Установка отримання нітрофосок

Підвищення норми нітратної  кислоти понад стехіометричну знижує ступінь виділення CaO,в основному,внаслідок збільшення кількості рідкої фази.[7.Розрахунки в технології азотних та фосфорних добрив. Навчальний посібник для студентів спеціальності 7.91602 – Хімічна технологія неорганічних речовин./ Волошин М.Д., Зеленська Л.О., Астрелін І.М. – Дніпропетровськ:Системні технології, 2003. – 314с.]

1.4.2.Апаратурно-технологічне оформлення процесу виробництва нітрофоски.

Найбільш широке застосування в  промисловості знайшов сульфатнокислотний спосіб,по якому для зв’язування надлишку CaO в систему вводиться сульфатна кислота. Процес здійснюють по наступній схемі (Рисунок 1.1.)

Спочатку природні фосфати розкладаються  сумішшю азотної і сульфатної кислоти. Процес розкладу проводиться  послідовно в декільках реакторах U-подібної форми 5 і 6. Зазвичай число реакторів буває 2-4. В перший реактор подаються фосфати і азотна кислота,у другий реактор додається сульфатна кислота. Об’єм реакторів визначається по часу,який необхідно для розкладання фосфатів (1-1,5 год.). Температура процесу розкладу не перевищує 45-50⁰С.Завдяки низькій температурі розкладу на відміну від розкладу фосфатів тільки сульфатною кислотою (виробництво суперфосфату) при азотнокислому розкладанні фтор у газоподібну фазу не виділяється,а залишається в пульпі.

Процес розкладання проводиться  при інтенсивному перемішуванні  пульпи (число обертів мішалки 200-250 в хвилину).

Із реакторів розкладання пульпа перетікає в реактори амонізації 7 в якому проводиться друга  стадія процесу – нейтралізація  пульпи газоподібним аміаком. Процес проводиться послідовно в декільках реакторах такого ж типу,як і для розкладу. Число послідовно включених реакторів визначається часом,необхідним для протікання процесу амонізації (приблизно 2-3 години). Звичайно для амонізації встановлюється послідовно 7-10 реакторів. Газоподібний аміак подається у всі реактори. Процес амонізації проводиться також при інтенсивному перемішуванні і температурі 100-110⁰С. В процесі амонізації випарюється приблизно 25% води із пульпи.

Пульпа із останнього реактора-амонізатора  безперервно витікає і поступає у змішувальний шнек 9,куди додається  третій поживний елемент калій у  вигляді хлористого калію. Із змішувального  шнеку пульпа направляється в  шнек-гранулятор 10,в який також поступає ретур (мілка фракція готового продукту) з ціллю зменшення вологи пульпи з 20-24 до 5-6%. В грануляторі одночасно відбувається процес грануляції. Утворені гранули висушуються в сушильному барабані 11. Сушка проводиться димовими газами,які поступають в сушилу із топки 14 з температурою 250⁰С.

Висушений продукт розсіюється  на грохоті 13. Сама мала фракція з  розміром частин менше 2мм повертається в цикл в якості ретуру. Крупна фракція направляється в охолоджуючий барабан 15,в якому охолоджується повітрям до 40-50⁰С і знову на грохоті 17 розсіюється. Готовим продуктом являється фракція з розміром частин 2-4мм. Вона направляється на склад і упаковку. Фракція з розміром частин менше 2мм повертається в шнек-гранулятор 10 в якості ретуру, а крупна фракція з розміром частин більше 4мм подрібнюється на дробарці 18 і знову повертається на розсіювання.[8.Розрахунки по технології неорганічних речовин/Під ред. П.В.Дибіної – Вища школа,1967. – 522 с. ]

U-подібний реактор-амонізатор широко використовується у виробництві комплексних добрив. Такий апарат пре зварний сосуд із нержавіючої сталі,оздоблений сорочкою роз’єднаного типу. Діаметр реактора 0,9 м,висота 2,6 м. В бічних стінках реактора присутні штуцера для входу і виходу розчину,днище оздоблено штуцером для спорожнювання апарату,на кришці розміщені штуцера для відводу газів,люки для перевірки і отвори для валів мішалок. [6]

Внутрішня перегородка розділяє апарат на дві частини,в кожній із яких в  різних напрямках обертаються мішалки пропелерного типу (200-210 об/хв.). Зовні реактор має водяну сорочку; за допомогою води,поданої в неї,регулюється температура. Газоподібний аміак вводять по двох трубах у нижню частину реактору. Реактори виконані з хромнікелевої чи хромонікелевомолібденової сталі. [7]

 

 

 

 

 

 

                             

 

                                 2 Спеціальна частина

                              2.1.Матеріальний баланс

Вихідні дані:

Продуктивність установки (в кг/год)……………………………………….3000

Співвідношення поживних речовин  в готовому продукті N:P2O5:K2O….1:1:1

В нітрофосці приблизно 50% засвоюваного фосфору міститься у водорозчинній  формі, а інші в цитратнорозчинній формі.

Сировина:

Суміш азотної і сірчаної кислот з вмістом 30% HNO3, 20% H2SO4 і 50% води

Газоподібний аміак (100%)

Хлористий калій (95%)

Апатитовий концентрат наступного складу (в %):

P2O5………………………....39,4

CaO…………………………47,4

CaF2…………………………..6,2

Ce2O3…………………………1,0

Fe2O3…………………………2,0

Нерозчинний залишок……..3,5

Вода………………………….0,5

Ступінь вилучення компонентів  із апатиту:

P2O5 і CaO………………………..0,98

CaF2………………………………..0,95

Fe2O3 і Ce2O3………………………0,70.

На 1000 кг апатиту подається 2700 кг суміші кислот.

Вміст води в кінці процесу амонізації в (%)………..25

Введений KCl на 90% конвертує в KNO3 і NH4Cl.

 

 

 

Із 1000 кг апатиту за експериментальними даними з урахуванням втрат отримується 3323 кг нітрофоски.

Втрати нітрофоски (в %)………..0,5.

 

     Матеріальний розрахунок  кислотного розкладу апатиту

Для отримання 3000 кг/год нітрофоски необхідно переробити апатитового концентрату:

 

 

 

В цій кількості міститься:

                                                  %           кг/год    

P2O5………………………....39,4          355,7

CaO…………………………47,4          427,93

CaF2…………………………..6,2          55,97

Ce2O3…………………………1,0          9,028

Fe2O3…………………………2,0          18,1

Нерозчинний залишок……..3,5        31,6

Вода………………………….0,5       4,5

 

Всього ……………………100,0        902,8

Подається розчину кислот на розкладання

 

 

 

В цій кількості міститься

 

H2SO4                     

HNO                                        

H2O.

 

Реакція розчинення апатиту в кислотній  суміші може бути сумарно описана  наступним рівнянням:

 

2Ca5(PO4)3F + 2(10-m)HNO3 + mH2SO4 = mCaSO4 + (10-m)Ca(NO3)2 + 6H3PO4 + + 2HF                                                                                                                 (1)

Або, теж саме,

 

CaF2×9CaO×3P2O5 + 2(10-m)HNO3 + mH2SO4 = mCaSO4 + (10-m)Ca(NO3)2 + +6H3PO4 + 2HF                                                                                                (2)

 

Друга реакція легко може бути розділена на окремі часткові реакції:

 

                   CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF                                                      (3)

(m-1)CaO + (m-1)H2SO4 = (m-1)CaSO4 + (m-1)H2O                                        (4)

[9-(m-1)]CaO + 2(10-m)HNO3 = (10-m)Ca(NO3)2 + (10-m)H2O                       (5)

                   3P2O5 + 9H2O = 6H3PO4                                                                       (6) 

 В приведених рівняннях m – число молей Н2SO4,які подаються на 2 моль апатиту.

За реакціями (3) – (6) проводиться  розрахунок кислотного розкладу апатиту.

Вся кількість  CaF2 переходить в CaSO4 і HF. За умовою вивільнюється 95% CaF2 ,тобто

 кг/год,

І залишається в осаді

                               CaF2.

На взаємодію з 53,17 кг/год CaF2 потрібно,по реакції (3)

 

                           

 

 

При цьому утворюється

 

 

 

І

 

 

 

Інші 

 

       взаємодіють з CaO.

 

Всього вивільнюється

 

 

 

і залишається в залишку

 

 

 

По реакції

 

                CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O

 

З 420,7 кг H2SO4 реагує

 

 

 

Причому утворюється

 

 

і

 

Всього утворюється

 

 

або

 

При цьому зв’язується 

 

 

 

Інші 

Взаємодіють з HNO3 за реакцією

 

                            CaO + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O

 

На реакцію потрібно

 

 

 

при цьому утвориться

 

 

і виділяється

 

 

 

Всього переходить у розчин

 

 

залишається в осаді

 

 

 

При розчинені 348,586 зв’язуються з

 

 

і утворюють

 

 

При взаємодії

 

Ce2O3 + 2 = 2CePO4 + 3H2O                                                            (7)

 

вивільнюється

 

і залишається в осаді 2,708 . На реакцію з 6,32 потрібно

 

 

 

при цьому утворюється

 

 

і виділяється

 

 

 

Вивільнюється

 

і залишається в осаді

 

 

 

На реакцію  з 12,67    необхідно

 

 

 

і при цьому утвориться

 

 

 

і виділяється

 

 

 

Витрачається 402,75   і залишається в розчинні

 

                 731,268 

 

Загальна витрата 

 

залишається  в розчині

 

По реакції

 

                           SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O                               (8)

реагує 27,27 кг HF,що утворився. При цьому розчиняється

 

 

утворюється

 

 

і виділяється

 

 

Поступає води

 

 

 

Витрачається

 

 

 

Залишається вільної води

 

 

 

В нерозчиненій частині міститься (в ): CaF2 = 2,8; CaO = 8,56; P2O5 = 7,1; Ce2O3 = 2,708; Fe2O3 = 5,43, нерозчинний залишок,за відрахуванням SiO2 ,який пішов на утворення H2SiF6,

 

 

 

Всього залишку

 

 

                     Зведений матеріальний баланс  розчинення

Прихід		кг/год	Витрата	кг/год
Концентрат: P2O5………………………. CaO…………………….. CaF2………………............ Ce2O3…………………….... Fe2O3………………………... Нерозчинний залишок…… Вода………………………….		355,7 427,93 55,97 9,028 18,1 31,6 4,5	Пульпа на амонізацію …………  ……………… H3PO4……………………. CePO4……………………. FePO4……………………. HNO3…………………….. H2SiF6…………………… Нерозчинний залишок…..        Вода……………………….      Всього пульпи…………..	721,3 524,2 461,9 9,1 23,9 328,5 32,724 44,56 1189,9     3336
Всього ……………………..   Розчин кислот: азотної…………………… сірчаної………………….. води………………………	902,8     731,268 487,512 1218,78
Всього розчину………….	2437,56
Всього…………………….	3340,36

 

 

Похибка складає:

 

що є допустимим у складанні  матеріального балансу.

             Матеріальний розрахунок амонізації

      На амонізацію  поступає пульпа після кислотного  розкладу і 100%-вий газоподібний аміак. При взаємодії пульпи з аміаком CaSO40,5H2O, CePO4 і FePO4 залишаються без змін.

      Кремнійфтористоводнева кислота реагує з аміаком по рівнянню

                H2SiF6 + 6NH3 + 4H2O = 6NH4F + Si(OH)4                              (9)

Кремнієва кислота,що утворилась при  нагріванні розкладається:

                             Si(OH)4 = SiO2 + 2H2O                                            (10)

Фтористий амоній реагує з азотнокислим кальцієм:

                       6NH4F + 3Ca(NO3)2 = 3CaF2 + 6NH4NO3     (11)

Сумарне рівняння:

 H2SiF6 + 6NH3 + 2H2O + 3Ca(NO3)2 = SiO2 + 3CaF2 + 6NH4NO3            (12)

Азотнокислий кальцій,що залишився,реагує з H3PO4:

                      Ca(NO3)2 + H3PO4 = CaHPO4 + 2HNO3                            (13)

Надлишкова фосфорна кислота дає  кислий фосфат амонію:

                             H3PO4 + NH3 = NH4H2PO4                                       (14)

Азотна кислота як вільна,так  і та що утворилась по реакції (13) дає  аміачну селітру:

                                     HNO3 + NH3 = NH4NO3                                      (15)

За реакцією (12) при взаємодії  з 32,724 кг/год H2SiF6 буде використано:

 

 

 

При цьому утворюється

 

 

 

Залишається

      кг/год Ca(NO3)2 які за реакцією (13) взаємодіють з фосфорною кислотою.

Витрата фосфорної кислоти:

 

При цьому утворюється:

 

 

Залишкові кг/год H3PO4 приєднуються по реакції (14):

 

і утворюється:

 

В розчинні міститься:

 

На взаємодію з цією кількістю  азотної кислоти по реакції (15) витрачається:

 

і утворюється:

                   

Всього при амонізації утворюється:

 

Необхідно подати на амонізацію:

 

      В пульпі міститься  (в кг/год): CaSO4×0,5H2O 721,3; CaF2 53,18; CaHPO4 342; NH4H2PO4 252,88; NH4NO3 928,5; SiO2 13,635; CePO4 9,1; FePO4 23,9; нерозчинний залишок 44,56; всього 2389,1 кг/год розчинених і зважених речовин.

      За умовою в кінці процесу амонізації в пульпі міститься 25% води,або:

 

Таким чином, випарюється при амонізації:

 

      Кількість домішок (крім CaSO4×0,5H2O) можна зобразити сумою:

 

 

 

 

 

 

Зведений матеріальний баланс процесу амонізації

Прихід	кг/год	Витрата	кг/год
Пульпа після кислотного  розкладу: CaSO4×0,5H2O……………  Ca(NO3)2………………….. H3PO4……………………..   CePO4…………………….   FePO4…………………...…  HNO3………………………   H2SiF6…………………..…  Нерозчинний залишок….   Вода……………………….	721,3 524,2 461,9 9,1 23,9 328,5 32,724 44,56 1189,9	Пульпа: CaSO4×0,5H2O…………….. CaHPO4……………………. NH4H2PO4………………….. NH4NO3……………………. CePO4………………………. FePO4…………………...….  Нерозчинний залишок…… Вода…………………………	721,3 342 252,88 928,5 9,1 23,9 111,375 796,37
		Всього пульпи……………… Водяних парів………………	3185,4 385,35
Всього пульпи…………… Аміак (100%)……………..	3336,1 234,68	Всього……………………….	3570,8
Всього………………………	3570,8