Производство азотных удобрений
ПРОИЗВОДСТВО АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ 1 Общая характеристика Азотные удобрения могут содержать азот в форме свободного аммиака и аминов (аммиакаты), ионов NH4+ и NO3-, аминогруппы NH2, а также в их сочетании. В соответствии с этим различают следующие виды азотных удобрений: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и аммонийно-нитратные. Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растенимями, особенно из аниона NO3-, который отличается высокой подвижностью в почве. По агрегатному состоянию азотные удобрения делятся на твердые (соли и карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений). В табл. 1.1 приведены характеристики важнейших азотных удобрений и удельный вес их в общем балансе производства. Таблица 1.1 - Ассортимент и характеристика азотных удобрений |
Удобрение | Формула действующего вещества | Содержание азота, % | Удельный вес, %, по годам | | | | | 1960 | 1980 | | Аммиачные Аммиак жидкий Аммиачная вода | NH3 NH3 | 82 16,1 - 20,1 | 2,8 | 7,1 | | Аммонийные Сульфат аммония | (NH4)2SO4 | 19,9 - 21,0 | 17,9 | 1,1 | | Нитратные Нитрат натрия Нитрат кальция | NaNO3 Ca(NO3)2 | 11,0 - 16,0 18,0 - 11,0 | - - | - - | | Амидные Карбамид | CO(NH2)2 | 46,0 - 46,1 | 2,1 | 27,1 | | Аммонийно-нитратные | NH4NO3 | 32,1 - 31,0 | 73,3 | 40,1 | | Карбамидоформ-альдегидные Карбаминоформ | NH2CONHCH2 | 33,0 - 42,0 | - | - | | Аммиакаты Азотная часть комплексных минеральных удобрений | - - | 20,0 - 30,0 - | - - | - 19,3 | | |
В приведенных данных прослеживается тенденция снижения производства сульфата и нитрата аммония и увеличения производства карбамида, жидких азотных удобрений и минеральных удобрений, содержащих, наряду с другими элементами, азот (комплексных минеральных удобрений). Ниже рассматривается технология производства наиболее распространенных азотных удобрений - нитрата аммония и карбамида, на долю которых приходится свыше 60% общего выпуска азотных удобрений. 1.2 Производство нитрата аммония 1.2.1 Свойства нитрата аммония Нитрат аммония (аммонийная селитра) NH4NO3 - кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6?С, хорошо растворимое в воде. Растворимость при 20?С равна 0,621 мас. долей, при 160?С - 0,992 мас. долей. Нитрат аммония сильно гигроскопичен и легко поглощает влагу из атмосферы, в зависимости от температуры может существовать в пяти кристаллических модификациях, различающихся плотностью и структурой кристаллов. Вследствие высокой растворимости в воде, гигроскопичности и полиморфных превращений, сопровождающихся выделением тепла, нитрат аммония легко слеживается. Для уменьшения слеживаемости, которая затрудняет использование продукта, в промышленности используют следующие меры: - перед складированием полученный продукт охлаждают до температуры ниже 32?С, так как именно в интервале от 32,3?С до -17?С нитрат аммония находится в стабильной ромбической модификации; - выпускают товарный продукт в гранулированном виде, обрабатывая поверхность гранул ПАВ, образующими на них гидрофобную пленку; - вводят в состав продукта кондиционирующие добавки в виде нитрата магния и других солей, которые связывают свободную воду и препятствуют переходу одной модификации в другую. Нитрат аммония в твердом состоянии или в виде высококонцентрированного раствора (плава) при нагревании выше 180 - 200 ?С разлагается: NH4NO3 = N2O + 2H2O - H, где H = 36,8 кДж. При быстром нагревании в замкнутом пространстве до 400 - 100?С или инициировании нитрат аммония разлагается со взрывом по уравнению NH4NO3 = N2 + 2H2O + 0,1O2 - 118 кДж. Разложение ускоряется в присутствии минеральных кислот и органических веществ. На этом основано использование нитрата аммония в качестве компонента аммонийно-селитровых взрывчатых веществ - аммонитов (смеси с органическими веществами), аммотолов (смеси со взрывчатыми веществами) и аммоналов (смеси, содержащие аллюминий). Нитрат аммония является безбалластным азотным удобрением и содержит 34,8% азота, из них 17,4% - в аммиачной (NH4+) и 17,4% - в нитратной (NO3-) форме. Поэтому стоимость транспортировки содержащегося в нем азота значительно ниже, чем при перевозке других балластных удобрений (например, сульфата аммония). 1.2.2 Физико-химические основы процесса синтеза Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония. Нейтрализация. Нейтрализация азотной кислоты аммиаком - это необратимый гетерогенный процесс хемосорбции, протекающий с выделением тепла по уравнению HNO3 + NH3 = NH4NO3 - H. Реакция идет в диффузионной области, и ее скорость лимитируется диффузией аммиака из газа к поверхности жидкости. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, складывается из теплового эффекта реакции и теплоты растворения образовавшегося нитрата аммония в воде: Q = Q1 - (Q2 + Q3), |
где | Q1 | - | тепловой эффект реакции нейтрализации 100% азотной кислоты с образованием твердого нитрата аммония; | | | Q2 | - | теплота разбавления азотной кислоты; | | | Q3 | - | теплота растворения нитрата аммония. | | |
Таким образом, тепловой эффект процесса зависит от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации. Подогрев компонентов (азотной кислоты и газообразного аммиака) улучшает перемешивание системы, ускоряет процесс нейтрализации и повышает концентрацию раствора нитрата аммония. Упаривание раствора нитрата аммония. В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется в виде сокового пара. Интенсивность испарения зависит от величины теплового эффекта и температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора определяется как концентрацией азотной кислоты, так и температурой. С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося сокового пара. Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации, выделяющуюся в самом процессе (рис. 1.1.). Qподв H2O(пар) NH4NO3 + H2O NH4NO3 H реакц Рисунок 1.1 - Использование тепла при упаривании раствора Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет: - снизить затрату внешнего тепла; - обеспечить за счет отвода тепла из системы оптимальный температурный режим процесса нейтрализации и избежать опасных перегревов; - исключить применение сложных охладительных устройств. При использовании азотной кислоты концентрацией 60 - 61 % и температуре процесса около 70?С оказывается возможным за счет использования теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония. В соответствии с принципом использования тепла все существующие варианты технологического процесса производства нитрата аммония делятся на две группы: 1 Без упаривания раствора. Концентрирование раствора осуществляется исключительно за счет теплоты нейтрализации азотной кислоты концентрацией 61%. При этом образуется 96% плав нитрата аммония: Q = H; Qподв = 0. 2 С упариванием раствора. Концентрирование раствора осуществляется как за счет частичного использования теплоты нейтрализации, так и за счет подводимого извне тепла: Q = H + Qподв. При этом в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться: - при 18% кислоте в 1-й ступени; - при 10% кислоте в 2-й ступени. 1.2.3 Технологические системы производства Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта (рис.1.2.). В настоящее время в связи с освоением производства 18 - 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1171 т/сутки с упариванием в одну ступень, а также на установках безупарочного типа (рис.1.3. и 1.4.) Рисунок 1.2 - Принципиальная схема производства нитрата аммония Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом сокового пара, нагретый до 120 - 160?С, и азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90?С поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 1. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку. Воздух из верхней части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат - основные аппараты в технологической схеме АС-72М. Рисунок 1.3 - Технологическая схема производства АС-72М: 1 - подогреватель аммиака; 2 - подогреватель кислоты; 3 - аппарат ИТН; 4 - донейтрализатор; 1 - выпарной аппарат; 6 - гидрозатвор-донейтрализатор; 7 - сборник плава; 8 - напорный бак; 9 - виброакустический гранулятор; 10 - грануляционная башня; 11 - транспортер; 12 - охладитель гранул «КС»; 13 - подогреватель воздуха; 14 - промывной скруббер Аппарат ИТН имеет общую высоту 10 м и состоит из двух частей: нижней реакционной и верхней сепарационной. В реакционной части находится перфорированный стакан в который подают азотную кислоту и аммиак. При этом за счет хорошей теплоотдачи реакционной массы стенкам стакана, реакция нейтрализации протекает при температуре, более низкой, чем температура кипения кислоты. Образующийся раствор нитрата аммония закипает, и из него испаряется вода. За счет подъемной силы пара парожидкостная эмульсия выбрасывается из верхней части стакана и проходит через кольцевой зазор между корпусом и стаканом, продолжая упариваться. Затем она поступает в верхнюю сепарационную часть, где раствор, проходя ряд тарелок, отмывается от аммиака раствором нитрата аммония и конденсатом сокового пара. Время пребывания реагентов в реакционной зоне не превышает одной секунды, благодаря чему не происходит термического разложения кислоты и нитрата аммония. За счет использования теплоты нейтрализации в аппарате испаряется большая часть воды и образуется 90% раствор нитрата аммония.
Страницы: 1, 2
|