大型磷酸浓缩装置设计的优化

第３６卷第１期化肥工业

２００９年２月

大型磷酸浓缩装置设计的优化

孙国超

（中国石化集团南京设计院２１００４８）

摘要

目前国内运行的磷酸浓缩生产线基本上采用单级，存在系列多、设备过于庞大、换热器等部分设备需

引进、工程造价高、蒸汽消耗大等缺点。而采用两级蒸发浓缩设计，可比一级蒸发减少占地面积，节省投资约

３０％，节省循环水用量约１／３，同时电耗和蒸汽消耗亦较少。

关键词

湿法磷酸

两级浓缩

设计优化

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

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近几年，云南、贵州等地建设的数套３００

ｋｔ／ａ

（以Ｐ：０，计，下同）大型磷酸装置均采用国产化

技术和装备，但由于受石墨换热器换热面积和闪蒸室直径等限制：往往由数个系列浓缩生产线组

１

多级蒸发的特点

湿法磷酸浓缩为沸腾蒸发，闪蒸室的工作压

力与闪蒸室内蒸发酸的温度有一个对应的关系，而蒸发酸的温度又受到闪蒸室衬胶材料的制约，如维持蒸发酸浓度不变，降低闪蒸室的工作压力，则相应降低了闪蒸室的蒸发温度。另外，还可以通过提高传热温度差以提高蒸发装置的生产能力。一般两级蒸发的第ｌ级将２４％一２６％稀酸浓缩至４０％的中间酸，再通过澄清除去部分悬浮物，得到的清酸送去第２级蒸发，从４０％浓缩至５０％以上。

两级蒸发的特点如下：

（１）第ｌ级中间酸的浓度为４０％，与一级蒸发一次性浓缩到５０％相比，蒸发酸沸点低。系统可以在较低温度或在较高绝对压力下操作；

成，且基本上采用单级，即通过一次循环回路将稀磷酸浓缩至４８％～５２％（质量分数，以Ｐ：０，计，下同）的浓磷酸。目前国内外最大单系列生产规

模为１００ｋｔ／ａ，则３００ｋｔ／ａ磷酸装置需要３条浓缩生产线。国外大型磷酸装置的浓缩普遍采用两

级蒸发操作，有的还采用三级蒸发操作，我国目前

还未有采用多级浓缩的大型磷酸浓缩装置。与国外的多级浓缩生产线相比，我国磷酸浓缩生产线

存在系列多、设备过于庞大、换热器等部分设备需

引进、工程造价高、蒸汽消耗大等缺点。本文对单

级和两级浓缩的工艺流程、设备选型进行分析比较．提出大型磷酸浓缩装置设计的优化方案。

本文作嚣的联系方式：ｎｊｓｇｃｌ碰：＇１２６．Ｏｔｌｌｌｌ

第３６卷第１期

（２）由于第ｌ级闪蒸室内的绝对压力较高，

蒸发室的二次蒸汽比容较小，在相同的二次蒸汽线速度下，二次蒸汽比容愈小则蒸发强度越大，在蒸发同样水分的条件下，所需的闪蒸室截面积越小；

化肥工业

２００９年２月

气冷凝器循环水回水温度较高，因而可减少循环

水用量；

（７）由于第ｌ级蒸发后的中间酸经过静置澄

清，预先除去了部分悬浮物，可使第２级浓缩的磷

酸黏度降低，所以可降低操作难度，提高产品酸的

（３）磷酸黏度随浓度升高而增大。稀磷酸的

浓度和质量．这对于杂质含量高的酸尤为明显；

黏度小，加热器的传热系数较大，故可缩小磷酸加热器的换热面积；

（４）第１级蒸发的磷酸浓度低，允许循环酸加热后的温升较高，在一定的载热量的条件下可减少循环酸量；

（５）从上述分析可知，两级蒸发与单级蒸发

（８）两级蒸发流程长，增加了中间酸的贮存

和澄清，操作较为复杂；

（９）第ｌ级蒸发时，废气中逸出的氟化物以ＳｉＦ．为主。回收的氟硅酸中会有较多硅胶产生．需采用从第２级蒸发回收的氟硅酸串酸的办法来解决。

２

相比，闪蒸室磷酸加热器和磷酸循环泵的规格可

较大幅度地减小，因而能节省工程投资；

优化的设计方案

两级优化浓缩工艺流程见图１。

（６）第ｌ级闪蒸室内操作压力较高，允许大

１．一级稀磷酸地下槽２．一级稀磷酸地下泵３．一级冷凝水泵４．一级冷凝水收集槽５．一级机墨换热器６．一级闪蒸室

７．一级循环泵８．一级产品浓磷酸泵９．一级旋风除沫器

ｌｏ．一级第１氟吸收塔１１．一级第ｉ氟吸收塔循环槽

１２，一级第ｌ氟吸收塔循环泵１３．一级产品氟硅酸泵１４．一级第２氟吸收塔１５．一级第２氛吸收塔循环槽

１６．一级第２氟吸收塔循环泵１７．～级氟硅酸冷却器

１８，２０．一级蒸汽喷射泵１９．一级中间冷凝器

２１．一级回水槽２２．二级稀磷酸地下槽２３．一级稀磷酸地下泵２４．二级冷凝水泵２５．二级冷凝水收集槽

２６．二级石墨换热器２７．二级闪蒸室２８．二级循环泵２９．二级产品浓磷酸泵３０．二级旋风除沫器３１．二级第１氟吸收塔３２．二级第１氟吸收塔循环槽３３．二级第１氟吸收塔循环泵３４．二级产品氟硅酸泵３５．二级第２氟吸收塔３６，二级第２氟吸收塔循环槽３７．二级第２氟吸收塔循环泵３８．二级氟硅酸冷却器

３９，４１．二级蒸汽喷射泵４０，二级中间冷凝器４２．二级回水槽４３．澄清槽

圈ｌ两级浓缩工艺流程图

采用两级蒸发磷酸浓缩技术，其每一级的基本过程与单级蒸发类似。过滤级磷酸与经过加热后的循环酸混合后进入第ｌ级闪蒸室内，在此减压蒸发水分并消除过热，然后由循环泵送去磷酸

加热器用蒸汽再次加热。从闪蒸室排出的约４０％磷酸送入沉降槽静置并分离除去部分悬浮固体物后。再送至第２级蒸发系统。由闪蒸室排出的含ＨＦ和ＳｉＦ。的气体进人氟吸收系统，在两级氟吸收塔中用水逆流洗涤吸收．气体中的绝大部分ＨＦ和ＳｉＦ．被水吸收。形成稀Ｈ：ＳｉＦ。溶液。

根据副产品Ｈ：ＳｉＦ。溶液的浓度要求和当地

的气候条件，选择是否在第ｌ级氟吸收循环洗涤

回路中设置氟硅酸冷却器，如企业要求Ｈ：ＳｉＦ６质

量分数在２２％～２５％且又处在南方地区，应考虑

在第ｌ级氟吸收循环洗涤回路中设置氟硅酸冷却器，以降低吸收液的温度，确保酸的浓度和较高的

吸收效率。为防止闪蒸室内的蒸发气体夹带较多的磷酸雾沫。除合理选择蒸发面积外，需在蒸发器气体出口与第１氟吸收塔之间设置旋风除沫器．

可有效分离气体中夹带的磷酸。减少Ｐ２０，损失。

２ｌ

第３６卷第１期化肥工业２００９年２月

降低Ｈ２ＳｉＦ６溶液中的Ｐ：０５含量。

同理，为防止第２氟吸收塔出口气体夹带较多的液滴．导致Ｈ：ＳｉＦ６带人循环水中而使循环水

中Ｈ：ＳｉＦ。含量偏高，影响凉水塔的使用寿命和增加环境污染，因此应在第２氟吸收塔后也设置旋

风除沫器。

磷酸蒸发所需要的真空由蒸汽喷射泵产生，用酸性循环水对吸收后的气体进行冷却和冷凝。

第２级蒸发与第ｌ级蒸发过程类似，只不过操作

压力比第１级低。第１级蒸发时废气中逸出的氟化物以ＳｉＦ４为主，回收的氟硅酸中含有较多的硅胶，因此需要采用从第２级蒸发回收的氟硅酸串人第ｌ级的办法加以解决。

设备改进

（１）闪蒸室

闪蒸室属于真空设备，单级蒸发操作时的压

力为８—１０ｋＰａ；两级蒸发操作时，第１级压力为

１４—２０

ｋＰａ，第２级压力为８～１０ｋＰａ。闪蒸室材

质为碳钢外壳，内衬橡胶。直径越大、真空度越

（２）酸加热器

采用两级蒸发操作时，由于第１级蒸发磷酸

ｍ２以上的换热器，因加工

（３）循环泵

磷酸循环泵的制造加工要求较高，泵叶轮和

（４）氟吸收塔

氟吸收塔的优化目的是在确保吸收效率的前

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塔的直径有较大影响，若采用较高的操作压力和较高的操作气速可有效减小其塔径。但为了防止操作气速过高而导致带液量过大，比较合适的塔内气速应为ｌＯ一１５

ｍ／ｓ。

（５）前、后雾沫分离器

为防止闪蒸室内磷酸随蒸发气体大量进入氟吸收系统，使氟硅酸中Ｐ：０，含量过大，影响副产品的质量，应在闪蒸室与第１氟吸收塔之间设置除沫器。同理，为防止第２氟吸收塔气相大量带液，将氟硅酸带入循环水中，导致循环水中含氟量过大，对凉水塔的腐蚀性增强．可在第２氟吸收塔与大气冷凝器之间设置除沫器。国内各生产装置均设置了前分离器，一般没有设置后分离器，因此容易将大量的氟硅酸带入循环水中，甚至在氟吸收系统中无氟硅酸排出。由此可以看出，设置前、后雾沫分离器的重要性。

（６）氟硅酸冷却器

设置氟硅酸冷却器可降低氟吸收液的温度，提高吸收效率。但是否设置氟硅酸冷却器往往取决于要求的副产品氟硅酸的浓度以及当地气候条件，若生产质量分数８％～Ｊ２％的Ｈ：ＳｊＦ６，可不设置氟硅酸冷却器；当需要生产质量分数２２％～浓度，应当设置氟硅酸冷却器。氟硅酸冷却器的材质可以是耐酸合金或石墨，从使用效果看，由于硅酸的强腐蚀性，耐酸合金并不理想，设计选型时结语

（１）湿法磷酸多级蒸发（一般为两级）是成

（２）与单级蒸发相比，两级蒸发具有投资省、占地小、产品质量好的优点。

（３）与单级蒸发相比。两级蒸发可节省循环（４）采用前、后雾沫分离器很有必要。既能减（５）在南方地区或副产较高浓度Ｈ：ＳｉＦ。的（收稿日期２００８－０６．２３）

２５％的Ｈ：ＳｉＦ。时，为确保氟吸收效率和氟硅酸的应优先选择石墨换热器。

４

３

大，对设备内衬施工要求越高，施工难度也越大；

设备尺寸越大，碳钢壳体越厚，制作越困难。另

外。由于设备体积庞大，需就地安装和衬胶施工。

厂房结构设计时必须考虑试漏、试压荷载，因而两级蒸发不仅大大减小闪蒸室直径，同时也能大幅减小厂房的荷载，降低工程造价。

浓度为４０％。相对５０％磷酸而言，物料黏度低，流动性好，因而第１级酸加热器的传热系数较大。

对于换热面积大于５００熟的技术，在国外已广泛采用。

水用量近１／３，同时电耗和蒸汽消耗亦较少。

少Ｐ：Ｏ，损失，亦能提高Ｈ：ＳｉＦ。收率，而且可减轻对设备的腐蚀。

场合，应设置氟硅酸冷却器，且应优先考虑选择石墨换热器。

制作要求较高，均选用进口设备。若采用两级蒸

发操作，缩小了换热面积，降低了国产化的难度，

可考虑选用国产设备。

过滤部件应具有耐磨和耐蚀性能。目前国产的规

格、品种少。采用两级蒸发降低了循环酸流量，可

选用较小流量的循环泵ｉ国产设备能满足要求。

提下减小塔径。氟吸收塔内的操作压力对氟吸收