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). Сырье в значительной степени определяет качество и себестоимость продукта.

2.2.1 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 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.