Технология простого суперфосфата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Центр цифровых образовательных технологий

18.03.01 «Химическая технология»

Реферат

«Технология простого суперфосфата»

По дисциплине: «Общая химическая технология»

Исполнитель: студент группы2Д83 Иванюк В.А.

Руководитель: преподаватель Швалёв Ю.Б.

Томск - 2020

Содержание

• Введение
• 1. Физико-химические закономерности синтеза простого суперфосфата
• 2. Технологическая схема и ее описание
• 2.1 Получение простого суперфосфата непрерывным способом
• 2.2 Получение гранулированного суперфосфата
• 3. Экология в процессе производства
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Ограниченные земельные ресурсы, пригодные для выращивания сельскохозяйственных культур, истощенные земельные почвы, требующие слишком длительного времени для восстановления, привели к созданию предприятий по производству минеральных удобрений.

Удобрения делятся на большие 4 группых: органические, неорганические (минеральные), стимуляторы роста и бактериальные. В свою очередь, каждая группа включает в себя несколько видов. Например, в группу минеральных удобрений входят: фосфорные, азотные, калийные, комплексные [1].

Фосфорные удобрения - единственный источник для пополнения запасов фосфора в почве. Все фосфорные удобрения являются аморфными веществами желтого или беловато-серого цвета.

Простой суперфосфат - основное фосфорное удобрение, получаемое путем обработки серной кислотой тонко размолотого апатита или фосфорита. Почти вся фосфорная кислота, находящаяся в суперфосфате, растворяется в воде и хорошо усваивается растениями. В составе удобрения находится около 6 % азота, 10 % серы, 17 % кальция, 0,5 % магния [2].

Качество суперфосфата оценивается по содержанию усвояемой формы, которая присутствует в нем в виде водорастворимых соединений , , и цитратно-растворимых соединений , , фосфатов железа и алюминия [2]. Суперфосфат представляет собой порошок или зерна серого цвета. Его главными составными частями являются дигидрофосфат кальция и безводный сульфат кальция. Суперфосфат состоит из нескольких твердых фаз и пропитывающей их жидкой фазы.

Грануляция улучшает потребительские свойства удобрения, что особенно важно при использовании суперфосфата на кислых почвах, богатых полуторными окислами, которые связывают фосфор в слаборастворимые и труднодоступные растениям фосфаты железа и алюминия. В процессе грануляции свободная фосфорная кислота нейтрализуется и суперфосфат высушивается, поэтому количество свободной фосфорной кислоты в нем снижается до 1-2,5 %, а влаги - до 1-4 % [2].

Согласно IHS Markit (2017), в последние годы наметилась тенденция к изменению структуры потребления фосфорных удобрений в мире. Предпочтение получают продукты с более высокой концентрацией - аммофос, диаммофос и двойной суперфосфат. Простой суперфосфат, являясь наименее концентрированным фосфорным удобрением с худшими физическими свойствами, утратил лидирующие позиции в середине XX века, уступив место фосфатам аммония [3].

Рисунок 1 - Структура мирового потребления фторсодержащих удобрений [4]

Добыча фосфорного сырья, по мере истощения месторождений, перемещалась в новые страны и регионы мира. Так, ныне добывают около 150 млн тонн сырья примерно в 30 странах мира. Большая часть добычи сосредоточена в США, Марокко, Китае, России, Казахстане. Значительны также ресурсы и добыча в Тунисе, Иордании, Израиле, Бенине, ЮАР, Бразилии. Только на четыре фосфатодобывающие региона -- США, Китай, Марокко и страны СНГ -- приходится около 75 % мирового получения этого вида сырья [4].

В СНГ производство суперфосфатов налажено в России (ООО «Промышленная группа «Фосфорит»), Украине (ОАО «Сумихiмпром»), Беларуси (ОАО «Гомельский химический завод»), Казахстане (ТОО «Казфосфат») и Узбекистане (ОАО Qu'qonSuperfosfatZavodi и СП ЗАО Elektrkimyozavodi). «Фосфорит» и «Казфосфат» выпускают простой суперфосфат, а остальные предприятия - аммонизированный суперфосфат. Крупнейшим продуцентом является ОАО «Гомельский химический завод». Его мощности составляют 300 тыс. тонн в год [5].

Минсельхоз оценивает потребность в удобрениях на 2020 год на уровне 3,5 млн тонн, что связано с необходимостью интенсификации растениеводства для повышения экспортного потенциала отрасли. В этом году фактический спрос на минеральные удобрения превысил прогноз начала года на 10-15 %. То есть, мы можем сказать, что перспективы развития этой отрасли имеются. Но за последний месяц имеется тенденция в снижении цен на минеральные удобрения на 0,6-1,9 %. Цена за тонну простого суперфата составляет - 22 тыс. руб. [6].

1. Физико-химические закономерности синтеза простого суперфосфата

Простой суперфосфат - водорастворимое фосфорное удобрение, которое получают разложением природных фосфатов серной кислотой. Представляет собой порошок или гранулы серого цвета. Основной действующий компонент простого суперфосфата - моногидрат монокальцийфосфата Ca(H₂PO₄) ЧH₂O [7].

Процесс получения суперфосфата при взаимодействии серной кислоты с кальцийфторапатитом является многофазным гетерогенным процессом, идущим в основном в диффузионной области. Нерастворимая в воде нейтральная кальциевая соль ортофосфорной кислоты Ca₃(PO₄)₂, содержащаяся в природных фосфатах в виде фторапатита Ca₁₀(PO₄)₆F₂, при взаимодействии с серной кислотой превращается в растворимые кислые соли, преимущественно в дигидрофосфат кальция Ca(H₂PO₄)₂, при этом часть ионов Ca²⁺ связывается с образованием малорастворимого сульфата кальция. Присутствующие в природных фосфатах минеральные примеси также реагируют с серной кислотой.

Разложение фторапатита серной кислотой протекает в две стадии [2]: вначале до образования фосфорной кислоты по уравнению:

Ca₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ + 2.5H₂O › 5[CaSO₄Ч0.5H₂O] + 3H₃PO₄ + HF (1),

а затем, только после полного израсходования серной кислоты, образовавшаяся фосфорная кислота взаимодействует с фторапатитом по уравнению:

Ca₅F(PO4)₃ + 7H₃PO₄ + 5H₂O › 5[Ca(H₂PO₄)₂ЧH₂O] + HF (2)

Вторая стадия процесса - вызревание суперфосфата. Протекает медленно из-за малой скорости кристаллизации монокальцийфосфата и по мере накопления его в растворе реакция замедляется. Вызревание начинается в реакционной камере, а продолжается и заканчивается при хранении суперфосфата на складе. Время, необходимое для полного разложения исходного фосфата и завершения реакции (2) составляет от 6 до 25 суток в зависимости от сорта и условий [7].

Созревание суперфосфата в камерах - сложный гетерогенный процесс, который наряду с химическими реакциями включает в себя более медленные стадии диффузии фосфорной кислоты внутрь неразложившихся частиц фосфатного сырья и кристаллизации монокальцийфосфата. Температура в камере и концентрация исходной серной кислоты являются основными факторами, определяющими скорость созревания, производительность реакционной камеры, а также влияют на структуру и физические свойства суперфосфата. Готовый суперфосфат содержит небольшое количество фосфорной кислоты, которая увеличивает его гигроскопичность. Для нейтрализации свободной кислотности суперфосфат обрабатывают газообразным аммиаком или смешивают с нейтрализующими добавками. Это улучшает физические свойства суперфосфата - уменьшают влажность, слеживаемость, гигроскопичность, а при аммонизации вводится еще один питательный компонент - азот.

В следующем разделе будет рассмотрена технологическая схема производства простого суперфосфата.

2. Технологическая схема и ее описание

Существует много способов производства суперфосфата, различающихся конструкцией смесителей суперфосфатных камер [2]:

· периодические - смешение реагентов и созревание суперфосфатной массы осуществляется в периодически действующих аппаратах (в настоящее время в промышленности не используется);

· полунепрерывные - для смешения фосфата с серной кислотой применяют непрерывно действующие смесители, а суперфосфатные камеры работают с периодической загрузкой и выгрузкой материала;

· непрерывные - смешивание фосфата и созревание массы осуществляются в непрерывно действующих аппаратах.

2.1 Получение простого суперфосфата непрерывным способом

На рисунке 2 представлена схема получения простого суперфосфата непрерывным способом [7]:

Рисунок 2 - Схема получения простого суперфосфата непрерывным способом [7]: 1 - сборник серной кислоты; 2 - транспортеры; 3 - бункера; 4 - элеватор; 5 - шнеки; 6 - весовой ленточный дозатор; 7 - смеситель; 8 - контрольные весы; 9 - суперфосфатная камера; 10 - фрезер; 11 - разбрасыватель суперфосфата; 12 - напорные банки; 13 - кислотосмеситель; 14 - газоотделитель; 15 - концентратор; 16 - щелевой расходомер.

Современные способы производства суперфосфата основаны на непрерывном дозировании и смешении реагентов, а также на затвердевании продукта в камерах непрерывного действия. Серная кислота из сборника 1 центробежным насосом непрерывно перекачивается в напорный бак 12. В смесителе 13 концентрированная кислота разбавляется водой, а в бочке 14 отделяется газообразные окислы азота, которые попадают в газовую фазу при разбавлении башенной кислоты. Концентратометр 15 служит для автоматического управления разбавлением серной кислоты водой, а с помощью щелевого расходомера 16 автоматически поддерживается заданный расход серной кислоты в единицу времени.

Фосфатная мука из бункера 3 элеватором 4 и шнеками 5 подается в весовой ленточный дозатор 6. Избыток фосфата при помощи обратного шнека может быть возвращен в большой бункер 3. Правильность дозирования фосфата периодически проверяется на контрольных весах 8. Серная кислота и фосфатная мука в заданных соотношениях непрерывно поступают в вертикальный смеситель 7, из которого суперфосфатная пульпа тоже непрерывно вытекает в кольцевую суперфосфатную камеру 9. Здесь происходит затвердевание суперфосфата, и он непрерывно вырезается фрезером 10 и подается на ленточный транспортер 2. Горячий суперфосфат с ленты попадает на вращающийся разбрасыватель 11. При разбрасывании из суперфосфата выделаются пары воды, и происходит его частичное охлаждение. Дальнейшее охлаждение суперфосфата до 40-50 °С происходит при неоднократном переваливании его из одной кучи в другую экскаваторными и грейферными кранами [7].

2.2 Получение гранулированного суперфосфата

Для того, чтобы получить товарный продукт более высокого качества суперфосфат после дозревания подвергают нейтрализации твердыми добавками и гранулируют. На рисунке 3 представлена схема гранулирования суперфосфата.

Рисунок 3 - Технологическая схема гранулирования суперфосфата [7]: 1 - грейферный кран; 2, 8, 19 - бункера; 4, 7, 11, 17 ,18 - ленточные транспортеры; 5, 15 - барабанная сушилка; 14 - башня для абсорбции фтора; 16 - элеватор; 20 - полуавтоматические весы; 21 - машина для зашивания мешков; 22 - автопогрузчик.

Перед гранулированием свободную кислотность нейтрализуют твердыми добавками (поз. 1 - 7). Гранулирование происходит в процессе окатывания увлажненного суперфосфата, смешанного с мелким оборотным продуктом (ретуром), в барабанном грануляторе 12. Сушка гранулированного суперфосфата проводится в барабанных прямоточных сушилках 13 при температуре отходящих газов 100 - 120 °С. Высушенный продукт классифицируется на грохоте 15 на три фракции. Крупная фракция (размер частиц более 4 мм) поступает в валковую дробилку 23 и после измельчения возвращается элеватором 16 на грохот. Средняя фракция (размеры гранул 1 - 4 мм) представляет собой готовый продукт. Мелкая фракция в качестве ретура смешивается с исходным суперфосфатом (частицы менее 1 мм). Готовый продукт из апатитового концентрата содержит 19,9 - 20,9 % усвояемой P₂O₅, не более 2,5 % свободной P₂O₅ и 3 - 4 % влаги. Часть мелкой фракции суперфосфата иногда выпускают в качестве готового продукта [7].

3. Экология в процессе производства

Основными соединениями рассматриваемых производств, которые загрязняют атмосферу и водоемы являются соединения аммиака и фтора. Вещества выпадают в окружающую среду с газами, выделяемыми из сушильных и выпарных аппаратов и реакторов, со стоками, которые образуются при промывке оборудования и газов, с твердыми отходами, в первую очередь с фосгипсом и самими удобрениями.

В таблице 1 представлены основные вещества, образующиеся при производстве простого суперфосфата.

Таблица 1 - Вредные вещества при производстве суперфосфата [8, 9]

Фтороводород и фторид кремния являются наиболее токсичными. Используемая газоочистная аппаратура позволяет улавливать большую часть фтористых соединений, которые перерабатываются во фториды и кремне-фториды различных металлов для последующего применения в ядерной энергетике, органическом синтезе, цветной металлургии и стекольной промышленности [10]. суперфосфат гранулированный фторсодержащий

С помощью щелочной абсорбции, конденсации парогазовой смеси, сорбции на ионообменных фильтрах в сочетании с другими способами улавливаются остаточные количества фтора. Для ряда производств фосфорной кислоты и комплексных удобрений разработаны технологические схемы с циркуляцией газов в замкнутом контуре с попутным извлечением и использованием ценных компонентов и теплоты.

С целью ликвидации возможных загрязнений окружающей среды на современном этапе ведутся работы по утилизации фтора уже во время подготовки сырья, по созданию процессов обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты с очисткой ее от примесей перед переработкой на удобрение и кормовые фосфаты [10].

Заключение

Суперфосфат применяют на всех почвах в качестве основного предпосевного удобрения. На щелочных и нейтральных почвах он более эффективен, т.к. в кислой почве фосфорная кислота удобрения превращается в труднодоступные растениям фосфаты алюминия и железа. В этом случае действие суперфосфата можно повысить его смешиванием с фосфоритной мукой, известняком, мелом, перегноем перед внесением, при применении на известкованных полях.

В настоящее время объемы производства чистых фосфорных удобрений (суперфосфат, двойной суперфосфат и др.) в России и в мире незначительны. Низкое содержание фосфора снижает его транспортабельность и, следовательно, экономическую эффективность. С целью получения продукта более высокого качества с меньшими экономическими затратами рассмотрены некоторые перспективы совершенствования процесса получения фосфорных удобрений. Фосфор, как питательное вещество, включается, в основном, в комплексные минеральные удобрения, в производстве которых используются также азот и калий. На территории России основными видами производимых фосфорных удобрений являются аммофос, диаммофос и азофоска.

По данным IFA, представленным на рисунке 4, мировые мощности по производству моноаммонийосфата с 2014 по 2019 гг. выросли более, чем на 1 млн тонн, диаммонийфосфата почти на 3 млн тонн.

Рисунок 4 - Мировые мощности по производству фосфоросодержащих удобрений, млн тонн д.в. [6].

В 2020 г. ожидается рост мирового рынка минеральных удобрений. По прогнозам Mosaic, рост потребления удобрений по видам в 2020 г. составит: калийных -1,8 %, фосфатных -1,4 %, азотных -1,0 %. По данным IFA, представленным на рисунке 5, можно сделать вывод, что производство ДАФ будет расти.

Рисунок 5 - Прогноз изменения мировых мощностей по производству фосфоросодержащих удобрений, млн тонн д.в. [6].

Список использованных источников

1. Виды удобрений, их классификация, применение. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://eteplica.ru/udobrenie-i-podkorm/udobreniya-klassifikaciya-vidy-primenenie.html;

2. Технология простого суперфосфата. Учебное пособие - С.В. Водопьянова, Р.Е. Фомина, О.Ю. Хацринова, Казань КНИТУ 2012;

3. Суперфосфат - «колыбель» фосфорной промышленности. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://infoindustria.com.ua/super-li-fosfat/

4. Производство фосфатных (фосфорных) удобрений. [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://studme.org/287194/ekonomika/proizvodstvo_fosfatnyh_fosfornyh_udobreniy

5. Производство и рынок суперфосфатов в странах СНГ. [Электронный ресурс] //Режим доступа: https://chemmarket.info/ru/home/article/1677/

6. Волкова А.В. Рынок минеральных удобрений. [Электронный ресурс]: Высшая школа экономики. - Режим доступа: https://dcenter.hse.ru/data/2019/12/26/1524652323/Рынок%20минеральных%20удобрений-2019.pdf

7. Технология минеральных удобрений и кислот: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и допол. / А. А Соколовский, Е. В. Яшке - М.: Химия, 1979. - 384 с.

8. Позин М. Е. Технология минеральных удобрений: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1989. -352 с.

9. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. -М.: Изд-во стандартов, 1988.

10. Федяева О. А. Промышленная экология: конспект лекций. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 с.

Размещено на Allbest.ru