Материальный баланс сатуратора для нейтрализации кислоты в производстве аммофоса

1.Введение

Способы получения сложных удобре­ний делятся на две основные группы: способы, базирующиеся на исполь­зовании фосфорных кислот; способы, основанные на азотнокислотном раз­ложении природных фосфатов. Такое деление в известной мере условно, так как оба направления, включают и смешанные способы, в которых в процессе разложения фосфатного сырья помимо основной используется также и вторая кислота. Существуют различные варианты указанных двух способов получения сложных удобре­ний. Основные из них будут рас­смотрены, оценены и сопоставлены ниже.

В каждом цехе вырабатывают, как указано во введении, сложные удобрения только одной марки, поскольку изменение соотношения N: Р2О5 приведет к уменьшению вы­работки либо азотных продуктов (а значит, и азотной кислоты и, воз­можно, аммиака, если его вырабаты­вают на данном предприятии), либо фосфорной кислоты (а при серно­ кислотном разложении фосфатного сырья  —

и серной кислоты) и к уменьшению выработки сложных удобрений в целом, что особенно зна­чительно на отечественных пред­приятиях ввиду большой мощности соответствующих производств. Про­изводство удобрений двух — трех марок, значительно отличающихся по составу, возможно при наличии на предприятии двух-трех цехов сложных удобрений (это возможно и при наличии в одном цехе нескольких технологических линий).

Из сказанного ясно, что для удовлетворения индивидуальных по­требностей отдельных микрорайонов в комплексных удобрениях с отлич­ным от типовых соотношением N : Р2О5: К2О, перед внесением состав

удобрений типовых марок должен быть скорректирован на местных тукосмесительных установках.

2.Теоритические  основы  производства

Фосфатами аммония обычно называют соли ортофосфорной кислоты — дигидрофосфат аммония илр моноаммонийфосфат [МАФ ] NH4H2P04, гидрофосфат аммония или диаммонийфосфат [ДАФ1 (NH4)2HP04 и фосфат

аммония или триаммонийфосфат [ТАФ] (NH4)3P04. Наиболее устойчивым

соединением является моноаммонийфосфат, при нагревании которого до 100—110 °С практически не наблюдается выделения аммиака. Диаммоний­фосфат

Давление паров NH3 при 100 °С над NH4H2P04 практически равно нулю, над

(NH4)2HP04 — 1,2 и над (NH4)3P04 — 85,7 кПа. При 125 °С давление NH3 над этими

солями возрастает соответ­ственно до 0,008, 4,5 и 157 кПа. При 190,5 °С

моноаммонийфосфат плавится с незначительной потерей NH3. При этой

температуре идет его медленная дегидратация с образованием полифосфатов

аммония, ускоряющаяся с повышением температуры

Наиболее широкое применение фосфаты аммония нашли в сель­ском

хозяйстве в качестве удобрений. Они являются высоко­концентрированными

безбалластными удобрениями и содержат два

основных питательных элемен­та — азот и фосфор — в водораство­римой форме.

В чистом моноаммонийфосфате содержится 12,2 % N и 61,7 % Р205 (сумма 73,9 %), в диаммонийфосфа- те— 21,2% N и 53,8% Р20Б(75,0%); в последнем массовое соотношение питательных веществ N : Р205 более благоприятно (1 : 2,5), чем в моноам­монийфосфате.

Из аммонийно-фосфатных удобрений в наибольших количе­ствах производят аммофос — моноаммонийфосфат с небольшой примесью (~10 %) диаммонийфосфата. Согласно ГОСТ 18918—85 гранулированный аммофос выпускают двух ма­рок:

А —нейтрализацией аммиаком экстракционной фосфорной кислоты, полу­ченной

из апатитового концентрата, и Б — из фосфоритов. Продукт марки А высшей и 1-й

категорий качества и марки Б высшей и 1-й категорий качества соответственно

должен содержать: не менее 52, 50 ± 1, не менее 44 и 42 + ± 1 % Р205усв, 48, 46, 34 и 32% Р205вод, 12 ± 1, 12 + 1, 11 ± 1 и 10±1 %N и не более 1 % НаО. Доля гранул с размерами 1—4 мм должна быть не менее 95 % для высших и 90 % для первых

категорий качества. Соотношение N : P2Os в аммофосе ~1 : 4.

Производят и более концентрированное по азоту удобрение — диамофос, содержащий диаммонийфосфат и примеси, перешед­шие из фосфорной кислоты. если для производства диаммифиса используют экстракционную фосфорную кислоту, полученную из апатитового концентрата, то продукт содержит 48 ± 1 % Р205усв, не менее 18 % N и не более 1,5 % Н20. Для получения удобрении с большим соотношением N : Р205 к аммофосу и диаммофосу до­бавляют ячптныр удобрения — нитрат аммония, карбами

3.Физико –химическая  особенности  производств

Сырьем для производства фосфатов аммония являются аммиак и ортефосфор ная кислота (как экстракционная, так и термическая). Нейтрализация фосфорной кислоты сопровождается выделением значительного количества теплоты:

Н3Р04 (ж.) + NH3 (г.) = NH4H,PU4 (тв.) + 14/ кДж,

Н3Р04 (ж.) + 2NH3 (г.) = (NH4)„HP04 (тв.) + 215 кДж.

наибольшее выделение в твердую фазу моноаммонийфосфата достигается при осуществлении процесса по лучу АВ. При нейтрализации экстракционной кислоты, со­держащей 4U % H3PU4 (~29 % Р205), выход кристаллов даже при 25 °С невелик (система в точке С). При нейтрализации концентри­рованной фосфорной кислоты (75 % Н3Р04 или 54 % Р205) со­став системы соответствует точке L), и количество образующейся твердой фазы велико даже при температуре массы выше 75 °С. Этому спсобствует и испарение части воды за счет теплоты ре­акции.

фосфаты железа и алюминия типа RP04-2H20, железоалюминий- аммонийфосфаты—

NH4(Fe, А1)(НР04)2-0,5Н20 и другие, дикаль- цийфосфат СаНР04-2Н20, гипс, фторидные и

фторосиликатные соли, магнийаммонийфосфат NH4MgP04-Н20, в жидкой фазе появляется

сульфат аммония.

При аммонизации фосфорной кислоты образуются кислые суспензии, содержащие

кристаллы фосфатов аммония, свободную фосфорную кислоту, воду и осаждающиеся

примеси. Количество и состав компонентов суспензии по мере поглощения аммиака и

повышения температуры непрерывно меняются, как и ее свой­ства — значение pH,

растворимость твердых фаз, вязкость (те­кучесть) и др.

Равновесное давление аммиака над насыщенным водным рас­твором зависит от

молярного отношения NH3 : Н3Р04 (рис. 8.5). От него же зависит и водородный показатель

pH (рис. 8.6), по которому ведут регулирование процесса. При 25 °С максимальными

плотностью и вязкостью обладают насыщенные растворы с моляр­ным отношением NH3 :

Н3Р04 близким к 1,45. Изменение состава суспензий сильно влияет на температуру

кипения их жидких фаз, это должно учитываться при выборе оптимальных режимов кон­ центрирования и обезвоживания.

4.Схема производства аммафоса с распылителной сушилкой

1 — реактор-сатуратор; 2 — сборник суспензии; 3 — центробежный насос; 4 — дозатор суспензии; 5 — распылительная сушилка; 6 — циклон; 7 — вентилятор; 8 — абсорбер; 9 — шнек; 10 — дробилка; 11 — элеватор; 12 — бункер; 13 — двухвальный смеситель; 14 — окаточный барабан; 15 — барабанная сушилка; 16 — двухситный грохот; 17 — холодильник КС; 18 — транспортер.

Более рациональным методом переработки аммофосной суспен­зии является

ее высушивание, совмещенное с гранулированием в аппаратах БГС или БГСХ

— барабанных грануляторах-су- шилках-холодильниках (см, рис. 4.27).

Получила распростране­ние схема с промежуточной упаркой аммофосной

суспензии (риег Предварительная обработка исходной фосфорной кис­лоты

сульфатом натрия, или калия, или содой позволяет удалить из нее

значительную часть фтора в виде фторосиликатов и одно­временно

освободить ее от кальция и уменьшить содержание дру­гих примесей (Fe, А1). Это увеличивает концентрацию усвояемого и водорастворимого РоОб в

аммофосе, упрощает извлечение фтора из отходящих газов, для чего можно

использовать вводимую в процесс обесфторенную фосфорную кислоту.

Фосфорную кислоту (22—29 % Р205) нейтрализуют газооб­разным аммиаком до

pH = 5^-5,5 в аппарате САИ — скоростном аммонизаторе-испарителе

Это вертикальная реакцион­ная труба (0 0,6 м, Я = 6 м), в нижнюю часть

которой через сопло Вентури вводят аммиак и кислоту. За счет теплоты

реакции масса вскипает и движется кверху, достигая за 1—2 мин сепара­тора,

откуда суспензия возвращается по циркуляционной трубе в реакционную

трубу. Часть ее из сепаратора направляют на концентрирование. Пар из

сепаратора отводят в теплообменник, где он конденсируется, нагревая

исходную кислоту. Аммофос- ную суспензию (NH3 : Н3Р04 = 1,1)

концентрируют в многокор­пусной выпарной установке, где содержание воды в

ней умень­шается от 55—56 до 18—25 %; 1-й корпус работает под вакуумом, 2-

й — при атмосферном, 3-й — при повышенном давлении; све­жий пар (0,3 МПа)

подают в 3- и 4-й корпусы, а 1- и 2-й исполь­зуют соковый пар. Далее суспензию

с температурой 112—115 °С высушивают и одновременно гранулируют в

аппаратах БГС. После охлаждения и рассеивания продукта на грохоте мелкую

фракцию с размером частиц менее 1 мм возвращают в аппарат БГС в качестве

внешнего ретура. Общее количество ретура (ме­лочь и некоторая часть

стандартного продукта) не превышает 1—2-кратного. Крупную фракцию

направляют на дробление, а то­варную охлаждают до 45 °С (при отгрузке

насыпью, в контейне­рах и бумажных мешках) или до 55 °С (при использовании

поли­этиленовых мешков).

    Примерные расходные коэффициенты на 1 т продукционного аммофоса из

апатита (51 % Р205усв, 12 % N) и фосфоритов Каратау (47 % Р2О5у0в, 11 %

N) следующие: экстракционная фосфорная кислота (100 % Р205) — 0,54 и 0,5 т; NH3 — 0,15 и 0,14 т; природный газ (34,8 МДж/м3) — 28 м3; электроэнергия111 кВт-ч; вода — 22 м3; сжатый воздух — 60 м3. Степень использования Р205 достигает 96 % , NH3 — 97 При получении аммофоса по схеме с использованием аммони- затора- гранулятора (АГ) (рис. 8.11) упаренную до 50—'54 % Р205фосфорнуюкислоту(при этом стоков от абсорбции

отходящих утилизируется 70—80 % содержа­щегося в ней фтора) с добавкой

6. материальный баланс сатуратора для нейтрализации кислоты в производстве аммофоса ( на 1000 кг фосфорной кислоты). Составь экстракционной фосфорной кислоты:

P2 O5 = 19 %

SO3 =2.9 %

MgO =0.9 %

CaO = 0,4 %

Al2O3 = 1,1 %

Fe2O3 = 1 %

F = 1.4%

Составь жидкого аммиака:

NH3 = 99%

H2O= 1 %

В процессе насыщения кислоты аммиаком испаряется 78кг воды на 1000 кг кислоты. Содержание аммиака в нейтрализованной пульпе составляет 27% от общего количества P2 O5

Решение:

ПРИХОД

В приходные статьи баланса включаются фосфорная кислота и аммиак.

В  1000 кг фосфорной кислоты (19% P2 O5) содержится, кг:

H2O 1000-262=738

Количество расходуемого аммиака равно 27%  от общего количества P2O5.

1000*0,19*0,27=51.3 кг

С аммиаком поступает воды : (51.3*0.4)/99.6=0,206= 0,2 кг

РАСХОДЬ

В результате обработки фосфорной кислоты аммиаком образуется пульпа испаряется некоторое количество воды. Составь образующейся  массы определяется взаимодействием кислоты с содержащимися  в ней примесями и аммиаком. В основу расчёта количеств получаемых солей берём следующие стехиометрические соотношения

MgO+H3PO4 + 2H2O=MgHPO4*3H2O;

CaO+H3PO4+H2O=CaHPO4*2H2O

Al2O3+2H3PO4=2AlPO4+3H2O;

Fe2O3+2HPO4=2FePO4+3H2O

2NH3+H2SiF6=(NH4)2SiF6;

2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4

NH3+H3PO4=NH4H2PO4;

2NH3+H3PO4=(NH4)2HPO4

При нейтрализации раствора фосфорной кислоты аммиаком в отделении сатурации получаются следующее соли, кг:

димагнийфосфат     

В том числе кристаллизационной воды-

В том числе     

[40,174,18,142 – молекулярные массы MgO, Mg HPO4*3H2O, H2O P2O5]

дикальцийфосфат   

в том числе кристаллизационной воды –

в том числе                            

[56 и 172- молекулярные массы  CaO и CaHPO4* 2H2O ];

фосфат алюминия

в том числе              

[102 и 122 молекулярные массы Al2O3 и AlPO4 ];

фосфат железа 

в том числе              

[160 и 207- молекулярные массы  Fe2O3 иFePO4 ];

Кремнефторид аммония 

в том числе              

[178, 17  и 19- молекулярные массы  (NH4)2SiF6, NH3 и атомная масса фтора ];

сульфат аммония 

в том числе              

[132 и 80- молекулярные массы  (NH4)2SO4 и SO3 ];

количество , связанной по первым четырём стехиометрическим соотношениям:

16+5,1+15,3+8,8=45.2 кг

Остальной количества связывается с аммиаком, образуя фосфаты аммония.

Количество , нейтрализуемое аммиаком:

1000*0,19-45.2=144.8 кг

Содержание аммиака в нейтрализованной пульпе составляет 27% от общего количества .

Израсходовано аммиака на образование кремнефторида и сульфата аммония:

4.17+12,3=16.47 кг

Следовательно , на образование фосфатов аммония пошло аммиака:

190*0,27-16.4=35кг

Количество аммиака, необходимое для связывания всей оставшийся    (120кг) в моноаммонийфосфат:

Но при этом остаётся избыточного аммиака 35-34,6=0,4 кг который идёт на образование диаммонийфосфата; его количество :

Это количество требует моноаммонийфосфата.

Где 115 и 132 молекулярные массы NH4H2PO4 и (NH4)2HPO4.

Так как из 120 кг могло образоваться моноаммонийфосфата

То после образования диаммонийфосфата останется моноаммонийфосфата

234-1,3=232,7 кг

Выход сухих солей (с учетом кристаллизационной воды ) составляет 33.3 +12,3+26.3+25,8+21,8+47,8+232,7+1,5= 401,5кг

В том числе воды кристаллизационной : 12,15+2,6=14,75 кг

Выход сухих солей без кристаллизационной воды: 401,5 – 14,75= 386,75 кг

7.состав  сухих солей с учетом кристаллизационной воды :

В системе поступает материалов (фосфорной кислоты, аммиака и воды с ним ;

1000+51.3+0,2=1051,5 кг

В процессе сатурации из системы испаряется 78 кг воды на 1000кг кислоты. Количества пульпы после испарения воды равно:

1051.5-78=973,5 кг

В конечной пульпе содержится свободной воды 973,5-401.5=572 кг

Всего воды в пульпе : 572+14.75=586.95кг.

Процентное содержания общей влаге в пульпе :

8,Материальный баланс сатурации в производстве аммофоса(на 1000кг фосфорной кислоты)

9.Тепловой баланс сатурации в производстве аммофоса на 1000 кг фосфорной  кислоты указанного выше состава. Температуры поступающей кислоты 60, при давлении 152 кПа(1,5атм), отходящей пульпы 102,

Решение.

Приход теплоты

Выделения  теплоты за счет реакций, кДж:

образования  моноаммонийфосфата-

H3PO4+ NH3=NH4H2PO+75362 кДж/кмоль;

[34.6-количество (в кг) вступившего в реакцию аммиака],

Образования диаммонийфосфата из моноаммонийфосфата –

NH4H2PO4+75362 кДж/кмоль;

[6,9-количество (в кг)аммиака, реагирующего с моноаммонийфосфатом],

H2SO4+2NH3=(NH4)2SO4+193849 кДж/кмоль;

[17-количество(в кг ) аммиака , связываемого в сульфат,]

H2SiF6+2NH3=(NH4)2SiF6+159089 кДж/кмоль;

[5.96-количество(в кг ) аммиака , вступившего в реакцию];

Где 1000- количество фосфорной кислоты, кг ;

       2,868 -средняя удельная теплоемкост кислоты ,кДж/(кг

             60 -температура кислоты, ;

      -117,2 -энтальпия аммиака при -27 и 152 кПа (1,5 атм),кДж/кг;

51,3- количество аммиака, кг.

Всего поступает теплоты :         245290.5+166067=411357 .5кДж.

Расход  теплоты

Нагревание пульпе до 102

1051,5

где 1051,5 - количество пульпы, кг;

2,721- средняя удельная теплоемкость  пульпы, кДж /(кг );

102- температура  пульпы,.

Тепло потери в окружающую среду принимаем равными 3 % от общего количество  подводимой теплоты:

411357.5

Всего расходуется  теплоты  291835+12340.7=304175.7кДж. Избыток теплоты расходуется на испарение воды : 411357.5-304175.7=107181.8 кДж.

Количество испаряющейсяводи составит

107181.8/2253=47.57 кг

Где 2253 –скрытая теплота испарения  воды при 120

Общий расход теплоты:

291835+12340.7+107181.8=411375.5 кДж

10.Тепловой баланс сатурации фосфорной кислоты аммиаком (на 1000 кг фосфорной кислоты):