磷酸一铵工业设计计算方法.docx
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磷酸一铵工业设计计算方法
第一章概述
我国是一个已经拥有十三亿人口的大国，但人均耕地已从几年前的两亩左右下降到不足一亩，仅为世界人均耕地的一半左右。
加上耕地的逐年减少，人口的逐年增加，而人民的生活水平的不断提高，粮食消费不断上升，在这种情况下，为了保证粮食的供给，提高粮食单位产量是最有效的措施之一。
农业生产是一个能量和物质的转化和循环的过程。
留在农业内部再循环的部分是很少的，大部分随农产品的收获而转移到社会的各个方面。
因此必需从外部投入必要的能量和物质作为补偿。
在能量和物质的投入中，在有机肥和无机肥相结合的前提下，化肥投入的能量和物质占左右。
对农业增产所起的作用占左右。
故试用化肥经常是提高粮食产量的关键。
我国土壤含磷元素一般都不满足农作物的需求，这已成为农业增产的大障碍。
根据调查，全国亿亩土地中，严重缺磷的约占亿亩＜中等缺磷的耕地约占亿亩，目前施化肥的：
：
：
：
。
远低于国际平均水平（：
：
：
：
）。
造成这种情况的主要原因是因为我国化肥生产中磷肥和含磷高的复合肥料所占的比例太低，例如磷铵是最受欢迎的高含磷的复合肥。
在发达国家其磷肥产量已占以上。
但在我国还不足。
在今后相当长的一段时间里，为了适应农业增产的需要，磷复合肥应该是我国化肥发展的重点。
磷酸铵是用氨中和磷酸制得的高浓度氮磷复合肥料。
其主要产品是磷酸一铵（，产品有，和，两类和磷酸二铵，产品有，和，两类。
此外，还可加工硫酸铵（，，）和硝酸铵（，，）等等。
第二章磷铵工业生产工艺流程概述
2.1生产流程
被普遍采用的磷铵生产流程是将含p2O5大于40%的磷酸用氨中和后，再转鼓氨化造粒，或使浓磷酸在管式反应器中直接氨化得到磷铵料浆，再于转鼓中造粒，最后经干燥而得到产品。
这种用浓磷酸生产磷铵的方法被称为“传统法”。
用“传统法”生产磷铵需要大量的优质弄磷酸。
而这种浓磷酸需要由优质磷矿或精选的磷矿来生产的湿法磷酸浓缩得来。
世界上的磷矿资源经过几十年的开采，逐渐趋于贫化，高品位的磷矿资源明显减少。
因此，中低品位的磷矿的应用开发势在必行。
我国磷矿的储量仅苏联，美国，摩洛哥而居世界第四，但富矿很少，80%是中低品位的磷矿，其中还有80%是难选的磷块矿岩（在我国也称胶磷矿），兼之长期以来对矿山的建设重视不够，使得我国磷肥工业的发展受到很大的影响。
所以，实际生产中运用的都只是中低品位的磷矿。
采用湿法磷酸生产法一般只能生产出20%左右的磷酸。
显然，用普通的“传统法”来生产磷铵是不行的。
鉴于此种情况，我国从苏联引进了一种生产方法：
料浆法。
2.2料浆法
以20%的稀磷酸、气氨为原料，利用中和器或管式反应器将中和料浆在氨化粒化器中进行涂布造粒，在生产过程中添加部分氮素和钾素以及其他物质，再经干燥、筛分、冷却而得到NPK复合肥产品，这是国内外各大化肥公司和工厂大规模生产常采用的生产方法。
磷酸可由硫酸分解磷矿制取，有条件时也可直接外购商品磷酸，以减少投资和简化生产环节。
该法的优点是既可生产磷酸铵也可生产NPK肥料，同时也充分利用了酸、氨的中和热蒸发物料水份，降低造粒水含量和干燥负荷，减少能耗，此法的优点是：
生产规模大，生产成本较低，产品质量好，产品强度较高。
2.3工艺流程
生产原理
主反应：
NH3（g）+H3pO4（l，20%）====NH4H2pO4（aq）
-46.1-1291-1435
副反应：
1）2NH3（g）+H3PO4（l，20%）===（NH4）2HpO4（aq）
-2×46.1―-1291――-1560
2）2NH3（g）+H2SO4（aq）===（NH4）2SO4（aq）
-2×46.1―–907-1173
3）2NH3（g）+H2SiF6（aq）===（NH4）2SiF6（aq）
采用料浆法。
首先是磷酸和气氨在中和槽中发生中和反应，生成磷铵中和料浆。
中和料浆拿来进行干燥而获得产品。
但在干燥过程中，所能干燥的料浆需要先浓缩到一定的浓度，这就涉及到干燥前要先进行浓缩处理。
大概的整个流程就是：
中和—浓缩—干燥。
所得的工艺流程图就是整个料浆法生产磷铵的工艺流程图。
2.4流程方框图
2.5主要设备一览表
中和槽
双效浓缩蒸发器（带冷疑器）
三缸泵
空气压缩机
锅炉房
喷雾干燥塔及转鼓造粒干燥机
2.6磷铵外排废水指标
项目
范围
GB15580-95允许排放限值
PH
3-8
6-9
氟化物（以F计）（mg/1）
10-70
20
磷酸盐（以P计）（mg/1）
10-150
50
悬浮物（mg/1）
30-350
150
排水量m3/t产品
8-12
1
第三章物·热衡算
3.1物衡算
3.1.1氨中和工序物料衡算
计算基准：
1000千克磷酸。
3.1.1.1进料
1）磷酸量J1=1000Kg，组成含量X=20%，即其中含量为Kg
2）气氨（氨用量应该是磷铵中杂质与气氨的结合量，磷酸中扣除与杂质的结合量后的结合的气氨的量以及氨损失量三者的集合）
（）磷酸中的游离硫酸中和气氨生成（）的耗氨量以及生成（）的量：
生成（）的量：
／Kg
生成（）的耗氨量：
／Kg
（2）氨与磷酸中的F反应生成（NH4）2SIF6的耗氨量以及生成的（NH4）2SIF6的量：
生成的（NH4）2SIF6的量：
1000×1.59%×178／（19×6）=24.8Kg
生成（NH4）2SIF6的耗氨量：
24.8×（2×17）／178=4.7Kg
（3）生成FepO4·2H2O的量，以及其结合和结合水的量：
生成FepO4·2H2O的量：
1000×1.04%×（182×2）／160=24.31Kg
结合的量：
／（）Kg
结合水的量：
24.3×（2×18）／187=4.7Kg
（4）生成AlpO4·2H2O的量,及其结合和结合水的量：
生成AlpO4·2H2O的量：
1000×2.07%×（158×2）／102=64.1Kg
结合的量：
／（）Kg
结合水的量：
64.1×（2×18）／158=14.6Kg
（5）生成MgHpO4·3H2O的量及其耗氨量，结合和结合水的量：
生成MgHpO4·3H2O的量:
1000×1.28%×174／40=55.7Kg
结合的量：
／（）Kg
结合水的量：
／Kg
氨化湿法磷酸所得产品的物质成分中，Fe，Al等杂质生成的化合物实际上是比较复杂的，但由于这些化合物的定量鉴定尚有困难，且无热化学数据，因此，习惯上假设Fe，Al按生成中性磷酸铁、铝（Fe，Al）9O4·2H2O，Mg按生成Mg9O4·3H2O来进行计算。
这样计算的结果当然与实际情况有一定的偏差。
通常计算所得的产品中的量比实际的高而氮的含量比实际的要偏底一些。
由于Fe，Al，Mg的磷酸盐都是非水溶性盐。
故生成的非水溶性盐的总量为：
24.3+64.1+55.7=144.1Kg
所以,产品中的水溶率为
－（／100%）=72.4%
结合水的总量为：
4.7＋14.6＋17.3=36.6Kg
结合杂质后剩余的的量为：
－Kg
已知中和工序的中和度工艺指标为1.01。
设与磷酸一铵中和的磷酸的量为XKg
与磷酸二铵中和的磷酸的量为（159.3－X）Kg
可得
{X／142×2＋[（159.3－X）×4／142]}／159.3×2／142=1.01
解得
X=157.71Kg
所以，与磷酸二铵结合的磷酸的量为：
159.3－157.71=1.6Kg
（6）应生成磷酸一铵的量为：
157.71×115／71=255.446Kg
（7）反应生成磷酸二铵的量为:
（159.3－157.71）×132／71 ＝2.956Kg
（8）反应生成磷酸一铵所结合的气氨的量:
255.446×17／115=37.762Kg
（9）反应生成磷酸二铵所结合的气氨的量:
2.956×17×2／132=0.7614Kg
所以,包括（）（NH4）2SIF6,MgHPO4·3H2O等盐在内的总耗氨量为:
A=0.7614+37.762+17+4.7=60.2234Kg
而已知中和浓缩过程中氨的在损失为1%,所以实际的需氨量为:
60.2234÷（1－1%）=60.832Kg
3.1.1.2出料
1）.蒸发水
已知每千克就要蒸发一千克的水，所以蒸发水的量为：
60.832Kg
标准状态下的体积为
／=75.702Kg
的损失量为
60.832×0.7%=0.426Kg
中和料浆的量
有以上得出出料的总和为
Kg
而∑J=∑C即
所以Kg
其中Kg
Kg
（NH4）2SO4:
66Kg
（NH4）2SIF6:
24.8Kg
MgHPO4·3H2O:
55.7Kg
AlpO4·2H2O:
64.1Kg
FepO4·2H2O:
24.31Kg
所以,不包括浓缩过程中分解逸出的的量，盐类的总量为
Kg
中和料浆含水量为
－－Kg
中和部分的物料衡算平衡表见表。
表计算基准g
进料
出料
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
气氨
蒸发水
磷酸
损失量
中和料浆
合计
合计
3.1.2浓缩工序物料衡算
3.1.2.1进料
由已知：
中和料浆的进料量为J=999.6Kg。
其中水的含量为526.2Kg。
3.1.2.2出料
由已知：
1）气氨的损失量为：
C1=59.6×0.3%=0.2Kg
2）浓缩料浆（最终出料的含水量为25%）
∵干盐量=473.2Kg
∴浓缩料浆=473.2／（1－25%）=630.9Kg
3）蒸发水
由已知有
∑C=C1+C2+C3=0.2+630.9+C3=631.1+C3
而∑J=∑C即
∴C3=368.5Kg
浓缩部分的物料衡算表见表3—2。
表计算基准g
进料
出料
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
干盐
蒸发水
所含水分
损失量
浓缩料浆
合计
合计
3.1.3干燥工序的物料衡算
进料
由已知，进料浓缩料浆的量为
Kg
其中，干盐为：
Kg；含水量为Kg
出料
）机械损失（干燥系统损失）的量：
Kg
）产品磷铵的量：
（含水）
产品磷铵中干盐量－Kg
产品磷铵的量就为：
Kg
其中的水分的含量为：
－Kg
）蒸发水分的量
由已知，出料的总和为：
∑C=C1+C2+C3=4.7+473.2+C3=477.9+C3
而∑J=∑C即
∴C3=153.0Kg
浓缩工序的物料平衡衡算表见表3—3。
表计算基准g
进料
出料
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
序号
项目名称
物质质量g）
百分含量
干盐
蒸发水
所含水分
产品磷铵
机械损失
合计
合计
3.1.4耗定额以及产品规格的理论计算
3.1.4.1主要原材料消耗定额（以每吨磷铵产品为基准）
（1）湿法磷酸：
／吨吨产品
（）气氨（的）：
／吨吨产品
产品的规格
（）磷铵产品的理论组成见表4—4。
（2）产品的含氮量：
N=58.4×14／17=48.09Kg
产品含氮的百分比=48.09／475.2=10.2%
（3）产品的含量：
由已知，除去机械损失，产品的总含磷量为Kg。
产品含的百分比／
（∴）产品的规格表达式为：
。
在工业生产中，产品的规格是各不相同的，一些是根据不同的用途而生产的；一些是由于工艺条件的限制而生产出来就是一定的。
若原矿等一些条件是一定的，那么，产品的规格由生产时的工艺情况决定。
当中和度在时产品以磷酸一铵（）为主，产品规格为；当中和度在左右时，产品以磷酸二铵（）为主，产品的规格为。
但实际的生产中，由于湿法磷酸生产的条件就决定了中和度一般控制在左右。
且在中和度为左右时，氨的损失小于。
而杂质较大的原因，使得产品的含量较小于理论量，一般就在左右。
磷铵产品的理论组成表：
3-4
表3-4
序号
组成名称
物质的质量
（Kg）
物质的百分组成（%）
物质的含氮量（Kg）
物质含量（Kg）
1
217.1
45.9
26.4
134.0
2
44.0
9.3
9.3
23.7
3
（NH4）2SIF6:
24.6
5.2
3.8
——
4
MgHPO4·3H2O
55.1
11.6
——
22.5
5
AlPO4·2H2O:
63.5
13.4
——
28.5
6
FePO4·2H2O:
24.0
5.1
——
9.1
7
（NH4）2SO4
40.2
8.5
8.6
——
8
H2O
4.7
1.0
——
——
合计
——
473.2
100
48.1
217.8
3.2各个工序的热量衡算
参考温度：
0℃计算基准：
1000Kg，20%湿法磷酸。
3.2.1中和工序的热量衡算
3.2.1.1输入热量
1.化学反应热
1）NH3（g）+H3PO4（l，20%）====NH4H2PO4（aq）
-46.1-1291-1435
∴△H1=-1435－（-46.1－1291）=-97.9Kj/Mol·NH4H2PO4
2）2NH3（g）+H3PO4（l，20%）===（NH4）2HPO4（aq）
-2×46.1―-1291――-1560
∴△H2=-1560－（-2×46.1－1291）=-176.8Kj/Mol·（NH4）2HPO4
3）2NH3（g）+H2SO4（aq）===（NH4）2SO4（aq）
-2×46.1―–907-1173
∴△H3=-1173－（-2×46.1－907）=-173.8Kj/Mol·（NH4）2SO4
4）2NH3（g）+H2SiF6（aq）===（NH4）2SiF6（aq）
-2×46.1-2331-2602
∴△H4=-2602－（-2×46.1－2331）=-178.8Kj/Mol·（NH4）2SiF6
∴总的反应热为：
∑△H=－（97.9×219.3／115＋176.8×44.4／130＋173.8×40.6／132＋178.8×24.8／178）×1000=－325400KJ
2.气氨带入热
设气氨的温度为5℃。
查得此温度下气氨的比热容为2.065KJ/Kg·K。
所以，其带入热为：
Q1=59.6×2.065×5=615KJ
3.磷酸的带入热
设磷酸的温度为：
40℃。
查得此温度时磷酸的比热容为：
3.26KJ/Kg·K。
所以，磷酸的带入热为：
Q2=1000×3.26×40=130400KJ
所以，输入的热量总计为：
Q输入=130400+615+325400=456400KJ
3.2.1.2输出热量
1.中和料浆带出热
设中和料浆的温度为101℃，查得此温度下磷铵的比热容为2.85KJ/Kg·K。
所以，料浆的带出热为：
Q3=999.6×2.85×101=287700KJ
2.水分的蒸发热
在101℃时，水的蒸发比热容2256KJ/Kg·K。
所以，水分的蒸发热为：
Q4=59.6×2256=134500KJ
3.热损失
热损失为总的输入热减去中和料浆带出热和水分的蒸发热。
Q5=Q输入－Q3－Q4=456400－287700－134500=34200KJ
热损失占输入热量的百分率为：
34200／456400=7.5%
从能量节约和经济角度出发，这一热损失还是较为合理的。
说明原假设通入1KgNH3即要蒸发1KgH2O的假设是比较合理的。
因此，对物，热衡算不再作修正。
中和过程所蒸发的水量占料浆含水量的百分率是：
59.6／（526.2+59.6）=10.2%
氨中和工序的热量衡算表见表3－5。
表计算基准g
输入
输出
序号
项目名称
所含热
（）
百分含量（）
序号
项目名称
所含热
（）
百分含量（）
反应热
蒸发水带出
气氨带入
中和料浆带出
磷酸带入
热损失
合计
合计
3.2.2浓缩工
升级会员 