【導(dǎo)讀】了直接冷凍生產(chǎn)法。根據(jù)此法的工藝流程，對整個裝置進行了物料衡算和能量衡算，并。獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體。均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。硝酸磷肥的發(fā)展概貌·················································································1. 硝酸磷肥的重要性·································································&#1

　　

【正文】 損氣料出 ??? 下 面分別求每一項帶出的熱量： 當不考慮雜質(zhì)時，而固相的量很少，即料漿為磷酸溶液和硝酸鈣溶液： TcmTcmQ NOCaNOCaPOHPOH ????23234343 )()(料 = 7 5 3 0607 4 5 2 5 8 0 ????? = 式中： 42580——磷酸和水的質(zhì)量， kg； 47530——硝酸鈣的質(zhì)量， kg； 60——出料溫度， K； ——硝酸鈣的比熱， kJ/（ kgK）； 由化學(xué)物 性手冊查得 60K 時， 15%磷酸水溶液的比熱為 kJ/（ kgK） ?????氣Q 式中 [15]： —— 二氧化碳的比熱， kJ/（ kgK ）； 熱損失 Q 損 ，根據(jù)實際數(shù)據(jù)約為各項支出熱量的 %即 kJ 將各組分的熱量歸結(jié)于表 37： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 表 37 反應(yīng)器能量衡算表 輸 入 輸 出 組成 kJ 組成 kJ 磷礦帶入 料漿帶出 硝酸帶入 氣體帶出 反應(yīng)產(chǎn)生 熱損失 合計 合計 中和段能量衡算 進料溫度為 20℃ ；出料溫度為 120℃ ； 則帶入的熱量為： TcmQ pp p ???1 = 4 0 0 3 6 9 3 4 0 ???????? 5 0 9 3 0 ?????? = 式中 [15] ——硝酸的比熱， kJ/（ kgK）； ——磷酸的比熱， kJ/（ kgK）； ——水的比熱， kJ/（ kgK）； ——硝酸鈣的比熱， kJ/（ kgK）； ——氨氣的比熱， kJ/（ kgK）； 反應(yīng)產(chǎn)生的熱量：以 1mol為基準 3 3 4 3( ) ( ) ( )N H g H N O l N H N O l?? ???H 則： 3 2 4 2 6 363 1 ?????? Hnq 3 3 4 4 2 4( ) ( ) ( )N H g H P O l N H H P O l?? ???H 則： kJ1 0 5 2 1 9 0 098 1 0 0 2 18 5 0 52 ?????? Hnq 3 3 4 4 2 42 ( ) ( ) ( ) ( )N H g H P O l N H H P O l?? ???H 則： 9 5 9 0 3 498 3 ?????? Hnq 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 3 4 3 2 3 4 4 3( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 2 ( )H P O l C a N O l N H g C a H P O l N H N O l? ? ? ? ???H 則： 3 9 0 6 5 2136 ?????? Hnq 所以 ? ?????? n qQ 8 1 9 5 8 5 3 9 0 6 5 9 5 9 0 3 41 0 5 2 1 9 0 3 2 4 2 6 3反應(yīng) 帶出的熱量： TcmQ pp p ???2 = 9 8 2 7 8 9 3 4 6 0 ??????????? + 3 8 2 3 0 ????? = 式中 [15] ——硝酸銨的比熱， kJ/（ kgK）； ——磷酸氫鈣的比熱， kJ/（ kgK）； ——磷酸氫二銨的比熱， kJ/（ kgK）； ——NH4H2PO4 的比熱， kJ/（ kgK）； 0． 869——副產(chǎn)物的比熱， kJ/（ kgK）； ——水的比熱， kJ/（ kgK）； kJ1 8 1 3 1 2 4 ????????? mhTmcQ p氣 式中 [8] ——水的汽化熱， kJ/kg； 損失的熱量為總熱量的 %則： ?損Q 表 38 中的物質(zhì)是指硝酸、磷酸、水、硝酸鈣以及氨氣； 將給組分的能量總結(jié)于表 38： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 表 38 中和器能量衡算 輸 入 輸 出 組成 kJ 組成 kJ 料漿帶入 料漿帶出 反應(yīng)產(chǎn)生 氣化熱 18131244 熱損失 合計 合計 濃縮段能量衡算 料漿進口溫度 120℃ ，出口溫度為 170℃ ；蒸氣進口溫度 220℃ ，出口溫度為 140℃ ； 輸入的熱量為： 蒸氣料 Q ?? 34 ?????? TmcQ pNONH 則： 7 0 8 6 2 81 4 0 4 3 5 6 8 1 8 9342 ????? NONHQ 料 8 6 5 3 1 3 ?????? TmcQ p蒸氣 式中 [8] ——過熱蒸汽的比熱， kJ/（ kgK）； 輸出的熱量為： 損氣蒸氣料 Q ???? 1 2 2 0 5 2 6??? ? TcmQ pp p料 1 6 1 4 2 7 ?????? TmcQ p蒸氣 式中 [8] ——過熱蒸汽的比熱， kJ/（ kgK）； 5 0 3 9 8 5 8 1 64 6 2 01 7 05 8 6 2 0 ???????? TmcQ p氣 式中 [8] ——水的汽化熱， kJ/kg； 2． 584——水蒸汽的比熱， kJ/（ kgK） 則熱損失為通入蒸氣的 %，則 Q 損 = kJ 其中蒸汽質(zhì)量的確定為： 設(shè)通入的蒸汽質(zhì)量為 m kg/h，則： 2211 5 0 3 9 8 5 1 2 2 0 5 2 6%)( 7 0 8 6 2 8 TmcTmc ??????? 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 6 5 5 1 7 5 ??????? mm 解得 ?m 故取 m=35820 kg；干燥段的爐氣算法也與此相同。 式中 ——蒸汽在 220℃ 下的比熱， kJ/（ kgK）； ——蒸汽在 140℃ 下的比熱， kJ/（ kgK）； 各組分帶入的能量歸結(jié)于表 39： 表 39 濃縮段能量 衡算 表 輸 入 輸 出 組成 kJ 組成 kJ 料漿帶入 料漿帶出 蒸氣帶入 蒸氣帶出 氣化熱 熱損失 合計 合計 干燥段能量衡算 爐氣輸入溫度為 450℃ ，輸出溫度為 110℃ ； 9 1 3 0 6 83 4 06 6 9 2 8 0 ?????? ? TcmQ pp p返料 kJ1 5 4 4 1 9 8 ?????? TmcQ p爐氣 輸出能量為： 3 5 5 7 4 8 0??? ? TcmQ pp p料 kJ7 7 6 2 8 8 ???? mhQ 水氣 式中 ——水的汽化熱， kJ/kg； ?????? TmcQ p爐氣 式中 ——爐氣的比熱， kJ/（ kgK）； 設(shè)損失的熱量為輸入蒸氣的 2%，則： ?損Q 把各物料帶入的能量歸結(jié)于表 310： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 表 310 干燥段能量平 衡表 輸 入 輸 出 組成 kJ 組成 kJ 料漿帶入 出料帶出 返料帶入 氣化熱 7762880 爐氣帶入 15441984 爐氣帶出 熱損失 合計 合計 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 4. 主要設(shè)備的計算及選型 流程中涉及的設(shè)備較多，由于時間和能力有限，故只選擇了其中較為重要的設(shè)備作了計算（如中和反應(yīng)器、蒸發(fā)器和干 燥器）。 中和反應(yīng)器 已知條件 (1)由物料衡算知每小時產(chǎn)生中和料漿 42900Kg； (2)根據(jù)物料平衡，中和料漿含水 %，再參考有關(guān)實驗報告，選用中和料漿粘度 55? 103 Pas；料漿密度 kg/L； (3)中和槽容積裝載系數(shù) ； (4)中和時水分蒸發(fā)量 5620kg/h； (5)中和槽通氨量 4930kg/h； (6)中和槽內(nèi)料漿平均停留時間 50min。 中和槽基本尺寸計算 (1)容積 0 0 4 2 9 0 0 mV ????有效 mV ??總 因采用三個中和槽，則每個中和槽的體積為： mV ?? (2)設(shè)中和槽高度與直徑比 H/D=，則中和槽內(nèi)徑 D 為： mD ??? ?，取 (3)中和槽高度 H： mH ??? (4)中和槽溢流口高度 h： mh ??? 中和槽攪拌槳計算 由于該攪拌是氣液混合，選用標準單層透平槳。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 (1)攪拌槳葉直徑 d 葉 。取 d 葉 /D=1/3， ??葉d ，取 ； (2)攪拌槳葉轉(zhuǎn)速 n 葉 。取槳葉葉尖線速度（即圓周速度）為 m/s。則： m in/ 604 rn ???? ?葉 (3)攪拌雷諾數(shù) Re： 43 22 73, ???? ???? ?? 葉葉 dn Re＞ 104，攪拌處于充分湍流區(qū)，功率曲線趨于水平，對標準型攪拌槳，可用計算攪拌理論功率。 (4)攪拌理論功率 N： WN )60 ( 53 ?????? 中和器溫度與壓力 設(shè)計溫度為： 120+20=140℃ 已知料漿的密度為 Kg/L， Pv=（表壓）； 則工作壓力： 361 . 4 1 1 0 9 . 8 1 2 . 3 0 . 2 1 1 0vP g h PMPa???? ? ? ? ? ?? 查得設(shè)計壓力為工作壓力的 110%，則設(shè)計壓力為： P = 1 . 1 = 1 . 1 0 .2 4 2 = 0 . 2 6 6 M P a設(shè) P ? 由于料漿對鋼材的腐蝕不大，溫度為 140℃ ，壓力也不大的情況下，材質(zhì)選為鉬二鈦不銹鋼。 厚度計算 P=， T=140℃ ， D=2200mm， []? =90MPa， ? =，腐蝕裕量 C=3mm 計算厚度 S 為： mmPPDS ][2 ???? ???? ?? 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 設(shè)計厚度 S 設(shè) 為： mmCSS ?????設(shè) ，取 7mm； 查閱相關(guān)手冊 [16]：封頭曲面高度為 575mm，直邊高度為 40mm。 濃 縮蒸發(fā)器 由于磷銨料漿粘度大，易結(jié)垢，為 了便于清洗，采用單程大管徑列管式加熱器。 已知條件 (1)由物料衡算和能量衡算知 蒸氣進口溫度為 220℃ ，出口溫度為 140℃ ，帶入 Q=28653134 .4KJ；傳熱溫差△ T=220140=80℃ ； (2) 傳熱系數(shù)取 K=700W/(m2℃ )；富裕系數(shù)取 。 傳熱面積計算 傳熱面積 S 為：由傳熱基本方程式 TKSQ ?? 得： 6 0 080700 8 6 5 3 1 3 4 mTK QS ?????? 所以實際需要傳熱面積為 2S = S 1 . 1 5 = 1 4 2 . 1 3 1 . 1 5 1 6 3 . 4 5 m實 ? ? ? 管數(shù)計算 選用 ? 252mm 鉬二鈦不銹鋼管，管長 6000mm。所以加熱器所需加熱管數(shù) n為： ????? ldSn ? 式中 d——管子外徑；因為傳熱系數(shù) K 的測定是以管外徑計算。 加熱器外殼內(nèi)徑 D 外 (1)管子根數(shù) 設(shè)管子為正三角形排列。標準正三角形 排列取 355 根，其中 8 根作拉桿，管子實際為 347 根，管層數(shù)為 11 層，對角線上的管數(shù)為 21 根，管子中心距為 32mm。 其中管子排列方式如圖 41 所示： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 圖 41 換熱管排列圖 (2)加熱器外殼內(nèi)徑 D 外 ?25mm 加熱管，正三角形排列，查有關(guān)手冊，規(guī)定管間距為 32mm。故加熱器外殼內(nèi)徑 D 外 為： D ( 2 1 1 ) 3 2 7 0 0 m m外 ? ? ? (3)加熱器封頭高 H 查上下封頭曲邊高為 175mm，直邊高 25mm。 閃蒸室計算 閃蒸水量為 4620Kg/h；閃蒸室截面蒸發(fā)強度取 1200Kg（ H2O） /（ m2h ）。 閃蒸室高徑比取 H/D 閃 = 則正常生產(chǎn)時所需閃蒸室截面積 A 為： 2 0 04 6 2 0 mA ?? 所以閃蒸室內(nèi)徑： mD ??? 實際生產(chǎn)中由于開車時料漿濃度很低，傳熱系數(shù)很大，水分蒸發(fā)量比正常生產(chǎn)時大得多，因此一般將閃蒸室內(nèi)徑要適當放大一些，故選用 。 閃蒸 室有效高度 H 2 . 3 2 . 4 5 . 5 2 m? ? ? 取閃蒸室實際高度 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 閃蒸室： ? 24005600mm；材質(zhì)為鉬二鈦。 干燥器 本設(shè)計采用的是返料造粒方法，于是干燥量較大，所以選擇的是轉(zhuǎn)筒干燥器。它具有生產(chǎn)能力大，可連續(xù)操作；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；故障少，維修費用低；使用范圍廣，操作彈性大等優(yōu)點。 已知數(shù)據(jù) (1)進入干燥器物料 F1=；密度 1? = t/m3； (2)出干燥器物料 F2= t/h；密度 2? = t/m3； (3)脫水量 W= t/h。 (4)物料停留時間 t 20～ 30 min； (5)筒體傾斜度 ? 1%； (6)爐氣量 A=13280 kg/h； (7)爐氣出口濕含量 20 . 0 7 5 g ) / gH k H O k? （ （ 干 氣 ） (8)爐氣進口溫度 T1=450℃ ，出口溫度 T2=110℃ ； (9)氣 體出口端流速 u= m/s[15]。 筒體直徑計算 (1)濕空氣比容 H? [m3/kg（干空氣） ]計算 23T 383( 0 . 7 7 3 1 . 2 4 4 ) ( 0 . 7 7 3 1 . 2 4 4 0 . 0 7 5 )2 7 3 2 7 31 . 2 1 5 m / k gH H（ 干 空 氣 ）? ? ? ? ? ? ? ?? (2)濕爐氣體積流量 V 計算： 313280 /3600 3600HAV m s?? ?? ? ? (3)筒體直徑 D: 124()VD u?? 式中 u——氣體流速， m/s； V——氣體體積流量， m3/s。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 取 u=，所以： 則 124 4 . 4 8 2( ) 2 . 1 63 . 1 4 1 . 1 8Dm???? 取 D=； 筒體長度 L 筒體長度按式 41 計算 [15]: 24DVL ??? ? （ 41） AWV ??? （ 42） 式中 ?V ——干燥器容積， m3 W——干燥脫水量， Kg/h； A——干燥強度， Kg/(m3h)； 取 A=150 Kg/(m3h)，則： 5 013 4 0 mV ????? 故筒體長度為： mL 2 ????? 取進出料端裕量 15%，則筒體全長度為： mL ??? ，取 L=9m 筒體轉(zhuǎn)速 n 筒體轉(zhuǎn)速按式 43 計算 [15]： Dtlkmn ?????? ?t a n 1 （ 43） 式中 m——抄板系數(shù)，取 ； k——流向系數(shù)，取 ； t——物料停留時間， 20～ 30min； ?tan ——傾斜角正切值，取 ； L——筒體長度， 9m； D——筒體直徑， ； 所以當 t=20min 時， 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 11 . 0 0 . 7 9 1 4 . 3 2 / m i n0 . 0 1 2 0 2 . 2nr? ? ? ? ??? 當 t=30min 時， n= /minr 功率 N（馬力） 功率計算按式 44[15]： D L n K??? ? ? ? ? ? (44) 式中 n——筒體轉(zhuǎn)速，取 /minr ?——物料密度，取進出口的平均值 ； ?——物料填充系數(shù)； K——抄板系數(shù)，升舉式抄板取 。 其中 [15]: