年产万吨磷酸一铵工艺设计

年产万吨磷酸一铵工艺设

计

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学校代码：

学号：0

毕业设计（论文） BACHELOR DISSERTATION

论文题目：年产10万吨磷酸一铵工艺设计（铵中合）

学位类别：工学学士

学科专业：化学工程与工艺

作者姓名：

导师姓名：

完成时间：

年产10万吨磷酸一铵工艺设计(铵中和)

摘要

中国是一个人口大国，拥有十几亿人口，而且还有不断增加的趋势，因此，食物的来源问题日益严峻，农业的发展成了必不可少的话题。但耕地面积总量将保持动态平衡。因此，提高单位面积产量是增加粮食产量的重要途径之一，而合理增施化肥又是提高单位面积产量的直接有效的措施。磷铵是复合肥料最重要的品种，养分含量高，可做为肥料直接使用。

本设计主要针对10万吨/年粒状磷酸一铵工艺及主要设备进行，采用一二效蒸发方式达到节能同时又保证了设备投资合理，采用喷浆造料干燥一体化机节约了生产空间，内有自循环螺旋返料系统解决了造料返料大问题，工艺过程合理，投资成本不高。

关键词：磷酸一铵；工艺设计；节能；合理

Technological design of an 100000t Monoammonium enginerring project （Ammonium neutralization reaction）

Abstract

China is a populous country, with billion-plus populations, but also the trend of increasing, therefore, the problem of the food source is more and more serious, the development of agriculture became the essential topic. But the total cultivated land will keep dynamic balance. Therefore, increase unit area yield is one of the important ways to increase food production, and reasonable to add fertilizer is directly effective measures to increase the unit area output. Ammonium phosphate compound fertilizer is the most important varieties, high nutrient content, can be used as fertilizer directly.

This design is mainly aimed at 100000 t/a granulated monoammonium phosphate process and main equipments, using two effect evaporation achieve energy saving at the same time to ensure the reasonable investment in equipment, adopting deflecting drying integration of shotcrete machine to save the production space, with the circular spiral returns system can solve the problem of the deflecting returns big, reasonable technological process, investment cost is not high.

Keywords: monoammonium phosphate;Process design;energy conservation; reasonable

目录

第一章前言

磷酸一铵相关的物化性质

磷酸一铵的物理性质

磷酸一铵别名磷酸二氢铵呈白色粉状或颗粒状物（粒状产品具有较高的颗粒抗压强度），密度（19℃）。熔点为190℃，易溶于水，微溶于醇、不溶于丙酮，25℃下100g水中的溶解度为，生成热mol，1%水溶液pH值为，呈中性，常温下稳定，无氧化还原性，遇高温、酸碱、氧化还原性物质不会燃烧、爆炸，在水中、酸中具有较好的溶解性，粉状产品有一定的吸湿性，同时具有良好的热稳定性，并且在高温下会脱水成黏稠的焦磷酸铵、聚磷酸铵、偏磷酸铵等链状化合物。磷酸一铵含有磷和氮两种营养元素，通常营养元素含量12-52-0(N-P-K)或10-50-0，磷酸一铵盐能与过磷酸钙、硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和尿素等盐类混合制成肥料，此类肥料具有良好的物理性质，其湿性低，在储存时不结块。磷酸一铵是一种稳定的铵盐，将它加热到100—110℃，不会引起氨损失，℃下，它的氨蒸汽压仅为帕；℃下为帕；在℃下长期加热，也只有轻微的分解，氨的蒸汽压仅为帕。磷酸一铵易溶与水。20℃下，每100克水中可溶解克的磷酸一铵。

磷酸一铵在农业中的应用

磷酸一铵（MAP）是一种水溶性速效复合肥，有效磷（AP

2O

5

）与总氮（TN）

含量的比例约:1，是高浓度磷复肥的主要品种之一。该产品一般作追肥，也是生产三元复混肥、BB肥最主要的基础原料；该产品广泛适用于水稻、小麦、玉米、高粱、棉花、瓜果、蔬菜等各种粮食作物和经济作物；广泛适用于红壤、黄壤、棕壤、黄潮土、黑土、褐土、紫色土、白浆土等各种土质；尤其适合于我国西北、华北、东北等干旱少雨地区施用。

工业级磷酸一铵

工业用磷酸一铵（MAP）是一种很好的阻燃、灭火剂，广泛用于木材、纸张、织物的阻燃，纤维加工和染料工业的分散剂、搪瓷用釉剂、防火涂料的配合剂、干粉灭火剂，此外还可以用作饲料添加剂，医药和印刷工业等也有使用，同时也用作高档肥料，在食品工业中还用作膨松剂、面团调节剂、酵母养料、酿造发酵助剂和营养强化剂等。

我国日益重要的农业

中国是一个人口大国，拥有十几亿人口，而且还有不断增加的趋势，因此，食物的来源问题日益严峻，农业的发展成了必不可少的话题。但我国的可耕地面积少，但人口却不断递增。由于我国严格执行基本农田保护制度，耕地面积总量将保持动态平衡。因此，提高单位面积产量是增加粮食产量的重要途径之一，而合理增施化肥又是提高单位面积产量的直接有效的措施。氮肥、磷肥与钾肥三大类化肥，是农作物需要量最多的三大营养元素肥料，也称为肥料的三要素或称大量元素肥料。随着人口的增长，人民生活水平的提高，对农产品的需求都将增加。经济农作物的施肥量将逐年增加，同时林、牧、渔业也开始施用化肥，因此，化肥用量的增长势在必行。据有关部门统计，我国目前每亩季施肥量低于10公斤的耕地约占一半，到2000年和2010年，化肥的供应量应分别达到4200万吨和5000万吨以上，这样，按亿公顷（20亿亩）的耕地和16%的复种指数计，每季作物的施肥水平可分别达到公斤和公斤，在世界上仍属中低水平。国家原计划1998年化肥生产量2800万吨，比上年略有增加。这与国家计委提出的2000年化肥需求量4000万吨相比尚差1200万吨。与各部门共同提出的到2010年化肥需求量5000万吨相比差2200万吨。同时，随着科学的发展，经济作物的施肥量将逐年增加，加上林、牧、渔业也开始施用化肥，因此今后15年内化肥的增长将持续呈上升趋势。从化肥的产品结构上看，生产高浓度的磷复肥在中国愈来愈显得重要。

第二章磷酸一铵工艺的路线选择

磷酸一铵的生产方法

生产磷酸一铵的原料是磷酸和氨，用氨中和磷酸可以生产出磷铵。按不同的磷酸生产方法，可分为热法磷酸和湿法磷酸，由于经济效益，用于加工肥料磷酸铵的磷酸，大多用湿法磷酸。

磷酸铵生产的化学反应原理和物化性质

铵中和反应

磷酸有三个氢原子，它们可以依次和氨反应发生铵中和反应，依次生成磷

酸一铵(MAP)——NH

4H

2

PO

4

、磷酸二铵(DAP)——(NH

4

)

2

HPO

4

、磷酸三铵——

(NH

4)

3

PO

4

。反应方程如下：

H 3PO

4

(l)+NH

3

(g)==NH

4

H

2

PO

4

(s) △H

298

= —126 kJ

H 3PO

4

(l)+2NH

3

(g)==(NH

4

)

2

HPO

4

(s) △H

298

= —203 kJ

H 3PO

4

(l)+3NH

3

(g)==(NH

4

)

3

PO

4

(s)△H

298

= —256 kJ

磷酸铵的物理性质

纯的磷酸铵盐都是白色晶体，其中以磷酸一铵最为稳定，结晶形态为正方晶系，加热到130℃以上才会分解放出氨，变成焦磷酸甚至偏磷酸；磷酸二铵较稳定，结晶形态为单斜晶系，当温度达90℃时开始分解放出氨，变成磷酸一铵。磷酸一铵和磷酸二铵都是高浓度氮磷复合肥料。磷酸三铵则很不稳定，结晶形态为斜方晶系，在常温下就能放出氨，变成磷酸二铵，不宜作商品肥料使用。

湿法磷酸法

通常所称的“湿法磷酸”实际上是硫酸法湿法磷酸，即用硫酸分解磷矿生产得到的磷酸。硫酸法的特点是矿石分解后产物磷酸为液相，副产物硫酸钙是一种溶解度很小的固相。两者的分离是简单的液固分离，具有其他工艺方法无可比拟的优越性。因此，硫酸法生产磷酸工艺在湿法磷酸生产中处于主导地位。但其产生的大量的石膏废渣无法得到有效的利用，三废问题严重。

湿法生产是无机酸分解磷粉矿，分离出粗磷酸，再净化后制的磷酸产品。湿法磷酸比热法磷酸成本低20%～30%，经适当方法净化后，产品纯度可与热法磷酸相近。湿法磷酸工艺处于磷酸生产的主导地位。

以湿法磷酸为原料制造磷酸铵时，湿法磷酸中所含的杂质将参加化学反应：

H 2SO

4

(l)+ 2NH

3

(g)==(NH

4

)

2

SO

4

(s)

H 2SiF

6

(l)+ 2NH

3

(g)==(NH

4

)

2

SiF

6

(s)

H

2SiF

6

+ 6NH

3

+(2+x)H

2

O == 6NH

4

F+ SiO

2

·x H

2

O

CaSO

4·2H

2

O + H

3

PO

4

+ 2NH

3

== CaHPO

4

·2H

2

O +(NH

4

)

2

SO

4

Fe

2(SO

4

)

3

(s)+2H

3

PO

4

(l)+ 6NH

3

(g)==2FePO

4

(s)+3(NH

4

)

2

SO

4

(s)

Al

2(SO

4

)

3

(s)+2H

3

PO

4

(l)+ 6NH

3

(g)==2AlPO

4

(s)+3(NH

4

)

2

SO

4

(s)

MgSO

4(s)+H

3

PO

4

+ 2NH

3

+3H

2

O==MgHPO

4

·3H

2

O +(NH

4

)

2

SO

4

(pH<4)

磷酸和液氨在中和槽中完成中和反应，控制好中和度，可生成磷酸一铵和磷酸二铵料浆，并放出大量热能，在反应过程中利用中和热，可以蒸发20%～25%的水分。中和度指磷酸的氢离子被氨中和的程度，磷酸第一个氢离子被中和时中和度为，生成磷酸一铵；磷酸的第二个氢离子被中和时中和度为，生成磷

酸二铵。由此可见，中和度实为NH

3与H

3

PO

4

的摩尔比。

磷酸铵生产有固体磷铵和液体磷铵之别，而生产固体磷铵则要复杂一些，在生产颗粒状磷铵成品时，以铵中和磷酸得到的料浆必须稳定和易于结晶、造粒，以便于制得合格的颗粒成品，同时还要尽可能减少氨的损失。控制中和料浆的流动性即料浆中含水量和含液量的多少是造粒的关键，而料浆的流动性与

中和度有密切的关系。利用NH

3-H

3

PO

4

-H

2

0三元体系相图，可以对磷酸铵生产过

程进行物化分析。磷铵生产工艺

传统的磷铵工业生产方法是先将二水物湿法磷酸浓缩到含P

2O

5

为54%(质量

分数)的浓磷酸或直接用半水物流程所产含P

2O

5

为40%的磷酸为原料，在预中和

槽、管式反应器或加压反应器中进行氨化，所得氨化料浆再进行造粒、干燥制粒状磷酸一铵，或喷雾干燥制粉状磷酸一铵。此法对磷矿质量要求高，需要将磷矿富集成精矿才能使用。我国磷矿资源虽然丰富，但大部分是含磷品位低，含铁、铝、镁等有害杂质高且又难于富集的中低品位磷矿，从而难以用传统的“磷酸浓缩”法制磷按。磷酸浓缩法对品位较高的矿，较为有利，可利用磷酸浓度高的特点，在同一设备中很方便地实现高质量磷酸一铵、磷酸二铵和高浓度三元复合肥多种产品的切换。但在磷酸浓缩法中对材质要求较高。

随着世界磷资源的日趋贫乏，中低品位磷矿的开发利用势在必行。对于含有较多杂质的磷矿，磷酸浓缩过程中加热管易产生酸性结垢，造成生产无法进行。为避免这一情况，可采用料浆浓缩工艺。中和反应后，料浆pH值约，因此料浆浓缩中形成的垢层接近中性，并较为疏松，可以用酸溶掉。同时，因腐蚀显着降低，可以采用比磷酸浓缩设备中更为便宜的金属材料制作蒸发器。

料浆浓缩法首先进行中和反应。从萃取槽来的磷酸未经浓缩，含量约

20%(P

2O

5

)。常用的反应器为常压式搅拌槽、管式反应器、外环流快速反应器。

搅拌槽与管式反应器的基本结构与前述不同。外环流快速反应器，特别适宜稀

酸的中和反应。

表浆料法磷酸一铵主要技术指标

组分优等品11-47-0一等品11-44-0合格品10-42-0

总养分(N+P

2O

5 )

总氮(N)

有效磷以(P

2O

5

)计

水溶性磷占有效磷百分率80 75 70水分(H

2

O)

粒度80 80本次设计采用料浆法工艺,磷酸首先送入尾气洗涤器后，再用泵经管反送到中和搅拌槽与气氨进行反应，所得的料浆进入二效蒸发器，经第一次浓缩后，再进入一效蒸发器。从一效蒸发器处来的料浆送入收集槽，含水率为30%左右。新鲜蒸气送入一效蒸发器的加热器，料浆在闪蒸室中分离出的蒸汽进入二效蒸发器的加热器作为热源。收集槽中的料浆送入喷浆造粒机进行造粒干燥，经筛分后得到粒度为3mm的颗粒产品。

第三章工艺计算物料平衡计算

计算条件

①规模以100000t/aNH

4H

2

PO

4

为标准，年工作日300天，日产，平均每天生

产20h。

②湿法磷酸组成表

表进口湿法磷酸组成表

组分P

2O

5

SO

3

Fe

2

O

3

Al

2

O

3

MgO F

含量 %

③氨利用率为98%，其中中和工序损失%，浓缩工序损失%，干燥工序损失1%。

④P

2O

5

利用率为99%，P

2

O

5

机械损失与干燥损失为1%。

⑤氨中和过程蒸发水量为1㎏(H

2O)/1㎏(NH

3

)。

⑥中和度(NH

3/H

3

PO

4

)为。

⑦浓缩料浆终点浓度含H

2

O为25%。

⑧产品磷铵含H

2

O为1%。

氨中和系统物料恒算

计算基准：1000kg湿法磷酸。

1.进料

磷酸：J

1=1000kg，其中P

2

O

5

=221㎏

气氨：氨用量包括①磷酸中杂质（包括2

3

SO-、F-等阴离子含量）与NH3集

合的量；②磷酸中扣除P

2O

5

与杂质（主要是Fe3+、Al3+、Mg2+等金属阳离子）结

合后剩余的P

2O

5

的NH

3

量；③氨损失。上述三项之和即为氨用量J

2

。

424 1000×%×

80

132

= 消耗氨的量为 ×

132

17

2?= ⅱ与磷酸中的F 生成的(NH 4)2SiF 6耗氨量 (NH 4)2SiF 6～6F -～2NH 3 生成的(NH 4)2SiF 6为 1000×%×6

19178

?= 消耗的氨的量为 ×

132

17

2?= 上述才的(NH 4)2SO 4和(NH 4)2SiF 6均为可溶性盐，故生成可溶性盐（不包括磷铵）总量为

+= 消耗的NH 3的量为 += ⅲ生成FePO 4·2H 2O 的量为

FePO 4·2H 2O ～ P 2O 5～2H 2O 1000×%×

160

2

187?=

消耗的P 2O 5的量为 ×

2187142

?=

消耗的水的量为 ×

187

18

2?= ⅳ生成的AlPO 4·2H 2O 的量：

AlPO 4·2H 2O ～ P 2O 5～Al 2O 3～2H 2O 1000×%×102

2

158?= 消耗的P 2O 5的量： ×

2158142

?=

消耗的H 2O 的量为 ×

158

18

2?= ⅴ生成的MgHPO 4·3H 2O 的量为 MgHPO 4·3H 2O ～ P 2O 5～3H 2O 1000×%×40

174

= 消耗的P 2O 5的量为 ×

2

174142

?=

消耗的H 2O 量为 ×

174

18

3?= 由于铁、铝、镁的磷酸都是非水溶性盐类，故生成非水溶性盐的总量为 ＋＋=

非水溶性盐类结合的P 2O 5总量为 ＋＋=

所以产品中的P 2O 5的水溶率为 100%-（

35

27869

.46×100%）=% 消耗的H 2O 的总量为 ＋＋=

与杂质反应后剩余的P 2O 5量 =

已知中和度为（即NH 3/H 3PO 4摩尔比为），设生成磷酸一铵反应的P 2O 5为X kg 则生成磷酸二铵反应的P 2O 5为（ X ）kg 可得

142

2

2131.1741422131.174142

42?-?+?x

x =

得x=

生成磷酸二铵反应的P 2O 5量为 =2NH 4H 2PO 4

H 3PO 4+2NH 3=(NH 4)2HPO 4 ⅵ生成磷酸一铵的量为 P 2O 5～2NH 4H 2PO 4 ×

71

115

= ⅶ生成磷酸二铵的量为

P 2O 5～2H 3PO 4～2(NH)2HPO 4 ×

71

132

= 生成磷酸一铵结合的NH 3量为 ×

1151

17?= 生成磷酸二铵结合的NH 3量为 ×

132

2

17?= 生成磷酸一铵、二铵其结合的NH 3量为 +=

包括生成(NH 4)2SO 4等铵盐在内的NH 3量 +=

以知在中和浓缩过程中氨损失1%。所以实际需要总NH 3量为J 3 =99% = 以上得进如物料总量 ∑J=J 1 +J 2=1000+= 2.出料

ⅰ蒸发水量C 1=(每㎏NH 3蒸发㎏H 2O) ⅱNH 3损失C 2=×%=

式中%为中和工序NH 3损失。 ⅲ中和料浆量设为C 3

以上得出料总和∑C =C 1 +C 2 +C 3 =++C 3 =+C 3

由于∑J=∑C 即=+C 3

故中和料浆量 C 3 =其中NH 4H 2PO 4 ；(NH 4)；(NH 4)； (NH 4)2SiF 6 ；

FePO 4·2H 2O ； AlPO 4·2H 2O ；MgHPO 4·3H 2O kg 。上述盐类总量（不包括浓缩过程中分解逸出的NH 3）合计为 所以中和料浆含水量 中和料浆含水率

6276.9999797

.556=%

表中和系统物料平衡表

浓缩系统物料恒算 1.进料

中和料浆J=，其中H 2O= 2.出料

ⅰNH 3损失量C 1 =×%=

ⅱ中和料浆中干盐量=,所以浓缩料浆量C 2为 C 2=

%

2516179

.442 =

ⅲ蒸发水量设为C 3 得

∑C =C 1 +C 2 +C 3 =++C 3=+C 3 由于∑C=∑J ，得=+C 3

项目名称 物质的量/㎏

%

项目名称 物质的量/㎏

% 气氨 蒸发水 磷酸 1000 NH 3损失 中和料浆 合计

100 合计

100

所以蒸发水量为C

3

=表浓缩系统物料平衡表

进料出料

序号项目名称物质的量/㎏%序号项目名称物质的量/㎏%

1中和料浆1001NH

3

损失

2蒸发水

3浓缩料浆

合计100合计100干燥系统物料恒算

1.进料

浓缩料浆J=；其中干盐；H

2

O

2.出料

ⅰ机械损失C

1

（干燥系统损失为1%）

C

1

=×1%=

ⅱ产品磷铵量（含H

2

O为1%）

产品磷铵中干盐量=产品磷铵量 C

2=

460.7607

10.01

=

其中水分蒸发水量设为C

3出料中和

∑C=++C

3=+C

3

由于∑C=∑J，即=+C

3

所以蒸发水量为C

3

=

表干燥系统物料平衡表

进料出料

序

号

项目名称物质的量/㎏%序号项目名称物质的量/㎏%

1浓缩料浆1001机械损失

2蒸发水

3产品磷铵

合计100合计100消耗定额及产品规格（按每吨磷铵产品计）

1．湿法磷酸（%P

2O

5）

1000

442.6179

=t

2.气氨（100%NH

3

）

×2.2593 1000

=t