Большинство МУ представляет различные минеральные соли или твердые вещества с подобными солям свойствами. Технологические схемы производства минеральных удобрений весьма разнообразны, но в большинстве случаев складываются из одних и тех же типовых процессов, свойственных солевой технологии, цель которой – разделение сложных систем, состоящих из нескольких солевых компонентов.
Переработка минерального сырья в соли (и в минеральные удобрения) может идти или его высокотемпературной обработкой, или «мокрым» путем в жидких средах и суспензиях. В соответствии с этим, помимо обычных процессов подготовки сырья к переработке (измельчение, классификация ,обогащение, сушка), в солевой технологии особое значение имеют два типа процессов:
- термическая или термохимическая обработка, то есть различные виды обжига сырья или шихты;
- растворение и перекристаллизация веществ, связанные с их химической обработкой, разделением и очисткой растворов от примесей.
4.3.1 Обжиг
Обжигом называют процесс термической обработки материалов, заключающийся в нагреве их до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении. При обжиге, в зависимости от условий процесса, протекают реакции термического разложения, окисления или восстановления, образования и полиморфных превращений минералов. В соответствии с протекающими при обжиге химическими превращениями различают:
- кальцинационный обжиг (кальцинация), цель которого – удаление из вещества летучих компонентов, чаще всего оксида углерода (IV) и конституционной воды, например:
обжиг известняка:
CaCO3 = CaO + CO2,
или дегидратация гидроксида алюминия до его оксида:
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O;
- окислительный обжиг, цель которого - повышение степени окисления элемента, например:
2FeO + O2 = 2Fe3O4
или превращение сульфида в оксид:
CuS + 1,5O2 = CuO + SO2;
- восстановительный обжиг, цель которого - понижение степени окисления элемента, например:
получение элементарного фосфора:
Ca3(PO4)2 + 5C + 3SiO2 = P2 + 5CO + 3CaSiO3.
Частный случай обжига – спекание сырья с какими-либо реагентами с целью образования растворимых, извлекаемых из сырья продуктов, например, спекание фторапатита с содой:
Ca5(PO4)3F + 2Na2CO3 + SiO2 =
=3CaNaPO4 + Ca2SiO4 + NaF + 2CO2.
Обжиг и спекание представляют собой гетерогенные процессы, в которых реакции протекают в системах «Т + Т», «Ж + Ж» и «Т + Г», где газообразная и жидкая фазы образуются за счет диссоциации и плавления твердой фазы. Поэтому скорость процессов обжига и спекания зависит как от скорости химической реакции, так и скоростей возгонки, плавления и диффузии твердых, жидких и газообразных веществ через фазы, образованные реагирующими компонентами и продуктами их взаимодействия.
Скорость процессов обжига и спекания может быть увеличена за счет повышения температуры, измельчения компонентов обжигаемого материала, повышения их концентрации, перемешивания и создания условий, при которых один из компонентов будет находиться в жидком и газообразном состоянии.
4.3.2 Растворение и выщелачивание
Растворением твердого тела называется процесс разрушения его кристаллической структуры под воздействием растворителя с образованием гомогенной системы – раствора.
Растворение может быть физическим, когда возможна обратная кристаллизация растворенного вещества из раствора по схеме
А + Р Û АР Û Р + А,
и химическим, когда растворитель или содержащийся в нем реагент химически взаимодействует с растворяемым веществом и делает невозможным его обратную кристаллизацию, то есть по схеме
А + Р = ВР + Р,
| где: | А | – | растворяемое вещество; |
| Р | – | растворитель; | |
| В | – | новое вещество, образовавшееся в результате растворения. |
Очевидно, что процесс химического растворения, в отличии от процесса физического растворения, является необратимым.
Растворение представляет гетерогенный некаталитический процесс, протекающий в системе «Т + Ж» в диффузионной области.
Процесс растворения ускоряется при повышении температуры, измельчении твердой фазы, перемешивании и увеличении концентрации. В случае физического растворения движущей силой процесса является разность концентраций ΔС = (СН – С), поэтому скорость его определяется уравнением
UФ = КР · F(СН – С), (4.2)
| где | Kp | – | коэффициент скорости растворения; |
| F | – | площадь поверхности кристаллов растворяемого вещества; | |
| С | – | концентрация растворяемого вещества в жидкой фазе; | |
| СН | – | концентрация насыщенного раствора при данной температуре. |
Очевидно, что по мере растворения разность концентраций (СН – С) убывает и процесс растворения замедляется.
Различные случаи химического растворения подчиняются различным кинетическим закономерностям. В наиболее простом случае, когда реакция протекает только на поверхности твердого тела, скорость химического растворения может быть выражена уравнением
UФ = КР · F · СР ,(4.3)
| где | K | – | коэффициент, зависящий от температуры, гидродинамических и других условий растворения; |
| Ср | – | концентрация активного реагента в растворителе. |
Частный случай растворения – выщелачивание. Это процесс извлечения (экстракции) жидким растворителем твердого компонента из системы, состоящей из двух и большего числа твердых фаз. Как и растворение, выщелачивание может быть физическим и химическим. Скорость выщелачивания зависит от структуры материала и тем выше, чем больше доля растворимой фазы в нем, больше поверхность и крупнее поры в выщелачиваемом материале.
4.3.3 Кристаллизация из растворов и другие процессы
Кристаллизацией называют процесс выделения твердой фазы (кристаллов) из растворов, происходящий при перенасыщении их по отношению к образующейся твердой фазе. В зависимости от приема, с помощью которого достигается перенасыщение раствора, различают два вида кристаллизации: политермическую и изотермическую.
При политермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется за счет охлаждения системы. Этот процесс протекает при переменной температуре (Т ≠ const.). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость (L) которых существенно возрастает при повышении температуры.
При изотермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется в результате выпаривания части растворителя. Этот процесс протекает при постоянной температуре (Т = const.). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость которых мало зависит от температуры.
Частным случаем кристаллизации является высаливание, т.е. процесс выделения твердой фазы путем введения в концентрированный раствор веществ, понижающих растворимость растворенного вещества.
Из других типовых процессов, используемых в солевой технологии, наибольшее значение имеют операции разделения солей, находящихся в твердых смесях или растворах. Помимо описанных выше процессов кристаллизации и выщелачивания, к ним относятся: ионный обмен, экстракция веществ неводными растворителями, флотация, гидросепарация и некоторые другие. Эти процессы рассматриваются ниже при изучении конкретных производств.