本發(fā)明涉及一種化工領(lǐng)域，具體的說是一種工業(yè)級聚磷酸生產(chǎn)工藝及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

磷酸(h3po4)也稱正磷酸，理論上100％的正磷酸(h3po4)含72.4％p2o5，實(shí)際上含72.4％p2o5磷酸中還存在12.7％的h4p2o7，這是由于下式的平衡所致。

2h3po4→h4p2o7+h2o

磷酸(h3po4)經(jīng)過不同程度的脫水形成焦磷酸(h4p2o7)，三聚磷酸和四聚磷酸，反應(yīng)式如下：

焦磷酸：2h3po4-h2o→h4p2o7(t＝200℃)

三聚磷酸：3h3po4-2h2o→h5p3o10

四聚磷酸：4h3po4-3h2o→h6p3o13(t＝480℃)

在正磷酸(h3po4)與焦磷酸(h4p2o7)之間存在一種低共融組成的液體磷酸，具有過冷性質(zhì)，避免了正磷酸因凝固點(diǎn)高而結(jié)晶的危害。它的w(p2o5)為76％(折合w(h3po4)為105％)，其中大約有49％的p2o5以正磷酸形態(tài)存在，有42％以焦磷酸存在，8％以三聚磷酸(h5p3o10)存在，1％為四聚磷酸(h6p4o13)存在。

工業(yè)級聚磷酸(68～76％p2o5)相比100％h3po4工業(yè)磷酸具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：凝固點(diǎn)低，在室溫下為液體，且在較低的溫度下儲存能保持液態(tài)；腐蝕性??；運(yùn)輸每單位重量的p2o5運(yùn)費(fèi)比普通磷酸要省10％；縮合磷酸成分對金屬離子具有很好的螯合作用,為此多聚磷酸也正逐步代替目前的工業(yè)級磷酸而被廣泛使用。目前聚磷酸原料主要為黃磷,黃磷來自熱法磷酸,能耗高、污染高。由濕法凈化磷酸生產(chǎn)聚磷酸是未來的發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)只有利用熱法磷酸生產(chǎn)聚磷酸的工藝，還沒有利用濕法磷酸(即凈化磷酸56％p2o5)生產(chǎn)聚磷酸的工藝的報(bào)導(dǎo)，因?yàn)闈窳姿嵘a(chǎn)聚磷酸存在工藝條件苛刻復(fù)雜、設(shè)備耐腐耐壓要求高、回收率低、濃度低等問題，目前為止還沒有更好的辦法克服上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種工藝簡單、工藝條件易于控制、運(yùn)行成本低、p2o5收率高、節(jié)能降耗、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)級聚磷酸生產(chǎn)工藝。

本發(fā)明還提供一種用于上述工藝的系統(tǒng)簡單可靠、節(jié)能環(huán)保、設(shè)備投資和運(yùn)行成本低的工業(yè)級聚磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)。

本發(fā)明生產(chǎn)工藝為：循環(huán)酸送入酸加熱器加熱，再送入閃蒸室進(jìn)行閃蒸，閃蒸后得到的循環(huán)酸再經(jīng)循環(huán)泵回送入酸加熱器循環(huán)加熱，當(dāng)經(jīng)閃蒸室閃蒸濃縮后磷酸濃度達(dá)68～76％p2o5，時，則引出部分循環(huán)酸作為成品酸送入成品酸冷卻器冷卻即得工業(yè)級聚磷酸，其余循環(huán)酸中補(bǔ)入凈化磷酸后再作為循環(huán)酸依次送入酸加熱器循環(huán)加熱、閃蒸室循環(huán)閃蒸；其中，控制酸加熱器的進(jìn)口溫度在190～195℃，出口溫度195～200℃，且滿足出口溫度－進(jìn)口溫度＝5℃的條件。

控制所述凈化磷酸在酸加熱器、閃蒸室和循環(huán)泵構(gòu)成的循環(huán)回路中的循環(huán)時間為5～10min,循環(huán)比為130～150。

控制所述閃蒸室內(nèi)壓力為15～25kpa(a)。

所述閃蒸室上段水平設(shè)置有插入管，所述插入管的一端封閉，另一端與閃蒸室的蒸汽出口連通，所述插入管的頂面開有蒸汽入口，底面設(shè)有液體排出口；所述閃蒸室內(nèi)的閃蒸汽上升至閃蒸室上段繞過插入管并由插入管頂面的蒸汽入口進(jìn)入插入管內(nèi)，再經(jīng)插入管由蒸汽出口排出閃蒸室。

所述插入管的蒸氣入口的開口面積占閃蒸室截面積的25－35％。所述閃蒸室的蒸汽出口的開口面積占所述閃蒸室截面積的8－12％。

閃蒸后的二次蒸汽先送入霧沫分離器分離霧沫后進(jìn)入預(yù)冷凝器與冷卻水間接換熱得到冷卻蒸汽和冷凝液，冷卻蒸汽再送入冷凝器與冷凍水進(jìn)一步換熱得到不凝氣和冷凝液；所述霧沫分離器的底部液體回送酸加熱器。

本發(fā)明生產(chǎn)系統(tǒng)包括閃蒸室，所述閃蒸室的循環(huán)酸出口依次經(jīng)循環(huán)泵、酸加熱器與閃蒸室的循環(huán)酸進(jìn)口連接，所述閃蒸室的成品酸出口連接成品酸冷卻器，所述閃蒸室和酸加熱器連接的管路中設(shè)有凈化磷酸進(jìn)口。

所述閃蒸室上段水平設(shè)置有插入管，所述插入管的一端封閉，另一端與閃蒸室的蒸汽出口連通，所述插入管的頂面開有蒸汽入口，底面設(shè)有液體排出口。

所述插入管的蒸氣入口的開口面積占閃蒸室截面積的25－35％。

所述閃蒸室蒸汽出口的開口面積占所述閃蒸室截面積的8－12％。

所述閃蒸室的蒸汽出口依次連接霧沫分離器、預(yù)冷凝器和冷凝器，所述霧沫分離器底部的出液口連接酸加熱器。

發(fā)明人分析了濕法磷酸生產(chǎn)工業(yè)級聚磷酸(76％p2o5)存在的問題，進(jìn)行了如下創(chuàng)新：(1)設(shè)計(jì)了酸強(qiáng)制脫水、蒸發(fā)的循環(huán)回路，使凈化磷酸經(jīng)循環(huán)泵(優(yōu)選軸流式循環(huán)泵)在閃蒸室和酸加熱器中脫水和蒸發(fā)游離水，使蒸發(fā)水分后的磷酸濃度在68～76％p2o5，濃縮后的部分聚磷酸作為成品酸出循環(huán)回路送至成品酸冷卻器冷卻。(2)在酸循環(huán)過程中要嚴(yán)格控制濕法磷酸(即凈化磷酸56％p2o5)脫水所需磷酸脫水溫度，磷酸作為一種腐蝕性的酸，如循環(huán)酸溫度太高，不但加大了磷酸的腐蝕性，還增加磷酸三聚磷酸和四聚磷酸的量，影響產(chǎn)品質(zhì)量。本發(fā)明中嚴(yán)格控制進(jìn)入酸加熱器前的溫度為190～195℃，出酸加熱器的溫度為195～200℃以保證磷酸三聚磷酸和四聚磷酸的量合理范圍內(nèi)。進(jìn)一步的，發(fā)明人還嚴(yán)格控制酸加熱器的出口溫度－進(jìn)口溫度＝5℃，即控制較小的溫度增加值，可以避免循環(huán)酸在管道中爆沸，導(dǎo)致安全隱患問題的發(fā)生。(3)由于設(shè)計(jì)了強(qiáng)制循環(huán)管路，采用高循環(huán)比使循環(huán)酸在循環(huán)管路高速流動，從而有利于將酸加熱器的進(jìn)出口溫度的控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，所述循環(huán)比優(yōu)選為130～150。進(jìn)一步，循環(huán)脫水的時間優(yōu)選控制在5～10min，若凈化磷酸的停留時間太長，正磷酸脫水太多，造成磷酸太高而引起酸粘度高，結(jié)晶而堵塞管道和設(shè)備，使裝置停產(chǎn)，若時間太短則脫水不充分，影響有效濃度。(4)閃蒸室的壓力優(yōu)選控制在15～25kpa(a)，使蒸發(fā)水分后的磷酸濃度在68～76％p2o5。

從酸加熱器出來循環(huán)酸在蒸發(fā)器的負(fù)壓下，其中的游離水吸熱通過劇烈的閃蒸沸騰過程變成水蒸汽從磷酸中蒸發(fā)出來，其中夾帶大量的p2o5液沫，這些泡沫會隨著閃蒸室中蒸發(fā)出的二次蒸汽進(jìn)入后續(xù)蒸汽冷凝工序中，使得到的冷凝液變成稀磷酸溶液，而造成成品酸中磷酸大量損失，導(dǎo)致回收率低的問題發(fā)生。為解決上述問題，發(fā)明人對閃蒸室進(jìn)行了改進(jìn)，在蒸室上段水平設(shè)置插入管，蒸發(fā)室內(nèi)的蒸汽上升繞過插入管從插入管頂面的開口向下進(jìn)入插入管中，再穿過插入管由蒸發(fā)室的蒸汽出口排出，通過刻意讓蒸汽發(fā)生折流，使得p2o5液滴碰撞凝結(jié)，凝結(jié)后p2o5液滴直徑超過了蒸汽夾帶的臨界直徑,需附著在在插入管管壁或管底，再回流入閃蒸室。由于插入管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，布置巧妙，也不會導(dǎo)致閃蒸室內(nèi)阻力過大。進(jìn)一步的，所述插入管的蒸氣入口的開口面積占閃蒸室截面積的25－35％。所述閃蒸室的蒸汽出口面積占所述閃蒸室截面積的8－12％，使蒸汽的流通面積逐漸減小，能夠進(jìn)一步減少蒸發(fā)汽體中如f、p2o5等的液滴夾帶，提高了p2o5收率，與不設(shè)有插入管的蒸發(fā)器相比，f、p2o5等的液滴夾帶減少了25％，技術(shù)效果顯著。

進(jìn)一步的，對出閃蒸室的二次蒸汽采用霧沫分離器進(jìn)一步進(jìn)行霧沫分器，進(jìn)一步減少蒸汽中液滴夾帶，提高產(chǎn)成品酸p2o5收率和冷凝液的質(zhì)量。

對二次蒸汽進(jìn)行分段冷凝回收熱能，有利于二次蒸汽冷凝液的分級利用。

有益效果：

(1)本發(fā)明工藝簡單，原料酸來自濕法磷酸，代替以前的熱法磷酸，通過循環(huán)管路實(shí)現(xiàn)循環(huán)酸的脫水和蒸發(fā)，工藝條件易于控制、運(yùn)行成本低、降低了設(shè)備耐腐要求、p2o5收率高、成品酸質(zhì)量好，終成品酸中h3po4濃度能達(dá)105％、p2o5達(dá)68～76％。

(2)在循環(huán)回路中加入凈化磷酸(56％p2o5)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定大規(guī)模生產(chǎn)(≥6萬噸/年)、蒸發(fā)器出來的二次蒸汽分級冷凝，節(jié)能降耗。

(4)通過對閃蒸室的設(shè)計(jì)，減少了p2o5液沫產(chǎn)生及蒸汽中的液滴夾帶，提高了p2o5收率。

(3)相對于熱法磷酸的環(huán)境污染大、能耗高、p2o5利用率低，濕法磷酸節(jié)能降耗、設(shè)備投資和運(yùn)行成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明工藝流程圖暨系統(tǒng)圖。

圖2為閃蒸室的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1－酸加熱器、2－閃蒸室、2.1－循環(huán)酸出口、2.2－循環(huán)酸進(jìn)口、2.3－成品酸出口、2.4－蒸汽出口、3－軸流式循環(huán)泵、4－成品酸冷卻器、5－霧沫分離器、6－預(yù)冷凝器、7－冷凝器、8－插入管、8.1－蒸汽入口、8.2－液體排出口、9－凈化磷酸進(jìn)口、10－真空泵。

具體實(shí)施方式

參見圖1本發(fā)明系統(tǒng)包括閃蒸室2，所述閃蒸室2的循環(huán)酸出口2.1依次經(jīng)軸流式循環(huán)泵3、酸加熱器1與閃蒸室2的循環(huán)酸進(jìn)口2.2連接，所述閃蒸室2的成品酸出口2.3連接成品酸冷卻器4，所述閃蒸室2和酸加熱器2連接的管路中設(shè)有凈化磷酸進(jìn)口9。所述閃蒸室2的蒸汽出口2.4依次連接霧沫分離器5、預(yù)冷凝器6和冷凝器7，所述霧沫分離器5底部的出液口連接酸加熱器1。

參見圖2，所述閃蒸室2上段水平設(shè)置有插入管8，所述插入管8的一端封閉，另一端與閃蒸室2的蒸汽出口2.4連通，所述插入管8的頂面開有蒸汽入口8.1，底面設(shè)有多個液體排出口8.2用于引流冷凝液。所述插入管8的蒸氣入口8.1的開口面積占閃蒸室2橫截面積的25－35％。所述閃蒸室2的蒸汽出口2.4的開口面積占所述閃蒸室截面積的8－12％。

工藝過程：

參見圖1，循環(huán)酸送入酸加熱器1加熱，再送入閃蒸室2進(jìn)行閃蒸，閃蒸后得到的循環(huán)酸再經(jīng)軸流式循環(huán)泵3回送入酸加熱器循環(huán)加熱，當(dāng)經(jīng)閃蒸室2閃蒸濃縮后磷酸濃度達(dá)68～76％p2o5，時，則引出部分循環(huán)酸作為成品酸送入成品酸冷卻器冷卻即得工業(yè)級聚磷酸(引出作為成品酸的循環(huán)酸占循環(huán)酸總體積量0.66％～0.76％)，其余循環(huán)酸中補(bǔ)入凈化磷酸(56％p2o5)后再作為循環(huán)酸依次送入酸加熱器循環(huán)加熱、閃蒸室循環(huán)閃蒸；其中，控制酸加熱器1的進(jìn)口溫度在190～195℃，出口溫度195～200℃，且滿足出口溫度－進(jìn)口溫度＝5℃的條件。控制所述凈化磷酸在酸加熱器1、閃蒸室2和軸流式循環(huán)泵構(gòu)成的循環(huán)回路中的循環(huán)時間為5～10min,循環(huán)比為130～150，控制所述閃蒸室內(nèi)壓力為15～25kpa(a)。

在閃蒸室2內(nèi)，閃蒸汽上升至閃蒸室2上段繞過插入管8并由插入管8頂面的蒸汽入口8.1進(jìn)入插入管1內(nèi)，再經(jīng)插入管8由蒸汽出口2.4作為二次蒸汽排出閃蒸室2，插入管8收集的冷凝液經(jīng)由插入管8底部的液體排出口8.2下落至閃蒸室2底部，由于插入管8的蒸汽入口8.1的開口面積大于閃蒸室2蒸汽出口2.4的開口面積，使蒸汽的流通面積逐漸減小，能夠進(jìn)一步減少蒸發(fā)汽體中如f、p2o5等的液滴夾帶，提高了p2o5收率。

閃蒸后出閃蒸室2的二次蒸汽先送入霧沫分離器5分離霧沫后進(jìn)入預(yù)冷凝器6與冷卻水間接換熱得到冷卻蒸汽和冷凝液，冷卻蒸汽再送入冷凝器7與冷凍水進(jìn)一步換熱得到不凝氣和冷凝液，不凝氣經(jīng)真空泵10外排，冷凝液回用；所述霧沫分離器5的底部液體回送酸加熱器1。

所述酸加熱器1中通入的是溫度為232.2℃,的飽和蒸汽，預(yù)冷凝器中間接換熱用冷卻水溫度為30℃，冷凝器中間接換熱用冷凍水為4℃。

以濕法凈化磷酸(56％p2o5)為原料，經(jīng)本發(fā)明工藝處理后，p2o5的回收率可提高到99.99％，冷凝液中磷酸含量低于250ppm,可以得到的成品酸即工業(yè)級聚磷酸指標(biāo)各項(xiàng)指標(biāo)見下表。

成品酸性能考核結(jié)果表