黄磷反应热的回收与利用.pdf

黄磷反应热的回收与利用.pdf
 

书籍描述

内容简介
本书提出利用了自身反应产物进行高温防腐的热法磷酸反应塔结膜物防腐技术,揭示了黄磷与自然空气高温燃烧条件下结膜物的形成机制,获得了形成结膜物的各项控制参数,并以结膜物研究成果为基础,建立了能较为真实反映特种燃磷塔内流动、燃烧与传热过程的综合数学模型,详细系统地分析了影响特种燃磷塔黄磷反应热回收的各结构与运行参数,提出了特种燃磷塔的优化设计方案,可指导了大型特种燃磷塔的工程设计。可供从事磷化工生产、研究的技术人员参考。

编辑推荐
对从事热法磷酸生产的技术人员具有很高参考价值。

作者简介
梅毅,昆明理工大学,化工学院院长,教授,云南省中青年学术技术带头人,国务院特殊津贴获得者。一直从事无机化工和化工工程技术研究与开发。1982年8月~1995年2月在云南省红河州磷肥厂工作,先后任车间副主任、车间主任、生产技术科科长、厂主任工程师、副总工程师、国家计划项目磷铵工程指挥部技术总负责人;1995年3月至今,在云南省化工研究院工作,先后任科研开发办主任、副院长,现任院长。现担任中国化工学会无机酸碱盐专业委员会第二届无机盐行业专家组成员;云南省第五届选拔有突出贡献的专业技术人才评议委员会委员;云南省化工协会精细化工专业委员会副主任委员;云南省正高级工程师评审委员会委员。
1993年05月至1994年01月, 主持12万吨/年磷铵工程技术工作。负责工程技术、组织生产准备工作。指挥我国引进的6万吨/年半水二水湿法磷酸装置的开车。1994年02月至1994年07月, 主持6万吨/年半水二水湿法磷酸引进设备国产化。1994年08月至1995年02月, 主持并组织实施12万吨/年磷铵装置尾气洗涤系统改造。1995年03月至1999年06月, 主持5000吨/热法过磷酸工业性试验项目,产品获九七年度国家新产品称号,项目获九九年度省科学技术进步二等奖(2000年3月发奖)。主持的“硫环唑悬浮剂防治水稻稻瘟病试验示范推广”项目获九九年度云南省星火二等奖。2000年03月,制订的Q/YHY018-1996,Q/YZS03-1999两种浓度的过磷酸企业标准及中控分析方法,获中国标准化协会化工标准化协会一九九九年度化工企业标准奖一等奖。1998年06月至2001年06月, 主持云南省科技项目:“热法磷酸生产的余热利用”,总体技术国内领先,关键技术达到国际先进水平。2001年01月至2002年03月, 主持国家自然科学基金项目:“热法磷酸热能利用的模型化及优化”。2000年8月至2002年06月,主持云南省科技项目:“3万吨/年商品级湿法磷酸生产技术开发”。2003年05月至2007年08月, 主持国家863项目“年产1000吨高聚合度聚磷酸铵技术开发”,建成装置并投入运行。2005年12月至今,主持云南省科研院所技术开发研究专项(重点项目) “大型热法磷酸生产装置热能利用产业化研究与技术开发”。2007年07月至今,主持国家产业技术成果转化资金项目“热法磷酸高效节能新技术产业化”。2001年06月至今,主持“高效利用反应热副产工业蒸汽的热法磷酸生产技术”的开发与应用,已在国内17个企业的32套装置上实施了该发明技术。获2007年度云南省技术发明一等奖。2001年,获国务院特殊津贴。2002年11月,获“云南省中青年学术技术带头人”称号。2007年12月,入选国家“新世纪百千万人才工程人选”发表论文10余篇。撰写的《热法磷酸生产中黄磷燃烧热能的回收》获得中国无机盐工业协会颁发的“十五”期间无机盐行业论文特等奖、“第八届云南省科技(云锡)奖”一等奖。

目录
第1章国内外研究进展1
1.1国内外磷化工发展现状及其趋势4
1.2热法磷酸生产与应用6
1.3热法磷酸与湿法净化工业磷酸9
1.4热法磷酸技术研究现状13
1.5CFD数值模拟20
1.5.1CFD概述20
1.5.2CFD模型理论22
1.5.3CFD在热法磷酸生产中的应用30
第2章热法磷酸反应塔结膜物防腐研究33
2.1腐蚀问题35
2.2结膜物形成的条件研究40
2.2.1实验室研究41
2.2.2中间试验研究52
2.2.3生产状态下高温结膜物研究58
2.2.4结膜物导热性质的测试60
2.2.5水分极限实验65
2.3结膜物对316L材质腐蚀测试68
2.4结膜物的形成机制70
2.5结膜物形成条件及其腐蚀控制76
2.6本章小结77
第3章热法磷酸反应塔的数值模拟79
3.1物理模型81
3.1.1大型特种燃磷塔的几何尺寸81
3.1.2反应物的物理化学性质83
3.2数学模型84
3.3网格划分及数值解法87
3.4边界条件88
3.5数值模拟计算和优化90
3.5.1喷枪高度对温度场、流场、浓度场的影响90
3.5.2喷枪安装角度对温度场、流场、浓度场的影响95
3.5.3不同空气过剩系数对流场、温度场、浓度场的影响100
3.5.4燃磷量对流场、温度场、浓度场的影响105
3.5.5不同塔高、塔径对流场、温度场和浓度场的影响108
3.5.6方形塔与圆形塔的比较115
3.6本章小结121
第4章回收黄磷反应热副产中压蒸汽及其大型化125
4.1利用黄磷反应热副产中压蒸汽的特种燃磷塔结构与装备127
4.1.1双环形上集箱及其防腐结构127
4.1.2变径管与下集箱的连接结构135
4.1.3磷喷枪局部冷却水箱结构137
4.2具有多排管多集箱的大型化装备技术138
4.2.1大型化特种燃磷塔开发的目的与意义138
4.2.2特种燃磷塔大型化的技术途径139
4.3特种燃磷塔大型化的工程实践145
4.3.1设计原则与方法145
4.3.2黄磷反应热回收与利用的工程化
开发147
4.3.3磷酸(热法)生产技术规范154
4.3.4国内外黄磷反应热回收与利用技术的比较159
4.4本章小结162
参考文献164

序言
热法磷酸是将电炉法生产的黄磷,用空气燃烧氧化成双分子五氧化二磷(P4O10),然后P4O10进一步水化成磷酸的过程。热法磷酸按燃烧和水化的组合分为一步法流程和两步法流程。20世纪80年代至20世纪末,人们致力于热法磷酸生产装置的连续稳定运行和大型化,产品主要服务于工业和食品行业。热法磷酸一步法因其流程短,单系列装置能力大,占据了世界85%的份额。但是,热法磷酸一步法不能回收黄磷反应热,其反应热通过凉水塔排放至大气环境中。进入21世纪,节能低碳成为时代发展主题,黄磷反应热的回收与利用技术的研究与开发进入快速发展时期,热法磷酸两步法因其燃烧与吸收分别设置,为黄磷反应热的回收与利用提供了基础条件,成为热法磷酸生产的主流工艺。
中国是黄磷和热法磷酸生产大国。黄磷装置集中于云南、湖北、贵州、四川四省;热法磷酸产能则主要分布在消费与交通枢纽地区,集中于广西、云南、江苏、湖北、贵州、四川六省(自治区),总生产能力及产量均超过世界产能和产量的70%。中国成功开发的直接利用自然空气燃烧黄磷的热能回收利用技术——带热能回收的燃烧水化两步法,采用了燃磷塔与反应热回收装置相结合的整体设计方案来回收黄磷反应热。所设计的具有反应热回收装置的特种燃磷塔,同时具备两个功能。其一,能满足磷化工生产的要求,相当于化工设备中的一个反应塔;其二,能满足反应热回收的要求,相当于热工设备中的工业锅炉。该技术在国内获得全面推广和应用,带动了热法磷酸新一轮的技术进步,自2001年产业化至今,其装置能力占据了国内热法磷酸总生产能力的75%以上。
我国开发的直接利用自然空气燃烧黄磷的热能回收技术分为两个发展阶段。第一阶段是2001—2008年,在国际上首次开发了利用普通自然空气燃烧黄磷副产工业低压蒸汽(设计压力≤1.2MPa,操作压力≤1.0MPa)的技术,覆盖了国内约55%的磷酸产能,获得2008年度国家技术发明二等奖。2008年至今,围绕装置大型化与能源利用效率的提高,在前期工作基础上,开发了黄磷反应热副产中压蒸汽及其大型化技术的热能回收与利用系统,副产蒸汽压力从≤1.0MPa提高到3.9MPa,单系列工业磷酸装置能力从6.5万吨/年提高到10万吨/年,是国际上具有热能回收装置的最大单系列装置,产业化装置覆盖了国内21%以上的磷酸产能。
本书从热法磷酸反应塔结膜物防腐机理研究入手,研究了磷燃烧后的P4O10与H2O的反应产物及其性质,提出利用其反应产物物理性质的差异来控制并防止高温酸性气体对设备材质的腐蚀,揭示了黄磷与自然空气高温燃烧条件下结膜物的形成机制,提出了结膜物腐蚀控制参数。即利用高温低水分条件下P4O10与H2O反应产物在490℃以下冷凝形成固体结膜物的特点,控制结膜物的形成来阻断高温酸性腐蚀性气体与燃烧塔内壁面的直接接触,反应塔材质的防腐问题就由含磷酸及其聚合物的高温腐蚀性气体对设备材质的强腐蚀转化为固体结膜物对设备材质轻微腐蚀的影响。研究表明,该结膜物对316L材质的腐蚀率<0.06mm/a,从而有效解决了回收黄磷反应热过程中高温(平均2000℃,局部高温可达2600~2800℃)下腐蚀性气体对设备材质的强腐蚀性。
以结膜物防腐机理为基础,结合燃烧理论、化学反应工程原理,建立了能反映特种燃磷塔内的流动、燃烧与传热过程的综合数学模型,对不同工况下特种燃磷塔内的流动、燃烧与传热进行了数值模拟,可系统地分析影响大型特种燃磷塔余热回收的各结构与运行参数,提出特种燃磷塔的优化设计方案,为工程放大提供了工程设计指导。
以防腐机理和腐蚀控制方法为主线,以数值计算结果为基础,以提高副产蒸汽压力与设备大型化为目标,通过研发双环形上集箱及其防腐结构、变径管与下集箱连接结构、磷喷枪局部冷却水箱结构,实现了特种燃磷塔的结构创新。其中,通过降低翅片宽度,降低了翅片中心温度;采用双环形的内、外上集箱满足了特种燃磷塔生产中压蒸汽的强度要求;采用变径管与下集箱连接技术,配合小冷却水箱的新型结构,既满足了下集箱的强度要求,确保了结膜物的形成,同时也保证了自然水循环的安全性;磷喷枪采用局部冷却水箱结构有效避免了高温腐蚀的发生,保证了特种燃磷塔的正常运行。采用同一下集箱环管与环形内外连通的上集箱相连,或上下集箱之间的径向多层排管技术,在设备直径不变情况下获得了足够的换热面积,实现了特种燃磷塔的大型化。
本书是基于我们20年科研工作的总结,重点围绕回收黄磷反应热副产中压蒸汽及其大型化的原理、设计、工程化展开讨论,是专门论述黄磷反应热回收与利用的科技专著,可以作为从事基础磷化工技术人员的参考书,其中的结膜物防腐原理可以推广到有反应产物产生并能隔绝反应介质与设备直接接触的工业应用领域。
本书凝结了项目组所有成员的心血,这里要特别感谢宋耀祖教授、杨亚斌教授、蒋家羚教授、王政伟教授、龙萍教授、莫宾高工、何锦林董事长、刘秋生教授、梁慧力高工、马航副教授、刘宝庆副教授、梁雪松高工,以及雷波、赵香等同志在项目工作中所做出的贡献。
由于我们水平有限,书中不妥之处,敬请广大读者批评指正。

梅毅
2016年1月

文摘
插图:





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