Производство аммофоса. 2

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

 

                    1. Требования к качеству аммофоса

 

Таблица 1.2

 
---

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. 1.2.

 Аммофос является  физиологически кислым удобрением, поскольку входящие в его состав ионы NH₄⁺ нитрифицируются в почве и подкисляют ее. Он эффективен на любых почвах, но особенно на черноземных и каштановых. Применяют аммофос для основного внесения под технические культуры. Как водорастворимое удобрение аммофос пригоден для подкормки овощных, плодовых и зерновых культур. Однако для непосредственного внесения используется только часть аммофоса, основная его масса идет на приготовление уравновешенных смешанных удобрений. 

 

2. Схема с распылительной сушилкой.

Схема производства аммофоса приведена на рис. 1. Упаренная фосфорная кислота (36—40% Р2О5) дозируется в первый реактор-сатуратор 1. Отсюда частично нейтрализованная кислота последовательно перетекает во второй и третий реакторы, снабженные мешалками и установленные каскадно, что обеспечивает свободное переливание аммофосной пульпы из одного аппарата в другой. В первый и второй реакторы аммиак вводится в таком количестве, которое позволяет нейтрализовать фосфорную кислоту на 80%; количество аммиака, подаваемого в последний реактор, обеспечивает образование 10—20% диаммоний-фосфата, лучше растворимого, чем моноаммонийфосфат. Величина рН в последнем реакторе поддерживается в пределах 4—5,5, благодаря чему не происходит чрезмерное загустевание пульпы. В процессе нейтрализации выделяется тепло, вследствие чего пульпа нагревается до 115—120 °С и испаряется значительное количество воды. Часть воды связывается в виде осаждающихся кристаллогидратов (сульфата кальция СаSO4-2Н2O, фосфатов железа FеРO4-2Н2O и др.).

Из последнего реактора пульпа поступает в промежуточную емкость 2, откуда насосом подается в горизонтальный двухвальный смеситель-гранулятор 3. Здесь пульпа смешивается с ретуром, количество которого более чем в 4 раза превышает количество готового продукта. Одновременно со смешением происходит гранулирование продукта. При этом содержание влаги в смеси поддерживается в пределах 9—11%. Из гранулятора влажный материал поступает во вращающуюся барабанную сушилку 4, откуда элеватором 5 подается на двухситный грохот 6 для рассева на фракции. Крупная фракция (размер частиц более 4 мм) направляется в дробилку 7, откуда в качестве ретура возвращается  

 Жидкий аммиак подается во все сатураторы и распределяется с помощью барботеров. В первом аппарате нейтрализация проводится до рН = 3,5, в последнем до рН не выше 5,5. Снижение рН пульпы в первом сатураторе и повышение рН в последнем реакторе нежелательно, так как в первом случае увеличивается содержание неусвояемой Р₂O₅ в аммофосе, а во втором — возрастают потери аммиака при сушке пульпы в распылительной сушилке. Возможны и другие варианты схемы сатурации. Количество сатураторов может быть сокращено до одного при соответствующем объеме аппарата. В этом случае рН пульпы сразу доводится до требуемого предела. Наиболее распространена схема с двумя последовательно работающими сатураторами, позволяющая точнее поддерживать заданный технологический режим.

Процесс нейтрализации  проводится при 105—110 ^oС в течение 2 ч, заданный рН пульпы поддерживается автоматически. Полученная пульпа состоит в основном из моноаммонийфосфата с примесью сульфата аммония, фосфатов железа и алюминия, кремнефторида аммония и др. Содержание влаги составляет 40— 42%. Из последнего сатуратора пульпа поступает в промежуточный сборник 10, снабженный мешалкой, откуда перекачивается в напорную емкость и далее через щелевой расходомер подается на распыливающий диск сушилки 2. В распылительную сушилку подается примерно 90% общего количества пульпы, остальные 10% используются в шнеке-грануляторе 5 при гранулировании порошкообразного аммофоса. Попадая на диск, вращающийся со скоростью 8000—9000 оборотов в минуту, пульпа распыливается на мельчайшие капельки, которые высушиваются топочными газами, имеющими температуру 600—700 °С. При соприкосновении с горячими топочными газами частицы пульпы мгновенно высыхают и падают на днище сушилки, откуда скребковым механизмом через «мигалку» направляются в шнек 3 или на ленту конвейера.

 

Аммофос обладает хорошими физико-химическими и механическими  свойствами, его гигроскопическая точка  составляет 70% относительной влажности воздуха. Гранулированный аммофос не нуждается в кондиционировании и по сравнению с диаммонийфосфатом отличается несколько лучшим качеством.

Пути интенсификации процесса гранулирования. Одним из узких мест производства аммофоса является стадия гранулирования, которая в значительной степени определяет не только эффективность работы последующих стадий процесса, но и его технико-экономические показатели. Как правило, на большинстве заводов гранулирование порошковидного аммофоса осуществляется в шнеке-грануляторе при низких температурах 45—65 °С, вместо 85— 95 °С или редко — выше 60 °С. Это объясняется недостаточным количеством тепла, вводимого с пульпой, ретуром и порошковидным аммофосом, а также отсутствием стабильных условий на стадии аммонизации и гранулирования. Поэтому процесс гранулообразования приходится вести при повышенном содержании влаги в гранулируемой смеси (до 12—14%), что ведет к ухудшению работы последующих стадий процесса в результате залипания сушильного барабана и течек, повышенного выхода крупной фракции, замазывания дробилок и другого оборудования. Одновременно для улучшения процесса гранулирования приходится повышать рН пульпы до 5,5—6. что ухудшает работу абсорбционных систем и процесса в целом вследствие увеличения содержания аммиака в отходящих газах из распылительной и барабанной сушилок.

Температура в  шнеке-грануляторе может быть повышена путем поддержания максимально  возможной температуры подаваемой пульпы (100°С), порошковидного аммофоса из распылительной сушилки (90 °С), снижения кратности ретура и введения небольшого количества кислоты и аммиака. Однако в промышленных условиях при отсутствии стабильного режима поддерживать такие условия трудно, поэтому температуру можно повысить до 85— 95 °С введением под слой гранулируемого аммофоса пара в количестве, необходимом для создания в этом аппарате оптимальных условий гранулообразования. Для этого используется насыщенный пар давлением 3,7—4,9 ат, который подается в шнек-гранулятор через конденсационный горшок. Расход пара контролируется с помощью диафрагмы и регистрирующих приборов 

3. Показатели производства фосфатов аммония

по  схеме с амонизатором-гранулятором

Таблица 3.2.1 

 

 

 

    

    4. Характеристика основных химических реакторов 

Применяемые в  настоящее время аппараты производства фосфатов аммония для пыли выполняют какую-то конкретную функцию, или являются комбинированными аппаратами. 

4.1. Аппарат для нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком

Раньше применяли  исключительно емкостные аппараты, работающее по многостадийной схеме. К недостаткам этих аппаратов следует отнести  большой их объем, энергоемкость, а также сложность управления и низкую надежность. В последнее время для нейтрализации кислот разработаны и внедрены значительно более эффективные аппараты –струйный реактор и скоростной аммонизатор-испаритель.

Принцип работы реактора основан на интенсивном  смешивании потока кислоты с газообразным аммиаком при высоких скоростях (порядка 100 м/с) последнего. Достоинство аппарата – простота, малый реакционный объем, низкие теплопотери, недостаток: коррозионный износ рабочей части камеры.

Особенность аппарата состоит в том, что энергия  реакции нейтрализации используется не только для концентрирования пульпы, но и для турбулизации потока. Многократная циркуляция пульпы в САИ при изотермических и изоконцентрированных условиях обеспечивает минимальные потери аммиака и стабильный состав пульпы. Отходящие из аппарата газы состоят в основном из конденсирующих паров воды с незначительным содержанием аммиака. Характерстика аппарата САИ при переработке кислоты из фосфоритов Каратау.

Струйный реактор  и САИ являются весьма высокопроизводительными  аппаратами. При выборе реактора в  производстве фосфатов аммония прежде всего следует учитывать, что для концентрированных кислот целесообразнее использовать струйный реактор, а для разбавленных кислот – САИ. 

 

Характеристика  аппаратов САИ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.2. Аммонизатор-гранулятор

   Аммонизатор-гранулятор относится  к комбинированным реакторам, совмещающим функции нейтрализации пульпы и гранулирования продукта. Процесс гранулирование аммофоса в нем основан на использовании амофосной пульпы в качестве связующего. При этом в результате кристаллизации солей на поверхности гранул ретура происходит увеличение их размера и окатывание.

Аммонизатор-гранулятор    (рис. 3.5.1.2.)  представляет собой полый открытый вращающийся барабан диаметром 4 м, длиной ,6-8 м и установленный под углом 2° к горизонтальной оси. Частота вращения барабана 10об/мин. Аппарат изготовлен из 1 углеродистой стали, футерован листовой нержавеющей сталью. Внутри АГ имеется точка 2 для загрузки ретура и трубопроводы 4 и 5 для подачи аммофосной пульпы и аммиака. Аппарат оборудован срезающим ножом 3, расположенным вдоль всего барабана, для очистки стенок от налипшего продукта.

Аммонизатор-гранулятор устойчив в работе и прост в  управлении; его производительность до 40т/ч аммофоса.

Совмещение стадий аммонизации и гранулирования в  одном аппарате позволяет ввести в удобрение значительное количество азота, использовать теплоту нейтрализации для гранулирования и сушки продуктов, а также уменьшить производительную площадь, число единиц оборудования и т.д. Аппараты АГ могут быть эффективно использованы только для концентрированных кислот, в противном случае возрастает ретурность процесса. 

    

 
 
 
 
 
 

    5. Характеристика отходов производства 

         Аппарат АПН для очистки  газов в производстве аммофоса. 

Упаренная фосфорная  кислота концентрацией 52—54% РгО₅ 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 нейтрализаторов  паровоздушную смесь, содержащую фтор и аммиак, направляют в двухступенчатую систему абсорбции. В качестве первой и второй ступеней абсорбции используют, как правило, однотипные абсорберы .В качестве абсорбционных аппаратов в нашей стране в подобных системах абсорбции применяют полые башни, аппараты с плавающей и кольцевой насадкой (АПН и АПКН) . 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 6.  Расчет материального баланса 

Расчет произведем на   1000 кг H₃PO₄ , содержащей:

52% – P₂O₅;  2% – SO₃;  1,6% – MgO;  0,2% – СaO;

1% – Al₂O₃; 1% – Fe₂O₃;  0,5% – Fe.

Cостав аммиака:   99% – NH₃;   1% – Н₂О. 

      Расчет  стадии нейтрализации. 

В  1000кг H₃PO₄ /52% P₂O₅)   содержится: 

H₃PO₄             кг 

Н₂О             1000 – 717,7 = 282,3 кг 
 

      Рассчитаем  количество необходимого аммиака:

кг

Тогда на первую стадию будем подавать 100 кг аммика.

В результате обработки  фосфорной кислоты аммиаком образуется и испаряется некоторое количество воды. Состав образующейся массы определяется взаимодействием кислоты с содержащимися в ней примесями и аммиаком. В основу расчета количества получаемых солей берем следующие стехиометрические соотношения:

MgO + H₃PO₄ + 2Н₂О ® MgHPO₄ х 3Н₂О       (1.1) 

СaO + H₃PO₄ + Н₂О ® СаHPO₄ х 2Н₂О    (1.2) 

Al₂O₃ + 2H₃PO₄ ® 2AlPO₄ + 3Н₂О     (1.3) 

Fe₂O₃ + 2H₃PO₄ ® 2FePO₄ + 3Н₂О     (1.4) 

2NH₃ + H₂SiF₆ ® (NH₄)₂SiF₆       (1.5) 

2NH₃ + H₂SO₄ ® (NH₄)₂SO₄       (1.6) 

NH₃ + H₂PO₄ ® NH₄H₂PO₄       (1.7) 

2NH₃ + H₃PO₄ ® (NH₄)2HPO₄       (1.8) 

При нейтрализации  раствора фосфорной кислоты аммиаком  получаются следующее соли, состав которых рассчитываем исходя из стехиометрических  коэффициентов:

1. MgHPO₄ х 3Н₂О  =   

в т.ч.           Н₂О  =    кг 

в т.ч.          P₂O₅ =     кг 

(40, 174, 18, 142 - молекулярные  массы MgO, MgHPO₄ х 3Н₂О, Н₂О, P₂O₅) 
 

2. СаHPO₄ .  2Н₂О  = кг 

в т.ч.           Н₂О  =    кг 

в т.ч.          P₂O₅ =     кг 

( 56 и 172-молекулярные  массы  СaO, СаHPO₄ х 2Н₂О) 
 

3. AlPO₄ =  кг 
 

в т.ч.     P₂O₅ =     кг 

(102 и 122-молекулярные  массы  Al₂O₃ , AlPO₄ ) 

4. FePO₄ =  кг 

в т.ч.     P₂O₅ =     кг 

(160 и 207- молекулярные  массы  Fe₂O₃ и FePO₄) 

5. (NH₄)₂SiF₆ =  кг 

в т.ч.          NH₃ =     кг 

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

6. (NH₄)₂SO₄ =  кг 

в т.ч.          NH₃ =     кг 

(132, 80- молекулярные  массы (NH₄)₂SO₄ и SO₃) 

Таким образом,  по этим стадиям связывается    P₂O₅: 

      28,4 + 2,5 + 13,9 + 8,8 + = 53,6 кг 

Тогда теоретически остальное количество связывается  с аммиаком для образования фосфатов аммония: 

            1000 х 0,52 – 53,6 = 466,4 кг 

Аммиак связанный  по примесям: 

            1,5 + 8,5 = 10 кг 

Но  на данной стадии реакции подаем 100 кг аммиака.

Тогда на образования  фосфатов аммония  пошло аммиака: 

            100 – 10 = 90 кг 

Количество NH₃ необходимого для связывания всей оставшейся P₂O₅ ( 466,6 кг)

Рассчитаем, исходя из условия H₃PO₄ :   NH₃ » 0,7

 

              кг 

При этом остается избыток аммиака: 

            90 – 39,1 = 50,9 кг

Избыток расходуется  на образование диаммонийфосфата, его  количество рассчитываем как:

(NH₄)₂HPO₄ =  кг

 

 

      

Это количество требует моноаммонийфосфат: 

  кг

( 115 и 132 молекулярные  массы моно и ди - аммонийфосфатов) 

Так как из  466,4 P₂O₅  могло образоваться моноаммонийфосфата: 

             кг 

то после образования  диаммонийфосфата остается моноаммонийфосфата: 

            264,5 – 172,2 = 92,3 кг 

Тогда всего: 

      NH₄H₂PO₄   и (NH₄)₂HPO₄ = кг 

Тогда выход  сухих солей (с учетом кристаллизованной  воды): 

      69,6 + 6,1 + 23,9 + 25,8 7,8 + 33 + 289,9 = 456,1 кг 

в том числе: 

Н₂О  кристаллизованная = 21,6 + 1,3 = 22,9 кг 

Рассчитаем количество  P₂O₅ в полученных солях аммония: 

в NH₄H₂PO₄  

P₂O₅  =    кг       Н₂О =  кг 
 

в (NH₄)₂HPO₄ : 

      P₂O₅  =    кг           Н₂О =  к 

Тогда осталось несвязанной  P₂O₅: 

            466,4 – 106,3-57=303,1 

Рассчитаем количество фосфорной кислоты, в составе  которой будет такое количество  P₂O_{5 ,} которая перейдет на следующую стадию.

   

3Н₂О + P₂O₅    ®   2H₃PO₄                            (4.1.9) 

 H₃PO₄:    кг 

Н₂О =  кг 

Количество выпаренной  воды  на данной стадии определяем из теплового баланса (см. тепловой баланс), оно составило 154 кг.

Тогда рассчитаем количество свободной воды, переходящее  на следующую стадию:

Н₂О  своб. = 415 –154 -22,9 -28,9 -26,7 -115,3 =67,2 
 

 

       
 

Материальный  баланс по первой стадии  нейтрализации

(до  соотношения H₃PO₄ : NH₃ » 0,7)