5. Производство азотных минеральных удобрений

Азотные удобрения подразделяются:

1. на аммиачные(содержат свободный аммиак NH₃) – жидкий аммиак, аммиачная вода;

2. аммонийные (содержат ион аммония NH₄⁺) – сульфат аммония (NH₄)₂SO₄;

3. нитратные (содержат анион NO₃) – нитрат кальция Ca(NO₃)₂;

4. амидные (содержат аминогруппу NH₂) – карбамид CO(NH₂)₂.

Наиболее распространенное азотное удобрение – нитрат аммония – NH₄NO₃ может быть отнесен сразу к двум группам (2 и 3).

Кроме того, на предприятиях химической промышленности производятся комплексные минеральные удобрения, содержащие азот: аммофос, аммофоска, нитрофос и другие.

Практически все азотосодержащие минеральные удобрения хорошо растворимы в воде и легко усваиваются растениями.

Промышленность выпускает как твердые (гранулированные, чешуированные, кристаллические), так и жидкие азотные удобрения.

5.1. Сырьевая база производства азотных удобрений

Сырьем для получения аммонийных форм азотных удобрений является аммиак, нитратных – азотная кислота, амидных – аммиак. Поэто­му крупнотоннажные производства аммиачной селитры и карбамида организовывают вблизи производств аммиака и азотной кислоты, т. е. включают в состав произво

ственных объединений "Азот", где создается техноло­гическая цепочка: "синтетический аммиак – азотная кислота – аммиачная селитра" или " синтетический аммиак – карбамид".

Менее ценное малоконцентрированное удобрение – сульфат аммо­ния, в России производят на коксохимических заводах из аммиака коксового газа. Производство комплексных минеральных удобрений, содержащих азот и фосфор, размещают на предприятиях по производству фосфорной кислоты и на ее основе фосфорных удобрений. Существуют также схемы по разложению природного фосфатного азотной кислотой, по которым получают одновременно нитрат кальция и свободную кислоту. В дальнейшем их перерабаты­вают на сложные двойные (N-P) или тройные (N-P-K) удобрения с широким диапазоном соотношений питательных веществ.

5.2. Производство аммиачной селитры

Нитрат аммония (аммиачная селитра) NH₄NO₃ содержит около 35  и является практически безбалластным концентрированным удобрением. Она очень хорошо растворима в воде, быстро усваивается рас­тениями, применяется как самостоятельно, так и в качестве азотсо­держащего компонента для приготовления сложных удобрений. Из недостатков аммиачной селитры следует отметить наличие пяти кристаллических модификаций, высокую гигроскопичность, слеживаемость, склонность к термическому разложению и в особых случаях способность к взрывчатому разложению.

Для повышения потребительских свойств аммиачную селитру производят большей частью в гранулированном виде с применением добавок и с обработкой поверхности гранул раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ). Добавки вводятся в растворы или плавы аммиачной селитры. Их можно подразделить на следующие группы:

1. добавки, связывающие воду: магнезиальная – Mg(NO₃)₂ и доломитовая – Mg(NO₃)₂+Ca(NO₃)₂

2. добавки, влияющие на полиморфные превращения нитрата аммо­ния: сульфатная (NH₄)₂SO₄ , фосфатно-сульфатная(NH₄)₂SO₄ + (NH₄)₂HPO₄;

3. добавки, образующие центры кристаллизации плава: тонкодисперсные порошки нерастворимых соединений – кизельгур, аэросил, бентонитовая глина.

Современные технологические схемы производства аммиачной селитры предусматривают использование 58–60 -ной азотной кислоты и 100 -ного аммиака в жидком и газообразном состоянии. Эти схемы отличаются высокой производительностью (1360–1570 т/сутки), низкой себестоимостью выпускаемой продукции, улучшенной защитой ок­ружающей среды.

Основными стадиями производства гранулированной аммиачной селитры являются:

а) нейтрализация 58–60 -ной азотной кислоты газообразным аммиаком в аппаратах ИТН;

б) донейтрализация раствора селитры и введение сульфатной или магнезиальной добавки;

в) упарка раствора селитры до высококонцентрированного плава;

г) гранулирование плава;

д) охлаждение гранул;

е) обработка гранул ПАВ (на ряде схем отсутствует);

ж) очистка охлаждающего воздуха и сокового пара перед выбро­сом в атмосферу;

и) упаковка и хранение готового продукта.

Ниже приведено описание технологической схемы агрегата большой мощности АС-67 (рис. 4). Находящиеся в эксплуатации другие крупные агрегаты (АС-72, АС-72М) отличаются только компоновкой основного технологического оборудования.

Подогретая соковым паром в теплообменнике до 70–80 °С азотная кислота (58–60 ) и нагретый паровым конденсатом в теплообменнике до 70– 120 °С газообразный аммиак в заданном соотношении дозируется в реакционную часть аппарата ИТН. Процесс нейтрализации протекает при атмосферном давлении при температуре 155–160 °С по реакции: NH_3г + HNO_3ж = NH₄NO_3р-р.

Q_{реакции} = 145 кДж/моль 100 -ной HNO₃.

Скорость реакции очень велика, поэтому основные требования к осу­ществлению процесса нейтрализации состоят в обеспечении условий быстрого смешения потоков компонентов и интенсивной циркуляции ки­пящего плава_, аммиачной селитры (кратность циркуляции определяет­ся как отношение количества циркулирующего плава внутри аппарата к количеству выходящего из аппарата и составляет около 100). В результате выделения большого количества тепла нейтрализации про­исходит выпаривание части воды из раствора аммиачной селитры, и его концентрация на выходе составляет 88–92 . Азотную кислоту до­зируют так, чтобы на выходе имелся небольшой избыток кислоты в пре­делах 2–5 г/л, что обеспечивает полное поглощение аммиака в реакци­онной зоне.

В сепарационной зоне аппарата пары воды (соковый пар) отделяются от кипящего раствора аммиачной селитры и поступают в верхнюю промывную часть, где происходит отмывка пара от паров ам­миака и азотной кислоты, а также от брызг плава. Окончательная очистка сокового пара перед сбро­сом в атмосферу проводится в скруббере-промывателе.

Плав аммиач­ной селитры из аппарата ИТН поступает в донейтрализатор, где про­исходит нейтрализация свободной азотной кислоты газообразным аммиаком. Здесь же образуется сульфатная добавка из дозируемой сер­ной кислоты. (В схеме АС-72М вводится магнезиальная добавка.) Пос­ле донейтрализатора раствор, со­держащий 0,1–0,5 г/л NH₃, концентрацией 88–92  NH₄NO₃ упаривается под атмосферным давлением в комбинированном выпарном аппарате. В межтрубное пространство аппарата подают пар под давлением 1,3–1,4 МПа (195 °С). В его трубном пространстве происходит упарка раствора до концентрации 99,0–99,5  NH₄NO₃. В нижней тарельчатой части аппарата на про­вальных тарелках со змеевиками, обогреваемыми паром, плав продувают воздухом температуры 175–190 °С, за счет чего происходит дальнейшее концентрирование до 99,7–99,8  NH₄NO₃.

Стабильность концентрации плава на выходе из аппарата обеспечивается системой автоматического регулирования подачи пара в аппарат по температуре плава на выходе из него в пределах 175–185 °С. При нарушении температурного режима, который может повлечь за со­бой интенсивное разложение плава, автоматически прекращается по­дача раствора и пара в выпарной аппарат и включается подача паро­вого конденсата для снижения температуры и подавления разложения.

Воздух из аппарата загрязнен брызгами и аэрозолем аммиачной селитры, а также аммиаком и соковым паром. Поэтому паровоздушную смесь подают на очистку в промывной скруббер. Упаренный плав посту­пает на гранулирование. Процесс гранулирования и охлаждения гранул происходит в грануляционной башне, в нижней части размещен аппа­рат охлаждения гранул в кипящем слое. Плав разбрызгивается по се­чению башни устройствами-грануляторами, из которых плав вытекает со скоростью 4–7 м/с через отверстия диаметром 0,9–1,1 мм.

Струйки плава при свободном истечении дробятся на отдельные капли, которые в полете охлаждаются встречным потоком воздуха и застывают в фор­ме сферических частиц-гранул. Высота полета гранул 30–50 м. К кон­цу свободного падения температура гранул снижается до 120 °С. Дальнейшее их охлаждение до 25–40 °С проводится в холодильнике кипящего слоя.

Охлажденную гранулированную селитру направляют на обработку путем опрыскивания потока гранул диспергированным водным раствором поверхностно-активных веществ (ПАВ). Обработанную гранулированную селитру упаковывают в полиэ­тиленовые мешки и направляют на склад.

35

Рис. 4. Принципиальная технологическая схема производства аммиачной селитры:

1, 2 - теплообменники; 3 - ИТН; 4 - выпарной аппарат; 5 - грануляционная башня; 6, 7 - скруббер-промыватель; 8 - донейтрализатор; 9 - холодильник кипящего слоя

Воздух, нагнетаемый в грануляционную башню (500–700 тыс. м³/г) на выходе направляется в промывной скруббер, где объединяется с потоками сокового пара из аппаратов ИТН (35–40 тыс. м³/г) и паровоз­душной смеси из выпарного аппарата (35–40 тыс. м³/г).

Очистка про­водится путем промывки раствором аммиачной селитры, подкисленной до 10-20 г/л и фильтрации через специальные фильтрующие элементы. Общая степень очистки от соединений азота достигает 85 .