第34卷第5期2002年9月四川大学学报(工程科学版)J OURNA L OF SICHUAN UNIVER SITY(ENGINEER ING SCIENCE EDITION)Vol.34No.5Sept.2002文章编号:1009 3087(2002)05 0001 04磷酸二铵尾气洗涤增湿-磷酸一铵料浆气提浓缩朱家骅,夏素兰,关国强,张允湘(四川大学化工学院,多相流传质与反应工程省重点实验室,四川成都610065)摘 要:基于对HYDRO粒状磷酸二铵(DAP)工艺600kt/a生产装置含氨尾气的质、热分析与传质传热推动力特征,提出了DAP尾气净化过程联产200kt/a粉状磷酸一铵(MAP)的气提浓缩一体化工艺。
通过合理的工艺安排,尾气与稀磷酸净化反应,替代200k t/a MAP的氨源和氨化料浆浓缩的能源,兼收资源和环境效益。
关键词:磷铵;尾气;气提浓缩;氨回收中图分类号:TQ442.14文献标识码:AStripping Concentration of Monoammonium Phosphate Slurry by Scrubbing and Humidifying of Exhaust From Diammonium Phosphate ProcessZ H UJia hua,XIA Su lan,GU AN Guo qiang,Z HANG Yun xiang(Provincial Ke y Lab.of Mul ti Phase M as s Trans.and Reac.,School of Chem.Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu610065,China)Abstract:Based on the properties and quantities of material and enthalpy contained in the process exhaust from a600 kt/a diammonium phosphate(DAP)production line built with HYDRO Granular DAP Technology,an unification process is developed to combine scrubbing of the DAP e xhaust with stripping concentration of slurry for an attached200kt/a pow dered monoa mmonium phosphate(MAP)production line.The utilization,through careful arrange ment,of both the ex hausted ammonia(3686kg/h)and thermal energy(1.0 108kJ/h)plus absorbing reaction heat(2.7 107kJ/h)can effectively replace the raw source of ammonia and heat required for ammonization and concentration of phosphoric acid for 200kt/a MAP.The recovery of exhausted heat below118can be substantially enhanced by mass transfer by direct contacting of tail gas and ammonium phosphate slurry.This novel unification process contributes to protection of both of environment and resurces.Key words:a mmonium phosphate;stripping concentration;process exhaust磷酸二铵(DAP)是使用最为广泛的高浓度氮磷复合肥料品种之一,世界年产量2,500 104t以上,我国年生产能力超过300 104t。
我国DAP装置主要是引进,近10多年已建成10余套大型装置,有挪威HYDRO槽式预中和-转鼓氨化造粒、西班牙收稿日期:2001 04 30基金项目:国家自然科学基金资助项目(29976026)作者简介:朱家骅(1953 ),男,教授,博士生导师.研究方向:化学工程.ESPINDESA-ERT管式反应流程和法国AZF双管反应流程等。
从运行情况的调查看,各种流程都存在着尾气处理的薄弱环节。
DAP尾气来自反应、造粒和干燥多道气-液、气-固反应和传质工序,流量很大(约4000m3/t产品),温度在75~120之间,所含化学活性物质主要是气氨和DAP粉尘,若不很好地回收利用,600kt/a的生产装置将产生3400kg/h 的氨损失并造成严重的环境污染。
DAP尾气中氨含量由生产过程涉及的化学反应及NH3-H3PO4-H2O三元体系气-液平衡所决定[1],影响气-液平衡的主要参数是体系的温度和NH 3!H 3PO 4摩尔比(简写为N !P,又称中和度)。
磷酸一铵(MAP)的N !P 为1.0;磷酸二铵(DAP)的N !P 为2.0。
气-液平衡数据显示(图1和图2[2]),N !P 到达1.0以前,饱和溶液的气相氨分压甚微,因此MAP 尾气基本不含氨;N !P 超过1.0后氨分压开始锐升、至1.8后超过水汽的分压。
可见DAP 生产过程氨的逸出不可避免,公认ESPI NDE SA-ERT 工艺逸出率最低,亦大于10%~15%[1]。
图1 NH 3-H 3PO 4-H 2O 饱和溶液的NH 3分压[2]Fig.1 p N H 3of saturated NH 3-H 3PO 4-H 2O solution [2]图2 124 下磷氨饱和溶液的NH 3和H 2O 分压[2]Fig.2 p N H 3and p H 2O o f saturated NH 3-H 3PO 4-H 2Osolution(124 )[2]目前各种DAP 工艺大都采用浓缩磷酸(P 2O 5含量52%)洗涤尾气,回收逸出氨。
浓缩磷酸氨化料浆粘度随氨化程度而急剧上升,尤其当铁、铝、镁杂质含量较高时,pH> 2.5即会在料浆中出现凝胶物质[3],堵塞设备管道,洗涤操作将十分困难。
目前有的厂家仅尾气氨损失每年超过1 104t,急需改进。
本文作者对某厂经过改造的挪威HYDRO 槽式预中和-转鼓氨化造粒+管式反应器工艺[4]600kt/a 吨粒状DAP 生产装置进行了考察,在分析尾气的物、热以及传热传质推动力特征的基础上,提出了用28%P 2O 5含量的湿法磷酸洗涤吸收尾气氨同时浓缩料浆生产粉状MAP 的联合工艺,变单纯的尾气净化过程为产品加工过程,以技术经济优先性来加强环境友好性。
至今未见与该联合工艺直接相关的文献[5]。
1 D AP 尾气的质热分析与传热传质推动力根据挪威HYDRO 公司改造的槽式预中和-转鼓氨化造粒+管式反应器工艺600kt/a 粒状DAP 装置原始设计数据和现场观察结果进行尾气的物、热分析。
该工艺[6]以52%P 2O 5含量的浓缩磷酸为原料,其中60%在槽式预中和反应器用气氨中和到N !P=1.4~1.5,其余通过管式反应器直接用液氨中和到N !P<1.8。
两股料浆喷入转鼓氨化造粒机内涂布造粒并补充氨,将产品的中和度提高到规定指标后送入滚筒干燥机用热风并流干燥,再经流化床冷却,完成产品的加工。
各道工序产生的干燥机尾气S i,1、转鼓氨化造粒机尾气S i ,2、预中和反应器尾气S i,3和流化床冷却器尾气S i,4,总的质量流率约320379kg/h,其中空气278529kg/h 、氨3686kg/h 。
而200kt/a MAP(N-P 2O 5百分含量为11~49)生产装置的理论氨耗为3373kg/h (年开工330d 计),以尾气为其氨源尚有9.3%的裕量,可见尾气的利用价值十分可观。
而且尾气质量流率大,其热焓值很可观,只是品位很低。
从图3可见,70%以上的热焓分布在76~85 的温区,必须以特殊的方式回收这部分热焓。
根据尾气质量流率大且远离湿饱和的特点(图4),本文提出用稀磷酸(P 2O 5含量28%)吸收尾气中的氨生成MAP 料浆,同时对料浆进行气提浓缩[5],以传质强化传热回收尾气热焓。
图3 尾气热焓温区分布图Fig.3 Enthalpy distributions of DA P exhaust尾气干空气质量流率达278529kg/h,且如图4所示,与液相直接接触传质增湿的推动力很大。
如图5所示,无论升温、降温都可增湿。
本文计算结果表明(表1),尾气中可利用热焓的气提浓缩能力超过中和料浆浓缩法200kt/a MAP 生产装置的浓缩量。
更重要的是,尾气的气提浓缩与氨吸收过程同步进行,并不增加设备和操作费用。
2四川大学学报(工程科学版)第34卷图4 尾气湿含量分布图Fig.4 Humidity distributions of DAPexhaust图5 气提浓缩操作线图Fig.5 Curves of stripping concentration表1 尾气吸收-气提浓缩反应器工艺参数计算结果Tab.1 C alculation results of technolog ical parameters in the tail gas absorption gas elevation concentrating reactors设备尾气进口参数温度/氨浓度/(mg∀Nm-3)各组分流量/(kg∀h-1)氨水汽空气湿含量/(kg H2O∀kg-1Air)相对湿度%尾气出口参数温度/氨浓度/(m g∀Nm-3)各组分流量/(kg∀h-1)氨水汽空气湿含量/(kg H2O∀kg-1Air)相对湿度/%R1*859955104991541198790.07649.2675520 2.152120721198790.100788.000 R2*7628298151813568450000.301570.128520 2.49825956450000.576870.000 R3*11854174907112522000 5.6260115100 1.63411886.02000 5.9430合计 347433974166879 6.2849913.64166879.00设备料浆进口参数温度/流量/(kg∀h-1)水含量/%中和度料浆出口参数温度/流量/(kg∀h-1)水含量/%氨含量/%H3P O4含量/%中和度反应热/(kJ∀h-1)蒸发水量/(kg∀h-1)循环流量/(kg∀h-1)R1*254520053.428%稀磷酸504333149.0 2.4240.310.34627481242918R2*504333149.00.346953246127.27.90853.800.847397679012388259237.1 R3*953246127.20.84710532734.424.9810.61353.35 1.1472376119655.7合计 787236715961.35259237.05 *注:R1为干燥尾气反应器;R2为造粒尾气反应器;R3为预中和尾气反应器。