中選用了開啟折葉渦輪式攪拌器。此攪拌器結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,便于加工,且磷銨料漿不易粘附在漿葉上,可解決生產(chǎn)中不規(guī)則的間斷振動,驅(qū)動功率比圓盤渦輪式小。3.2.2分散劑的用量計算攪拌器轉(zhuǎn)速是設計中的一個重要參數(shù),只有轉(zhuǎn)速大于氣液分散的臨界轉(zhuǎn)速時,才能保證反應效果。反應效果也與通入氣氨的速度有關(guān),進氣氣速低,不能產(chǎn)生足夠的接觸面積;進氣氣速高,若沒有較高的攪拌轉(zhuǎn)速,則不能達到充分的分散。根據(jù)國內(nèi)試驗推薦的數(shù)據(jù),并結(jié)合生產(chǎn)廠家的實踐經(jīng)驗,氣氨的進氣速度宜取20m/s,攪拌器漿葉端點的線速度取6m/s左右,則反應效果最理想。所以可得攪拌器轉(zhuǎn)速n為:n=60V/πd=60×6/3.14×0.8=143r/min式中,V為攪拌器漿葉端點線速度,m/s;d為攪拌器直徑,m。用氣體分散的臨界轉(zhuǎn)速經(jīng)驗公式進行校驗:式中,n0為臨界分散轉(zhuǎn)速,r/s;d為攪拌器直徑,80cm;σ為氣液表面張力,0.77N/cm;ρ為液相密度,1680g/cm3;D為罐體直徑,230cm;UOG為空罐氣速,2.56cm/s。根據(jù)上述計算及減速機輸出轉(zhuǎn)速,攪拌器轉(zhuǎn)速n取為150r/min。3.2.3攪拌功能計算(1)料漿密度和粘度Re=n·ρ·d2/μ×60式中,n為攪拌器轉(zhuǎn)速,150r/min;ρ為料漿密度,1.68×103kg/m3;d為攪拌器直徑,0.8m;μ為料漿粘度,300×10-3kg/m·s。查圖表可得在全擋板條件下的功率準數(shù)Np=1.6。(2)影響電機功率的因素式中,N為攪拌器功率,kW;Np為功率準數(shù)?？紤]到起動功率和傳動功率等因素,實際取電機功率為22kW。從計算公式看出,影響功率的主要因素為n,d,Np。如果攪拌器選用圓盤渦輪式攪拌器,通過計算可得n=170r/min,d=0.7m,查表Np=4.2。所以,根據(jù)功率計算比較,選擇開啟折葉渦輪式攪拌器是合理的。3.3rpb型齒輪循環(huán)針輪傳動傳動電機在機械設計中的應用,其符合一般順風速、階段長由于擺線針輪行星減速機嚙合效率隨傳動比減小而降低,容易產(chǎn)生發(fā)熱、漏油、損壞零件等不良現(xiàn)象,所以只適用于小功率、大傳動比、短時間工作的場合。為保證裝置能穩(wěn)定生產(chǎn),設計中選用LPB型立式平行軸齒輪減速機,此減速機是在平行軸臥式齒輪減速機的基礎上,吸取國外先進技術(shù)而設計的新一代產(chǎn)品,是一種低噪聲、低轉(zhuǎn)速、大扭矩,適用于超長軸攪拌的減速機,且為解決停車時介質(zhì)沉淀而造成攪拌器再起動困難,甚至損壞電機等零部件,設計中還設置了手動搬車裝置。雖然LPB型減速機價格比擺線針輪減速機高,但其運行費用低,能保證裝置正常生產(chǎn)和高開車率,綜合經(jīng)濟性是合理的。實踐證明,該裝置建成投產(chǎn)兩年多來,運行平穩(wěn),無故障發(fā)生。3.4軸的強度、剛度及臨界轉(zhuǎn)速的計算攪拌軸采用懸臂軸結(jié)構(gòu),材質(zhì)為316L不銹鋼。設計時,主要應計算軸的強度、剛度及臨界轉(zhuǎn)速,強度和剛度計算是為了避免軸的彎曲和扭曲變形,確定出軸的最小直徑,臨界轉(zhuǎn)速計算是為了防止軸產(chǎn)生共振。懸臂軸典型受力模型如圖4所示。3.4.1確定攪拌軸的最小直徑(1)攪拌軸傳遞最大扭矩13730.35×79000???????√4=73.35mm13730.35×790004=73.35mm式中,d為攪拌軸直徑,mm;Mmax為攪拌軸傳遞最大扭矩,1373N·m;[r]為軸的許用扭轉(zhuǎn)角,0.35°/m;G為剪切彈性模量,7.9×104MPa。(2)軸類材料的許用應力式中,Mte為軸上扭矩和彎矩同時作用時的當量扭矩;[τ]為軸材料的許用應力,[τ]=σb/16=30MPa?？紤]鍵槽等因素對軸的削弱影響以及與減速機輸出軸相配,確定最小軸徑為d=100mm。3.4.2抗振條件的確定如果攪拌軸工作轉(zhuǎn)速恰好等于或接近臨界轉(zhuǎn)速(軸的自振頻率),軸系將發(fā)生強烈振動,并出現(xiàn)較大的彎曲現(xiàn)象。計算臨界轉(zhuǎn)速是為了使軸的工作轉(zhuǎn)速避開軸的臨界轉(zhuǎn)速,防止共振發(fā)生。攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速nk計算公式為:nk=114.7d2L1E(L1+a)Ws???????√=114.7×10023600206000(3600+400)×98??????????√=231r/minnk=114.7d2L1E(L1+a)Ws=114.7×10023600206000(3600+400)×98=231r/min式中,d為攪拌軸直徑,100mm;E為軸材料的彈性模量2.06×105MPa;Ws為當量載荷,經(jīng)計算為98kg;L1為攪拌漿懸臂長度,3600mm。剛性攪拌軸的抗振條件為n/nk的比值應≤0.4～0.7,根據(jù)不同的攪拌器型式和攪拌介質(zhì)確定。對已建成的幾套裝置的中和反應器進行核算,發(fā)現(xiàn)抗振條件的取值為n/nk≤0.6,按HG/T20569-94中規(guī)定,攪拌器為葉片式,介質(zhì)為氣-液反應時,n/nk的比值應取為0.4。因此,這是導致振動較大的主要原因。根據(jù)上述分析,若軸徑取為100,則顯然是不能滿足要求的,需進行調(diào)整。從計算分析,E、L、a為定數(shù),Ws的變化對軸的臨界轉(zhuǎn)速影響不大。只有適當增大軸徑才能明顯地提高軸的臨界轉(zhuǎn)速。同時在不影響攪拌效果的情況下,可適當降低攪拌器轉(zhuǎn)速,以避開臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)核算,把軸的懸臂段軸徑取為130mm,攪拌器轉(zhuǎn)速降為n=135r/min。則所以懸臂段軸徑取為130mm,攪拌器轉(zhuǎn)速由150r/min降為135r/min,可滿足抗振條件。攪拌器漿葉線速度V=n·π·d/60=(135×3.14×0.8)/60=5.65m/min也可滿足攪拌要求。3.5設備結(jié)構(gòu)設計與傳統(tǒng)的反應器相比,我們在設計中對反應器結(jié)構(gòu)的幾個方面作了改進。3.5.1盤棋管傳熱中和反應器的加熱方式采用外部加熱。常用的方式有夾套、半圓盤管、整圓盤管等。夾套主要缺點是材料用量大,設備重,外部保溫層施工不便。半圓盤管傳熱系數(shù)較高,克服了夾套存在的缺陷,但半管與反應器體的焊縫較多,尤其是碳鋼管與不銹鋼器體的焊接量大,造成Cr被析出,降低反應器體的質(zhì)量及使用壽命。整圓盤管傳熱效果雖不如上述兩種,但磷酸與氨的反應為放熱反應,操作時不需加熱。傳熱只是為開車時加熱,短時間停車時保溫所用。整圓盤管的優(yōu)點是,施工方便,制作成本低,與反應器體只需采用間斷焊,即可滿足要求。所以傳熱方式采用整圓盤管結(jié)構(gòu)。3.5.2法蘭的制造費用很高,且在配電件中使用會出現(xiàn)泄漏傳統(tǒng)的反應器為了方便安裝和檢修攪拌器,而把反應器體制作為可拆卸的兩段,用法蘭連接為一體,故法蘭的制造費用很高,且若加工和安裝精度達不到要求,還會產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象,污染環(huán)境。此次,我們把反應器體制作成一個整體,并設置了相應的安裝檢修孔,從而大大降低反應器的制造成本。3.5.3通過進氨方式調(diào)整進氨速度改變從頂部對稱兩管進氣通過管底小孔噴氨的方式,采用可調(diào)整進氨速度,沿圓周4點切線方向通氨方式,如圖5所示。此方式可使氣氨均勻地分布在反應器中,還可依靠氨的噴射作用帶動料漿攪動,減少反應器的攪拌功率。3.5.4軸和填料的發(fā)熱軸封的作用是防止攪拌設備中反應物料的逸出和雜質(zhì)的滲入。一般采用填料密封和機械密封兩種型式:①填料密封結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,但軸和填料之間產(chǎn)生局部固體摩擦而發(fā)熱,使填料與軸急劇磨損和密封面間隙增大,產(chǎn)生泄漏;②機械密封是一種功耗小,泄漏率低,密封性能可靠,使用壽命長的轉(zhuǎn)軸密封。其泄漏率為填料密封的1%,目前在攪拌設備上已被廣泛采用。由于氣氨滲透性很強,如密封不好,滲出的氣氨將嚴重污染環(huán)境,所以,我們在設計中采用機械密封,解決了軸封處泄漏問題,從而大大改善了操作環(huán)境。4經(jīng)濟效益分析從裝置建成投產(chǎn)運行兩年多的情況看,該設備具有以下優(yōu)點:(1)制造成本低,運行穩(wěn)定,耗電量低,無明顯的振動現(xiàn)象,且設備運行費用低。(2)氨消耗量低,每噸產(chǎn)品消耗氨量128kg,比其它裝置的氨消耗量低10%以上。(3)裝置實際產(chǎn)量達到了設計能力的1.3倍,取得了較好的經(jīng)濟效益。(4)無氨泄漏現(xiàn)象,操作環(huán)境好。5高效節(jié)能措施(1)對中和反應器的攪拌器和氣氨進入的設計,