磷铵尾气减排与节能的清洁工艺研究

论文摘要

根据绿色化学原理和循环经济原则，规划和发展我国磷资源化工、开发清洁磷化工生产技术已纳入我国中长期科技发展规划，针对目前我国磷肥生产工艺现状，本文以某厂引进的Norsk Hydro预中和—转鼓氨化造粒工艺年产60万吨磷酸二铵DAP生产装置的大气排放物为例，通过对DAP尾气分流的热力学分析，揭示了60万吨，年磷酸二铵（DAP）生产装置尾气排放“磷铵雨”污染的热力学机理，是高湿度尾气露点温度高于烟囱内局部位置的实际温度而产生凝雾。源头治理措施是尾气脱湿，由此开发采用磷酸二铵尾气循环联产磷酸一铵清洁新工艺技术，使湿含量低于0.114 kg（H2O）/kg（Air），露点温度低于55℃。脱湿释放的能量循环用于磷酸一铵（MAP）生产，可以替代24万吨/年MAP生产装置45％的一次能源。提出尾气部分冷凝一磷酸降膜蒸发过程耦合技术，节约过程推动力，提高二次能源利用效率。现场实验证明了该技术的可行性，耦合过程总的传热系数500～600 W·m-2·K-1，达到工业装置水平，并具有低温（<60℃）、低循环量的突出优势，蒸发表面扩展了1个多数量级。对高湿度工业废气冷凝脱湿进行模型研究和数值模拟，引入分配系数α表征雾状冷凝和膜状冷凝并存的权重。DAP尾气冷却冷凝现场实验传热传质数据，在水汽冷凝减量34～57％的范围内，与α=0.2的数值模拟结果相当吻合，定量验证了本文的模型与数值模拟。通过实验，考察了磷酸液膜平均传热、传质系数与膜Re的关系。随着Re的增大，液膜平均传热系数开始呈线性增大，后来增加更快，最后开始减小。平均传质系数随Re的增大逐渐减小。并且随着流量的增加，减小越来越快。实验研究了磷酸液膜过冷度对磷酸降膜蒸发过程的影响。过冷度的提高有利于传热。但相对单位过冷度的蒸发强度却有所减小。实验还揭示磷酸过冷沸腾是一项很有应用前景的磷酸浓缩清洁生产技术。现场实验获得的P2O5浓度27.1～41.7％范围内磷酸蒸发浓缩数据，揭示了在55℃以下低温浓缩湿法磷酸的可能性以及磷酸过冷沸腾现象，这对磷酸浓缩技术很有研究价值。通过对真空降膜浓缩磷酸脱氟实验表明，操作温度对磷酸的浓缩和深度脱氟效果有显著影响。磷酸浓度愈高，其影响愈大。在磷铵料浆蒸发浓缩过程中，设备的液位控制和密度测量对保证设备正常生产和后续喷浆造粒产品的质量都十分重要，接触式差压法是工业生产中广泛采用的液体密度或液位在线检测方法，但对粘稠料浆流动体系却常因料浆粘附在与其相接触的传感器敏感膜片表面，使传感器无法正常感应流体主体压强的变化而失效。本文提出了一种用空气或惰性气体传递液相压力信号的测量方法，依据热力学和流体静力学原理导出了测量管内气液界面高度随系统温度、压力变化的关系式。以水—空气体系为例计算了160℃、0.7MPa范围内测量管内气液界面的涨落，获得了测量管可靠的工作范围及气柱溢出、测量失效的判定公式。进一步分析了气体通过气液界面扩散传质可能引起的测量失效问题，建立了传质模型，计算表明难溶性气—液体系此过程十分缓慢。选用空气-水体系进行了实验验证，在压力0.2MPa、温度分别为50℃和80℃两工况下，测量管内通过气液界面传质而引起的界面高度变化量在90天内小于5％，与理论预测值相当吻合，验证了该方法的可靠性。超声波是一种研究反应绿色化的重要的物理手段，本文从热力学基本原理出发，研究了声场中的汽液相平衡热力学，提出声场中的相平衡条件。通过引入声力势的概念，推导并建立了超声波声场中热力学模型，从理论上研究和分析外加超声声场对磷酸浓缩汽液相平衡的影响。理论表明超声波完全可以改变原有的平衡体系，从而使体系达到了一种新的平衡状态。此外，本文根据超声空化泡在相间特殊运动时周围流体流动特性，结合流体动力学原理，基于渗透传质理论提出并建立了超声波声空化气泡相界面逸出崩溃时相际间传质模型，所建立的模型较好地描述相界面上逸出超声空化泡时液体中的传质行为。根据文献实验条件对模型赋值并结合对模型参数的估值确定，理论计算预测值能较好地反映文献实验数据的变化趋势，表明本文的机理模型能合理反映超声空化泡在相间的传质现象，该模型为超声波强化相间传质过程提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 绪论
• 1. 引言
• 2. 本文研究问题的提出、研究思路及其意义
• 上篇: 磷铵尾气减排清洁生产技术
• 第一章 引言
• 1.1 过程与问题分析
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 降膜蒸发的研究进展
• 1.2.2 含湿混合气体冷却冷凝的研究进展
• 1.3 本课题的研究内容
• 第二章 DAP尾气脱湿与MAP料浆加工的工艺集成和过程耦合
• 2.1 DAP尾气的热力学特征
• 2.2 DAP尾气循环联产MAP的工艺集成与过程耦合
• 2.2.1 DAP尾气循环联产MAP工艺集成热力学分析
• 2.2.2 DAP尾气循环联产MAP工艺集成
• 2.3 DAP尾气脱湿与磷酸降膜蒸发过程耦合
• 第三章 关键技术现场实验
• 3.1 现场试验工艺流程及主要装置
• 3.1.1 工艺流程
• 3.1.2 主要设备型号及参数测定
• 3.1.3 现场实验装置
• 第四章 试验结果与讨论
• 4.1 DAP“湿线尾气”冷凝脱湿模型研究与数值模拟
• 4.2 DAP尾气冷凝湿含量组成分析
• 4.3 磷酸液膜平均传热、传质系数与膜Re的关系
• 4.4 磷酸液膜过冷度对磷酸降膜蒸发过程的影响
• 4.5 管内磷酸降膜蒸发过程分析
• 4.6 磷酸在单管降膜真空浓缩状况下脱氟的研究
• 第五章 非接触式浆料密度和物位测量方法研究
• 5.1 前言
• 5.2 国内外相关研究
• 5.3 本课题的研究内容
• 5.4 测量装置及测量原理
• 5.5 实验结果与讨论
• 5.5.1 液封高度测试值与计算值的对比
• 5.5.2 液封高度稳定性考察
• 第六章 上篇结论
• 下篇: 超声波强化清洁技术的研究
• 第一章 文献综述
• 1.1 超声波的发展
• 1.2 超声波在化学、化工中的应用
• 第二章 超声波空化现象
• 2.1 超声空化与空化阈值
• 2.2 超声波作用下空化泡的运动
• 2.2.1 空化泡的崩溃时间
• 2.2.2 声场中空化泡壁的运动
• 2.3 产生超声效应的物理机制
• 2.4 影响超声空化的各种物理参数
• 2.5 超声场传质分离过程的强化
• 2.6 本课题研究思路及内容
• 第三章 超声场中相平衡热力学模型的研究
• 3.1 引言
• 3.2 汽液相平衡热力学基础
• 3.3 超声波声场作用下的汽液相平衡热力学
• 3.4 超声声场中汽液相平衡热力学模型
• 3.5 超声波声场对汽液相平衡影响的机理分析
• 3.6 讨论与分析
• 第四章 磷酸溶液超声蒸发浓缩清洁工艺研究
• 4.1 超声蒸发原理
• 4.2 声频和声强的确定
• 第五章 超声空化泡相界面逸出崩溃时相际间传质特性的研究
• 5.1 前言
• 5.2 超声波作用下，流体界面现象
• 5.3 界面湍动对气液传质的影响
• 5.4 气液传质理论
• 5.5 超声空化气泡相界面逸出崩溃时相际间传质模型
• 5.5.1 超声空化泡相间传质作用机理
• 5.5.2 模型建立
• 5.6 结果验证与讨论
• 第六章 超声波强化传质过程机理分析
• 第七章 下篇结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的相关论文及科研成果
• 致谢