一种超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法及装置与流程

本发明属于超重力结晶技术领域，具体涉及一种超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法及装置。

背景技术：

磷酸一铵（MAP）是一种较好的阻燃、灭火剂，广泛用于木材、纸张、织物的阻燃，纤维加工和染料工业的分散剂、搪瓷用釉剂、防火涂料的配合剂、干粉灭火剂。此外，在食品工业中用作膨松剂、面团调节剂、酵母养料、酿造发酵助剂和饲料添加剂，医药和印刷工业等也有使用，同时也用作高档肥料，是配制氮、磷、钾三元复混肥的优质基础原料。

工业磷酸一铵的质量不仅受产品纯度的影响，而且也受晶型晶貌的影响。由于温度、搅拌速度对工业磷酸一铵的结晶过程有显著影响，存在结晶颗粒大小不一、形貌不规则，直接影响到过滤性能和产品的纯度，影响到产品的品质。

超重力技术是20世纪80年代初发展起来的一种强化相间传递过程的新技术。其利用旋转的转鼓产生一种稳定的、可以调节的离心力场，以代替常规重力场。在超重力设备中，由旋转产生的离心加速度可达20-500倍的重力加速度。液体被撕成液滴、液滴和液膜，从而气液间传递面积增大，强化了传递过程。

目前，对于工业磷酸一铵结晶过程的研究很少。国内有文献报道铜陵鑫克公司采用奥斯陆结晶蒸发结晶磷酸一铵。但是主要缺点是溶质易沉积在传热表面上，操作较麻烦。专利NO.201310552424.4提供了一种控制降温速率冷却结晶的方法，其在50℃，转速为260-280r/min的恒温水浴锅进行结晶过程，据报道可以制备平均粒径为1258μm的颗粒。但是此方法采用搅拌恒温换热，在远离搅拌桨区域，存在“死区”，可能导致流体温度局部分布不均的问题，操作不当，影响产品的粒径分布。总的来说，在这些换热结晶过程中均非直接换热结晶，而是利用以连续相形式存在的待冷却物料和冷却介质在导热壁两侧依靠温度差为推动力达到换热结晶的目的。这种方法虽然结构简单，但是由于温度梯度较大，晶体在距离换热壁面近处优先析出，壁面处物料浓度与主体物料浓度梯度也相应增大。这样往往造成：（1）换热壁晶体沉积，造成能耗增大，并且难以清洗。（2）局部温度及浓度分布不均，晶体尺寸分布难以控制。虽然可以通过搅拌等方法增加流体的湍动来优化，但是同时会带来设计、制造以及运行费用的增加。专利NO.03123308.2提供了一种超重力结晶硫化锌的方法，其通过在常温下强化硝酸锌饱和溶液与硫化氢气体反应，析出硫化锌晶体的结晶方法。此方法，晶体粒径分布窄，晶型较完整。由于物料在超重力设备中停留时间过短(0.01s)，造成换热时间过短，这种方法不适用于无化学反应过程的变温结晶过程，并且晶体粒径较小，分离困难。

技术实现要素：

本发明为了解决目前在磷酸一铵结晶工艺中存在的结晶器换热壁面沉积、换热效率低导致结晶器体积较大，冷却时间长、温度及浓度梯度较大造成产物粒径分布不均、产物难以分离等问题，提供了一种超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法及装置。

本发明由如下技术方案实现的：一种超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法，将待冷却的磷酸一铵料浆和惰性介质气体连续通入超重力装置，调节液体流量、超重力装置转速、反应温度进行直接换热结晶，反应后的晶核在恒温养晶装置中继续完成换热和晶体生长过程，在养晶装置的出料口制得晶体；具体步骤如下：

（1）将待冷却的磷酸一铵料浆进入超重力装置，惰性气体连续通入超重力装置，惰性气体与待冷却的磷酸一铵料浆充分接触反应，反应后的产品连续离开超重力装置；

（2）调节超重力装置的操作参数进行直接换热结晶：惰性介质气体与待冷却磷酸一铵料浆在超重力场中直接接触，其中惰性介质以连续相存在，待冷却磷酸一铵料浆以分散相存在，料浆在超重力装置中迅速降温，形成均一尺寸晶核；

（3）晶核从超重力装置的气液出口流入恒温的养晶装置中，完成换热和晶体生长过程；

（4）晶核与惰性介质气体在养晶装置中自行分离，晶体从养晶装置的出料口排出，惰性介质气体从养晶装置的出气口排出。

步骤（1）中所述待冷却的磷酸一铵料浆流量与惰性介质的流量的质量比为500-2000；待冷却的磷酸一铵料浆中NH₄H₂PO₄含量范围为50%-70%，温度为100-110℃；所述惰性介质气体为空气、氮气、氦气或二氧化碳气体，温度为20-30℃；待冷却的磷酸一铵料浆流量与惰性介质气体流量的质量比例为500-2000；超重力装置转速为100-1200r/min。优选惰性介质气体为空气。

步骤（2）中超重力装置的操作参数为导热量，通过傅里叶定律获得热流密度：，从而得到单位时间传导的热量，即导热量，Δt为液膜两端的温度差，Δt= t₁-t₂，t₁为超重力装置进液口磷酸一铵的温度、t₂为超重力装置气液出口液体的温度，A为液膜的换热面积，λ为换热系数，δ为液膜厚度，在超重力装置内液膜厚度的计算式为，μ为料浆粘度，L为液体通量，ω为角速度，α_f为干填料比表面积，R为填料半径。可见导热量与液体流量、超重机转速有关，在进气量一定的情况下，通过调节液体流量计，改变液体通量，通过变频器改变电机频率调节超重机转速，从而获得最优结晶条件。

步骤（3）与步骤（4）中所述养晶装置的温度为40-60℃。

一种实施上述超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法的装置，包括超重力装置和养晶装置，超重力装置底部设置的气液出口与养晶装置相连接，养晶装置顶部安设除雾器，外侧设保温层，养晶装置底部直径与超重力装置直径比为1-3；养晶装置的高与底部直径比例为1-5。

所述超重力装置中的填料为金属或非金属的丝网、波纹板、多孔板、规整填料。

与现有技术相比：本发明采用直接换热的方法，超重力装置用来换热，无需加保温装置；养晶装置起到分离气液的作用，液体与1mm左右的晶体从养晶装置出料口出来后直接过滤，因此在养晶装置中无残留与堵塞现象发生。整套工艺设备体积小，是传统工艺体积的三分之一，便于工厂布置。采用惰性介质直接换热，换热面积比传统技术提高50%，并且与传统技术相比产物不会附着换热壁面造成传热效率降低，传热效率提高25%。在换热过程中，同时强化微观混合，物料成核小，均匀。晶核在养晶装置继续生长，便于后续过滤，过滤时间比传统工艺缩短四分之一。待冷却物料在换热结晶过程中极短的时间从超重力场中被被甩出换热区进入养晶装置，不存在返混现象，提高了产品的均一程度。结晶产物在超重力场中被甩出换热区，不会沉积导致能耗上升以及堵塞，能耗比传统工艺节省25%。

根据本发明的方法，采用超重力装置直接换热的方法，无需加保温装置；养晶装置起到分离气液的作用，液体与1mm左右的晶体从养晶装置出料口出来后直接过滤，因此在养晶装置中无残留与堵塞现象发生。整套工艺设备体积小，是传统工艺体积的三分之一，便于工厂布置。采用惰性介质直接换热，换热面积比传统技术提高50%，并且与传统技术相比产物不会附着换热壁面造成传热效率降低，传热效率提高25%。在换热过程中，同时强化微观混合，物料成核小，均匀。晶核在养晶装置继续生长，便于后续过滤，过滤时间比传统工艺缩短四分之一。待冷却物料在换热结晶过程中极短的时间从超重力场中被被甩出换热区进入养晶装置，不存在返混现象，提高了产品的均一程度。结晶产物在超重力场中被甩出换热区，不会沉积导致能耗上升以及堵塞，能耗比传统工艺节省25%。

附图说明

图1为超重力装置的操作参数确定方程式描述图；图2为本发明所述实施超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法的装置，图3为采用本发明所述方法获得的磷酸一铵结晶的晶体图像，图4为传统工艺方法制备的磷酸一铵晶体图。

图中：1-超重力装置；1.1-进气口；1.2-进液口；1.3-气液出口；2-养晶装置；2.1-出料口；2.2-出气口；2.3-保温层；2.4-除雾器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明所提供的超重力变温结晶磷酸一铵的方法，但是本发明不限于所列出的实例，还应包括本发明所要求权利范围内其它任何公知的改变。

一种超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法，将待冷却的磷酸一铵料浆和惰性介质气体连续通入超重力装置，调节液体流量、超重力装置转速、反应温度进行直接换热结晶，反应后的晶核在恒温养晶装置中继续完成换热和晶体生长过程，在养晶装置的出料口制得晶体；具体步骤如下：

（1）将待冷却的磷酸一铵料浆进入超重力装置，惰性气体连续通入超重力装置，惰性气体与待冷却的磷酸一铵料浆充分接触反应，反应后的产品连续离开超重力装置；

（2）调节超重力装置的操作参数进行直接换热结晶：惰性介质气体与待冷却磷酸一铵料浆在超重力场中直接接触，其中惰性介质以连续相存在，待冷却磷酸一铵料浆以分散相存在，料浆在超重力装置中迅速降温，形成均一尺寸晶核；

（3）晶核从超重力装置的气液出口流入恒温的养晶装置中，完成换热和晶体生长过程；

（4）晶核与惰性介质气体在养晶装置中自行分离，晶体从养晶装置的出料口排出，惰性介质气体从养晶装置的出气口排出。

步骤（1）中所述待冷却的磷酸一铵料浆中NH₄H₂PO₄含量范围为50%-70%，温度为100-110℃。所述惰性介质气体为空气、氮气、氦气或二氧化碳气体，温度为20-30℃。待冷却的磷酸一铵料浆流量与惰性介质气体流量的质量比例为500-2000；超重力装置转速为100-1200r/min。优选惰性介质气体为空气。

采用如图1所示的超重力装置的操作参数确定方程式描述图。超重力场中液膜厚度的计算式，μ为料浆粘度，L为液体通量，ω为角速度，α_f为干填料比表面积，R为填料半径。根据该公式可知导热量与转速和液体流量有关，在进气口1.1惰性气体的进气量一定的情况下，调节进液口1.2待冷却的磷酸一铵料浆液体流量，改变超重力装置1的转速，找到最佳结晶条件。步骤（2）中超重力装置的操作参数为导热量，通过傅里叶定律获得热流密度：，从而得到单位时间传导的热量，即导热量，定义Δt为液膜两端的温度差，Δt= t₁-t₂，t₁为进口的温度、t₂为出口的温度，A为液膜的换热面积，λ为换热系数，δ为液膜厚度。

步骤（3）与步骤（4）中所述养晶装置的温度为40-60℃。

如图2所示，一种实施上述超重力直接换热法结晶磷酸一铵的方法的装置，包括超重力装置1和养晶装置2，超重力装置1底部设置的气液出口1.3与养晶装置2相连接，养晶装置2顶部安设除雾器2.4，外侧设保温层2.3，养晶装置底部直径与超重力装置直径比为1-3；养晶装置的高与底部直径比例为1-5。

由气液出口1.3流出的浆液通过顶部安装的除雾器2.4进入养晶装置2中，继续完成换热和晶体生长过程。与此同时，晶核和惰性气体自行分离，晶体从养晶装置的出料口2.1排出，惰性气体由养晶装置的出气口2.2排出。

所述超重力装置中，填料为金属材料或非金属材料，如丝网、波纹板、多孔板、规整材料等。

实验例1：在某产量为20万吨/年的磷酸一铵生产线中，待冷却浆料流量与惰性介质的流量的质量比为500，超重力装置转速为100r/min，其中NH₄H₂PO₄含量范围为50%，温度为100℃，惰性介质为空气，温度为20℃，养晶装置底部直径与超重力装置直径比1；养晶装置高与底部直径比例为1，养晶装置温度恒定为40℃，过滤干燥后，测得颗粒的平均粒径为1342μm。

实施例2：在某产量为20万吨/年的磷酸一铵生产线中，待冷却浆料冷却物料流量与惰性介质的流量的质量比为2000，超重力装置转速为1200r/min，其中NH₄H₂PO₄含量范围为70%，温度为110℃，惰性介质为氮气，温度为30℃，养晶装置底部直径与超重力装置直径比为3；养晶装置高与底部直径比例为5，养晶装置温度恒定为60℃，过滤干燥后，测得颗粒的平均粒径为1325μm。

实施例3：在某产量为20万吨/年的磷酸一铵生产线中，待冷却浆料冷却物料流量与惰性介质流量的质量比为1500，超重力装置转速为300r/min，其中NH₄H₂PO₄含量范围为65%，温度为105℃，惰性介质为氦气，温度为25℃，养晶装置底部直径与超重力装置直径比1.5；养晶装置高与底部直径比例为3，养晶装置温度恒定为55℃，过滤干燥后，测得颗粒的平均粒径为1330μm。

实施例4：在某产量为20万吨/年的磷酸一铵生产线中，待冷却浆料冷却物料流量与惰性介质流量的质量比之比为800，超重力装置转速为300r/min，其中NH₄H₂PO₄含量范围为65%，温度为108℃，惰性介质为二氧化碳气体，温度为25℃，养晶装置底部直径与超重力装置直径比2；养晶装置高与底部直径比例为1.5，养晶装置温度恒定为50℃，过滤干燥后，测得晶体平均粒径为1310μm。

实施例5：在某产量为20万吨/年的磷酸一铵生产线中，待冷却浆料流量与惰性介质的流量的质量比为500，其中NH₄H₂PO₄含量范围为50%，温度为100℃，惰性介质为空气，温度为20℃。在相同条件下，分别采用超重力装置和克里斯塔尔结晶器进行结晶换热实验，其中超重力装置的转速为100r/min。通过计算，在超重力装置中，换热面积为1242.6m²，导热量为3.05×10⁸w，而传统的克里斯塔尔结晶器的换热面积和导热量分别为598.4 m²、7.2×10⁷w。在结晶换热过程中，主要的能耗是电能，对两种装置的能耗进行计算，超重力装置比克里斯塔尔装置节省了25%。

结合附图3、附图4可以看出，采用本发明所述超重力装置制备的晶体较传统方法制备的晶体物料成核小，均匀，进一步提高了产品的均一程度。