專利名稱：多級蒸汽引射制備磷酸二氫鉀和磷酸鉀銨的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于化肥制造領域，特別涉及一種磷酸鉀銨三元復合肥制備方法
與裝置。
背景技術：
1938年蘇聯人最早提出磷酸鉀銨化學復合肥及其生產方法(聯合國工 業發展組織編，化肥手冊(1980)，中國對外翻譯出版公司翻譯出版，1984 137 140)，是以 磷酸二氫鉀和磷酸二氫銨形成固溶體磷酸二氫鉀銨結晶。在此基礎上發展起來的各種生產 方法，主要特征之一是引入氮源的形態，如雷武(雷武，以濕法磷酸生產磷酸鉀銨的研究， 磷肥與復肥，2004，19 (5) :20 21)用氨水(NH3 ·Η20)，林治華(林治華，磷酸二氫鉀銨無氯 復肥的研制，渝州大學學報自然科學版，1992，(4) :21 26)用磷酸二氫銨((NH4H2PO4)，袁 德厚等(袁德厚，孫澤江，高濃度三元復肥磷酸二氫鉀銨的研制，西南農業大學學報，1992， 14(3) :214 218)則用碳酸氫銨(NH4HCO3)。主要特征之二是引入鉀源的形態，最直接的方 法是使用磷酸二氫鉀，雷武的方法用硫酸鉀，林治華和袁德厚等的方法都使用氯化鉀。主要 特征之三是從反應物體系分離產品的方法，以上各種方法以及發明專利申請(李在根，李 澤民，一種磷酸鉀銨的生產工藝，申請號92111905)都是采取結晶分離方法。以上結晶分離的方法將氯離子殘留在母液中，國內外提出了聯產氯化銨或將母液 直接蒸干制成含氯復合肥料等方法解決氯元素的分離和利用。也可以采取氯化鉀和磷酸液 相中和反應先生成磷酸二氫鉀并析出氯化氫氣體的方法(化工部天津化工研究院等編，無 機化工產品手冊，化學工業出版社，1993，北京612 615)KC1+H3P04 — KH2P04+HC1 丨 (1)但液相殘留的氯離子濃度高，還是要通過結晶才能得到較純的磷酸二氫鉀。發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種多級蒸汽引射制備磷 酸二氫鉀和磷酸鉀銨的方法與裝置，以磷酸鉀銨溶液蒸發濃縮產生的二次蒸汽為介質，逐 級引射抽提氯化鉀和磷酸液相中和反應產生的氯化氫氣體，使磷酸二氫鉀溶液殘留氯離子 濃度降低到生產無氯N-P-K三元復合肥要求。本發明充分利用余能加熱反應物系并多級抽 提氯化氫氣體，提高了反應速度和產物磷酸二氫鉀的純度，工藝過程能耗低并適于連續生 產。本發明所述多級蒸汽引射制備磷酸鉀銨的裝置，與介質接觸的設備均使用石墨耐 腐蝕材料。本發明所述壓力均為絕對壓力，濃度均為質量百分濃度。本發明所述過程包括磷酸鉀銨溶液的生成和蒸發濃縮、二次蒸汽逐級引射形成多 管降膜氣液傳質、含氯化氫的水蒸汽部分冷凝降低氣相HCl含量。磷酸鉀銨溶液的生成，是 從磷酸二氫鉀溶液循環泵19的出口分支管引出部分溶液匯合于磷酸鉀銨溶液循環泵21的 進口管，并將一定量的氨氣引入泵21的出口管，氣液混合反應形成磷酸鉀銨溶液。磷酸鉀 銨溶液的蒸發濃縮，是將形成的磷酸鉀銨溶液引入蒸發濃縮單元20，溶液接受蒸汽加熱和 與氨氣的反應熱，在140 170°C溫度下蒸發。二次蒸汽逐級引射形成多管降膜氣液傳質， 第一級引射是將磷酸鉀銨溶液蒸發的二次蒸汽全部引入多管降膜塔18的分布室2，通過管 板3均勻分布的蒸汽引射管4，以20 30m/s速度噴入降膜管9，吸引磷酸二氫鉀溶液從分
3布室7沿蒸汽引射管4外壁流進降膜管9內形成劇烈湍動的降膜，在液膜表面與蒸汽發生 氣液相間傳質使氯化氫從液相進入蒸汽相，在氣液分離室17內兩相分離，120 150°C含氯 化氫3% 5%的水蒸汽進入第二級蒸汽引射多管降膜塔15的管外密閉空間，氯離子濃度 低于的磷酸二氫鉀溶液則通過循環泵19加壓循環進入18。部分冷凝降低氣相HCl含 量，是使含氯化氫的水蒸汽進入15的管外密閉空間下部，與該處200 300mm液層高度、 110 140°C、氯化氫濃度低于5%的冷凝液鼓泡傳質，氣相氯化氫平衡濃度低于2% (參 考化工部第一設計院，氯堿工業理化常數手冊，化工出版社，1969，北京65 66)，沿降膜 管9的外壁上升并不斷冷凝，冷凝液膜下降并進一步與上升氣相傳質使氣相氯化氫濃度持 續下降到低于0. 5%，從上部離開降膜管外傳熱傳質空間并作為第二級多管降膜塔15的引 射蒸汽。逐級引射的第二級多管降膜塔15，引射蒸汽的作用方式與第一級多管降膜塔18相 同、只是氣液相的溫度和濃度不同，通過氣液分離室14，90 1301含氯化氫10% 15%的 水蒸汽全部作為引射蒸汽進入第三級多管降膜塔12，氯離子濃度5% 10%的磷酸二氫鉀 溶液則通過循環泵16加壓循環進入15。逐級引射的第三級多管降膜塔12，引射蒸汽的作 用方式與第一級多管降膜塔18也相同，通過分離室11進行氣液分離，70 110°C含氯化氫 22 % 30 %的水蒸汽混合氣作為濃鹽酸及精制氯化氫氣體產品的原料輸出，氯化鉀和稀磷 酸混合液則通過循環泵13加壓循環進入12。原料固體氯化鉀和稀磷酸連續加入分離室11的液相空間，加料比按H3PO4 KCL 摩爾比1.2 1.3。原料氨氣從泵21的出口管上升段加入，加料比按H3PO4 NH3摩爾比 0. 6 0. 7。第三級溶液從循環泵13出口分支管計量加入第二級氣液分離室14，第二級溶液 從循環泵16出口分支管計量加入第一級氣液分離室17，第一級溶液從循環泵19出口分支 管計量加入循環泵21的進口管，逐級加料計量依據是PO4-3的摩爾數相等。第一級溶液循環泵19出口分支管計量輸出的溶液含水45% 60%，含氯離子濃 度低于1%，可以直接生產磷酸二氫鉀。從第二級多管降膜塔15的管外密閉空間排出的氯化氫濃度低于5%的冷凝液級 稀鹽酸總質量與第一級氣液分離室17產生的蒸汽總質量之比為0. 25 0. 35，該稀鹽酸用 于精制氯化氫氣體。加入稀磷酸的濃度不低于28%。使用0.5MPa加熱蒸汽的量根據稀磷酸濃度而變， 其依據是蒸汽總量為稀磷酸含水量的1. 0 1. 2倍。從磷酸鉀銨溶液蒸發濃縮單元20輸 出的溶液含PO4-3的摩爾數與加入的稀磷酸相等，溶液含水20% 25%。氣液分離室11、14、17和蒸發濃縮單元20有效液相空間的容積根據裝置生產負荷 確定，依據是使料液平均停留時間為40 60分鐘。蒸汽引射多管降膜塔12、15、18的降膜 管徑36 50mm，長度6 8m，管數根據溶液循環量確定，依據是每100m3/h對應150 260 根。溶液循環量根據循環泵對應的有效液相空間容積確定，依據是使該容積的溶液平均每 小時循環10 15次。為實施上述方法而設計的蒸汽引射多管降膜塔12、15、18具有相同的結構和工作 原理，其結構包括上部的氣液分布器和下部的普通市售多管石墨換熱器兩部分，如圖1所 示，上下兩部分由設備法蘭8連接并密封。蒸汽由氣液分布器管口 1進入錐形室2通過布 氣板3分布到直徑20 36mm的蒸汽引射管4，每根引射管對應一根石墨降膜管，軸線同心，引射管下端部與石墨降膜管的上管口垂直距離c與石墨換熱器公稱直徑Dn之比為0. 04 0. 06 ；循環溶液由氣液分布器管口 6進入引射管的管外布液室7，通過其下方布液板5的開 孔與引射管之間的環形截面往下沿引射管外壁流入石墨降膜管口 ；布液板5與石墨降膜管 的上管口垂直距離b與石墨換熱器公稱直徑Dn之比為0. 1 0. 15 ；布氣板3與石墨降膜 管的上管口垂直距離a與石墨換熱器公稱直徑Dn之比為0. 6 0. 8 ；錐形室2、布氣板3和 布液室7通過法蘭連接并密封。本發明具有以下有益效果1、本發明將固體氯化鉀、濃度不低于28%的稀磷酸和氨氣三種原料直接轉化成含 水20% 25%的磷酸鉀銨溶液和含氯化氫22% 32%的水蒸汽混合氣作為濃鹽酸及精制 氯化氫氣體產品的原料，工藝集成度高，物質利用率高。2、本發明充分利用溶液蒸發濃縮余能產生的二次蒸汽多級抽提反應物系氯化氫 氣體，反應物系溫度隨反應進程而上升，促進了反應速度和氯化氫的析出，產物磷酸鉀銨溶 液氯離子濃度低于1%，且工藝能耗低。
圖1是本發明所述蒸汽引射多管降膜塔的氣液分布器結構示意圖；圖2是本發明所述多級蒸汽引射制備磷酸二氫鉀和磷酸鉀銨的一種工藝流程圖；圖中，1-氣液分布器蒸汽進口、2-錐形布氣室、3-布氣板、4-蒸汽引射管、5-布液 板、6-氣液分布器溶液進口、7-引射管外布液室、8-連接法蘭、9-石墨降膜管、10-石墨換熱 器、11-第三級氣液分離室、12-第三級蒸汽引射多管降膜塔、13-第三級循環泵、14-第二級 氣液分離室、15-第二級蒸汽引射多管降膜塔、16-第二級循環泵、17-第一級氣液分離室、 18-第一級蒸汽引射多管降膜塔、19-磷酸二氫鉀溶液循環泵、20-磷酸鉀銨溶液蒸發濃縮 單元、21-磷酸鉀銨溶液循環泵具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明所述多級蒸汽引射制備磷酸二氫 鉀和磷酸鉀銨的方法與裝置作進一步說明。本實施例流程如圖2所示，使用32%的稀磷酸10t/h，含量95%以上的固體氯化鉀 2t/h，0. 8MPa 壓力的氨氣 0. 4t/h，0. 5MPa 加熱蒸汽 5t/h。從磷酸二氫鉀溶液循環泵19的出口分支管計量引出約llt/h溶液匯合于磷酸鉀 銨溶液循環泵21的進口管，并將0. 4t/h氨氣加入泵21的出口管，氣液混合反應形成磷酸 鉀銨溶液并升溫到約150°C在蒸發濃縮單元20蒸發，輸出水含量約25%的磷酸鉀銨溶液 6. 2t/h。蒸發濃縮單元20輸出的5t/h 二次蒸汽全部引入多管降膜塔18，在降膜管9內形 成液膜表面與蒸汽相間傳質使氯化氫從液相進入蒸汽相，在氣液分離室17內兩相分離，氯 離子濃度低于的磷酸二氫鉀溶液通過循環泵19加壓循環、約130°C含氯化氫約4%的 水蒸汽約4. 8t/h則進入第二級蒸汽引射多管降膜塔15下部管外密閉空間，與該處200 300mm液層高度、120°C、氯化氫濃度約4%的冷凝液鼓泡傳質后沿降膜管9的外壁上升并繼 續發生部分冷凝，剩余約4. Ot/h引射蒸汽進入第二級多管降膜塔15與第二級循環溶液進 行氣液傳質，通過氣液分離室14，氯離子濃度約8%的磷酸二氫鉀溶液通過循環泵16加壓 循環并輸送約11. lt/h到第一級氣液分離室17，100°C含氯化氫14%的水蒸汽約4. 2t/h則 全部作為引射蒸汽進入第一級多管降膜塔12，與第一級循環溶液進行氣液傳質，通過氣液分離室11，氯離子濃度約14%的原料混合溶液通過循環泵13加壓循環并輸送約11. 5t/h 到第二級氣液分離室14，80°C含氯化氫26%的混合氣體約4. 2t/h則全部輸出系統。從第 二級多管降膜塔15輸出的氯化氫濃度約4%的稀鹽酸約1. 2t/h。
權利要求
一種多級蒸汽引射制備磷酸二氫鉀和磷酸鉀銨的方法，其特征在于以反應生成磷酸鉀銨溶液蒸發濃縮產生的二次蒸汽為介質，逐級引射抽提氯化鉀和磷酸液相中和反應產生的氯化氫氣體，使磷酸二氫鉀溶液殘留氯離子濃度降低到生產無氯三元復合肥要求；反應生成磷酸鉀銨溶液，是將部分磷酸二氫鉀溶液與磷酸鉀銨溶液通過循環泵混合并在循環泵出口管路引入一定量的氨氣，氣液混合反應形成磷酸鉀銨溶液。磷酸鉀銨溶液的蒸發濃縮，是反應生成的磷酸鉀銨溶液接受蒸汽加熱和與氨氣的反應熱，在140～170℃溫度下蒸發，產生二次蒸汽；逐級引射抽提氯化鉀和磷酸液相中和反應產生的氯化氫氣體，第一級引射是將磷酸鉀銨溶液蒸發的二次蒸汽全部由蒸汽引射管以20～30m/s速度引入第一級多管降膜塔形成多管降膜氣液傳質，使氯化氫從液相進入蒸汽相，在第一級氣液分離室兩相分離，120～150℃含氯化氫3％～5％的水蒸汽進入第二級蒸汽引射多管降膜塔的管外密閉空間部分冷凝降低氣相HCl濃度至低于2％、溫度110～140℃作為第二級多管降膜塔的引射蒸汽，與第一級相同的方式使氯化氫從液相進入蒸汽相，通過第二級氣液分離得到90～130℃含氯化氫10％～15％的混合氣體作為第三級多管降膜塔的引射蒸汽，通過第三級氣液分離得到70～110℃含氯化氫22％～30％的水蒸汽混合氣作為濃鹽酸及精制氯化氫氣體產品的原料輸出；與氣相HCl濃度對應的液相氯離子濃度，第一級低于1％、第二級5％～10％、第三級10％～15％；上述步驟形成連續進出料的循環系統。
2.一種蒸汽引射多管降膜塔，其特征在于包括上部的氣液分布器和下部的多管石墨 換熱器兩部分，上下兩部分由設備法蘭連接并密封，引射蒸汽由布氣板3分布到直徑20 36mm的蒸汽引射管，每根引射管對應一根石墨降膜管，軸線同心，引射管下端部與石墨降膜 管的上管口垂直距離與石墨換熱器公稱直徑之比為0. 04 0. 06 ；循環溶液由引射管外布 液室通過其下方布液板的開孔與引射管之間的環形截面沿引射管外壁流入石墨降膜管口， 布液板與石墨降膜管的上管口垂直距離與石墨換熱器公稱直徑之比為0. 1 0. 15 ；布氣板 與石墨降膜管的上管口垂直距離與石墨換熱器公稱直徑之比為0. 6 0. 8 ；錐形布氣室、布 氣板和布液室通過法蘭連接并密封。
全文摘要
一種多級蒸汽引射制備磷酸二氫鉀和磷酸鉀銨的方法與裝置，以磷酸鉀銨溶液蒸發濃縮產生的二次蒸汽為介質，逐級引射抽提氯化鉀和磷酸液相中和反應產生的氯化氫氣體，提高反應速度和產物磷酸二氫鉀的純度；磷酸鉀銨溶液在140～170℃溫度下蒸發，產生二次蒸汽全部由蒸汽引射管以20～30m/s速度引入第一級多管降膜塔形成多管降膜氣液傳質，使氯化氫從液相進入蒸汽相形成120～150℃含氯化氫3％～5％的混合蒸汽進入第二級蒸汽引射多管降膜塔，抽提液相氯化氫形成90～130℃含氯化氫10％～15％的混合氣體，作為第三級多管降膜塔的引射蒸汽進一步抽提液相氯化氫形成70～110℃含氯化氫22％～30％的水蒸汽混合氣作為濃鹽酸及精制氯化氫氣體產品的原料輸出；與氣相HCl濃度對應的液相氯離子濃度，第一級低于1％、第二級5％～10％、第三級10％～15％；反應物系溫度隨反應進程而上升，促進了反應速度和氯化氫的析出，產物磷酸鉀銨溶液氯離子濃度低于1％，且工藝能耗低。
文檔編號C05G1/00GK101928165SQ20091005976
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者朱德浩 申請人:朱德浩