Производство нитроаммофоса

Содержание Введение 1. Характеристика целевого продукта. 2. Методы получения аммофоса. 2.1. Технологическая схема производства аммофоса.
2.2. Характеристика сырья. 2.2.1. Основное сырье. 2.2.2. Вспомогательное сырье 2.3. Физико-химические характеристики основных стадий процесса. 2.3.1. Основы процесса нейтрализации фосфорной кислоты 2.4. Реакторы 2.4.1. Аппарат для нейтрилизации фосфорной кислоты аммиаком 2.4.2. Барабанный гранулятор – сушилка (БГС) 2.5. Характеристика побочных продуктов и способы их утилизации. 2.6. Технологические расчеты 2.6.1.Расчет материального баланса 2.6.2.Расчет теплового баланса 2.6.3.Расчет теоретических и практических расходных коэффициентов 2.7. Перспективы совершенствования процесса получения химического продукта Заключение Список литературы Введение Данная работа посвящена изучению производства аммофоса. Аммофос — это концентрированное, безнитратное, водо-растворимое, гранулированное, азотно-фосфорное удобрение. Является универсальным удобрением для всех сельско-хозяйственных культур на любых почвах при различных способах внесения; лучше усваивается растениями, чем суперфосфат. Аммофос можно вносить в качестве основного удобрения в рядки 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 . Некоторые растения содержат до 1,6% фосфора, в перерасчёте на P2O5. Фосфорное голодание проявляется в изменении окраски листьев на пурпурную, бронзовую и задержке цветения и созревания. Фосфор играет важную роль в жизни плодовых и ягодных культур. Он входит в состав сложных белков, участвующих в процессе деления клеточного ядра и в образовании новых органов растения, в созревании плодов и ягод, способствует накоплению крахмала, сахара, жира. Фосфор значительно повышает засухо- и морозоустойчивость растений. Он играет большую роль в ускорении созревания плодов. Целью данной курсовой работы является изучение производства аммофоса и решение поставленных задач, таких как: выбор технологической схемы производства, характеристическое описание сырья и продуктов, описание используемых химических реакторов, описание основных стадий процесса, расчет материального и теплового балансов производства. 1. Характеристика химического продукта. Аммофос обладает наилучшими из всех выпускаемых фосфорсодержащих удобрений физико-механическими свойствами (табл. 1). Поэтому он служит оптимальным компонентом сухих тукосмесей, а также входит в состав многих сложных и сложно-смешанных удобрений. Аммофос выпускается в виде гранул белого цвета с желтоватым оттенком. Продукт не комкуется, обработан антипылящей добавкой. 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%. Технические требования на аммофос, согласно ГОСТу приведены в таблице 2. Таблица 2 Технические требования на аммофос (ГОСТ 18918-85) 2. Методы получения аммофоса. Фактором, принципиально определяющим технологию производства аммофоса, является влажность пульпы, поступающей в переработку в готовый продукт. В соответствии с этим существующие способы производства аммофоса классифицируются на способы, основанные на переработке концентрированной (10-25% Н2О) пульпы, и способы, основанные на переработке разбавленной (выше 25% Н2О) пульпы. В способах, основанных на переработке концентрированной пульпы, лимитирующие факторы технологии определяются реологическими характеристиками системы, поэтому для таких процессов предпоч тительнее использовать аппараты, позволяющие перерабатывать вязкие среды (струйный реактор, АГ и др.). Лимитирующим фактором технологии при переработке разбавленных пульп является процесс удаления влаги для получения кондиционного продукта, поэтому в данном случае целесообразно использовать эффективные тепломассовые аппараты (БГС, РКСТ и т.д.). Процесс получения фосфатов аммония, основанный на переработке концентрированной пульпы имеет следующие преимущества: сокращаются суммарные энергозатраты; повышается производительность сушильного оборудования; сокращаются объемы отходящих на очистку газов. C учетом всех данных был выбран метод получения аммофоса из концентрированных пульп по схеме с аппаратом БГС. 2.1. Технологическая схема получения аммофоса Процесс получения гранулированного аммофоса одноступенчатым методом основан на применении схемы с аппаратом типа БГС (барабанный гранулятор-сушилка). Процесс осуществляется следующим образом (рис. 2). 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. 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. 2.2. 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). Некоторые химические производства используют в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств. Сырье в значительной степени определяет качество и себестоимость продукта. 2.2.1. Основное сырье Фосфорная кислота 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 эта-ноле и других растворителях. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Раз- бавленные водные р-ры 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 нек-рыми 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. При действии на металлическую поверхность раствором фосфорной кислоты с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование). 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 пром. условиях определяется т-рой в зоне окисления, диффузией компонентов и др. факторами. Вторую стадию получения термич. фосфорной кислоты- гидратацию P4O10 - осуществляют абсорбцией к-той (водой) либо взаи-мод. 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. Испари-тельные 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. На отечественных предприятиях эксплуатируют технологические схемы с циркуляционно - испарительным способом охлаждения (двухбашенная система). Основная область использования фосфорной кислоты - производство фосфорных и сложных концентрированных удобрений, а также получение кормовых фосфатов, синтетических моющих и водоумягчающих средств. Аммиак (NH3), нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ПДКр.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/м³, 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.
2.2.2. Вспомогательное сырье Вода. Химическая промышленность использует воду в огромных количествах и для самых ранообразных 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 постоянную жесткость воды. Первая обуслов­ливается растворенными в воде бикарбонатами Са(НСОэ)2 и Mg(HC03)2, которые при нагревании воды до температуры кипения разлагаются с выделением в осадок карбонатных солей, например: Са(НСО3) 2 -* СаСОз + СO2 + Н2O (2.2.2.1) 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. 2.3. Физико-химические характеристики основных стадий процесса. 2.3.1. Основы процесса нейтрализации фосфорной кислоты 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 (2.3.1.1) 2NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4 (2.3.1.2) 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 нейтрализации можно вести в две стадии. Соотношение моно- и диаммонийфосфата в готовом удобрении обычно составляет 4:1. В случа 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 . 2.4. 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). 2.4.1 Аппарат для нейтрилизации фосфорной кислоты аммиаком Скоростной аммонизатор – испаритель ( САИ ) 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 парожид-костной 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. 2.4.2 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 газоввода по оси барабана с установкой направляющей лопатки, делящей поток на две части. Применяют также тангенциальный ввод теплоносителя с распределением его направляющими лопатками. В обоих случаях форсунка пульпы расположена вдоль оси барабана. Подвод сушильного агента с передней стенки загрузочной камеры ниже центральной оси барабана может привести к локальному перегреву стенок и материала, а также к ухудшению тепло- и массообмена в головной части аппарата. В процессе гранулообразования определяющей является работа форсунки, распыливающей пульпу. Применяемые конструкции форсунок внутреннего смешения с завихрителями потоков различаются местом ввода сжатого воздуха (по внутренней или внешней трубке). способами регулирования дисперсности распыла и чистки жидкостного канала. Для диспергирования пульп обычно используют холодный сжатый воздух при давлении 0,2-0,4 МПа, расход воздуха составляет 60-70 м3/м3 жидкости.
2.5. 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.
2.5.1. 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. 2.6.1 Удаление аммиака Выделение аммиака в процессе сушки происходит в результате термического разложения солей, входящих в состав аммофоса, по следующим реакциям: (NH4)2HPO4 ↔ NH3 + NH4H2PO4 (2.6.1.1) NH4H2PO4 ↔ NH3 + H3PO4 (2.6.1.2) 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 очистка газов. Абсорбер первой ступени, орошаемый в замкнутом цикле кислыми растворами фосфатов аммония, служит в основном для улавливания аммиака и частично (50%) фтора, абсорбер второй ступени, орошаемый водой или известковым молоком, - для улавливания фтора. Принципиальная схема абсорбции отходящих газов приведена на рисунке 6.1. 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 известковым молоком, служит для улавливания фтора. На второй ступени абсорбции можно использовать полую башню с форсунками эвольвентного типа. Отработанная жидкость после второй ступени (при орошении водой) направляется в циркуляционный бак 3 первой ступени. В случае орошения абсорбера над раствором известкового молока жидкость откачивается на станцию нейтрализации сточных вод. 1 – абсорбер с плавающей насадкой; 2 – полая башня; 3 – емкость для фосфорной кислоты; 4 – емкость для воды или известкового молока. Рисунок 6.1 – Схема двухступенчатой абсорбции отходящих газов производства аммофоса 2.6. Технологические расчеты Блок схема производства аммофоса по схеме с аппаратом БГС NH3 жид. H3PO4 ж (42% P2O5)

Готовый продукт 2.6.1.Расчет материального баланса Расчет проведем на 1000 кг фосфорной кислоты, содержащей: 42% P2O5 или 57,96% H3PO4 , 2% H2SO4, 1,6% MgO, 0,2% CaO, 1% Al2O3, 1% Fe2O3 , 36,24% H2O Состав аммиака: 99% NH3, 1% H2O Таблица 3 Состав Вещество % содержание Масса, кг Фосфорная кислота: H3PO4 H2SO4 MgO CaO Al2O3 Fe2O3 H2O 42% на P2O5 57,963 2,00 1,60 0,20 1,00 1,00 36,24 1000,00 579,60 20,00 16,00 2,00 10,00 10,00 362,40 Аммиак: NH3 H2O 99,00 1,00 132,80 131,50 1,30 В результате обработки фосфорной кислоты аммиаком образуется пульпа и испаряется некоторое количество воды. Состав образующейся массы определяется взаимодействием кислоты с содержащимися в примесями и аммиаком. В основу расчета количеств получаемых солей берем следующие стехиометрические соотношения: NH3 + H2PO4 ® NH4H2PO4 (2.6.1) 2NH3 + H3PO4 ® (NH4)2HPO4 (2.6.2) MgO + H3PO4 + 2H2O ® MgHPO4 * 3H2O (2.6.3) CaO + H3PO4 + H2O ® CaHPO4 * 2H2O (2.6.4) Al2O3 + 2H3PO4 ® 2AlPO4 + 3H2O (2.6.5) Fe2O3 + 2H3PO4 ® 2FePO4 + 3H2O (2.6.6) 2NH3 + H2SO4 ® (NH4)2SO4 (2.6.7) По реакции (2.6.3): Известно, что mMgO= 16,00 кг, исходя из соотношения молярных масс можно вычислить: mH3PO4= 39,20 кг, mH2O=14,40 кг, mMgHPO4*3H2O= 69,10 кг. По реакции (2.6.4): mCaO= 2,00 кг mH3PO4= 3,50 кг, mH2O=0,64 кг, mCaHPO4*2H2O= 6,10 кг. По реакции (2.6.5): mAl2O3= 10,00 кг mH3PO4= 19,20 кг, mH2O=5,30 кг, mAlPO4= 23,00 кг. По реакции (2.6.6): mFe2O3= 10,00 кг mH3PO4= 12,25 кг, mH2O=3,40 кг, mFePO4= 25,00 кг. По реакции (2.6.7): mH2SO4= 20,00 кг m(NH4)2SO4= 26,00 кг, mNH3=6,9 кг. Таким образом на побочные реакции ушло 74,15 кг фосфорной кислоты и 6,90 кг аммиака. Следовательно оставшаяся фосфорная кислота (579,60-74,15=505,50 кг) пойдет на основные реакции (2.6.1) и (2.6.2). Зная, что в готовом продукте соотношение количества моноаммонийфосфата к количеству диаммонийфосфата составляет 80%:20%, т.е. относится как 4:1, то рассчитаем соотношение количеств фосфорной кислоты, необходимых для реакций (2.6.1) и (2.6.2). , тогда , , где m(MAP), m(DAP) – масса моноаммонийфосфата и диаммонийфосфата соответственно; , – массы фосфорной кислоты, необходимая для реакции образования МАФ (2.6.1) и реакции образования ДАФ (2.6.2) соответственно; M(MAP), M(DAP) – молярные массы МАФ и ДАФ соответственно; – молярная масса фосфорной кислоты. найдем отношение масс фосфорной кислоты, ,
следовательно кг кг По реакции (2.6.1):
Известно, что mH3PO4= 415,20 кг, mNH3= 74,00 кг, mМАФ=487,20 кг. По реакции (2.6.2): mH3PO4= 90,30 кг, mNH3= 33,30 кг, mДАФ=121,60 кг. Масса безводной пульпы 758 кг, известно, что влажность концентрированной пульпы должна составлять 20%, тогда масса воды в пульпе должна составлять 189,5 кг. Исходная масса воды – 363,7 кг, масса воды, связанной по реакциям (2.6.3) и (2.6.4) – 15,04 кг, масса воды, образованной по реакциям (2.6.5) и (2.6.6) – 8,7 кгие, тогда оставшаяся вода 363,7 – 15,04 + 8,7 = 357,4 кг. Это вода, которая пойдет на пульпу и на отходящие газы. Зная массу воды в пульпе, найдем массу воды, которая пойдет на отходящие газы 357,4 – 189,5 = 167,9 кг. Исходная масса аммиака – 131,5 кг, масса аммиака, связавшегося по реакциям (2.6.1), (2.6.2) и (2.6.7) – 74,0 + 33,3 + 6,9 = 114,2 кг. Тогда масса непрореагировавшего аммиака 131,5 – 110,2 = 17,3 кг. Таблица 4 Материальный баланс стадии нейтрализации фосфорной кислоты Приход Расход Статья прихода Количество, кг Статья расхода Количество, кг поток компонент поток компонент 1. Фосфорная кислота (42 %), в том числе H3PO4 H2SO4 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 H2O 2. Аммиак в том числе NH3 H2O 1000 132,8 579,6 20 2 16 10 10 362,4 131,5 1,3 1. Аммофосная пульпа, в том числе NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 MgHPO4*3H2O CaHPO4*2H2O AlPO4 FePO4 (NH4)2SO4 H2O 2. отход. газы в том числе NH3 H2O 947,5 185,2 487,2 121,6 69,1 6,1 23,0 25,0 26,0 189,5 17,3 167,9 ИТОГО 1132,8 ИТОГО 1132,7 невязка % 2.6.2. Расчет материального баланса стадии сушки Конечная влажность готового продукта должна составлять 1%. Исходя из данного условия произведем расчет. На данную стадию поступает 189,5 кг свободной воды в составе аммофосной пульпы. Аммофоcной пульпы - 947,5кг. Тогда составим уравнение : ; X = 180,0 кг (количество воды, которое уйдет в процессе сушки) Таблица 5 Материальный баланс стадии сушки аммофосной пульпы Приход Расход Статья прихода Количество, кг Статья расхода Количество, кг поток компонент поток компонент 1. Аммофосная пульпа, в том числе NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 MgHPO4*3H2O CaHPO4*2H2O AlPO4 FePO4 (NH4)2SO4 H2O 947,5 487,2 121,6 69,1 6,1 23,0 25,0 26,0 189,5 1. Аммофос в том числе NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 MgHPO4*3H2O CaHPO4*2H2O AlPO4 FePO4 (NH4)2SO4 H2O 2.Пар, H2O 767,5 180,0 487,2 121,6 69,1 6,1 23,0 25,0 26,0 9,5 ИТОГО 947,5 ИТОГО 947,5 невязка Таблица 6 Сводный материальный баланс производства аммофоса ( 1 т H3PO4 42% P2O5 ) Приход Расход Статья прихода Количество, кг Статья расхода Количество, кг поток компонент поток компонент 1. Фосфорная кислота (42 %), в том числе H3PO4 H2SO4 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 H2O 2. Аммиак в том числе NH3 H2O 1000 132,8 579,6 20 2 16 10 10 362,4 131,5 1,3 1. Аммофос в том числе NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 MgHPO4*3H2O CaHPO4*2H2O AlPO4 FePO4 (NH4)2SO4 H2O 2.Пар, H2O 3. отход. газы в том числе NH3 H2O 767,5 180,0 185,2 487,2 121,6 69,1 6,1 23,0 25,0 26,0 9,5 17,3 167,9 ИТОГО 1132,8 ИТОГО 1132,7 невязка % 2.6.2 Расчет теплового баланса Составим уравнение теплового баланса стадии сушки: Qфиз. прихода. =Q*потер. + Qфиз. расхода,
где: Qфиз. прихода = Qпульпы + Qр-и горения Qфиз. расхода = Qнагр. пульпы + Qисп.воды Приход 1. Рассчитаем количество тепла с пульпой: Qпульпы = 947,5*95*2,721 = 244924,01 кДж где: 947,5 – масса пульпы, кг; 95 – температура пульпы в 0С; 2,721 - средняя удельная теплоемкость пульпы, кДж/( кг*0С). 2. Рассчитаем количество тепла с реакцией горения метана: Qр-и горения = 890*8248,19/ 16 = 458805,57 кДж где: 890 – тепловой эффект р-и горения, кДж/моль; 8248,19 – масса метана, г; 16 – молярная масса метана, г/моль. CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O + 890 кДж/моль Расход 1. Рассчитаем количество тепла с нагретой пульпой: Qнагр. пульпы = 947,5*102*2,721 = 262971,05 кДж где: 947,5 – масса пульпы, кг; 102 – температура пульпы в 0С; 2,721 - средняя удельная теплоемкость пульпы, кДж/( кг*0С). 2. Рассчитаем количество тепла с испарением воды: Qисп.воды = 180*2253 = 405540,00 кДж где: 180 – масса испарившейся воды, кг; 2253 – теплота испарения воды при 102 градусах, кДж/кг. 3. Рассчитаем количество теплопотерь: Q*потер.= 0,05* Qфиз.прихода = 0,05*(244924,01+458805,57) = 35186,48 кДж Расход метана на реакцию горения: V(CH4) = л, V(CH4) =11,55 м³ Приход Расход Статья прихода Q, кДж % Статья расхода Q, кДж % 1. C пульпой 2. С реакцией горения метана 244924,01 458805,57 34,80 65,20 1. C нагретой пульпой 2. C испарением воды 3. Теплопотери 262971,05 405540,00 35186,48 37,37 57,63 5,00 ИТОГО 703729,58 100,00 ИТОГО 703697,53 100,00 невязка % 2.6.3 Расчет расходных коэффициентов Теоретически реакция протекает по следующему уравнению: 3NH3 + 2H3PO4 ® NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4 (4.6.1) По уравнению рассчитаем теоретический коэффициент для H3PO4 : кгNH4H2PO4 Тогда теоретический расходный коэффициент по фосфорной кислоте Теоретический : 5 для NH3: кг кг Тогда всего могло образоваться: 422+968=1390кг солей Тогда теоретический расходный коэффициент составит: Рассчитаем практические расходные коэффициенты: H3PO4: – практические коэффициенты NH3: Расходные коэффициенты при получении аммофоса. №№ п/п Исходное сырье Значения коэффициентов теоретический практический 1 H3PO4 0,85 0,95 2 NH3 0,14 0,19 2.7. 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. Так как существующие процессы получения фосфатов аммония и сложных удобрений на их основе не имеют жидких и твердых отходов, то основное внимание должно быть уделено сокращению газовых выбросов. К таким мероприятиям относятся: · Глубокая упарка кислых пульп фосфатов аммония; · Двухстадийные процессы; · Интенсификация тепломассообмена. Радикальное решение этой проблемы возможно при «завороте» отходящих газов (полном или частичном) после систем очистки в начальную стадию процесса (в аппарат БГС или сушильный барабан). Заключение В ходе данной работы были проведены систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических знаний, полученных в процессе обучения, и применение этих знаний при рассмотрении конкретного химического производства – производство аммофоса. В ходе проведения работы были развиты навыки самостоятельной работы над темой, работы со справочной литературой. Были рассмотрены различные методы получения аммофоса, с учетом всех из-ложенных данных, был выбран оптимальный метод, - производство аммофоса по схеме с аппаратом БГС. Были проведены расчеты материального баланса по каждой стадии процесса, расчет теплового баланса стадии сушки, расчет расходных коэффициэнтов.