120kta粒状磷酸一铵干燥工段工艺设计

四川理工学院毕业 中文摘要 120kt/a粒状MAP干燥工段工艺设计 学 生：XXX 学 号：XXXXX 专 业：化学与工艺 班 级：XX级1班 指导教师：XXX 与化学工程学院 二O一O年六月 120kt/a粒状MAP干燥工段工艺设计 摘 要 磷酸一铵是高浓度磷复肥的主要品种之一，也是生产三元复混肥、BB肥最主要的基础原料。我国磷铵生产工艺主要由料浆法和浓酸法，由于中国缺乏高品质的磷矿资源，通过比较料浆法和浓酸法说明料浆法更适合中国国情。目前磷酸铵的干燥有喷浆造粒干燥流程、喷雾干燥流程。本文采用喷浆造粒干燥技术来制造磷酸一铵。 首先介绍了粒状磷铵的干燥原理和喷浆造粒干燥机的操作条件并确定了操作条件下主要物性参数；其次根据物性参数进行了物料衡算、热量衡算和主体设备计算；最后根据主体设备计算结果进行附属设备选型，并给出了主体设备图和带控制点的工艺流程图。 本设计主要任务是喷浆造粒干燥机主体设备的设计，本文所选工艺和设备能完成给定的生产任务。 关键词：磷酸一铵，喷浆造粒，干燥 The process design for 120kt/a granular MAP of drying section Abstract MAP is a main varieties of high-concentration phosphate compound fertilizer and is the basic procreative material of ternary Compound Fertilizer and BB Fertilizer. Our MAP process mainly include slurry method and concentrated acid method, due to the lack of high quality phosphorate in China, and comparing the two method shows slurry method is more suitable for China's national conditions. At present, the drying process production has spraying granulation processes and the spray-drying process. In this paper, spraying granulation technology is used to produce MAP. Firstly, we introduced the principle of granular ammonium phosphate and spray drying granulation, and operating conditions were determined to get the main physical parameters; Secondly, according to property parameters of the material, the heat and mass conservation was carried out to determine the main equipment; Finally, base on the main device valuation results, the ancillary equipments were selected, and provided the main equipment and controlling process flow charts. The main task of this design is the spray granulation equipment design, the selected process and device can complete the given task. Keywords: monoammonium phosphate(MAP), spray granulation, dry 目 录 1 1 绪论 1 1.1 前言 1 1.2 湿法磷酸氨化反应的基本原理 2 2 文献综述及主要工作 2 2.1国内外生产技术概况 2 1.3.1 传统法 3 1.3.2 料浆法 5 2.2干燥工艺 5 2.2.1干燥概述 5 2.2.2滚筒干燥 6 2.2.3喷雾干燥 6 2.2.4喷浆造粒干燥 6 2.2.5转筒干燥制粒状磷铵 7 2.3本研究工作意义和主要工作 7 2.3.1工作意义 7 2.3.2主要工作 9 3 工艺选择与论证 9 3.1喷浆造粒干燥机成粒机理 9 3.2粒状磷铵的干燥原理 9 3.2.1湿气体性质 12 3.2.2湿物料的性质 13 3.3干燥速率及其影响 14 3.4干燥器的物料和热量衡算 14 3.4.1物料衡算 15 3.4.2热量衡算 17 3.4.3气体进出干燥器状态的确定 17 3.4.4干燥器的热效率与干燥效率 18 3.5喷浆造粒干燥操作条件的选择 18 3.5.1干燥机的进口温度 18 3.5.2干燥机的尾风温度 18 3.5.3浓缩料浆含水率 19 3.5.4干燥机填充系数 19 3.5.5料浆中和度 19 3.5.6料浆温度 21 4 干燥机的设计 22 4.1干燥机的物热衡算 22 4.1.1水分蒸发量 22 4.1.2废气的湿度 23 4.1.3废气的露点温度 24 4.1.4气体耗量 24 4.1.5进气体积流量 24 4.1.6出气体积流量 24 4.1.7热效率和干燥效率 24 4.1.8物料和热量衡算表 25 4.2干燥机结构设计 26 4.2.1转筒直径 26 4.2.2转筒长度 26 4.2.3转筒转速 27 4.3附属设备设计 27 4.3.1筒体自重 27 4.3.2物料重量 27 4.3.3传动功率的确定 29 4.3.4托轮.齿轮.齿圈 29 4.3.5扬料板的结构尺寸 30 4.3.6喷枪选择 30 4.3.7旋风除尘器 31 4.3.8高温风机 32 设计评述 33 参考文献 34 符号说明 35 致谢 36 附录 1 绪论 1.1前言 复合肥料是现代化肥工业的发展方向。在发达国家，复合肥料已占化肥总产量的50~80％，其中，氮肥产量的25~50％，磷肥和钾肥产量的70~90％，均加工成复合肥料的形式进行使用。 磷酸铵是由氮、磷两种元素化合而成的一种复合肥料。根据原料和加工方法的不同，有很多品种，如用磷酸和氨生产的磷酸二铵(简称DAP，含N18％、P2O546％)，磷酸一铵(简称MAP，含N12％、P2O552％)，硫磷铵(简称APS，含N16％、P2O520％)，硝磷铵(简称APN，含N24％，P2O524％)，尿磷铵(简称UP，含N28％，P2O528％)等。但目前产量最大的只有磷酸二铵和磷酸—铵两种。它们由于有效成分高，物理性能(吸湿性、混容性等)好，适用于所有土壤和作物，受到了各国用户的欢迎。 磷酸一铵又称磷酸二氢铵。无色透明正方晶系晶体，密度1.803（19℃）。熔点190℃，易溶于水，微溶于醇、不溶于丙酮。水溶液呈酸性。磷酸一铵（MAP）是一种水溶性速效复合肥，有效磷（AP2O5）与总氮（TN）含量的比例约5.44:1，是高浓度磷复肥的主要品种之一。该产品一般作追肥，也是生产三元复混肥、BB肥最主要的基础原料；该产品广泛适用于水稻、小麦、玉米、高粱、棉花、瓜果、蔬菜等各种粮食作物和经济作物；广泛适用于红壤、黄壤、棕壤、黄潮土、黑土、褐土、紫色土、白浆土等各种土质；尤其适合于我国西北、华北、东北等干旱少雨地区施用。 1.2湿法磷酸氨化反应的基本原理 湿法磷酸的氨化反应，由于湿法磷酸中含有较多杂质，磷酸中的杂质也同时发生反应。 磷酸有3个氢离子，它们可以依次被氨中和生成磷酸一铵(MAP)-NH4H2PO4、磷酸二铵(DAP)-(NH4)2HPO4、磷酸三铵-(NH4)3PO4。基本化学反应方程式为： 上述反应中，生成的磷酸一铵最为稳定，磷酸二铵次之，二者都是高浓度磷复肥。磷酸三铵很不稳定，不适宜作商品肥料使用。 2 文献综述及主要工作 2.1 国内外生产技术概况 磷铵生产工艺总的来说可分为传统法和料浆法二大类见图2-1。传统法工艺既能生产磷酸一铵(MAP)也能生产磷酸二铵(DAP)。该工艺由美国DAVY-MCEE和英国FISON等公司首先开发成功，国外单系列最大生产能力1000kt/a，国内引进和消化吸收国产化后的单系列最大生产能力480kt/a。由于生产技术的成熟可靠，国外装置发展趋向于规模大型化，但要求磷酸浓度较高，可以通过二水法萃取磷酸浓缩或半水法直接生产得到，一般来说，此法用于含杂质较低的优质磷矿。料浆法工艺是国家“七.五”科技攻关成果，该工艺主要用于生产磷酸二铵，并首先在四川银山磷肥厂建立装置开车成功。“八.五”以来，国内相继建成30~60kt/a装置80多套，单系列最大生产能力可达150kt/a。该工艺技术在生产、管理和设计方面已积累了较丰富的经验，有了相当的基础，技术日趋成熟可靠。 图2-1 传统法和料浆法磷铵生产示意图 传统法是指以蒸汽为热源先将稀磷酸进行浓缩，所得浓磷酸再用氨中和得浓磷铵料浆去干燥,生产固体磷铵产品。料浆法是先用氨中和稀磷酸,所得稀磷铵料浆再以蒸汽为热源进行浓缩，所得浓磷铵料浆去干燥，生产固体磷铵产品。两种生产方法分别简述如下。 1.3.1 传统法 (1) 预中和-氨化粒化：本工艺中和反应在预中和反应器进行，氨气通过反应器周围接管喷头喷入，容器中磷酸和气体由反应本身进行有力搅拌，因此可取消机械搅拌装置。中和料浆用泵送氨化粒化器内再与磷酸反应。并控制中和度在1.95。料浆与返料细粉造粒后经干燥、筛分、冷却制得磷铵产品。该工艺技术成熟可靠，使用磷酸浓度低，适应性强，装置操作灵活方便，能生产多种产品，国外普遍使用，有较成熟的设计生产经验。国内秦皇岛、大连、南京、云峰等厂先后从美国DAVY-MCKEE公司引进480kt/a、240kt/a生产技术，并建成投产。目前国内消化吸收和国产化亦投产了多套同类装置。 (2) 管式反应—氨化粒化：本工艺主要过程为磷酸与氨在管式反应器中产生高温、高浓度料浆，借助本身压力喷入氨化粒化器，生成DAP时进行进一步氨化与返料细粉造粒，经干燥、筛分、冷却后制得磷铵产品。管式反应器是近年来国外新开发的技术，投资省，能耗低，返料少，流程操作简单，工艺成熟。不足之处是国内仅建成中试装置，要实现工业化生产还须引进国外专利技术，且对磷酸浓度、质量要求较高。 (3) 预中和-喷浆造粒：该工艺是氨和磷酸加入带搅拌反应槽内反应生成磷铵料浆，料浆直接喷入造粒干燥窑，与返料细粉造粒，并进行干燥，物料经筛分、冷却制得产品。该生产工艺对磷酸质量要求相对较低，操作简单、易控制。我国第一套120kt/a磷铵装置即铜陵磷铵厂就是从罗马利亚引进这种工艺的。此工艺存在许多不足之处，由于使用较低浓度的磷酸，使得设备体积庞大、投资高、反应热利用不充分、能耗也高、返料比大、成本较高。因此近年来国外已很少采用，只适于中小型规模难以浓缩的磷酸制磷铵装置。 (4) 加压中和-喷雾造粒：该工艺主要过程为磷酸与气氨在加压带搅拌的反应器内反应，反应热把部分水蒸发，高温的料浆借助反应产生的压力通过一个特殊喷嘴进入喷雾干燥塔，更多的水在闪蒸中蒸发，雾化的物料经与上升空气接触、冷却、固化，得到粉粒状产品后送包装工段。整个生产工艺省去了造粒、返料和干燥过程,实现了流程简短、投资省、成本低的目的。不足之处是对磷酸的浓度和质量要求高。 1.3.2 料浆法 料浆法磷铵工艺的核心是料浆浓缩。由于磷铵料浆的沸点升高损失较小，介质腐蚀性较弱，因此，可以采用多效蒸发节约蒸汽。根据模拟计算，料浆浓缩采用双效浓缩最经济。以往小规模装置原设计的浓缩流程均采用相同的双效传热面积，实践中发现Ⅱ效蒸发器相对偏小，因此，这些装置在扩能改造中都扩大了Ⅱ效加热器的相对传热面积。采用强制循环氨化蒸发反应器后，有效利用氨化反应二次蒸汽需要相对更大的Ⅱ效加热面积。当装置大型化后，大型料浆浓缩循环泵和真空操作的Ⅱ效蒸发器的造价比规模扩大增加更快，而且过大的加热器清洗花费的时间过长，影响装置开车率。综合考虑各种因素，240kt/a磷铵及以上规模的料浆法磷铵装置，采用“双效三体”浓缩流程更经济合理。即采用2台Ⅱ效蒸发器、1台Ⅰ效蒸发器、3台蒸发器的加热器、气液分离器和料浆循环泵采用大致相同的规格。料浆串连流通，二次蒸汽则并联分配。这个流程可以保持Ⅰ效蒸发器常压或微负压操作，可以有效充分地利用热量，同时为提高一次加热蒸汽温度，强化生产留有余地。 料浆浓缩装置大型化的核心是卧式料浆循环泵的研制，目前国内制作的300 0m3以上的大型料浆浓缩循环泵已经完全可以满足单系列30万t磷铵规模大型装置的运行要求。 大型料浆法磷铵装置的浓缩系统，在能量利用上更加合理。在浓缩循环水流程的安排上，采用单台循环水泵完成循环，操作简便、稳定，而且节能。此外，利用循环水的热量蒸发液氨，在20万t磷铵以上规模的装置上，节能效果也非常显著。 从上述比较看： 预中和-氨化粒化，技术成熟可靠、生产适应性强、能耗低、更换产品品种容易,可生产DAP、MAP、NPK等。目前大型化装置国产化率高，国内可自行设计大型化单系列装置，有较成熟的设计和生产经验。缺点是此流程由于大量返料，使得流程复杂，小型装置单位产品投资偏高。管式反应器- 氨化粒化为近年来新开发技术，生产技术新，各项指标较先进，装置生产灵活性好，投资低、能耗省，使用磷酸浓度高，生产工艺成熟。但管式反应器技术尚未国产化，国内仅有中试装置，未完全实现工业化生产，故不宜选用。 加压中和-喷雾干燥在国内实现工业化已经近10年，随着不断完善和提高，流程日益简练合理，装备更加稳定可靠，已成为我国高浓度磷复肥生产的工艺路线之一。其装备经过多年的完善和提高，整体技术水平和运行稳定性都较好，保证了开车率，因在装备国产化方面的优势，基建投资大大下降。由于生产技术在小磷铵生产中占有的优势，得到了广泛应用。目前国内已建成了几套30kt/a和1套60kt/a装置，且主要用来生产MAP。建设1套60kt/aMAP装置仅需投资850万元。该工艺技术的不足之处是对磷酸浓度和质量要求稍高，其磷酸浓度必须≥45%P2O5。 料浆法生产MAP工艺技术成熟可靠，设备材质要求低、易解决，对矿的适应性强，能适于中低品位矿，可直接采用低浓度磷酸。流程已逐步简化，减少了投资、降低了成本，国内可以自行设计。但入干燥窑料浆含水率高，造成干燥热负荷大，能耗高，氨损失大。建设一套60kt/a生产装置仍需投资4000万元。 比较下“料浆法工艺”更适合中国国情，西方发达国家在高浓度磷复肥生产过程中大量采用传统的“磷酸浓缩”生产工艺，这种工艺是将中间产品低浓度湿法磷酸蒸发浓缩后，再与氨中和形成料浆，直接造粒干燥得到产品。“磷酸浓缩”工艺要求以高品位优质磷矿为原料。我国虽然磷矿资源丰富，但大部分是难选的中低品位的磷矿。多年试验证明，这类国产中品位原矿不适合“磷酸浓缩”工艺。我国于1966年在南京化学工业公司磷肥厂建成一套采用“磷酸浓缩”工艺的年产115×104t磷酸、3×104t磷铵的工业装置，连续运行至今磷酸装置生产能力已达4×104t/a，磷铵装置已被24×104t/a的硫基复合肥装置所取代。该装置曾经出现过如下问题：(1)采用有害杂质含量较高的国产中品位磷矿(原矿)为原料时磷酸的质量分数(以P2O5计)很难达到48%～50%，磷酸加热器管内壁结垢严重，2～3天必须停车清洗，垢层坚硬致密，不易清除；(2)采用“转鼓氨化造粒-转筒干燥流程”，由于和技术原因，直至80年代初国内高浓度磷复肥的产量还不足磷肥总产量的1%，严重制约了我国磷复肥工业的现代化进程。四川大学和原银山磷肥厂等单位针对传统“磷酸浓缩”工艺不适应我国具体国情的难题，在20世纪70至80年代初进行了大量的基础研究和中等规模的开发研究。其技术核心是，先以氨中和稀磷酸，制得的中和料浆再进行蒸发浓缩，从而避开了“磷酸浓缩”的困难，并由此形成一系列更具优势和特点的料浆法制磷铵新工艺。 2.2 干燥工艺 2.2.1干燥概述 固体干燥是利用热能使湿物料中的湿分(水分或其他溶剂)气化，水汽或蒸汽经气流带走或由真空将其抽出以除去，从而获得固体产品的操作。干燥在化工生产中应用甚广，干燥的目的是使物料便于加工、运输、贮藏和使用。肥料含水过高易使产品结块，物性变坏，因此常需干燥加工。干燥可分为：（1）传导干燥（2）对流干燥（3）辐射干燥（4）介电加热干燥以及由上述两种或三种方式的联合干燥。目前，常用于磷铵物料的干燥工艺有滚筒干燥、喷雾干燥、喷浆造粒干燥、流化干燥及回转圆筒干燥等几种。 2.2.2滚筒干燥 滚筒干燥器是一种连续接触式干燥器，其基本原理是筒内加热蒸汽供给的热，经筒壁传递给筒体表面上的物料层。在物料层内，热是以传导方式由料层内侧传至外侧。物料中所含水分由于受热，也由料层内侧向外侧扩散。当料层表面的水蒸汽分压大于周围空气的水蒸汽分压时，则水分汽化并向四周扩散，所以滚筒表面上物料的干燥过程实质上是一个传质和传热过程，而且传质和传热的方向一致。 2.2.3喷雾干燥 喷雾干燥是指用单独一次工序，将溶液、乳浊液、悬浮液或含有水分的膏糊状物料变成粉状、颗粒状或块状的干燥产品。喷雾，是将液体通过雾化的作用，喷洒成极细小的雾状液滴。干燥则是由载热体(过热蒸汽、热空气、烟道气等)同雾滴均匀混合，进行热交换和质交换使水分蒸发的过程。喷雾干燥就是喷雾与干燥两者的密切结合。喷雾干燥具有干燥速度快、干燥时间短(通常为15~30秒)、操作条件易于调节控制、产品物性好、纯度高、生产过程简化、适宜于连续化、大规模生产等显著优点。 喷雾干燥技术在工业上应用已有近百年的历史。但是过去限于奶粉、蛋粉等少数食品工业，现已广泛用于化工、医药、农药、陶瓷、水泥、冶金等各部门中。磷铵工业采用喷雾干燥技术近年来已得到普遍的重视和发展，特别在磷酸一铵生产上更为突出。如英国的弗森(Fison)流程。美国的斯威夫特(Swift)流程、法国的加提尼尔(Gardinier)流程和日本的日产（Nissan）流程等均采用了喷雾干燥技术。 2.2.4喷浆造粒干燥 喷浆造粒干燥流程是将喷浆、造粒和干燥三者结合在一起，在一个回转筒内同时完成的流程，这对减少设备、缩短流程和强化操作有着重要的技术经济意义。该流程自从法国PEC公司用于碳化法硝酸磷肥以来，运转已久，而且随着使用范围的不断扩大更趋成熟。目前，直径5米，长12米的喷浆造粒干燥机的单机最大生产能力已达1000吨/日复合肥料。在苏联、法国、罗马尼亚等国，喷浆造粒工艺已成为制造复合肥料和高浓度肥料的主要干燥流程。 目前，喷浆造粒干燥工艺不仅大量用于磷铵的生产，而且还广泛用于其他氮磷复肥如硫磷按、硝酸铵钾、硝酸磷酸钾以及高浓度磷肥重过磷酸钙的生产上。对于尿磷铵和尿磷铵钾，也已经进行了工业试验。 合理设计的喷浆造粒干燥机根本不会结疤。在苏联已经研制出将造被、干燥、分级、冷却在一个设备内完成的喷浆造粒干燥分级冷却器。毫无疑问，随着我国复合肥料工业的日益发展，这种设备在造粒干燥单元操作上将有很大的发展前途。 2.2.5转筒干燥 转筒干燥器是国内外普遍采用的一种干燥设备。不仅能适用于散粒物料的干燥，而且还可以用于干燥粘性膏状物科或含水量较高的物料。国内外广泛采用它作为粒状肥料(如磷铵和硝酸磷肥)的干燥设备。转筒干燥器的优点是生产能力大，气流阻力小，操作弹性大和操作方便。缺点是耗钢材量多，基建费较高和占地面积大。 2.3 本研究工作意义和主要工作 2.3.1工作意义 对于肥料产品，通常都希望是直径为2~4mm的球形颗粒，这是因为：(1)与粉状肥料相比，颗粒肥料外表而要小得多，而球形颗粒的相互接触面又是最小的，因而可大大降低肥料的结块性，这对结块倾向比较严重的高浓度复肥来说，意义更为重人；(2)球形颗粒肥料流动性好，机械强度高，不易破损和产生粉尘便于贮存和使用，特别符合机械化施肥的要求；(3)颗粒肥料溶解速度较慢具有缓效肥料的作用，可提高农作物对肥料的有效利用。 为了获得一定形状、大小、结构和物理性好的颗粒肥料，需要研究从原料到成品的全部物理化学和物理机械过程。同时还需注意肥料颗粒不全是一次形成的，它还与后续的干燥、筛分、冷却、破碎等过程有关。 2.3.2主要工作 本设计通过了解磷酸一铵的干燥原理，选择合适的干燥工艺和操作条件，并确定操作条件下主要物性参数，然后根据物性参数进行了物料衡算、热量衡算和主体设备计算；最后根据主体设备计算结果进行附属设备选型。 工艺选择与论证 本设计采用喷浆造粒干燥机干燥磷酸一铵。喷浆造粒干燥机是把造粒和干燥合并在一起的颗粒肥料生产设备。料浆喷淋在抄板扬起的返料细粒料幕上，颗粒表面涂布的料浆层立即被热气流干燥。这种造粒方法所得产品有较好的物化和机械性能。 3.1喷浆造粒干燥机成粒机理 含水25%～35%(质量分数，下同)的浓缩磷铵料浆，借助于压缩空气通过喷嘴使之雾化。不断喷淋在主要由返料形成的料幕上，磷铵颗粒不断形成和长大，同时在并流进入的热气流中蒸发除去水分。根据观察，喷浆造粒干燥过程中，颗粒的形成主要通过下述三种途径： (1)涂布成粒：雾化了的浓缩磷铵料浆均匀涂布在返料粒子粒的表面上，在热的烟道气流中水分迅速汽化后又重新涂布。多次重复涂布汽化过程之后，细颗粒逐步长大成合格的颗粒或更大的颗粒。 (2)粘合成粒：雾化了的浓磷铵料浆作为一种粘合剂，把若干个小颗粒粘结在一起成为大颗粒。 (3)自成粒：经喷枪雾化后的料浆小滴，如果在其飞行途中尚未碰到其它固体物之前即已干燥，则会失去粘合能力而自成小颗粒存在。当料浆水分含量低时，这种成粒作用就更强烈，形成细粉量增多。 3.2粒状磷铵的干燥原理 3.2.1湿气体性质 在喷浆造粒干燥机中是以烟道气为载气体，并由它带走汽化的水分。因此研究湿气体的性质是很有必要的。由于烟道气只是由CO2代替了空气中的部分O2，而CO2与O2的热性质很近似，因此把干燥作业中经常使用的湿空气性质、计算式和图表用于烟道气，误差不会超过0.8%。 湿度 即湿空气中单位质量干气所带有的水汽的质量以 表示。 设 —水的摩尔质量，kg/kmol； —干气体的摩尔质量，kg/kmol； —湿气体的总压； —水的分压。则 (3-1) 根据分压定律，物质的量与其分压成正比， (3-2) 对空气—水系统， =18； =29，于是 （3-3） 相对湿度 气体的湿度只表示所含水分的多少，不能反映这种情况下气体还有多大的吸湿潜力，而相对湿度则可表示出这种潜力。 在一定的温度和总压下，湿气体中水汽的分压 与该温度下水的饱和蒸气压 的百分比称相对湿度，用 表示： （3-4） 相对湿度越低表示湿气体距饱和状态越远，吸湿能力也越大。当 =100%时，表示湿气体已达饱和，气体不能再吸湿，因此不能再作载湿气。 将 带入（3-2）、（3-3），得 (3-5) 对空气-水系统 (3-6) 相对湿度可用毛发温度计，干湿球温度计等仪器来测量。测出相对湿度后即用（3-5）或（3-6）式计算湿度 。 露点温度和湿球温度 这两个温度均可用于湿度的测量现分析如下： （a）露点温度 不饱和气体在总压和湿度保持不变的情况下，进行冷却而达到饱和状态时的温度称该气体的露点温度，简称露点，以 表示。当达到露点时，空气的湿度为饱和湿度，（3-3）式变成： （3-7） 式中， —露点时水的饱和蒸汽压。这是露点法测定空气湿度的依据。 露点温度对于干燥过程有以下作用：（1）通过测定露点可测定气体湿度。将一镜面置于气样中，用制冷剂使之逐渐冷却，当镜面上开始有水汽冷凝而使反射光的能力减弱，这时的温度即为露点温度。查得此温度水的饱和蒸气压，带入（3-7）式即可求得 ；(2）由于露点是开始有液滴析出时的温度，因此在干燥过程中气体的温度必须高于其露点，否则物料反而要增湿。还应注意在干燥后的除尘系统中，气体温度也要高于露点，否则物料（粉尘）因回湿而发生粘结。为确保粉尘不回湿，一般应保持除尘系统高于露点15℃。 （b）湿球温度 在普通温度计的感温球上缠一层薄纱布，纱布下端浸入水中，由于毛细管作用，感温球上的纱布始终保持润湿状态，这就成为湿球温度计。 将湿球温度计置于一定线速的气流中时，如果气流中的水蒸气是不饱和的，则纱布上的水就要汽化到气流中去。水汽化所需热量首先取自湿纱布的显热，气流将以对流的方式把热量传给湿纱布。当气流传递给纱布的热量恰好等于液体汽化所需的潜热（汽化热源仅来自气流，辐射等影响可忽略）时，湿纱布的温度不再下降，这个稳定的温度称为湿球温度，以 表示。 通过达到稳态后的传质、传热速度方程的关联，可得出如下的湿球温度定义式： （3-8） 式中， —湿球温度，K； —干球温度，K； —以湿度差表示推动力时的传质系数， ; —气体与液体间的对流传热膜系数， ； —水在 时的汽化潜热，kJ/kg； — 时气体的饱和湿度，kg（水）/kg（干气）； —气体主体湿度。其中 和 只是 得函数， 和 是通过同一气膜的对流传质系数和对流传热系数。凡是能引起气膜厚度改变的因素（例如流速），对于每一系数的改变也是成比例的，若气膜厚度减半，则 与 均加倍，但 / 比值不变；因此它是与气体粘度、流速等无关的常数，并可由试验确定。可见 只是与气体干球温度t和湿度H有关。因此测得 和 之后即可根据（3-8）式求得湿度H（式中常数由试验确定）。 湿球温度对干燥过程有以下作用：（1）通过测定气体的干、湿球温度，可以测定气体的湿度；（2）在干燥过程中，当物料表面含湿高，在对流干燥条件下，物料表面达到一个稳定的温度，这个温度接近湿球温度。对于高温低湿气体，湿球温度比干球温度低得多，所以对含湿量高的物料，往往可用很高温度的气体进行干燥而不致损害物料质量；（3）当物料很湿时，物料温度约等于湿球温度，气体和物料间的温度差（ ），也就是物料含湿高时对流干燥的推动力。 （4）湿热和焓 湿热和焓是热衡算需要的数据。现分述于后： 湿热 又称湿比热容或干基湿比热容。是在定压下将1kg干气体和带有Hkg水汽的湿气体的温度升高1K所需的热量。即 （3-9） 式中， —湿热， ； —干气体的比热容， ; —水蒸气的比热容， 。 和 与湿度有关，但在通常干燥条件下随温度变化较小，在工程计算中通常取为常数。对于空气—水系统，取 =1.005， =1.884，则 （3-10） （b）湿气体的干基焓，或称干基湿焓，简称焓。为1kg干气体的焓与所带水蒸气的焓之和： （3-11） 式中， —湿气体的干基焓， ； —干气体的焓， ； —水蒸气的焓， 。 在计算干基焓时， 取0℃的干气体为基准态， 取0℃时液态水位基准态，则 ； 故 （3-12） （3-13） 式中， —气体温度，℃； —0℃时水的汽化潜热， 。对空气-水系统， 。 （3-14） （5）湿比容 即1kg干空气和所带有 kg水蒸气所占有的体积，对空气—水系统： （3-15） 式中， —湿比容； ； —气体温度，℃； —总压，kPa。 3.2.2湿物料的性质 （1）湿含量以 表示。即单位质量干物料所含水分质量。 （2）平衡湿含量以 表示。如将一物料与一定温度和相对湿度的空气接触时，物料将失去水分或吸收水分。直到物料表面产生的水蒸气压与空气中的水蒸气分压相等，这时达到平衡。物料中湿含量不再增减，物料中的水分称平衡湿含量。不同物料的平衡湿含量差别很大，对于同一物料又因所接触的空气温度和湿度不同而变化。物料在干燥条件下所含平衡水分不能除去。 （3）自由水分：物料所含水分中超出平衡水分的部分称自由水分(或称游离水分)，它可在干燥过程中除去。 （4）结合水分与非结合水分：它是根据物料中水分除去的难易来划分的。当物料湿含量小于某一值时，其平衡蒸气压即低于水的饱和蒸气压，这就表明水分与物料有某种形式的结合(例如化学吸附水，毛细管水等)，由于这种结合力的存在使水分难于挥发。显然结合水较非结合水难于除去。 （5）物质的吸湿性：个别物质与水的亲合力极大，例如氯化钙、阿拉伯胶等。另一种情况是如果物料中没有可溶于水的成分，没有亲水基，也没有毛细孔隙，就与水没有什么亲合力。这种物料是非吸湿性的，例如石英砂。一般物料都介于这两种极端之间，即都是吸湿性的，但最大吸湿量是个有限值。 3.3干燥速率及其影响 单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分质量称干燥速率： （3-15） 式中， —干燥速率， ；W—汽化水分量，kg；F—干燥面积， ； —干燥时间，h。 图3-1 恒定干燥条件下的干燥速率[1] 在实际干燥操作中，热气的温度、湿度以及流速是不断变化的。但为了研究干燥过程的基本规律，通常都在固定热气体的温度、相对湿度及流速的条件下进行试验。如果将于燥速率对物料湿含量作图，即得图3-1的干燥速率曲线。从图中可看出，干燥开始时物料被预热，干燥速率升高，物料温度也升高(AB段)，但这段时间很短，当物料被加热到湿球温度后，开始了恒速干燥。物料表面温度也保持湿球温度(BC段)。当物料湿含量降低到某一值X0时，干燥速率开始下降，物料表面温度也开始升高，这就开始了干燥的降速段。恒速断与降速段的交界处（C点）称为临界点，所对应的湿含量 称临界湿含量。此后物料的干燥速率随湿含量的减小而降低，表现出水分由物料内部向物料表面迁移的速率低于物料表面水分的汽化速率。随着干燥过程的进行，干燥区不断向内层延伸，当物料湿含量降低到等于平衡湿含量 时，物料温度也升高至热气的温度，干燥过程即停止。降速段曲线的形状因物料不同而异。图3-1是实验测得颗粒状多孔物料的干燥速率曲线。这种情况下，物料内部水分的迁移首先是由于毛细管作用，然后水分在物料内部汽化而扩散至表面。 由上述可知，干燥过程可分为恒速和降速两个阶段，这两个阶段的干燥机理是不相同的，因而影响它们干燥速率的因素也不完全一样。 恒速段主要是水分从物料表面汽化。干燥速率取决于水的表面汽化速率。因而与物料的种类和物料内部结构无关。凡影响表面汽化速率的因素，也都对干燥速率产生影响。例如颗粒尺寸小，提供干燥表面大，气流速度高；热气体温度高，相对湿度小等都能提高于燥速率。降速段则主要是水分在物料内部的传递，因此凡有利于减少内部传质阻力的因素，就有利于提高降速段的干燥速率。例如减小颗粒以缩短水分迁移路程，提高温度以增大水分子扩散速度。物料本性如毛细孔的结构，物料与水的结合形式等对降速段的干燥速率有重大影响，但这些属物料本性，通常是无法改变的。 磷铵料浆在回转圆筒内进行喷浆造粒干燥时，主要是干颗粒表面涂布的料浆层进行表面汽化的过程，因而它主要属恒速干燥。 3.4干燥器的物料和热量衡算 3.4.1物料衡算 物料中的水分含量有两种表示方法： 湿基含水量： （3-16） 干基含水量： （3-17） 这两种表示法的换算关系为 （3-18） 由于干物料的质量在干燥过程中是不变的，计算时用干基含水量比较方便。故都先将湿基含水量换成干基含水量。 图3-2 干燥器的物料衡算 设： ； ； ； ； ； ； 。 根据进出口物料和气体的有关数据，可计算出下列重要结果： （3-19） （3-20） （3-21） (3-22) 3.4.2热量衡算 前面已经讲过，煤燃烧所得烟道气的热性质与空气接近，而且干燥所用烟道气还经常稀释了大量空气，因而在热平衡计算中把烟道气当成空气处理所引起的误差不大。 干燥过程的热量衡算，可按表3-1列出的项目进行。可把湿物料带入的热和气体带出的热分解为两项之和，即把汽化的水单独分为一项。 图3-3 干燥器的热量衡算 表3-1 干燥过程的热量衡算 输入的热量 输出的热量 气体带入的热 气体带出的热 湿物料带入的热 产品带出的热 补充加入干燥器的热，返料带入的热等： 热损失 表2-1中的符号： ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 。 下角标2表示出口条件下的相应参数。 根据热量平衡：输入的热量=输出的热量见图3-3 将表2-1中的各热量代入平衡式并整理 （3-23） 设： ； ； 。 则 （3-24） （3-24）式的物理意义是：进干燥器气体冷却放出的热 和返料带入（或补充加入）的热 提供的热能消耗于三个方面，即水的汽化 物料的加热 ，以及热损失 。 3.4.3气体进出干燥器状态的确定 用于干燥的热气体温度一般根据工艺要求选定。气体的湿度则取决于气体的性质，当然希望湿含量越低越好。 气体的出口湿度可根据热平衡确定。以W除(3-23)式： 因为 故 （3-25） 上式中的热损失可根据经验或估算确定， 可按 算得，除 外的其余各项均为已知或可计算求出。因此用上式即可算出气体的出口湿度 。 3.4.4干燥器的热效率与干燥效率 进干燥器气体带入的热只有一部分在干燥过程中放出，其余部分随废气带走。气体在干燥器中放出的热与气体带入的热之比称热效率。 （3-26） 上式适用于干燥器中没有补充加热的情况，一般为热效率为50%~70%。 气体在干燥器中放出的热量只有一部分用于汽化水分，对于燥过程而言，只有这部分热是有效的，汽化水分与干燥器中消耗的总热量之比称干燥效率。 （3-27） 干燥过程的总效率： （3-28) 3.5 喷浆造粒干燥操作条件的选择 3.5.1干燥机的进口温度 干的磷铵产品在高温下容易分解，其完全分解温度约为200℃。当湿物料与热风顺流流动时，虽然最初热风温度很高(350~450℃)，但这时湿物料的温度也只相当于湿球温度，因此不会使磷铵分解。到干燥机尾部时，气体温度下降、湿度增大，但干磷铵不会从气体吸回水分，也不会分解。故磷铵的干燥宜于采用湿物料与热气体顺流操作。在干燥机头部湿物料与热风之间的温差很大，传质传热的速度很快，因此提高热风温度必然会提高干燥强度，在苏联，咳浆造粒干燥机的进气温度已提高到600~650℃。但热风温度过高，自成粒作用会增强，物料的成粒率会下降。故应综合考虑全部操作条件后，才能对进气温度作出正确选择。 3.5.2干燥机的尾风温度 磷铵产品出干燥机时的含水量接近平衡湿含量。平衡湿含量除与物料本性有关还与所接触气体的湿度和物料温度有关。出干燥机物料的温度愈高，其平衡湿含量愈低，即产品含水率愈小，但物料出口温度与出气温度是相关的。通常出口气体温度较固体物料高10~20℃。因此保持气体出口温度100~110℃，使固体物料出口维持80~90℃，既可防止产品分解，也能达到对产品含水率的要求。 提高气体出口温度虽可降低产品含水量，提高产品机械强度，但含水率过低返料系统容易粉尘飞扬，造成环境污染，也容易引起产品分解造成损失。出气温度过高也会增大系统的热损失。 3.5.3浓缩料浆含水率 浓缩料浆的含水率，直接影响喷枪的喷雾情况、干燥系统的水平衡和生产能力。料浆过浓会使喷浆困难，雾化不良，容易造成喷枪堵塞，料浆含水率高，则雾化良好，涂布造粒和粘结造粒作用都有所加强，物料成粒率也相应提高。但干燥机的生产能力则因料浆含水量增高而下降。从提高设备生产能力和节约能量的角度出发，料浆的浓度应是愈高愈好。但如果因料浆浓度过高而影响喷浆造粒，则应对料浆含水率作适当的调整。一般来说，维持料浆含水率25％~35％都可使喷浆造粒过程顺利进行。但必须是浓缩系统能够提供含水率稳定的料浆，才能保证喷浆造粒干燥系统的稳定操作。而目前采用的蒸发料浆浓缩系统的操作控制水平能够满足这一要求，这也是料浆浓缩法制固体磷铵的优点之一。 3.5.4干燥机填充系数 填充系数又称装载系数，以干燥机内物料体积占干燥机总容积的百分率表示。喷浆造粒干燥机内大部分质、热交换是在喷舌-料幕区进行的。在这里需要保持较高的料幕密度，以增大参加质、热交换的表面积。因而也就要求干燥机内的物料具有相应的填充系数，以满足料幕密度的需要。当然，料幕密度过大也会增大气流阻力，使传热条件变差。对喷浆造粒干燥机来说合适的填充系数为15~20％。 3.5.5料浆中和度 中和度直接影响磷铵产品的组成、P2O5的水溶率、生产过程的氨损失、氟选出率和料浆粘度等，因此它是中和过程最重要的控制指标。 料浆法生产磷酸一铵的中和度一般都控制在1.1~1.2之间，达时产品中约含80％~90％的一铵和10％~20％的二铵。这样作可适当提高产品含氮量。生产二铵时则中和度控制在1.8左右。这是为了避免在生产和使用过程中过大的氨损失和减少水溶磷的退化。 在实际生产中，中和度是通过锑电极连续测定料浆的pH值，再根据原料磷酸实测的中和度(或NH3/H3PO4摩尔比)与pH的关系曲线确定的。中和度也可用酸碱滴定法测得。 3.5.6料浆温度 磷酸与氨中和的反应热，除了足够把中和料浆温度升到沸点外，同时还可蒸发掉一部分水分。如果是在常压下采用槽式中和，则料浆沸点约102℃。如采用加压中和或管式反应器，则视所用磷酸浓度和受控压力而分别可达170℃或150℃。允许中和料浆有较高的温度，既可防止固体磷铵析出，保持料浆有良好的流动性，而高温料浆进入蒸发器或干燥器又可大大节约热能。 由上述文献确定工艺参数如下表3-2 表3-2 工艺参数表 工艺参数 操作条件 料浆含水率 25% 填充系数 15% 进口温度（℃） 450 尾气温度（℃） 100 中和度 1.1 料浆进口温度（℃） 100 料浆出口温度（℃） 90 返料温度（℃） 50 4 干燥机的设计 图4-1 干燥机的物热衡算示意图 设计要求： （1）一年生产12万吨，一年生产时间按300天计，一天生产24小时，所以每小时生产 ，按 计算； （2） 的比热容查文献[7]得： ； （3）产品含水量w2=1%，干基含水量按试（3-18）计算： ， 产品的比热容 ； （4）出干燥机温度 ； （5）浓缩料浆含水量 ，干基含水量 ， 比热容 ； （6）进干燥机的温度 ； （7）干燥用的烟道气进干燥机温度t1=450℃，湿度 。 （8）废气温度t2=100℃； （9）喷浆造粒干燥机的返料倍数一般为4~6倍[2]，规定返料比为5：1，返料进干燥机温度 ； (10)估计热损失为进干燥机气体热量的20%。 4.1干燥机的物热衡算 4.1.1水分蒸发量 绝干物料流量 水分蒸发量根据式（3-19）计算： 4.1.2废气的湿度 根据式（3-25），加上q2返料带入的的热量，这里的返料从 变到 所带入的热量为 这样式变为 (4-1) 已知 ； ； ； 根据式（3-10）计算气体比热容： ； 返料量： ； ； ； ； 0℃时水的汽化热 ； 水汽的比热容 ； 水的比热容 ； ； ； 热损失 ； ； ； 带入式（4-1）计算： 求解上式得出： 计算废气温度的相对湿度由式（3-6）的变形得 （4-2） 查文献[5]得100℃时，水的饱和蒸汽压为101.330kPa，带入式（4-2）计算： 由图（3-2）[8]查的90℃磷铵的临界相对湿度为 ，因为如果气体的相对湿度超过肥料的临界相对湿度，则不但不能进行干燥，物料反而会吸潮变湿，所以必须使出口的相对湿度比产品的临界相对湿度低10%以上[2]。所以要求的出口气体的相对湿度为 ，由此可见出口气体的相对湿度远低于这一数值，物料不会吸潮变湿。 图4-2 肥料的临界相对湿度与温度的关系[8] 4.1.3废气的露点温度 根据（3-7）式可得： （4-3） 式中，ps—露点时水的饱和蒸汽压，Pa; Hs—达到露点时的饱和湿度，kg（水） /kg（干气）；P—气体总压，Pa； P=101.325KPa（正常大气压力）；Hs=0.1023kg（水）/kg（干气）；代入（4-3）式得： 查水的饱和蒸汽压表得53℃时的饱和蒸汽压是14.215KPa，因此废气的露点td=53℃。 在干燥的过程中气体的温度必须高于其露点，否则物料反而要增湿。由于 td