книги из ГПНТБ / Попов, Н. П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений [учебное пособие]

Твердые вещества, содержащиеся в упаренной кислоте (50— 54% Р 20 5), состоят из смеси изолированных однозамещенных орто­ фосфатов железа, алюминия и кальция.

От того, сколько примесей содержится в сырье и в экстракцион­ ной кислоте, зависит, до какой конечной концентрации ее можно довести. Кислоту с 53—55% Р 20 6 можно получить из относительно мало загрязненных фосфатов — апатитового концентрата или обога­ щенных высокосортных фосфоритов.

Кислота, полученная из низкокачественного фосфорита и упарен­ ная до 40—45% Р 20 5, может после охлаждения превратиться в гу­ стую камнеобразную массу. Кислоту из необогащенных фосфоритов Каратау можно упаривать только до 37—48% Р 20 5, а при дальнейшем концентрировании получается весьма вязкая загустевающая масса. Дело в том, что в этой кислоте содержится довольно много солей магния, в том числе кремнефторида. При температуре выше 80 °С он разлагается, и образуются очень мелкие, а потому трудно осе­ дающие кристаллы фторида магния — они-то и дают такой эффект.

По мере увеличения концентрации фосфорной кислоты возра­ стает давление пара растворенной в ней кремнефтористоводородной кислоты H2SiFe и значительная ее часть удаляется в виде смеси четырехфтористого кремния SiF4 и фтористого водорода HF. При выпаривании кислоты до 55—57% Р20 5 в газовую фазу удаляется 85—90% содержащегося в ней фтора.

Соотношение между SiF4 и HF в газах зависит от состава сырья, условий выпаривания и абсорбции отходящих газов. Избыток SiF4 гидролизуется в промывном растворе; выделяющийся кремнезем забивает коммуникации и оборудование.

Выпаривание в аппаратах поверхностного типа

На ряде химических заводов концентрируют экстракционную фосфорную кислоту, полученную из апатитового концентрата, в ва- куум-выпарных установках французской фирмы «Спейшим». Проект­ ная производительность одной установки, в состав которой входят три одинаковых параллельно работающих вакуум-выпарных аппарата, по Р20 5 340 т/сутки, по выпаренной воде 16,83 т/ч (при концентри­ ровании фосфорной кислоты от 32 до 54% Р 20 5).

При пуске установок выявились следующие основные недостатки.

1.Происходила интенсивная коррозия пластинчатых теплообмен­ ников (как по швам, так и по основному металлу) и крышек тепло­ обменных пучков в верхней части трубок поверхностных конденса­ торов, выполненных из стали типа 0Х23Н28МЗДЗТ.

2.На греющих поверхностях пластинчатых теплообменников откладывалась накипь, а промежутки между пластинами были забиты рыхлым осадком (сульфат кальция, кремнефториды натрия, калия и фосфаты полуторных окислов).

3.Из испарителей вместе с паром уносилось столько фосфорной кислоты, что в промывных башнях получалась кремнефтористоводо­ родная кислота с увеличенным содержанием Р20 5 (0,5—0,7%).

30

Пришлось пластинчатые теплообменники из нерзкавеющей стали заменить на теплообменники из графитовых блоков, а число оборотов осевого циркуляционного насоса увеличить (с 700 до 1000 об/мин). Для очистки сокового пара от брызг фосфорной кислоты после испа­ рителей вакуум-выпарных аппаратов установлены центробежные брызгоотделители. Верхнюю часть и трубчатку поверхностных кон­ денсаторов выполнили из отечественной стали 0Х23Н28МЗДЗТ. Для предотвращения забивки теплообменника, в циркуляционном контуре установили ловушку.

Рис. 7. Модернизированная вакуум-выпарная установка фирмы «Спейшим» (Франция):

9 — двухступенчатое вакуум-эжекторное устройство; 10 — барометрический затвор.

На рис. 7 показана схема одного вакуум-выпарного аппарата после модернизации установки.

Исходная фосфорная кислота (28—30% Р 20 5, 2,0—3,8% S03, 1,57—1,73% F) поступает в выпарной аппарат через подъемную трубу между теплообменником 1 и испарителем 2. Упаренная ки­ слота (51—53% Р 20 5, 3,7—4,4% S03, 0,6—0,8% F) выводится из испарителя самотеком в хранилище. Температура кислоты в испари­ теле 85—90 °С.

В вакуум-выпарном аппарате с графитовым теплообменником 1, обогреваемым паром (избыточное давление 2,5 ат), интенсивная цир­ куляция кислоты осуществляется осевым циркуляционным насосом 3. Вакуум в аппарате создается двухступенчатым пароэжекторным устройством. Отсасываемый из испарителя 2 соковый пар очищают от капель фосфорной кислоты в центробежном брызгоуловителе 4 и от фтористых соединений — в промывной башне 7, орошаемой 10—12%-ной кремнефтористоводородной кислотой.

31

Очищенный роковый пар конденсируется в поверхностном кон­ денсаторе 8.

В состав вакуум-выпарного аппарата входят гуммированный испаритель-сепаратор (диаметр 3350 мм, высота 6300 мм), графитовая греющая камера (диаметр 1150 мм, высота 5590 мм) и осевой цирку­ ляционный насос, выполненный из хастеллоя и стали типа 0Х23Н28МЗДЗТ.

Скорость сокового пара в испарителе 3,6—4,0 м/с. Греющая камера с общей поверхностью теплообмена 228,0 м2 (308 проход­ ных каналов диаметром 35 мм) состоит из 13 графитовых блоков. Скорость кислоты в каналах теплообменника 2,7 м/ч. Производи­ тельность осевого циркуляционного насоса 3000 м3, напор 3,2 м кислоты, скорость вращения 1000 об/мин.

Брызгоотделитель диаметром 2800 мм и высотой 3700 мм гумми­ рован.

Гуммированная промывная башня (диаметр 3125 мм, высота 9000 мм) имеет цлотность орошения 34 м3/(м2*ч) и скорость соко­ вого пара 3,4—4,7 м/с. Орошение башни обеспечивается циркуля­ ционным насосом производительностью 265 м3/ч, напором 40 м ки­ слоты (мощность электродвигателя 74 кВт, скорость вращения

1450 об/мин).

Поверхностный конденсатор с плавающей головкой с поверх­

Внутренние поверхности баков, емкостей и трубопроводов гум­

мированы.

Вакуум-выпарная установка требует регулярной промывки и ме­ ханической .чистки поверхностей теплообмена графитового тепло­ обменника от накипи. Чистить теплообменники очень трудно из-за хрупкости графита. Промывают вакуум-выпарной аппарат 2—4%- ной кремнефтористоводородной кислотой в течение 8—12 ч через каждые 7—8 суток непрерывной работы.

Ниже приведены основные средние показатели. работы одного вакуум-выпарного аппарата (в каждой установке их три):

32

Приведенные значения коэффициентов теплопередачи условные, так как рассчитаны на всю поверхность теплообмена графитового теплообменника (228 м2). Как показывает опыт работы установки с ловушкой перед всасывающей линией циркуляционного насоса, проходные отверстия графитового теплообменника не забиваются осадками. Ранее, при работе без ловушки, через 3—4 месяца работы в теплообменниках было забито осадками 30—35% всех проходных отверстий.

Рис. 8. Вакуум-выпарная установка фирмы «Прайон» (Бельгия):

1 — графитовые теплообменники; 2 — испаритель; 3 — рециркуляционный бак фосфорной кислоты; 4 — циркуляционные насосы; 5 — насос; 6 — брызгоуловитель; 7 — промывные башни; 8 — барометрический конденсатор; 9 — двухступенчатое вакуум-эжекторное устройство; 10 — барометрический затвор; 11 — рециркуляционные баки; 12 — циркуляционные насосы кремне­

фтористоводородной кислоты.

Проектные показатели установки следующие:

Монтаж брызгоотделителей после испарителей выпарных аппара­ тов обеспечил получение 10—12%-ной кремнефтористоводородной кислоты с содержанием Р 20 5 в несколько раз меньшим, чем по проектным данным.

Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям производительность зарубежных вакуум-выпарных установок по Р20 6 в 1973 г. превышала проектную на 10—13%.

На рис. 8 показана схема вакуум-выпарной установки бельгий­

ность ее дана из расчета концентрирования фосфорной кислоты от 32 до 45% Р 20 6 при 22-часовой непрерывной работе.

Исходная фосфорная кислота поступает в рециркуляционный бак с мешалкой 3, смешивается с концентрированной кислотой и да­ лее циркуляционными насосами 4 подается с температурой 64 °С

вдва графитовых теплообменника 1, обогреваемых паром. Подогре­ тая в теплообменниках кислота поступает в испаритель 2, а оттуда снова возвращается в рециркуляционный бак. Температура кислоты

виспарителе 72 °С. Соковый пар после испарителя очищается от фто­ ристых соединений в трех последовательно соединенных промывных башнях 7, орошаемых кремнефтористоводородной кислотой. Далее обесфторенный соковый пар конденсируется в барометрическом кон­ денсаторе 8. Вакуум в установке (остаточное давление в испарителе 60 мм рт. ст.) создается двухступенчатым эжекционным устрой­ ством 9.

Для этой установки характерны громоздкий узел абсорбции фто­ ристых соединений, а также значительный расход мощности на циркуляцию фосфорной кислоты из-за большого гидравлического сопротивления теплообменников.

Длительное время вопросами проектирования и строительства вакуум-выпарных установок для концентрирования фосфорной кислоты занимаются французская фирма «Кестнер» и английская фирма «Пауэлл Даффрин Кемикл Энджиниринг». Принципиальные

34

\ ■'

схемы выпарных установок этих фирм аналогичны только что опи­ санным.

Эти выпарные установки позволяют выпаривать в одном аппарате до 240 т воды в сутки. В них в основном используются-графитовые трубчатые теплообменники. В связи с тем, что в процессе работы в теплообменниках образуется накипь, установки необходимо про­ мывать через каждые 4—6 дней (в течение 12 ч) равбавленной серной кислотой, которая затем возвращается в производство.

Далее приведены расходные показатели установок фирмы «Па­ уэлл Даффрин Кемикл Энджиниринг» на 1 т выпаренной воды:

Представляет интерес в новых зарубежных установках очистка сокового пара от фтористых соединений методом промывки кремне­ фтористоводородной кислотой в абсорберах, смонтированных в верх­ ней части испарителей. Такое конструктивное решение узла абсорб­ ции делает вакуум-выпарную установку более компактной при зна­ чительном снижении ее металлоемкости.-

Для всех вакуум-выпарных установок характерно, что кислота кипит только в испарителях, а не в теплообменниках. Однако опыт показывает, что даже при этих условиях на греющих трубках обра­ зуется накипь. В США разработаны и освоены в промышленном мас­ штабе вакуум-выпарные установки, в которых образование накипи на поверхностях теплообмена сведено к минимуму и непрерывная работа доведена до 30 дней. В этих установках используется метод накопления кристаллов накипеобразующего вещества в циркули­ рующей кислоте. Что это значит?

Установка для концентрирования фосфорной кислоты от 30 до 54% Р 20 5 состоит из трех последовательно соединенных вакуумвыпарных аппаратов с двухсекционными испарителями и принудиг тельной циркуляцией. В верхней секции каждого аппарата фосфор­ ная кислота концентрируется до определенной степени перенасыще­ ния, а в нижней — кристаллизуется, то есть перенасыщение сни­ мается при контакте с большим количеством центров кристаллизации, Кислота находится в нижней секции достаточно долго, чтобы снять перенасыщение, прежде чем она снова поступит в рециркуляционную систему. Содержание взвешенных кристаллов в ней 3—8% (95% кристаллов имеет размер 50 мкм). В каждой ступени установки осу­ ществляется стократная рециркуляция кислоты.

В США успешно эксплуатируются три промышленные вакуумвыпарные установки с кристаллизацией накипеобразующих приме­ сей. На одной из этих установок количество такой кислоты в отдель­ ных ступенях составляет 2750—4070 м3/ч. Ориентировочная произ­ водительность установки по Р 20 5 360 т/сутки, по выпаренной воде 22 т/ч. Это дальнейший шаг в усовершенствовании оборудования для

концентрирования фосфорной кислоты. Установки должны полу­ чить широкое распространение за рубежом при строительстве новых и реконструкции старых заводов минеральных удобрений.

Фирма «Кестнер» предлагает вакуум-выпарную установку, в ко­ торой используется тепло, выделяющееся при гидратации серной кислоты и тепло абсорбируемого ею сокового пара. Концентрирова­ ние фосфорной кислоты от 30 до 50% Р20 5 и разбавление серной кис­ лоты от 98,5 до 71,3% можно проводить без расхода пара.

Рис. 9. Двухступенчатая установка для концентрирования фосфорной кислоты в вакуум-выпарных аппаратах с рециркуляцией пульпы (шлама):

1 — 4 — насосы; 5 — питательный бак-отстойник; в — первая ступень выпарки; 7 — вторая ступень выпарки; 8 — центрифуга.

На ряде заводов фосфорной кислоты (стадия экстракции) в на­ стоящее время применяют 70—75%-ную серную кислоту, получа­ емую разбавлением 98,5%-ной, при этом теплота гидратации не утилизируется.

На рис. 9 представлена схема выпаривания фосфорной кислоты с рециркуляцией пульпы. Она позволяет получить осветленный готовый продукт. Для этого из упаренной кислоты отделяют на цен­ трифуге 8 нерастворимые частицы, возвращают их в отстойникпитатель 5, куда подают поступающую на концентрирование исход­ ную кислоту. Шлам из отстойника перекачивают на вакуум-фильтр, а жидкость — в выпарной аппарат.

Известны результаты двухгодичной работы трехступенчатой ва- куум-выпарной установки с производительностью по Р20 5 475 т/сутки. Исходная фосфорная кислота содержала 32—40% Р 20 5 и 3—12% твердых частиц, концентрированная — 54% Р20 5 и 5—18% твердых частиц. Осветленная кислота содержала 0,6% твердых частиц. Некоторое количество шлама из центрифуги, содержащего 6—35% твердых частиц, рециркулировало в питательный бак (в качестве

36

зародышей кристаллизации). Остальной шлам направляли непо­ средственно в экстрактор. Продолжительность работы между цик­ лами промывки, длившейся -8. л, составляла: для первой и третьей ступени — 400 ч, для второй — 300 ч.

Чтобы при хранении продукционной фосфорной кислоты после центрифугирования не осаждались примеси, ее в течение 10—15 мин нагревают при 120—150 °С под изт быточным давлением 2—5 ат, не допуская концентрирования. Затем, для предотвращения коррозии, кис­ лоту охлаждают до 50—70 °С. Из об­ работанной таким образом кислоты шлам не выделяется при перевозке и хранении в течение 2—4 месяцев.

Инкрустация греющей поверх­ ности существенно уменьшается при регулировании кристаллизации вы­ деляющихся примесей. Для этого в циркуляционный контур вакуумвынарных аппаратов включают спе­ циальную емкость для кристалли­ зации основной массы примесей и укрупнения их частиц.

Вакуум-выпарной аппарат с кри­ сталлизатором (рис. 10) состоит из испарителя, кристаллизационной ка­ меры, циркуляционного насоса и noJ догревателя. Исходную фосфорную кислоту вводят через циркуляцион­ ную трубу, откуда в смеси с пуль­ пой, поступающей из кристаллиза­ тора 3, направляют через подогрева­ тель 4 в нижнюю часть испарителя 2. В подогревателе примеси частично

выделяются В виде зародышевых кристаллов И во взвешенном С О С Т О Я -

г \ г

нии поступают в испаритель. Образовавшиеся водяные пары отводятся

в конденсационную систему. Сконцентрированный раствор стекает из испарителя по центральной циркуляционной трубе в кристаллизатор. Здесь кристаллизация продолжается на ранее выпавших зароды­ шах , в результате чего примеси выделяются в виде крупных кристал­ лов. По мере роста кристаллы опускаются на дно аппарата, откуда их выводят и отфильтровывают от кислоты. Для этого из кристал­ лизатора отводят на фильтр часть пульпы.

Влажные кристаллы возвращают в экстракторы разложения фосфата для использования уносимой ими фосфорной кислоты. Основную массу пульпы отводят из кристаллизатора и после смеше­ ния с исходной кислотой вновь возвращают в цикл.

Процесс осуществляют как на одноступенчатых, так и на много­ ступенчатых установках. Производительность установки из трех пос­ ледовательно соединенных аппаратов по Р 20 5 составляет 360 т/сутки, а по выпаренной воде 22 т/ч. Подобная система может работать непрерывно 30 суток до остановки для удаления отложений, что сни­ жает простои и увеличивает срок службы аппаратов.

Капиталовложения в вакуум-выпарной аппарат с кристаллиза­ тором на 25% больше, чем в обычный. Но это увеличение затрат окупается уменьшением продолжительности остановок для очистки и облегчением операций хранения продукционной кислоты и ее

На упаривание кислоты от 30 до 54% Р2Об расходуется (в расчете на 1 т Р 20 5 и в зависимости от производительности) 10—15 кВт-ч электроэнергии, 1,8—1,9 т пара и 40—75 м3 воды с начальной тем­ пературой 18 °С.

В США для получения полифосфорной кислоты используется ряд промышленных вакуум-выпарных установок, схемы которых не приводятся, так как они аналогичны схемам, показанным на рис. 8 и 9.

Для концентрирования фосфорной кислоты до 70—72% исполь­ зован Обычный выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и обогревом теплообменника паром под давлением 30 ат. Произво­ дительность установки по Р 20 5 97 т/сутки, по выпаренной воде

1,75 т/ч.

Работает также пленочный вакуум-выпарной аппарат для полу­ чения 68—70%-ной полифосфорной кислоты производительностью 200 т Р 20 5 в сутки или 3,8 т выпаренной воды в час (рис. И ). Кон­ центрируется кислота в тонком слое, стекающем по трубчатому теплообменнику, обогреваемому паром под давлением 30 ат. Исход­ ная экстракционная фосфорная кислота поступает в рециркуляцион­ ный бак 6 и смешивается с концентрированной кислотой, выходящей из выпарного аппарата 5. Затем часть кислоты из рециркуляционного бака подается в выпарной аппарат, а другая часть отбирается в ка­ честве готового продукта и далее направляется на охлаждение в хра­ нилище 14. Остаточное давление в аппарате в зависимости от темпе­ ратуры воды в барометрическом конденсаторе 8 находится в преде­ лах 38—63 мм рт. ст.

Фирма «Свенсон» (США) поставляет вакуум-выпарные установки для получения полифосфорной кислоты (72% Р 20 5) производитель­ ностью 50—150 т Р 20 5 в сутки или 1—3 т выпаренной воды в час. Эти установки работают по следующей схеме.

Очищенная исходная экстракционная фосфорная кислота по­ дается в вакуум-выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, теплообменник которого обогревается вместо пара высокотемпера­ турным теплоносителем. Полифосфорная кислота выводится из выпар­

38

ного аппарата в бак с охлаждением, а оттуда перекачивается в хра­ нилище. Соковый пар из испарителя отводится в барометрический конденсатор, соединенный с пароэжекционной установкой. Перед барометрическим конденсатором установлены абсорбционные устрой­ ства для улавливания фтористых соединений.

Преимущество этой установки в том, что не требуется пар высо­ кого давления, а теплообменник, работающий при низком давлении, менее громоздок и металлоемок.

Вода

Рис. 11. Схема производства полпфосфорной кислоты в пленочном вакуум-выпарном аппарате:

рический сборник; 11 — пенный абсорбер; 12 — холодильник; 14 — храни­ лище полифосфорной кислоты.

Общий недостаток вакуум-выпарных аппаратов — необходи­ мость использовать пар высокого давления (30 ат) или же высокотем ­ пературный теплоноситель. В связи с этим заслуживает внимания способ концентрирования фосфорной кислоты при остаточном давле­ нии в выпарном аппарате 5 мм рт. ст. Это позволяет использовать

вкачестве теплоносителя пар с избыточным давлением не более 10 ат. При этом теплообменник более устойчив в коррозионном от­ ношении. Для получения в аппарате указанного вакуума необходимо

вобычной выпарной установке с принудительной циркуляцией вместо барометрического конденсатора использовать абсорбер с ре­ циркулирующей серной кислотой для поглощения водяных паров.

Пример расчета вакуум-выпарного аппарата приведен в приложе­

нии (стр. 108).

39