CN100417629C - 磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磷铵料浆反应—浓缩蒸发器布置方法，磷铵料浆反应—浓缩蒸发器按磷铵料浆的处理工艺流程反应闪蒸、一效蒸发、二效蒸发依次设置，其中处于负压操作的二效蒸发器(R2)内的液面液位高于处于正压操作的反应闪蒸器(R1)与一效蒸发器(R3)内的液面2000～5000mm，磷铵料浆反应—浓缩蒸发器空间整体成中间高两头低布置。磷铵料浆反应—浓缩蒸发工段的设备采用本发明公开的布置方法进行布置，磷铵料浆反应—浓缩蒸发器内的液位具有自协调功能，对三个反应-蒸发器之间的过料流量无需进行控制，只需要对反应闪蒸器的液位高度进行控制，全系统液位即随之自动协调。

Description

磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法

一、技术领域

本发明涉及磷铵生产中的氨化反应-浓缩技术，更具体地说，是涉及磷铵生产中的磷铵料浆中和反应-浓缩蒸发工段的设备布置设计技术。

二、背景技术

1990年前后成都科技大学与四川银山磷肥厂合作开发的中和料浆浓缩法30kt/a磷铵生产装置在全国得到普遍推广，2000年以来成套装备及大型化技术不断进步，2002年由四川大学与贵州宏福实业开发有限总公司合作，在瓮福磷肥厂建成了中国第一条200kt/a粉状磷酸一铵(MAP)生产线，并且首次实现了全流程计算机集散自动控制。在磷铵生产中实现全流程自动控制，其中反应-浓缩车间的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器内的液位的协调控制，即反应闪蒸器(R1)、二效蒸发器(R2)和一效蒸发器(R3)的液位协调控制是全流程自动控制的重要内容，关系到系统的生产稳定与安全，而磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的液位协调控制又与磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的布局设计密切相关。现有技术的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的布局，一般是将作为正压操作的反应闪蒸器(R1)和作为负压操作的二效蒸发器(R2)设置在同一楼层，使其液面具有相同的液位，而将一效蒸发器(R3)设置在下一楼层，具有较低的液位。也有将反应闪蒸器(R1)、二效蒸发器(R2)和一效蒸发器(R3)设置在同一楼层，具有相同的液位。反应闪蒸器(R1)和二效蒸发器(R2)的液位信号检测采用普通差压式液位传感器，一效蒸发器(R3)由于浓磷铵料浆粘稠及易凝结固化，采用非接触式导纳液位探测器。计算机集散自动控制系统(DCS)根据检测到的三个液位信号，调节反应闪蒸器、二效蒸发器和一效蒸发器之间的进料阀与出料阀的开度，实施液位控制。现有技术的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的这种布局，其存在的不足在于，一旦出现操作不当，就会出现正压操作的反应闪蒸器(R1)内的液位被作为负压操作的二效蒸发器(R2)抽空，导致事故发生，系统的液位控制弹性小，操作稳定性与安全性差。

三、发明内容

针对现有技术的磷铵料浆中和反应-浓缩蒸发器布置存在的不足，本发明的目的旨在提供一种液位操作弹性大，系统操作稳定和安全性好的磷铵料浆中和反应-浓缩蒸发器布置方法。

本发明的上述发明目的，可通过以下技术方案的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法得以实现：

磷铵料浆反应-浓缩蒸发器按磷铵料浆的处理工艺流程反应闪蒸、一效蒸发、二效蒸发依次设置，负压操作的二效蒸发器R2内的液面液位高于正压操作的反应闪蒸器R1与一效蒸发器R3内的液面液位，即处于负压操作且位于中间工序的二效蒸发器R2内的液面液位高于处于正压操作位于两头工序的反应闪蒸器R1与一效蒸发器R3内的液面液位，在空间上整体成“中间高两头低”布置。处于正压操作的反应闪蒸器R1与一效蒸发器R3内的液面液位可以基本相同，也可以一定的液位差。二效蒸发器R2内的液面液位一般高于反应闪蒸器R1与一效蒸发器R3内的液面液位2000～5000mm。实践中最为可操作的布置方法是将反应闪蒸器R1与一效蒸发器R3设置在同一楼层，而将二效蒸发器R2设置在上一楼层。

下面就本发明揭示的磷铵料浆中和反应-浓缩蒸发器的布置，从理论上对其反应-浓缩蒸发器内的液位具有自调整性进行分析。在下面分析中，以本发明在贵州瓮福磷肥厂正在进行的实验为例。

从流体输送的角度，图1所示的本发明公开示的“两头低、中间高”的多效蒸发器布局，既是一个广义的连通器，又是一个带多条分支管路的复杂管系。三个蒸发器各在其独立的循环泵推动下构成自循环回路，且在压力能推动下形成R1→R2→R3的自动过料流。新鲜料浆从R1回路补入，完成加工后从R3回路排出系统。系统内全部液体(包括蒸发器液面)都处于流动状态，但流速各不相同。三个蒸发器液位控制的任务，就是要将液面的运动限制在一定范围之内。

以R2为例进行分析，从表观看，其液面高度是由R1→R2的补料流量和R2→R3的过料流量二者平衡所决定，因此已有技术以为必须在R1→R2管路和R2→R3管路上设置自动调节阀控制进出料流量以维持液面稳定，然而已有技术在控制策略上却忽略了R1和R3的液位因此而受到同样程度的影响，不得不把控制范围被动地延伸到系统的进、出料流量。

本发明提出的控制策略恰好与之相反，要完全释放R1→R2管路和R2→R3管路的流动约束，全系统只需要主动控制进、出流量，对各蒸发器之间的过料流量不进行控制，三个蒸发器的液位会按照设计参数自动协调。其原理分析如下。

不失一般性，以循环泵轴线所在平面为0-0面，R1、R2和R3的液位高度H₁、H₂、H₃如图1所示，各自的蒸发压力分别为p₁、p₂和p₃，对应的料浆密度分别为ρ₁、ρ₂和ρ₃。设计R1→R2和R2→R3过料管路尾端均与各自对应的循环泵进口管连通。以R1→R2管路与R2循环回路的连通点为节点，忽略流体动能变化的细微影响，列该点处的等压方程

$p_1+H_1{\mathrm{\ρ}}_{1}g-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\Σh}}_{f_{1\→2}}=p_2+H_2{\mathrm{\ρ}}_{2}g-{\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\Σh}}_{f_{2\→2}}---\left(1\right)$

式中，

和

分别是从R1液面算起的R1→R2过料流动阻力损失和R2循环回路中液面到R1→R2管路连通点处的阻力损失。在管路一定、流体物性基本一定的条件下，阻力损失由流体流量唯一确定。整理上式，得到R2的液位高度H₂的表达式

$H_2=\frac{(p_1-p_2)+H_1{\mathrm{\ρ}}_{1}g+({\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\Σh}}_{f_{2\→2}}-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\Σh}}_{f_{1\→2}})}{{\mathrm{\ρ}}_{2}g}---\left(2\right)$

该式表明R2的液位高度由R1与R2的蒸发压力之差、R1的静压力以及R2自循环回路流动阻力与R1→R2管路流动阻力之差共同决定。对上述各项作数量级分析，以突出主要影响因素。以反应闪蒸压力与二效闪蒸压力之差(p₁-p₂)为基础，设计值为(1.3-0.4)×10⁵Pa。H₁和ρ₁的设计值分别为13m和1400kg/m³，所以(H₁ρ₁g)＝1.78×10⁵Pa，居于同一数量级。流动阻力的分析较为复杂，首先比较

两项所含的共同成分，即从各自循环回路的液面到与R1→R2管路连接点的流动阻力损失，应该是很接近的，兼之ρ₁和ρ₂之差不过4～5％，因此有理由将该项化简为仅含R1→R2过料管路流动阻力

${\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\Σh}}_f=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{u}^2}{2}---\left(3\right)$

式中d和l分别为管径和管长(包括管件局部阻力损失的当量长度)，λ是摩擦系数。按装置产能240kt/a MAP确定设计负荷，R1→R2过料流量为42m³/h，过料管内径d＝125mm，则管内流速u＝42/3600/[π(0.125/2)²]＝0.94m/s；反应闪蒸料浆含水量尚大于50％，可视为牛顿流体；且根据瓮福磷肥厂使用的磷矿石杂质含量较低、料浆黏度不高的性质，取料浆黏度μ＝20mPa.s，计算得到R1→R2过料管计算雷诺数Re＝(ρud)/μ≈10000，查摩擦系数图可以确定λ＝0.025。又R1→R2过料管路长度约15m，设两个旋塞阀全开计当量长度，则流动阻力计算长度l≈50m。将这些设计数据代入(3)式，得到R1→R2过料管流动阻力计算值为

${\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\Σh}}_{f,\mathrm{cal}}=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{u}^2}{2}=0.025\frac{1400\×50}{0.125}\frac{{0.94}^2}{2}=6.2\×{10}^3\mathrm{Pa}---\left(4\right)$

由此证明过料流动阻力对R2液位高度的影响，比之于R1与R2的蒸发压力、以及R1的静压力这两方面因素的影响，要小1～2个数量级。由此有理由把H₂的表达式简化为

$H_2=\frac{p_1-p_2}{{\mathrm{\ρ}}_{2}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}{H}_1---\left(5\right)$

采用同样的分析方法，可得R3的液位高度H₃的表达式

$H_3=\frac{p_2-p_3}{{\mathrm{\ρ}}_{3}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_3}{H}_2---\left(6\right)$

以上两式清楚表明R2和R3的液位高度与过料管路的流速无关，这是反应-浓缩工段多效蒸发器之间过料免控制的理论依据。而且，将(5)式代入(6)式得到

$H_3=\frac{p_2-p_3}{{\mathrm{\ρ}}_{3}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_3}{H}_2=\frac{p_2-p_3}{{\mathrm{\ρ}}_{3}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_3}(\frac{p_1-p_2}{{\mathrm{\ρ}}_{2}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}{H}_1)=\frac{p_1-p_3}{{\mathrm{\ρ}}_{3}g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_3}{H}_1---\left(7\right)$

这就进一步表明，只需要控制反应闪蒸器R1的液位H₁，则H₂和H₃是会随之自动协调的。由此从理论上证明了本发明提出的反应-浓缩工段多效蒸发器液位自协调技术的可靠性。

下面对现有技术的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置的特性与本发明揭示的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置的特性作进一步说明。

在磷铵料浆反应-浓缩蒸发工段，除常规的一效、二效蒸发器R3和R2外，还有反应闪蒸器R1，其气相与一效并联，形成蒸发压力两头高中间低的特点，料浆从稀到浓，依次由反应闪蒸器、经过二效蒸发器最后流到一效蒸发器。现有技术的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置，正压操作的反应闪蒸器R1和负压操作的二效蒸发器R2设置在同一楼层，而将正压操作的一效蒸发器R3设置在下一楼层。蒸发器之间的过料，最初的工艺是借助过料泵的推动力实现过料，而在四川大学与贵州宏福实业开发有限总公司于2002年合作建成的200kt/a粉状MAP生产线上，改为采用管路过料技术实现从二效到一效的自动过料。但对于这些现有技术的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的布置，由于各反应-浓缩蒸发器内的液位控制处于多自由度状态，兼之液位传感器和自动调节阀性能与浓磷铵料浆性质不适应，所以液位控制难于稳定。本发明揭示的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的布置，为了与磷铵料浆中和反应-浓缩工段的蒸发压力两头高中间低的性质相匹配，设计了反应闪蒸器R1和一效蒸发器R3“两头低”、二效蒸发器R2“中间高”的多效蒸发设备高差布置方案(图1)，更加充分地利用系统自身的压力能，使料浆从R1→R2→R3自动过料的推动力更为均匀，同时形成了三个蒸发器内的液位自协调机制，奠定了反应-浓缩工段多效蒸发器之间过料免控制的基础。

本发明揭示的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法，在瓮福磷肥厂“240kt/aMAP”大型化装置的反应-浓缩工段进行了实验。实验表明，按“中间高两头低”方案布置的三个蒸发器，它们之间的过料流量免控制，只须控制反应闪蒸器的液位高度，全系统液位随之自动协调。该装置比前期建成投产的现有技术的200kt/a粉状MAP装置操作更方便、液位更稳定，在进出料流量不平衡的情况下，整个系统液位同步涨落，大大提高了操作弹性，即使短期内进出料中有一头断流，液位都不会失控。在实验中曾经观察到R1→R2过料管内料浆倒流、补充进酸量突降的现象，说明特殊情况下液位自协调机制发挥了作用。

本发明的公开不仅提供了一种新的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法，也为反应-浓缩工段工艺与设备设计提供了定量的依据。

四、附图说明

附图1是本发明揭示的磷铵料浆中和反应-浓缩蒸发器布置方法的一个实施例的示意图。

五、具体实施方式

实施例1

以本发明在贵州瓮福磷肥厂“240kt/a MAP”装置的反应-浓缩工段的运用实验为实施例对本发明作进一步的说明，磷铵料浆中和反应-浓缩工段的反应-浓缩工艺和反应-浓缩蒸发器的布置如附图1所示。料浆进入反应闪蒸器R1经反应闪蒸浓缩处理后，得到比较充分处理的一部分由出料阀V1和进料阀V2进入二效蒸发器R2，循环部分在循环泵的推动下进入反应闪蒸器R1继续进行反应闪蒸浓缩处理，在循环部分进入反应闪蒸器R1的同时补充新的磷铵料浆。进入二效蒸发器R2的部分经浓缩蒸发处理后，得到比较充分处理的一部分由出料阀V3和进料阀V4进入一效蒸发器R3，循环部分在循环泵的推动下先进入换热器E2由来自一效蒸发器的蒸汽加热后进入二效蒸发器R2继续进行浓缩蒸发处理。进入一效蒸发器R3的部分浓缩蒸发处理后，得到比较充分处理的一部分由出料管排出进入下一道工序，循环部分在循环泵的推动下先进入换热器E1由生蒸汽加热后进入一效蒸发器R3继续进行浓缩蒸发处理。反应闪蒸器R1和一效蒸发器R3其气相并联，均为正压操作，绝对压力约为0.11MPa，二效蒸发器R2为负压操作，绝对压力约为0.06MPa，反应闪蒸器R1和一效蒸发器R3设置在同一楼层，设备内的液面液位保持基本相同，二效蒸发器R2设置在上一楼层，二效蒸发器R2内的液面液位比反应闪蒸器R1和一效蒸发器R3内的液面液位高约2500mm，磷铵料浆反应-浓缩蒸发器的整体布置方案为，反应闪蒸器R1和一效蒸发器R3“两头低”，二效蒸发器R2“中间高”，如附图1所示。

Claims (2)

1. 一种磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法，磷铵料浆反应-浓缩蒸发器按磷铵料浆的处理工艺流程反应闪蒸、一效蒸发、二效蒸发依次设置，其特征在于负压操作的二效蒸发器(R2)内的液面液位高于正压操作的反应闪蒸器(R1)与一效蒸发器(R3)内的液面2000～5000mm。

2. 根据权利要求1所述的磷铵料浆反应-浓缩蒸发器布置方法，其特征在于正压操作的反应闪蒸器(R1)与一效蒸发器(R3)内的液面液位基本相同。