磷銨生產(chǎn)工業(yè)級磷銨的實驗研究

磷銨生產(chǎn)工業(yè)級磷銨的實驗研究

磷酸銨是一種適用于所有土壤和植物的優(yōu)質(zhì)、高效復(fù)合肥料。典型的固體磷銨產(chǎn)品有磷酸一銨(MAP)和磷酸二銨(DAP)。國外過去主要生產(chǎn)DAP,MAP的產(chǎn)量較小。由于MAP比DAP的氨分壓低,穩(wěn)定性好,吸濕性低,堆密度大,投資少,能耗低,所以進(jìn)入20世紀(jì)70年代中期以來,MAP的生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大,發(fā)展速度已超過DAP?！傲蠞{法”磷銨的主要產(chǎn)品是磷酸一銨(MAP),由于受原料磷礦品位和雜質(zhì)的影響,代表性產(chǎn)品的規(guī)格簡式為10-42-0,其主要用途是農(nóng)用化肥。20世紀(jì)90年代以來,中國的磷銨工業(yè)正在向產(chǎn)品多元化發(fā)展,如果能將肥料級磷銨提純?yōu)楣I(yè)級磷銨,便可獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。MAP提純的關(guān)鍵是除去磷銨中的鈣、鎂、鐵等雜質(zhì),方法是把MAP溶解在水中,加入化學(xué)藥劑使雜質(zhì)結(jié)晶沉淀并進(jìn)行溶液的澄清分離。這個方法的困難在于鈣、鎂、鐵等雜質(zhì)在溶液中生成的顆粒非常細(xì)小,形成的溶液黏稠,極難分離。因此,發(fā)展MAP溶液的澄清分離技術(shù)就成為當(dāng)務(wù)之急。本文對MAP再溶解凈化液的澄清分離進(jìn)行了實驗研究,其結(jié)果可作為工業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)。1磷銨料漿溫度實驗物料為貴州宏福公司的粉狀磷酸一銨(MAP),實驗所配制的溶液濃度為:水、磷銨、分散劑質(zhì)量之比為400∶99∶1,即磷銨料漿濃度為20%,常溫下溶液密度為1156kg/m3,黏度為2.25×10-3Pa·s,沸點(diǎn)約為100℃,pH值為4。磷銨過濾后的不溶物的平均粒徑為12μm。為適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的要求,實驗磷銨料漿溫度分別選為20℃、65℃、90℃。在這3個溫度下分別進(jìn)行了重力沉降實驗、離心沉降實驗和加壓膜過濾實驗。1.1懸浮液沉降速度實驗在3根相同的500mL量筒中分別盛裝相同濃度的20℃、65℃、90℃的磷銨料漿溶液450mL,充分?jǐn)噭蚝箪o置,記錄澄清界面高度隨時間的變化。實驗開始時,磷銨懸浮液沉降速度較快,記錄時間間隔為3min,隨著懸浮液沉降速度的減慢,實驗過程中相應(yīng)增大了記錄的時間間隔。重力沉降實驗的實測結(jié)果見圖1。1.2離心沉降測定離心沉降實驗是在試管離心機(jī)中進(jìn)行的,試管回轉(zhuǎn)半徑為100mm,將配置好的20℃料漿溶液置于離心機(jī)試管中,分別在2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min、4000r/min的轉(zhuǎn)速下作離心沉降實驗,離心機(jī)達(dá)全速后的沉降分離時間為8s。停機(jī)后取試管中一定量的上清液,在恒溫下直接將其蒸發(fā),最后得到磷銨結(jié)晶和含鈣、鎂、鐵等離子的不溶物,繪出蒸發(fā)后的不溶物質(zhì)量與離心機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。將料漿溶液分別加熱至65℃、90℃,重復(fù)上述實驗。1.3加壓過濾實驗實驗通過壓縮空氣實現(xiàn)加壓過濾,過濾介質(zhì)為?100的乙酸纖維微孔濾膜,膜孔直徑0.8μm。實驗壓力分別為0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa。將配置好的20℃磷銨料漿溶液置于加壓過濾器內(nèi),分別作不同壓力下的加壓過濾實驗,測取不同過濾時間段內(nèi)的濾液量,算出不同時間段內(nèi)的過濾速率,繪制加壓過濾曲線圖。改變相同濃度下的料漿液溫度,重復(fù)上述實驗,測出65℃、90℃情況下不同過濾推動力時的過濾曲線。2結(jié)果與分析2.1布朗運(yùn)動引起的沉降因為磷銨溶液為白色的乳濁液,在實驗條件下不容易將沉降區(qū)與過渡區(qū)、壓縮區(qū)和粗粒區(qū)嚴(yán)格區(qū)別開來,所以實驗過程中只記錄了清液層的高度。圖1的實驗結(jié)果表明,65℃時磷銨溶液的沉降速度最大,20℃條件下溶液的沉降速度最小,90℃料液的沉降速度介于其間。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于重力與擴(kuò)散力交互作用形成的。實驗條件下,分散于懸浮液中的固相顆粒主要受到兩種力的作用。一是重力,由于顆粒的密度大于液體密度,顆粒會因重力作用而下沉,這種現(xiàn)象為沉降;二是擴(kuò)散力,擴(kuò)散力促使系統(tǒng)中顆粒濃度趨于均勻,使顆粒產(chǎn)生布朗運(yùn)動,對沉降形成干擾。在靜止情況下,根據(jù)Stokes定律,重力沉降速度V0可表示為:V0=d2(ρs?ρ)g18μ(1)V0=d2(ρs-ρ)g18μ(1)式中d——固相顆粒粒徑,m;ρs——固相顆粒密度,kg/m3;ρ——液相密度,kg/m3;μ——液相黏度,Pa·s。從式(1)中可以看出,隨著溫度的升高,液相黏度下降,固相顆粒的沉降速度應(yīng)該上升。但圖1實驗結(jié)果表明,90℃時的磷銨料漿溶液的沉降速度比65℃的還低,這是因布朗運(yùn)動引起的擴(kuò)散造成的。布朗運(yùn)動使顆粒從原始位置發(fā)生的位移x可由愛因斯坦方程式得出:x=(RTt3πμDNA)12(2)x=(RΤt3πμDΝA)12(2)式中t——顆粒運(yùn)動的時間,s;T——懸浮液的溫度,K;NA——Avogadro常數(shù)。式中其余符號意義同(1)。從上式可見,溫度升高,懸浮液的黏度下降,布朗運(yùn)動使顆粒沿某一方向的位移就增加,而且溫度越高,布朗運(yùn)動越活躍,擴(kuò)散越劇烈,顆粒之間的相互碰撞就更頻繁,擾動增大,干擾了單個顆粒沿重力方向的運(yùn)動,導(dǎo)致沉降速度不高。而溫度太低,液相的黏度較大,沉降速度當(dāng)然也低。2.2料漿上清液含固量的變化離心沉降實驗結(jié)果如圖2所示。實驗結(jié)果表明,如果分離時間相同,同一溫度下的磷銨料漿上清液的含固量隨離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小;相同轉(zhuǎn)數(shù)下,磷銨料漿上清液的澄清度隨著溫度的升高而提高。從圖2還可以看出,65℃和90℃的磷銨料漿在轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到3500r/min后上清液的含固量逐漸趨于平穩(wěn),說明此時已經(jīng)快達(dá)到分離極限,上清液差不多達(dá)到完全澄清,而20℃的料漿上清液含固量還會隨轉(zhuǎn)速的上升不斷下降,說明升高溫度可以增加分離效果,減小機(jī)器負(fù)荷。實驗結(jié)果還表明,隨著轉(zhuǎn)數(shù)的不斷提高,90℃的磷銨料漿溶液在3400r/min后所得的上清液含固量比相同轉(zhuǎn)速下65℃的上清液含固量略大,原因還是由于顆粒的布朗運(yùn)動所致。在懸浮液中,高分散的顆粒,由于尺寸極小,因布朗運(yùn)動而具有擴(kuò)散能力,在一定離心力場的離心力作用下,長期處于懸浮狀態(tài)而不能被分離,這種顆粒的尺寸稱為極限顆粒直徑d(μm),按下式計算:d=1.732(TΔρω2r)14(3)d=1.732(ΤΔρω2r)14(3)式中T——絕對溫度,K;Δρ——固液相密度差(Δρ=ρs-ρf),kg/m3;ω——轉(zhuǎn)鼓角速度,rad·s-1;r——回轉(zhuǎn)半徑,cm。從公式(3)可見,在一定的轉(zhuǎn)速之下,溫度越高,布朗運(yùn)動越劇烈,極限顆粒直徑就越大,相應(yīng)的上清液中的顆粒直徑范圍就增大,導(dǎo)致90℃時上清液最終含固量高于65℃的上清液含固量。2.3料漿與過濾溫度對過濾速率的影響圖3是65℃的磷銨料漿溶液在不同壓力下的過濾速率隨時間的變化情況。實驗結(jié)果表明,隨著壓力差的增大,也就是過濾推動力的增大,磷銨料漿溶液的過濾速率也相應(yīng)增大。但是,在過濾終了時這種差距逐漸減小。圖4是溫度對過濾速率的影響曲線,結(jié)果表明,隨著溫度的升高,過濾速率增大,原因是磷銨溶液的黏度隨溫度升高而降低,使過濾阻力變小,過濾速率上升。實驗還發(fā)現(xiàn),在過濾快結(jié)束時,過濾速率陡然下降,此階段為濾餅的壓實階段,如90℃的料漿過濾曲線最為明顯。90℃情況下的MAP料漿在第3min后過濾速率就驟然下降了,即過濾結(jié)束;實驗過程中發(fā)現(xiàn),300mL的磷銨料漿溶液在20℃條件下的過濾時間為20min,而65℃條件下過濾時間為6min,90℃條件下僅僅4min?？梢?在過濾過程中對磷銨料漿溶液加熱對提高過濾速率是非常有利的。實驗還發(fā)現(xiàn),不同溫度和不同過濾推動力情況下所得到的濾液含固量都小于0.1%,雜質(zhì)含量極少。3磷銨料漿的沉降和過濾(1)磷銨料漿在重力沉降過程中同時受重力和擴(kuò)散力的作用,隨著溫度升高,磷銨料漿黏度減小,重力沉降速度增大。雖然由于擴(kuò)散力而引起的布朗運(yùn)動會干擾單個顆粒沿重力方向的運(yùn)動,但是在沉降的整個過程中,重力仍然起決定作用。實驗發(fā)現(xiàn)24h之后的料漿溶液還在緩慢沉降,所以單純利用重力沉降對磷銨溶液進(jìn)行提純在工業(yè)生產(chǎn)上是不實用的。(2)相同溫度下的磷銨料漿溶液隨著分離因數(shù)的提高,上清液的固含量減少;相同條件下,溫度越高,離心沉降效果越好。(3)同一物料在相