兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要本设计为年产35万吨硝酸磷肥工艺初步设计，本设计从硝酸磷肥的发展概貌开始先论述，了解了生产硝酸磷肥的必要性，然后对其生产方法进行了简述和论证，最后选择了直接冷冻生产法。根据此法的工艺流程，对整个装置进行了物料衡算和能量衡算，并在物料和能量衡算的基础上对主要设备进行了设计及选型，给出了带控制点的工艺流程图和主体设备装备图，同时对本流程的“三废”治理和生产过程的安全问题作了相关论述。关键词：硝酸磷肥；冷冻结晶；磷酸一铵AbstractThe design of the annual output of 35 kt of nitric acid phosphorus, the design process preliminary design future development of phosphate from nitric acid and basic properties, the paper understand the necessity of phosphate production nitric acid of its production method firstly, and through brief and argument to choose frozen production method. According to the chosen process, the materials of the entire process and energy were calculated, on the basis of mass and energy calculation,the main equipments of the process and piping and instrument diagram were designed.At last the relevant three wastes treatment were discussed and selection.Key words: nitro-phosphate；freezing crystallization； mono-ammonium phosphate2独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一年九月二十日目录1. 综述11.1 硝酸磷肥的发展概貌11.2 硝酸磷肥的重要性11.3 硝酸磷肥的生产方法21.3.1 混凝法21.3.2 冷冻法31.4 “三废”治理及存在的环境风险92. 工艺条件的确定113. 工艺计算143.1 物料衡算143.1.1 反应器物料衡算143.1.2 结晶器物料衡算163.1.3 中和段物料衡算173.1.4 浓缩段物料衡算193.1.5 干燥段物料衡算203.2 能量衡算203.2.1 反应器能量衡算213.2.2 中和段能量衡算233.2.3 浓缩段能量衡算253.2.4 干燥段能量衡算264. 主要设备的计算及选型284.1 中和反应器284.1.1 已知条件284.1.2 中和槽基本尺寸计算284.1.3 中和槽搅拌桨计算284.1.4 中和器温度与压力294.1.5 厚度计算294.2 浓缩蒸发器304.2.2 传热面积计算304.2.3 管数计算304.2.4 加热器外壳内径D外304.2.5 闪蒸室计算314.3 干燥器324.3.1 已知数据324.3.2 筒体直径计算324.3.3 筒体长度L334.3.4 筒体转速n334.3.5 功率N（马力）345. 辅助设备设计365.1储罐365.2 泵366. 总结387. 致谢398. 参考文献40II兰州交通大学毕业设计（论文）1. 综述1.1 硝酸磷肥的发展概貌硝酸磷肥工艺技术1908年由俄罗斯学者普扬尼什柯夫和布利茨盖首先提出，许多学者也做了大量的研究工作。20世纪20年代后，德国率先生产出硝酸磷肥。1928年，挪威奥达公司成功地开发了冷冻法硝酸磷肥工艺奥达（Odda）法。在此基础上，出现了许多冷冻法的改良流程和其他生产硝酸磷肥的工艺。20世纪五六十年代，因世界硫资源紧张，以硫酸为主要原料的高浓度磷复肥工业发展没受到限制，而硝酸磷肥在合成氨装置大型化的有力推动下得到了迅速发展。我国在20世纪50年代后期开始硝酸磷肥工艺的研究，上海化工研究院在工艺过程方面做了很多工作，并于19631965年进行了碳化法生产硝酸磷肥的中间试验，1968年前后进行了硝酸-硫酸法生产NPK三元肥的研究，1972年起上海化工研究院进行了冷冻法硝酸磷肥生产工艺的研究及中间试验工作。1974年原化学工业部组织了3000ta硝酸磷肥中间试验装置的建设，采用间接冷冻工艺。此装置于1976年底在南化集团公司磷肥厂建成并开始进行中间试验，1979年五月“冷冻法硝酸磷肥中间试验”通过原化工部组织的技术鉴定。我国开始了硝酸磷肥装置的开发与引进工作。1.2 硝酸磷肥的重要性现代科学研究肯定，植物在生长发育过程中，一般都需要吸收碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、硼、锌等多种元素作为它的“粮食”。其中需要从外界吸取的量最大的为氮、磷、钾。而一般土壤中氮磷钾的含量远不够供应，必须通过施肥来补充，故通常称氮、磷、钾做为肥料的“三要素”。氮素，是植物细胞蛋白质的重要组成部分，而蛋白质又是一切生命过程的物质基础。因此，没有氮素，就没有蛋白质，也就没有生命。同时，氮素又是植物叶绿体的重要成分，缺乏氮素，叶绿素含量就会减少，光合作用就会显著降低，氮素营养如能满足需要，植物就会长得植株高大、枝条粗壮、茎叶繁茂。反之，氮素若供应不足，植株就会矮小瘦弱，夜色黄绿，籽粒不饱满，所以，在施肥过程中，必须要增施氮肥，不过，氮肥也不能偏施过多。如果偏施过多，也会引起植物疯长和易感染病虫危害，果实成熟期也会推迟。磷对促进植物细胞的分裂和增殖有重要的作用，同时，磷对蛋白质的合成，糖和淀粉的转化等都有直接作用。此外，磷也是植物体内一些酶的重要组成部分，这些含磷的酶对植物体内物质的转化、运输和贮藏有很大的作用，所以磷素充足，能促进酶的活动旺盛，有利于植物从营养生长顺利地转入生殖生长。而且，合理的满足植物对磷的需求，可以有效地促进根系的发达，增强植物吸收和利用土壤中各种养分的能力，加速生长发育，提高抗寒、抗病、抗旱的性能，提高果实成熟。综上所述，氮磷对植物的生长发育有着非常的重要的作用，而氮磷通常是通过施肥被植物吸收的，所以硝酸磷肥的生产是很重要的。1.3 硝酸磷肥的生产方法世界上建设的硝酸磷肥装置主要采用“冷冻法”和“混凝法”。1.3.1 混凝法(1)简述常见的混凝法有硝酸硫酸法与磷酸硝酸法两种，此外还有硝酸硫酸盐法、碳化法、溶剂萃取法等。硝酸硫酸法是先加硝酸分解磷矿，再加硫酸结晶除钙。此法又有石膏分离与不分离两种。磷酸硝酸法是先加硫酸制取湿法磷酸，后加硝酸。当溶液用氨中和时，生成的产品中其氮磷比完全取决与磷酸中P2O5的加入量，也可在分解磷矿或通氨中和时加入过量的硝酸，使硝酸和氨生成硝酸铵。(2)混凝法生产硝酸磷肥装置工艺装置分湿线和干线两部分，湿线包括一段酸解、结晶沉淀、石膏过滤、二段酸解、中和、蒸发。造粒、干燥和成品冷却等。其工艺流程图如图1所示一段酸解结晶过滤喷浆造粒干燥冷却二段酸解中和真空硝酸 磷矿 硫酸 洗水 石膏 硝酸 气氨 磷矿成品图1 混凝法生产硝酸磷肥工艺流程图1.3.2 冷冻法(1)冷冻法硝酸磷肥的发展概貌早在1928年，挪威的奥达公司的约翰森提出了一种冷冻法生产硝酸磷肥的流程，即将磷矿的硝酸分解液用液氨气化所产生的冷量冷却至-1015，以使分解液中的大部分硝酸钙成为四水结晶析出，用离心机分离，然后将母液氨化中和，可制成含有90%水溶性磷的氮磷复合肥料，这是冷冻法最初发展时的原始流程，后来在冷冻温度、冷却方式、产品中磷的水溶率以及副产品的加工方法等方面分别有所改进，因而产生了挪威的挪斯克、荷兰的D.S.M法。西德的好埃区斯特乌德法和捷克人发明后来由法国人获得专利的卡吞巴赫-许兹法，在这些改良的冷冻法中，现在采用较多的是挪斯克法 ，这是一个间壁冷冻分解液的方法，它采用的冷冻温度为-5，这样可使磷的水溶率增加到8085&，另外在复肥造粒钱加入氯化钾，亦可制成氮磷钾三元复合肥料，这一流程副产硝酸钙，可采用氨和二氧化碳处理使生成的硝酸钙和不溶行性的碳酸钙：Ca()4+2+2将不溶性碳酸钙沉淀分离后，得到硝酸铵母液可加到原来分离掉硝酸钙的母液中，以调节最终产品的氮磷比，此流程的特点是产品成分的灵活性，即N;的含量可在交大范围内变动。(2)冷冻结晶冷冻法制硝酸磷肥，冷冻结晶过程是一个关键的工序，冷冻程度的不同，分解液中硝酸钙除去的数量也不同，因而产品中水溶性磷的含量也不同，对于化学纯的原料，除去硝酸钙母液中（分子比）与氨化后成品中的水溶率之间的关系如图2所示:水溶性P2O5总P2O5理论Ca/P2O5（分子比）（除去Ca(NO3)24H2O结晶后）图2 氨化产物中（分子比）和水溶率的关系由图可见，当母液中（分子比）为2.0时，最终成品中无水溶性磷，即其中的磷酸盐全部为枸溶性的磷酸二钙（）；当（分子比）进一步降低，磷的水溶率逐步增高，即氨化后可有一部分水溶性的磷酸一铵存在；如当（分子比）为1.0时，将有50%的为水溶性的；而当硝酸钙完全脱除时，（分子比）为0，则将全部成为水溶性的，此图表示溶液中没有其他杂志存在下的结果但一般磷矿中均含有氟、铁铝、镁甚至有时还有硫酸盐这些杂质均能与或结合，在氨化时生成不溶性的盐类，故在实际生产中，图中的线条的位置将略微向右移动，移动的程度则决定于磷矿中杂质的种类和含量的情况，因此图中线条表示的关系，仅可作一般的参考，也就是说除钙率和的水溶率的大致关系是成正比的直线关系。既然分解液中硝酸钙的脱除程度直接影响最终产品的组成和质量，则影响硝酸钙结晶的因素就是对冷冻结晶过程需要加