Аммофос
Введение
Аммофос - это концентрированное, безнитратное, водорастворимое, гранулированное, азотно-фосфорное удобрение.
Является универсальным
Аммофос является самым распространенным сложным удобрением. Это объясняется его высокой агрохимической эффективностью и хорошей совместимостью с другими удобрениями, что позволяет на основе аммофоса получать смешанные удобрения с любым заданным соотношением питательных веществ. Кроме того, для производства аммофоса можно использовать бедные фосфоритные руды (24—26% Р2О5). В Советском Союзе аммофос получали из фосфорной кислоты на основе апатитового концентрата (марка А) и на основе фосфоритов (марка Б). Технические требования на аммофос гранулированный, согласно ГОСТ 18918—79, приведены в табл. 1.
Аммофос можно вносить в качестве основного удобрения в грядки при посеве под все культуры и в подкормку - под пропашные, технические культуры и овощи. Недостаток этого удобрения в том, что азота в нем содержится значительно меньше, чем фосфора, тогда как в практике чаще всего их вносят в одинаковых дозах. Поэтому для получения нормального соотношения N и P2O5 к аммофосу необходимо добавлять определенное количество одностороннего азотного удобрения – NH4N03 или CO(NH2)2 .
В зависимости от вида сырья, из которого производят Н3РО4 (апатит, фосфориты), содержание питательных веществ в аммофосе составляет: 10-12% азота, 42-52% усвояемого Р2О5, в т.ч. 34-48% водорастворимого. Влажность готового продукта не более 1%, количество в нем гранул размерами 1-4 мм - не менее 90%
Аммофос является
физиологически кислым
Требования к качеству аммофоса
Таблица 1
Показатели |
|
1-ый сорт |
|
1-ый сорт | |||||
|
52 |
50±1 |
44 |
42±1 | |||||
Р2О5 вод. |
48 |
46 |
36 |
34 | |||||
N |
12±1 |
12±1 |
11±1 |
10±1 | |||||
вода, не более |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 | |||||
Гранулометрический состав, % гранулы размером менее 1 мм, не более |
3 |
5 |
3 |
5 | |||||
гранулы размером от 1 до 4 мм, не менее |
95 |
90 |
95 |
90 | |||||
гранулы размером более 6 мм |
Отсутствие | ||||||||
Статическая прочность гранул, Мпа |
3 |
3 |
3 |
3 | |||||
Рассыпчатость, %, не менее |
100 |
100 |
100 |
100 | |||||
Целью данной работы является
изучение производства аммофоса и решение
поставленных задач, таких как: выбор
технологической схемы
1. Характеристика сырья
Сырье - один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, технику производства и качество продукта.
Сырьем называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Вследствие роста промышленного производства и увеличения ассортимента химической продукции возникает необходимость в новых видах сырья. Развитие техники добычи, подготовки, обогащения сырья позволяет использовать новые виды сырья, полезные ископаемые, содержащие малые количества полезных компонентов. Таким образом, сырьевая база химической промышленности непрерывно расширяется. Исходным материалом многих производств является сырье, уже подвергшееся промышленной переработке, которое называют полупродуктом (полуфабрикатом или основным материалом). Сырье в значительной степени определяет качество и себестоимость продукта.
1.1. Основное сырье
Ортофосфорная кислота - неорганическая кислота с химической формулой H3PO4, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы.
При температуре выше 213 °C она превращается в пирофосфорную кислоту H4P2O7. Очень хорошо растворима в воде. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 % водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима также в этаноле и других растворителях.
Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H3PO4·0,5H2O - бесцветные кристаллы моноклинной сингонии.
Фосфорная кислота при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагревании выше 80 0C реагирует даже с неактивными оксидами, кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах фосфорная кислота - слабый окислитель для металлов. Фосфорная кислота при нагревании теряет воду с образованием последовательно пиро- и метафосфорных кислот.
В промышленности фосфорную кислоту получают термическим и экстракционным способами:
Термический способ (позволяет производить наиболее чистую фосфорную кислоту) включает основные стадии: сжигание (окисление) элементного фосфора в избытке воздуха, гидратацию и абсорбцию полученного P4O10 конденсацию фосфорной кислоты и улавливание тумана из газовой фазы. Существуют два способа получения P4O10: окисление паров P (в промышленности используют редко) и окисление жидкого P в виде капель или пленки. Степень окисления P в промышленных условиях определяется т-рой в зоне окисления, диффузией компонентов и др. факторами. Вторую стадию получения термического фосфорной кислоты - гидратацию P4O10 - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействие паров P4O10 с парами воды. Гидратация (P4O10 + 6H2O=4H3PO4) протекает через стадии образования полифосфорных кислот. Состав и концентрация образующихся продуктов зависят от температуры и парциального давления паров воды.
Все стадии процесса могут быть совмещены в одном аппарате, кроме улавливания тумана, которое всегда производят в отдельном аппарате. В промышленности обычно используют схемы из двух или трех основных аппаратов. В зависимости от принципа охлаждения газов существуют три способа производства термической фосфорной кислоты: испарительный, циркуляционно-испарительный, теплообменно-испарительный. Испарительные системы, основанные на отводе теплоты при испарении воды или разбавленной фосфорной кислоты, наиболее просты в аппаратурном оформлении. Циркуляционно-испарительные системы позволяют совместить в одном аппарате стадии сжигания P, охлаждения газовой фазы циркулирующей кислотой и гидратации P4O10.
Теплообменно - испарительные системы совмещают два способа отвода теплоты: через стенку башен сжигания и охлаждения, а также путем испарения воды из газовой фазы; существенное преимущество системы - отсутствие контуров циркуляции кислоты с насосно-холодильным оборудованием.
Основная область
Аммиак. (NH3) - нитрид водорода, при нормальных условиях - бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ПДК р.з. 20 мг/м3 -- IV класс опасности (малоопасные вещества). Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика - около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.
Сравнение физических свойств жидкого аммиака с водой показывает, что аммиак имеет более низкие температуры кипения (tкип = 33,35 °C) и плавления (tпл = 77,70 °C), а также более низкую плотность, вязкость (вязкость жидкого аммиака в 7 раз меньше вязкости воды), проводимость и диэлектрическую проницаемость. Это в некоторой степени объясняется тем, что прочность этих связей в жидком аммиаке существенно ниже, чем у воды, а также тем, что в молекуле аммиака имеется лишь одна пара неподеленных электронов, в отличие от двух пар в молекуле воды, что не дает возможность образовывать разветвлённую сеть водородных связей между несколькими молекулами. Аммиак легко переходит в бесцветную жидкость с плотностью 681,4 кг/мг, сильно преломляющую свет. Подобно воде, жидкий аммиак сильно ассоциирован, главным образом за счёт образования водородных связей. Жидкий аммиак практически не проводит электрический ток. Жидкий аммиак - хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для многих неорганических соединений. Твёрдый аммиак - бесцветные кубические кристаллы.
Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота: N2(г) + 3H2(г) = 2NH3(г) +91,84 кДж
Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода). Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье, реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях - тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700 °C устанавливается слишком медленно для практического её использования. Применение катализатора (пористое железо с примесями Al2O3 и K2O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ. Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения аммиака проводят при следующих условиях: температура 500 °C, давление 350 атмосфер, катализатор. Выход аммиака при таких условиях составляет около 30 %. В промышленных условиях использован принцип циркуляции - аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления.
1.2. Вспомогательное сырье
Вода - Химическая промышленность использует воду в огромных количествах и для самых разнообразных целей. Это объясняется комплексом ценных свойств воды, ее доступностью и удобствами применения. На заводах воду используют в основном для охлаждения жидкостей и газов. Сравнительно меньше ее расходуют на чисто технологические нужды, например, для приготовления пушонки. Воду используют также для питания паровых котлов, производящих пар для отгонки газов в отделении дистилляции, для паровых машин, если они имеются на заводе, и отопления помещений. Расход воды на 1 т соды в летнее время достигает 150 м3.
Качество воды характеризуется содержанием растворенных в ней солей и газов. Особое внимание уделяется так называемым солям жесткости, т.е. солям кальция и магния, которые всегда содержатся в природных наземных и подземных источниках воды.
Различают временную и
Са(НСО3) 2 → СаСОз + СO2 + Н2O
Соли постоянной жесткости - СаС12, CaS04 и др. - при нагревании из воды не удаляются. Они выделяются в осадок при испарении воды, образуя на стенках аппаратов трудно удаляемую плотную накипь. Жесткую воду можно использовать только в тех случаях, когда условия ее применения не вызывают выделения твердых осадков, например в холодильниках, где охлаждающая вода не нагревается до температуры, способствующей устранению временной жесткости. В котельных установках, где вода не только нагревается, но и испаряется, недопустима не только временная, но и постоянная жесткость. Поэтому воду для них предварительно очищают от солей кальция и магния химическим способом на специальных установках. На заводах, расходующих большие количества воды, используют "оборотную воду", получаемую охлаждением уже использованной нагретой воды в специальных установках - градирнях, брызгальных бассейнах и т.п.
Метан - простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула - CH4. Мало растворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.
2. Физико-химические
характеристики основных
2.1. Основы процесса
нейтрализации фосфорной
В основе производства аммофоса лежит процесс нейтрализации фосфорной кислоты жидким аммиаком (под давлением 1,5 ат), который вводится в реактор одновременно с фосфорной кислотой. При этом протекают следующие реакции:
NH3 + H2PO4 → NH4H2PO4
2NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4
Режим процесса нейтрализации выбирают так, чтобы обеспечить получение достаточно подвижной и способной к перекачиванию по трубопроводам аммофосной пульпы. Вязкость пульпы зависит от концентрации используемой фосфорной кислоты и конструкций аппаратуры.
На основе разбавленной экстракционной кислоты:
- с сушкой пульпы в распылительной сушилке;
- с упариванием пульпы в вакуум-выпарных аппаратах и сушкой в аппарате БГС;
- с сушкой пульпы и грануляцией ее в распылительной сушилке-грануляторе кипящего слоя РКСГ.
На основе концентрированной фосфорной кислоты:
- с грануляцией и сушкой продукта в аммонизаторе - грануляторе АГ;
- с самоиспарением пульпы под давлением и сушкой в БГСХ.
При нейтрализации экстракционной
фосфорной кислоты выделяются в
осадок примеси. Для получения более
чистого продукта из экстракционной
фосфорной кислоты процесс
Соотношение моно- и диаммонийфосфата в готовом удобрении обычно составляет 4:1. В случае применения экстракционной фосфорной кислоты при производстве аммофоса протекает ряд побочных процессов, обусловленных наличием в кислоте соединений магния (из фосфоритов Каратау), кальция, железа и алюминия, и приводящих к образованию дисолей.
3. Технологические схемы получения аммофоса
Процесс получения гранулированного аммофоса одноступенчатым методом основан на применении схемы с аппаратом типа БГС (барабанный гранулятор-сушилка).
Процесс осуществляется следующим образом (рис. 1). Возможна одно-ступенчатая нейтрализация, когда пульпа после аммонизации в САИ (скоростной аммонизатор-испаритель) поступает в БГС, и двухступенчатая, когда продукт после аммонизации в САИ до мольного отношения NН3:Н3РО4=1,2-1,3 нейтрализуют фосфорной кислотой.
Рисунок 1. Схема производства градуированного аммофоса с аппаратом БГС (на основе концентрированной пульпы)
1 - сборник кислоты; 2 - САИ; 3 - сборник пульпы; 4 - БГС; 5 - грохот; 6 - холодильник; 7 - абсорберы; 8 - циклоны; 9 - дробилка; 10 - транспортер; 11 – элеваторы.
Исходную фосфорную кислоту разбавляют стоками из системы абсорбции и направляют на нейтрализацию аммиаком в аппарат САИ. Полученную в нем аммофосную пульпу насосом подают на форсунки аппарата БГС, где ее распиливают сжатым воздухом при давлении 0,2-0,4 МПа на завесу из падающего гранулированного материала. При необходимости пульпу нейтрализуют кислотой. В аппарат БГС вводят теплоноситель при 500-600°С.
Продукт из БГС при 105-110°С подают на классификацию и охлаждение, а отходящие газы при 110-115°С, содержащие пыль аммофоса, аммиака и фтор, направляют в систему очистки.
Процесс получения аммофоса в аппарате БГС может осуществляться как при одноступенчатой, так и при двухступенчатой аммонизации. При одноступенчатой аммонизации концентрация кислоты, подаваемой в аппарат БГС, не может быть более 42%, что необходимо для обеспечения текучести пульпы при NН3:Н3РО4=1,0. Для разбавления кислоты при одноступенчатой аммонизации в сборник кислоты помимо стоков абсорбции подают свежую воду. При двухступенчатой аммонизации текучесть пульпы на I ступени аммонизации (при NН3:Н3РО4=1,25) обеспечивается без разбавления исходной кислоты свежей водой, поэтому концентрация кислоты, поступающей в систему, повышается до 47% Р2О5.
В данной работе будет описываться процесс получения аммофоса при одноступенчатой аммонизации.
4. Реакторы
Одним из основных элементов любой технологической схемы является химический реактор. Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с массопереносом (диффузией).
4.1. Аппарат для нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком
Скоростной аммонизатор-испаритель состоит из циркуляционного контура, включающего реакционную камеру и циркуляционную трубу, соединенных центробежным сепаратором. Интенсивное перемешивание пульпы в САИ обеспечивается без использования механических устройств за счет энергии химической. Процесс аммонизации кислот протекает следующим образом. В нижнюю часть реакционной камеры через специальную форсунку под давлением 500—600 кПа вводят аммиак (газообразный или жидкий). Одновременно в циркуляционный контур подают требуемое количество кислоты. Взаимодействие аммиака с кислотой идет в реакционной камере. При этом за счет тепла химической реакции происходит нагрев образующейся пульпы до температуры кипения и образование значительного количества паровой фазы. За счет разности плотностей парожидкостной смеси в реакционной камере и жидкости в циркуляционной трубе в аппарате возникает интенсивная циркуляция, способствующая поглощению аммиака, выравниванию температур и концентраций по всему контуру аппарата. Парожидкостная смесь из реакционной камеры тангенциально поступает в сепаратор, где паровая и жидкая фазы разделяются. Паровая фаза удаляется через верхний штуцер и поступает на конденсацию, а жидкая по циркуляционной трубе возвращается в реакционную камеру. Избыток пульпы из аппарата через переток отводят на дальнейшую переработку.
4.2. Барабанный гранулятор – сушилка ( БГС )
Барабанный гранулятор-сушилка (БГС) предназначен для гранулирования и сушки, а также в зависимости от конструкции для классификации и охлаждения продукта. БГС представляет собой наклоненный в сторону выгрузки барабан, опирающийся бандажами на две опорные станции, одна из которых опорно-упорная, и вращающийся со скоростью 3- 5 об/мин (промышленные аппараты). Привод осуществляется от электродвигателя через редуктор и открытую зубчатую передачу. Барабан снабжен загрузочной и разгрузочной камерами, для герметизации которых предусмотрено ленточное или секторное уплотнение. Во избежание пыления и для устойчивой работы топок аппарат работает под разрежением 10-50 Па на входе.
Загрузочная камера имеет
патрубки для подвода теплоносителя,
ввода внешнего рецикла, чистки камеры.
На передней стенке установлены пневматические
форсунки, смотровое окно и элементы
освещения. Равномерное по сечению
барабана распределение теплоносителя
достигается расположением
5. Характеристика побочных продуктов и способы их утилизации
Отходящие газы производства аммофоса содержат аммиак, а также аммофосную пыль. Пыль выделяется от грануляционно-сушильных аппаратов, дробильно-сортировочного оборудования, транспортных средств и при затаривании аммофоса. Аммиак переходит в газовую фазу в основном при сушке пульпы и влажных гранул и при упаривании аммофосной пульпы. Перед выбросом газов в атмосферу их очищают сначала от пыли – в циклонах, а затем от аммиака и фтора – в абсорберах.
5.1. Удаление пыли
Эффективное осаждение твердых частиц из запыленного газа осуществляется в центробежных аппаратах. В целях высокой степени очистки газа недопустимо накопление пыли в конусе циклона. Даже небольшие подсосы воздуха через неплотности аппаратуры на любом участке пылеуловительной системы резко ухудшают работу циклона и могут свести на нет эффективность работы аппарата. Степень очистки газа от пыли в циклонах зависит от свойств частиц газа, скорости движения потока, от размеров и конструктивных особенностей циклонных аппаратов.
Выделение аммиака в процессе сушки происходит в результате термического разложения солей, входящих в состав аммофоса, по следующим реакциям:
(NH4)2HPO4 ↔ NH3 + NH4H2PO4
NH4H2PO4 ↔ NH3 + H3PO4
В процессе производства аммофоса значительно разлагается только диаммонийфосфат, отличающийся низкой термической устойчивостью. При этом в газовую фазу выделяется в основном аммиак.
Для улавливания аммиака
и фтора из отходящих газов
применяется двухступенчатая
Газы поступают в абсорбер первой ступени 1, орошаемый кислыми фосфатами аммония в замкнутом цикле. Отработанная пульпа поступает на нейтрализацию.
Абсорбер второй ступени
2, орошаемый водой или
1 – абсорбер с плавающей
насадкой; 2 – полая башня; 3 –
емкость для фосфорной кислоты;
4 – емкость для воды или известкового молока.
Рисунок 2 – Схема двухступенчатой абсорбции отходящих газов производства аммофоса.
5.2. Аппарат АПН для очистки газов в производстве аммофоса.
Упаренная фосфорная кислота концентрацией 52—54% Р2О5 из приемных сборников частично поступает в расходный сборник отделения нейтрализации, а частично в циркуляционные баки системы абсорбции. Очистка отходящих газов осуществляется обычно в двух самостоятельных системах. В одной из них проводится очистка газов, отходящих от аммонизатора-гранулятора и нейтрализаторов, в другой — от сушильного барабана.
Отсасываемую из аммонизатора-гранулятора и
6. Перспективы совершенствования процесса получения химического продукта
Совершенствование технологии фосфатов аммония и сложных удобрений на их основе предполагает как интенсификацию действующих производств, так и разработку и внедрение принципиально новых процессов по следующим направлениям:
- Интенсификация процессов тепломассообмена на всех основных стадиях производства. На стадии нейтрализации кислоты предполагается внедрение струйного реактора, что позволит более эффективно использовать теплоту нейтрализации. Процесс сушки продукта интенсифицируется за счет применения более совершенных топок и насадок аппарата БГС;
- Разработка эффективных процессов получения фосфатов аммония на основе кислоты из новых видов сырья: бедных фосфоритов Каратау, чилисайских фосфаритов, ковдорского апатита. Различия в составе указанных фосфатов обусловливают особенности технологии их переработки в фосфаты аммония. Например, для переработки вязких пульп, получающихся при использовании кислоты из фосфоритов Каратау (месторождение Чулактау), эффективно применять скоростные смесители, повышающие текучесть пульпы;
- Увеличение производства диаммофоса при сокращении выпуска моноаммонийных форм. Необходимо изыскать способы получения диаммофоса в аппаратах БГС, что приведет к значительному увеличению выпуска этого более экономичного, чем аммофос, продукта;
- Повышение концентрации питательных веществ путем очистки исходного сырья. Установлено, что вывод фтора из экстрационной фосфорной кислоты путем его осаждения или отдувки позволяет увеличить концентрацию Р2О5 (усв.) в аммофосе на 1,2-1,5%. За счет снижения концентрации сульфат-иона в кислоте достигается повышение содержания Р2О5 (усв.) на 1,3%. Возможно также отделять из кислоты фосфаты переходных металлов (Fe, Al) путем ее аммонизации с последующим фильтрованием полученного осадка. Полученные из очищенной кислоты фосфаты аммония могут быть использованы в качестве кормового состава;
- Внедрение процессов получения фосфатов аммония и сложных удобрений на их основе с добавкой микроэлементов;
- Получение порошковидного моноаммоний фосфата и его последующее транспортирование в районы для приготовления на местах суспендированных удобрений;
- Использование в процессе получения фосфатов аммония части фосфорной кислоты для разложения фосфата с целью получения продуктов типа аммофосфата;
- Улучшение экологической обстановки в местах производства.
