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1、5 万吨万吨磷酸二氢钾技术方案磷酸二氢钾技术方案 安小刚 一、一、设计要求设计要求 结晶操作应用于大量产品以结晶体形态生产及应用。结晶器和结晶过程的控制直接 影响晶体产品的质量（晶体粒度、粒度分布、纯度、晶体结构及表面性状） 、应用、能 耗及生产成本。 以计算流体力学 (Computational Fluid Dynamic, CFD) 为工具，应用于结晶过程的连 续结晶器及其相应的控制技术，解决工业结晶过程中存在的产品粒度问题为切入点， 提 高设备的利用率和晶体产品质量，并应用新的结晶过程控制技术。 工艺参数工艺参数 磷酸二氢钾，化学式为 KH2PO4，分子量为136.09。为无色结晶或白色
2、颗粒状粉末。 空 气中稳定，在400时失去水，变成偏磷酸盐。溶于约4.5份水，溶解度为83.5g/100ml 水，不溶于乙醇。相对密度2.34。熔点 252.6。用于配制缓冲液。测定砷、锑、磷、 铝和铁。配制磷标准液。配制培养基。测定血清中无机磷、碱性磷酸酶活力。 相对分子质量：性状性状纯品含 K2O34.61%，P2O552.16%。无色四方晶体，无 色结晶或白色颗粒状粉末。在空气中稳定，在400时失去水，变成偏磷酸盐。溶 于约4.5份水，不溶于乙醇。pH4.44.7。相对密度2.238g/cm3。熔点257.6 分子式：KH2PO4；相对分子量136.09 摩尔质量：136.09 g/mo
3、l；密度：2.338 g/L 熔点：252.6 ；外观：白色粉末，置于空气中易发生潮解 沸点：252.6 C；溶解度：33 g/100 ml 水 酸碱度：pKa=4.4 - 4.7，其中磷酸二氢根离子和磷酸一氢根离子是人体中最重 要的缓冲体系之一，用于维持体内 pH 值和酸碱平衡的稳定具有重要作用。 晶体结构：四方晶系；闪点：不可燃 若非注明，所有数据来自25 C，100 kPa 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 磷酸二氢钾，是无色四方晶体或白色结晶性粉末。相对密度2.338。熔点 252.6。易溶于水，90时，溶解度为83.5g/100ml 水，水溶液呈酸性，1%磷
4、酸 二氢钾溶液的 pH 值为4.6。不溶于醇。有潮解性。加热至400时熔化而成透明的 液体，冷却后固化为不透明的玻璃状偏磷酸钾。 缓慢加入计算量的氢氧化钾溶液于磷酸中发生中和反应，生成磷酸二氢钾溶 液，而后经脱色、过滤、浓缩、冷却、析出结晶，再离心分离、干燥得成品。 溶解度溶解度 磷酸二氢钾在下列温度（）下各种物质在100克水中的最大溶解度 磷酸二氢钾溶解度(100克水里达到饱和状态时所溶解的克数.) 温度010203040506070809090100 溶解度 14. 8 18. 322.628 33. 540.7 50 .160.570.478.578.5 83.5 中和法，是将苛性钾或碳
5、酸钾配成30%的溶液后送至中和器，在搅拌下与50% 的磷酸溶液中和，控制温度在80-100，pH 为4-5，中和产物经过滤、浓缩、冷 却结晶、离心分离、干燥后即得成品，结晶母液返回到浓缩工段进行回用。中和 法生产磷酸二氢钾工艺流程见图1（略） ，其化学反应式为： H3PO4 +KOH = KH2PO4 + H2O 2H3PO4 +K2CO3 = 2KH2PO4 + H2O + CO2 中和法的特点是工艺流程短，技术成熟，设备少，产品质量高，能耗低，投资 少。该法以热法磷酸和钾碱为原料，生产成本高，难以在农业上应用，主要用于 生产食品、医药和工业级的磷酸二氢钾，今后此法产量会有较多下降，但目前尚
6、 无其它方法能动摇其产品在食品工业中的主导地位。当前，全国中和法磷酸二氢 钾的生产能力占总生产能力的90%以上。 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 生产工艺流程图 母液 中和器 干燥过程 稠厚器 离心分离 中间调整罐 错流三效蒸发器 精密过滤 加碱调 PH 值除杂 磷酸 钾碱 包装 连续冷却结晶器 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 蒸发浓缩部分：蒸发浓缩部分： 多效蒸发多效蒸发 在单效蒸发器中每蒸发 1kg 的水要消耗比 1kg 多一些的加热蒸汽。在工业生产中， 蒸发大量的水分必须消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发 操
7、作。多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效为低，因此可以引入前 效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第 一效需要消耗生蒸汽。一般多效蒸发装置的末效或后几效是在负压（真空）条件下操作 由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸 汽的利用率，即经济性。表 3-3 列出了最小的（D/W）min。 表中： D 生蒸汽量 W 蒸发水量 表表 3-3单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量 效数单效双效三效四效 （D/W）min1.10.570.40.3 锅炉蒸汽（生蒸汽）通入首效（I 效）蒸发器的加热室，通过加热管与水进行热交换。 加热
8、蒸汽释放热量被冷凝为液态水，由加热室下部排出，返回锅炉。蒸发器内的水则在 加热室被加热至过热状态后进入蒸发室。 过热的水在蒸发室内急剧沸腾汽化。水部分汽化，产生的蒸汽称作“二次蒸汽” ， 引 入 II 效蒸发器的加热室， 作为热源使 II 效蒸发器内的水被加热， 部分汽化， 产生 II 效 “二 次蒸汽” ，用作 III 效的热源，依次类推。末效二次蒸汽则有真空系统引出。 按加料方式： 错流加料法 多效蒸发装置除以上几种流程外，生产中还可以根据具体情况采用上述三种流程中 的两种或三种相结合的流程。如平流与逆流结合，顺流与逆流结合等。这种混合型流程 也称作错流加料法流程。 名称参数 处理介质母液
9、溶液 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 溶液处理量1418t/h 入料温度30 蒸发量7t/h 排出盐量 盐浆形态 循环冷却水规格进入界区 0.3MPa进口温度低于 40 蒸汽规格0.7MPa 饱和蒸汽 各效温度分配：生蒸汽压力：0.6MPa，末效真空度：-0.09MPa。 项目效效效 加热室表压 MPa0.5 加热室温度（）15812691 蒸发室溶液温度（）1329166 传热温差（）252525 沸点升高（）5911 气相管路温度损失 （）11 蒸发室气相温度（）12691 蒸发量 KJ/h250025002500 各效面积（m 2） 135135135 汽化潜
10、热 KJ/Kg2100 气相体积 m 3 上升气速 m/ s0.61.52 蒸发室直径 mm160016002000 以上温度仅供参考，实际温度可能会有所出入。 原料液预热器原料液预热器 一效冷凝水温度 158，经过闪蒸罐后温度 127，水质洁净，有较大利用价值 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 二效冷凝水温度 127，经过闪蒸罐后温度 96，可不利用。 一效冷凝水预热器选50m 2。 闪蒸罐闪蒸罐 蒸汽冷凝液的回收利用：一二和三效都增加了闪蒸罐，单独的闪蒸空间可以使凝液 得到更好的闪蒸效果， 同时避免了加热室内出现积液产生水锤效应， 延长加热室的寿命。 考虑各效蒸发
11、量一二效闪蒸罐体积 5m 3。三效闪蒸罐汇总二三效冷凝水所以体积取 8m3。 各效加热面积的计算各效加热面积的计算： 则各效面积为： 效：计算考虑管路中的不确定因素取135 161600*00*55550000 效：外循环蒸发所需面积：135 1601600*0*55550 00 0 效：外循环蒸发所需面积：3135 蒸发室取202000*600000*6000 考虑减少液沫夹带，液面以上的分离高度取 2.5m 具体见计算表 蒸发系统的真空装置蒸发系统的真空装置 维持真空操作可以使蒸发温度降低， 进一步提高生产强度降低溶液对材质的腐蚀环 境。多效蒸发系统为维持其蒸发室压强逐效降低，保持必要的温
12、差，其末效必须与真空 装置相联。真空装置性能的好坏，对整个蒸发系统的总温差影响极大。 蒸发系统真空装置工作原理，水蒸汽与液态水的比容相差极大。 真空蒸发系统末效蒸发室的压强大致在 10KPa 以下，在此条件下的蒸汽比容（单位 质量物质的体积） 为 14.71m3/kg， 而液态水的比容为 0.001m3/kg， 两者相比， 差 1.471 10 4倍。 当处于密闭容器中的，压强为 10KPa 的水蒸汽突然遇冷冷凝为液态水时，其体积在 瞬间缩小 14700 多倍，这样，就在容器中形成很大的负压，即真空状态。 在水蒸汽冷凝时，并非所有的蒸汽都凝结成液态水，在液态水的表面上仍存留一定 第(1)版项目
13、：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 数量的水蒸汽分子。这些水蒸汽分子产生一定的压强，即所谓的“饱和蒸汽压” 。 饱和蒸汽压与体系的温度有关。温度越低，饱和蒸汽压越小。100时，水的饱和蒸 汽压为 1 大气压 （101.33KPa） ， 80时为 47.38KPa， 60时 19.92KPa， 40时 7.38KPa。 10KPa 时，对应的饱和温度为 45.3 。 真空装置所能创造的真空度，取决于冷却介质，通常是冷却水，的温度。所能达到 的的真空度的极限，是冷却水温度下所对应的饱和蒸汽压。当使用机械式或蒸汽喷射式 真空泵为辅助设备时，真空度还可以高一些。 实际使用的真空系统由于冷却水
14、及二次蒸汽中含有少量不凝性气体，设备的气密性 等原因，真空装置的真空度比理论值要低一些。 真空泵计算：系统泄露空气量 系统容积：按外循环蒸发器整套系统的容积 20 ，经查系统容积与空气渗透量图 （见化学工程手册）可知体系的最大空气渗透量大约为 空气泄露量：10，取 G1=20/h 冷却水放出空气量:G2=0.02kg/ 400=8/h 未冷凝蒸汽 G3 按 1%的蒸汽计算。 则真空泵的排气体积（折换成吸入状态） ： 考虑一定的富裕系数,抽气量选 300 ,工作水温 40oC 冷凝器冷凝器 真空系统中完成二次蒸汽冷凝的设备称作冷凝器，是真空系统中的主要设备。按其 传热方式可分成两大类：表面式冷凝
15、器和混合式冷凝器。 直接混合式冷凝器： 在混合式冷凝器中，温度较高的二次蒸汽与温度较低的冷却水直接接触并进行混合 式传热，蒸汽放热冷凝成液态水，并与因吸热而升温的冷却水充分混合后排出。 在混合冷凝器中，热交换的强度与水汽接触时间，水汽接触表面面积，水汽 初始温差等因素相关。 为使水汽接触时间加长，接触面积加大，混合式冷凝器通常采用塔状结构，内部 第(1)版项目：50000T 磷酸二氢钾磷酸二氢钾项目项目 也为有利于液相分散的结构。冷却水可成膜状、帘状、柱状或液滴状由上而下流动。 其 中膜状流动的水汽接触面积最小，液滴状流动的水汽接触面积最大。实际生产中综 合考虑传热效率，操作及设备费用等因素，
16、常以柱状流动方式为主。 混合冷凝器对冷却水的水质要求不高，普通地表水、地下水、海水等度可以使用。 但水温与真空度有极大的影响， 应尽量使用温度较低的冷却水源， 以获得较高的真空度。 在混合式冷凝器内，二次蒸汽温度 T 与冷凝器排出的冷却水温度 t2之差称作“冷凝 器最终温差” ，记作t。 2 tTt 不同条件下，最终温差一般在 38。 常用的混合冷凝器有气压式冷凝器、水喷射式冷凝器等。气压式混合冷凝器使用最 为广泛。下图为一种气压式冷凝器的示意图。 末效蒸发液条件： 冷却水量的计算：设定冷却水进口温度 40，出口温度 48。 2100（水的蒸发潜热） 按蒸发量大一些考虑富裕量, 三效蒸发量32500 冷却水需要量： 100018.48 Q 180 泵 ISW2 扬程 20 米,流量 250 , 22kw 一、一
