Производство комплексных минеральных удобрений

6.2.1 Общая характеристика

Из комплексных минеральных удобрений наиболее распространены сложные. К ним относятся одинарные соли, содержащие несколько питательных элементов, например KNO₃ или (NH₄)₂HPO₄, или композиции из солей, включающие два (N + K, N + P, P + K) или три (N + P + K) питательных элемента.

В сельском хозяйстве используется свыше 10 марок уравновешенных комплексных удобрений, среди которых наибольшее значение имеют удобрения формул (N : Р₂O₅: К) в соотношениях 1:1:1, 1:1:0,5, 1:1, 5:1, 1:4:0, 0:1:1. Все комплексные минеральные удобрения являются высококонцентрированными, и применение их более эффективно, чем применение простых удобрений. Этим обусловлено интенсивное расширение производства и потребления сложных комплексных удобрений.

Ведущее место среди комплексных минеральных удобрений занимает аммофос, являющийся универсальным удобрением, которое используют как для внесения в почву, так и для изготовления минеральных удобрений смешанного типа.

Все сложные минеральные удобрения по методу их производства могут быть разделены на три группы:

- удобрения, получаемые переработкой фосфорной кислоты (аммофос, диаммофос);

- удобрения, получаемые переработкой смеси фосфорной и азотной кислот (нитроаммофос, нитроаммофоска);

- удобрения, получаемые разложением природных фосфатов азотной кислоты (нитрофос, нитроаммофоска).

Таким образом, некоторые удобрения, например нитроаммофоска, могут быть получены различными методами. Ниже рассматривается производство наиболее распространенных удобрений – аммофоса и нитроаммофоски.

6.2.2 Производство аммофоса

Физико-химические основы процесса. Аммофос представляет двойное (N + P) сложное комплексное удобрение, содержащее в качестве основного вещества моноаммонийфосфат NH₄H₂PO₄и примесь (до 10%) диаммонийфосфата (NH₂)₂HPO₄, образующегося в процессе получения. Моно- и диаммонийфосфаты представляют собой твердые кристаллические вещества, малогигроскопичные, растворимые в воде. Из фосфатов аммония моноаммонийфосфат термически наиболее устойчив и при нагревании до 100 - 110ºС практически не разлагается. Диаммонийфосфат и особенно триаммонийфосфат при нагревании диссоциируют с выделением аммиака, например:

(NH₄)₂HPO₄ = NH₄H₂PO₄+ NH₃

В табл. 6.4 приведены свойства фосфатов аммония.

Таблица 6.4 - Свойства фосфатов аммония

Фосфат	Растворимость при 20ºС мас. долей	Давление паров аммиака при 100ºС, Па	Состав, %
NH₃	P₂O₅
NH₄H₂PO₄	0,403		14,8	61,6
(NH₄)₂HPO₄	0,710		25,7	53,7
(NH₄)₃HPO₄	0,177		32,3	47,7

В основе производства аммофоса лежит гетерогенный экзотермический процесс нейтрализации фосфорной кислоты газообразным аммиаком:

H₃PO_4ж + NH_3u = NH₄H₂PO₄– 147,0 кДж. (1)

Процесс ведут при избытке аммиака, потому в системе, наряду с реакцией образования моноаммонийфосфата, частично протекает реакция образования диаммонийфосфата:

H₃PO₄ + 2NH = (NH₄)₂HPO₄ – 75,4 кДж, (2)

в результате чего в составе готового продукта содержится до 10% диаммонийфосфата.

Режим процесса нейтрализации выбирают так, чтобы обеспечить получение достаточно подвижной и способной к перекачиванию по трубопроводам аммофосной пульпы. Вязкость пульпы зависит от концентрации используемой фосфорной кислоты и конструкций аппаратуры.

На основе разбавленной экстракционной кислоты:

- с сушкой пульпы в распылительной сушилке;

- с упариванием пульпы в вакуум-выпарных аппаратах и сушкой в аппарате БГС;

- с сушкой пульпы и грануляцией ее в распылительной сушилке-грануляторе кипящего слоя РКСГ.

На основе концентрированной фосфорной кислоты:

- с грануляцией и сушкой продукта в аммонизаторе-грануляторе АГ;

- с самоиспарением пульпы под давлением и сушкой в барабанном грануляторе-сушилке-холодильнике БГСХ.

Рисунок 6.9 - Технологическая схема производства аммофоса

1 – аппарат САИ;, 2 – сборник пульпы; 3 – аппарат РКСГ; 4,5 – топки; 6 – холодильник кипящего слоя; 7 – установка для охлаждения воздуха; 8 – грохот; 9 – дробилка; 10 – циклон; 11 - абсорбер

Технологическая схема производства аммофоса с использованием аппарата РКСГ (рис. 6.9) позволяет соединить в одном аппарате операции упаривания пульпы, грануляции и сушки продукта, что обеспечивает высокую интенсивность всех стадий процесса при малых затратах тепла и электроэнергии.

Экстракционная фосфорная кислота концентрацией 25 -28% и газообразный аммиак поступают в аппарат САИ (скоростной аммонизатор-испаритель) 1 при мольном отношении NH₃ : H₃PO₄ = 1:1. За счет теплоты нейтрализации температура пульпы поднимается до 110ºС и часть воды испаряется. Затем атмосферная пульпа через промежуточный сборник 2, обогреваемый паром, подается в верхнюю часть аппарата РКСГ 3, где распыляется топочными газами, нагретыми до 700ºС, поступающими из топки 4. Пульпа упаривается, и ее частицы опускаются в нижнюю часть аппарата, в которой топочными газами, поступающими из топки 5, создается кипящий слой. Здесь порошкообразный продукт гранулируется и высушивается. Высушенные гранулы поступают в холодильник кипящего слоя 6, в который подается воздух из холодильной установки 7, охлаждаемой жидким аммиаком. Охлажденные гранулы аммофоса сортируются на грохоте 8. Товарная продукция нужной дисперсности поступает на склад, а крупная фракция измельчается на дробилке 9 и возвращается в холодильник 6. Газы из аппарата РКСГ проходят через циклон 10, где отделяется пыль аммофоса, возвращаемая в аппарат, и поступают на абсорбцию аммиака и фтористого водорода в абсорбер 11, орошаемый водой.

Основные аппараты в этой технологической схеме – аммонизатор-испаритель САИ и аппарат РКСГ.

Схема действия аппарата САИ представлена на рис. 6.10.

Высокая скорость подачи аммиака обеспечивает хороший контакт его с кислотой и высокую скорость реакции нейтрализации (1 – 2 минуты). Аппарат РКСГ выполнен в виде двух полых цилиндров, соединенных конической рубашкой и имеет высоту 10 м и диаметр 12 м. В верхней части аппарата расположен распылитель

Рисунок 6.10 - Схема аппарата САИ: 1 – сопло для подачи аммиака; 2 – реакционная зона аппарата; 3 – теплообменник

пульпы, внутренняя труба которого охлаждается водой. В нижней части аппарата находится газораспределительная решетка, проходя через которую топочные газы создают режим кипящего слоя. Отработанные газы собираются в кольцевом пространстве рубашки, что сводит к минимуму унос мелких частиц продукта.

6.2.3 Производство нитроаммофоски

Физико-химические основы процесса. Нитроаммофоска представляет тройное (N + P + K) сложное комплексное удобрение и содержит в своей основе моноаммонийфосфат, нитрат аммония, нитрат калия и хлорид аммония. Присутствие двух последних солей снижает гигроскопичность продукта и улучшает его физические свойства. В зависимости от соотношения питательных веществ нитроаммофоску выпускают двух марок: марки А формулы 1:1:1 и марки Б формулы 1:1, 5:1,5.

Нитроаммофоска может быть получена двумя методами: азотнокислотным разложением фосфатов и нейтрализацией смеси фосфорной и азотной кислот аммиаком. В обоих случаях для введения в состав продукта калийного компонента в реакционную смесь в процессе производства добавляют хлорид калия. Наиболее распространенный метод производства нитроаммофоски – нейтрализация.

В основе процесса получения нитроаммофоски по этому методу лежат реакции:

1 Нейтрализации фосфорной и азотной кислот аммиаком с образованием соответственно моноаммонийфосфата и нитрата аммония

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄,

HNO₃ + NH₃ = NH₄NO₃.

2 Обменная реакция вводимого в систему и растворяющегося в плаве хлорида калия с нитратом аммония:

NH₄NO₃ + KCl = KNO₃ + NH₄Cl.

Технологическая схема производства. Наиболее распространенной технологической схемой производства нитроаммофоски является схема с аппаратом АГ (аммонизатор-гранулятор), представленная на рис. 6.11.

Фосфорная кислота концентрацией 47 – 52% P₂O₅, поступает в нейтрализатор 1, где нейтрализуется аммиаком при 110 – 120ºС. Азотная кислота нейтрализуется аммиаком в аппарате ИТН 2 при 110 - 135ºС, и образовавшийся раствор нитрата аммония поступает в выпарной аппарат 3, где упаривается до концентрации 0,95 мас.дол. и направляется в сборник 4. Аммонийная пульпа из нейтрализатора 1, плав нитрата аммония из сборника 4, вводимый хлорид кальция, газообразный аммиак и ретур после грохота 9 подаются в аммонизатор-гранулятор 5. Количество ретура составляет до 10 т на 1 т готового продукта. В аппарате АГ завершается процесс нейтрализации и происходит гранулирование и подсушка гранул за счет теплоты химической реакции. Из аппарата АГ гранулы нитроаммофоски поступают в барабанную сушилку 6, обогреваемую топочными газами из топки 7, и затем на грохоты 8 и 9, на которых разделяются на три фракции. Крупная фракция после измельчения в дробилке 10 смешивается с мелкой фракцией, прошедшей грохот 9, и в виде ретура возвращается в аппарат АГ. Товарная фракция нитроаммофоски, прошедшая грохот 8 с размерами гранул 1 – 4 мм, направляется в холодильник кипящего слоя 11 и затем на склад. Выходящие из аппарата АГ газы поступают на абсорбцию в скруббер, орошаемый водой.

Рисунок 6.11 - Технологическая схема производства аммофоски:

1 – нейтрализатор фосфорной кислоты; 2 – аппарат ИТН, 3 – выпарной аппарат; 4 – сборник плава; 5 – аппарат АГ; 6 – барабанная сушилка; 7 – топка; 8, 9 – грохоты; 10 – дробилка; 11 – холодильник кипящего слоя.

Основной аппарат технологической схемы – аммонизатор-гранулятор - представляет полый вращающийся барабан диаметром 4 м и длиной 6 – 8 м, снабженный устройством для загрузки ретура и хлорида калия и трубопроводами для подачи аммофосной пульпы, плава нитрата аммония и газообразного аммиака.

В табл. 6.5 представлены расходные коэффициенты по сырью и энергии на 1 т питательных веществ (P₂O₅ + N) в продукте в производстве аммофоса и нитроаммофоски.

Таблица 6.5 - Расходные коэффициенты

Статья	Удобрение
Аммофос	Нитроаммофоска
Фосфорная кислота, т P₂O₅	0,852	0,341
Аммиак, т N	0,233	0,205
Азотная кислота, т N	–	0,135
Хлорид калия, т К₂О	–	0,336
Электроэнергия, кВт · ч
Пар, т	0,26	0,59
Топливо (условное), м³
Вода, м³	16,5