Производство суперфосфата

Министерство  образования Российской Федерации

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический университет – УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра технологии неорганических веществ 
 
 
 

Курсовая  работа

по общей  химической технологии

на тему:

Производство  суперфосфата

 
 
 
 
 
 

Руководитель                                                                          к.т.н. Низов В.А.

Студентка  гр. Х-36082                                                                    Шипунова Е.В. 
 
 
 
 

Екатеринбург

2009

 

 

 

    Введение 

   Простой суперфосфат является наиболее дешевым  и распространенным фосфорным удобрением. Он (особенно нейтрализованный) может  быть эффективно использован под  любые растения и на любых почвах. Однако он имеет существенный недостаток — низкое содержание основного компонента (19—21% усвояемого Р₂О₅) и высокую долю балласта — сульфата кальция. Его производят, как правило, в районах потребления удобрений, так как экономичнее доставлять концентрированное фосфатное сырье к суперфосфатным заводам, чем перевозить на дальние расстояния низко концентрированный простой суперфосфат.

   Значительными достоинствами обладает суперфосфат  в гранулированном виде; преимуществом гранул является тот факт, что они не слеживаются при хранении, а также возможность локального внесения гранул в почву и более длительные сроки их хранения. Большая часть суперфосфата применяется в виде смешанных удобрений. Для приготовления смесей используется аммонизированный суперфосфат.

   Также суперфосфат в небольших количествах употребляется в дрожжевой и сахарной промышленности, в качестве огнезащитного покрытия древесины и др.

   Суперфосфат впервые стали вырабатывать в Великобритании в 1842 (до этого в 1-й половине 19 в. в качестве фосфорных удобрений использовали в основном костную муку), в России - с 1868. Разработка фосфоритов для производства удобрений была начата в 1855 во Франции. В России первая попытка их непосредственного использования в земледелии принадлежит А. Н. Энгельгардту, проводившему с 1866 опыты с фосфоритной мукой (измельченным фосфоритом) в своём имении Батищево Смоленской губернии. [1]

   В настоящее время на предприятиях России выпускается простой и двойной суперфосфат, аммофос, диаммофос, полифосфаты аммония (жидкие комплексные удобрения), фосфатная мука и кормовые фосфаты, нитрофоска, нитроаммофоска и нитроаммофос.

   Основные  запасы фосфатного сырья (апатито-нефелиновые руды) в России сосредоточены на Кольском полуострове. Запасы этого  месторождения оцениваются  в 551 млн. т со средним содержанием P₂O₅ 17%. После флотации получают  апатитовый концентрат с содержанием P₂O₅ 39,5%, который является пригодным   для экстракционного метода его переработки в фосфорную кислоту. Апатитовый концентрат вырабатывается на производственном объединении «Апатит» и Ковдорском горно-обогатительном комбинате. Максимальный уровень добычи составил 21 млн. т апатитового концентрата. Однако в настоящее время он существенно снизился.

   Объемы  производства простого суперфосфата в  России составляют приблизительно 370 тыс. т в год в пересчете на Р₂О₅.

   Цель  данной работы – познакомиться с  существующими методами получения  простого суперфосфата, рассмотреть  более подробно наиболее выгодный из перечисленных методов, составить  материальный и тепловой баланс одной  из стадий производства и рассчитать теоретические и практические расходные  коэффициенты. 
 
 

   1.Характеристика химического продукта.

   Суперфосфат – наиболее распространенное фосфорное  удобрение. Его называют также простым  суперфосфатом (в отличие от более  концентрированного двойного суперфосфата). По внешнему виду простой суперфосфат представляет собой порошкообразный или зернистый продукт светло- или темно-серого цвета. Его главными составными частями являются монокальцийфосфат Са(Н₂РО₄)₂*Н₂О и безводный сульфат кальция СаSО₄. Он состоит из нескольких твердых фаз и пропитывающих их жидкой фазы. В твердых фазах находятся фосфаты кальция, магния, железа, алюминия, СаSО₄ с примесью СаSО₄*0.5Н₂О, остатки неразложенных минералов, входящих в состав исходного фосфата, кремнегель и другие. Содержание твердых фаз составляет 65-72%, в том числе 50-55% СаSО₄.

   Жидкая  фаза состоит из водного раствора фосфорной кислоты, насыщенного  монокальцийфосфатом и содержащего  ионы Мg⁺², Fе⁺³, Аl⁺³, F^– и др. Качество суперфосфата оценивают по содержанию в нем усвояемой Р₂О₅, т.е. суммы водорастворимой Р₂О₅ (содержащейся в виде свободной фосфорной кислоты,монокальций и мономагнийфосфатов) и цитратнорастворимой Р₂О₅ (в форме дикальций и димагнийфосфатов, фосфатов железа и алюминия). [2]

   Простой суперфосфат содержит от 14 до 21% усвояемой  Р₂О₅. Его выпускают в виде следующих продуктов:

   1) порошкообразный не нейтрализованный (содержит до 5,5% свободной Р₂0₅);

   2) порошкообразный нейтрализованный (свободная кислотность частично нейтрализована карбонатами или фосфатами кальция);

   3) гранулированный с размером зерен от 1 до 4 мм (гранулированный продукт обычно нейтрализован);

   4) аммонизированный (свободная кислотность нейтрализована аммиаком).

   Нейтрализованный  и высушенный суперфосфат (порошкообразный и гранулированный) рекомендуется хранить в герметической таре. Уменьшение влажности суперфосфата и содержания в нем свободной Р₂О₅ повышает прочность гранул.

   Слеживаемость суперфосфата вызывается процессом кристаллизации Са(Н₂Р0₄)₂·Н₂0 из жидкой фазы. Охлажденный и вызревший на складе суперфосфат, у которого процесс кристаллизации монокальцийфосфата закончился, а также гранулированный и нейтрализованный суперфосфат почти не слеживается.

   Рассеваемость или сыпучесть суперфосфата определяет способность его высеваться сеялками. Нейтрализация свободной кислотности  и сушка суперфосфата резко улучшают его рассеваемость.

   Объемный  или насыпной вес свободно насыпанного негранулированного суперфосфата из апатитового концентрата составляет 1,0—1,1 т/м³, при хранении в кучах высотой до 10м объемный вес увеличивается до 1,25 т/м³. Насыпной вес гранулированного суперфосфата в неуплотненном слое равен 0,85—0,87, а в уплотненном (глубина 7,3 м) 0,95—0,98 т/ м³.

   Удельная  теплоемкость для высушенного до постоянного веса при 105—110° порошкообразного не нейтрализованного суперфосфата равна 0,224, и для продукта с влажностью 15,1% — 0,345 кал/(г·град). Теплоемкость гранулированного суперфосфата из апатитового концентрата составляет 0,231—0,246 кал/(г·град) в зависимости от влажности. [3]

   2.Методы получения

   Производство  простого суперфосфата заключается  в:

   1) смешении фосфата — апатитового концентрата или фосфоритной муки с серной кислотой,

   2) отверждении (схватывании) реакционной массы, называемом также созреванием суперфосфата

   3) доразложении непрореагировавшего фосфата при вылеживании и дообработке суперфосфата на складе (дозревание).

   Способы производства суперфосфата можно разделить  на периодические, полунепрерывные  и непрерывные.

1. В ранее широко применявшихся периодических способах смешение фосфатной муки с серной кислотой и дальнейшее разложение фосфата (созревание в камерах) производили в периодически действующих аппаратах. Для разложения фосфата и созревания суперфосфата использовали камеры-вагоны Бескова и др.
2. В полунепрерывных способах применяют непрерывное смешение фосфата с серной кислотой при периодическом созревании суперфосфата в вагонах Бескова или в камерах типа Свенска. Полунепрерывный метод отличается от периодического лишь способом смешения реагентов. Фосфат и серная кислота дозируются с помощью питателей непрерывного действия. Так же непрерывно производится смешение фосфата с серной кислотой. Пульпа непрерывно поступает в камеру, после заполнения которой питание прекращается. В дальнейшем процесс протекает так же, как и в периодическом способе.
3. В непрерывных способах основные стадии производства осуществляются в аппаратах непрерывного действия. Эти способы наиболее совершенны, поэтому они вытесняют периодические и полунепрерывные установки. Производство суперфосфата непрерывным методом отличается не только непрерывной дозировкой и смешением реагентов, но также и вызреванием суперфосфата в непрерывно действующей камере. В Европе нашли применение непрерывные способы Максвелл и Норденгрена.

   По  способу Норденгрена, смешение реагентов производят в две ступени: сначала фосфат разлагают избытком серной кислоты, во второй ступени дополнительно вводят фосфат, разлагаемый фосфорной кислотой, образовавшейся в смесителе первой ступени. Созревание идет в прямоугольной камере, задняя и боковые стенки которой неподвижны, а полом камеры служит транспортер из стальных плит.

   В США распространены непрерывные  способы Бродфилда и Саккетта. По первому из них смешение осуществляют в корытообразном горизонтальном смесителе. Суперфосфат созревает на движущемся вместе с боковыми стенками стальном транспортере. По способу Саккетта разложение происходит в цилиндрической гуммированной башне во взвешенном состоянии. Серная кислота образует распыленную конусообразную струю, которая попадает в циклонно-турбулентное облако фосфатной муки. При этом достигается быстрое и хорошее смешение обоих реагентов. Полученную смесь дополнительно перемешивают в горизонтальном смесителе и направляют в камеру-транспортер.

   Кроме улучшения физико-химических условий  разложения фосфата, непрерывный метод  является более экономичным: он требует  меньшей затраты рабочей силы и меньших капиталовложений, облегчает  возможность автоматизации приготовления  серной кислоты нужной концентрации и дозировки реагентов. Значительно  улучшаются условия труда. Достигается  хорошее перемешивание компонентов. Учитывая перечисленные преимущества, мы будем в дальнейшем рассматривать производство суперфосфата непрерывным способом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3.Основной  метод получения 

   3.1. Характеристика основного и вспомогательного сырья

   В качестве основного сырья для  производства суперфосфата используют апатитовый концентрат или фосфоритную  муку.

   В России апатитовый концентрат производят два предприятия – принадлежащее холдингу «ФОСАГРО» ОАО «АПАТИТ», и компании «ЕВРОХИМ» - ОАО «Ковдорский ГОК». Оба комбината расположены в Мурманской области. При этом ОАО «Апатит», существенно превосходя в объеме выпуска, является по сути монополистом.

   Апатит  – безводный фосфат кальция, составляет 95% от всех известных минералов фосфора. Господствующей разновидностью апатита  в большинстве горных пород являются фторапатит и фторгидроксилапатит.

   Минеральные образования комплексные: кроме  апатита (30-70%) и нефелина (30-50%) включают сфен (1-2%), титаномагнетит, эгирин. Руды хорошо обогащаются флотацией: из руд, содержащих 15-18% Р₂О₅, получают апатитовый концентрат с 39,4% Р₂О₅. Основная часть апатита применяется в промышленности фосфорных удобрений и фосфорных солей, небольшая часть – в черной и цветной металлургии, в производстве керамики и стекла.

   Химический  состав стандартного апатитового концентрата:

   Наименование Химическая формула Содержание, %

   Оксид фосфора P₂O₅ не менее 39.00 %

   Вода H₂O 0.50 - 1.50

   Оксид железа FeO 0.03 - 0.10

   Оксид железа Fe₂O₃ 0.30 - 0.60

   Оксид алюминия Al₂O₃ 0.50 - 0.90