Решение экологической проблемы производства фосфорных удобрений (суперфосфат)

     2.2.2. Описание технологической  схемы.

     На  рис. 1. представлена технологическая  блок-схема производства двойного суперфосфата поточным методом с аппаратом  БГС производительностью 180 тыс. тонн в год. Измельченный фосфорит из бункера и фосфорную кислоту из сборника подают в реактор I ступени. Из него реакционная пульпа перетекает в реактор II ступени. В оба реактора подают острый пар, обеспечивающий температуру реакционной массы 90-100ᴼС. Из реактора II ступени пульпа поступает в аппарат БГС, где происходит завершающая стадия разложения фосфорита, сушка и грануляция пульпы. В аппарат БГС подается также ретур - тонко измельченный двойной суперфосфат после отделения товарного продукта. Отношение масс ретура и готового суперфосфата равно 3:1. Пульпа, поступающая в аппарат БГС, разбрызгивается форсунками и наслаивается на частицы ретура, образуя гранулы, которые высушиваются при 700ᴼС топочными газами, поступающими в аппарат из топки. Сухой продукт направляется на грохоты, где его разделяют на три фракции. Крупную фракцию после измельчения в дробилке, смешивают с мелкой фракцией, прошедшей через второй грохот, и пылью из циклонов и в виде ретура возвращается в аппарат БГС. Товарную фракцию суперфосфата, прошедшую через второй грохот, с размером гранул 1-4 мм, направляют в барабан-аммонизатор, где остаточная фосфорная кислота нейтрализуется аммиаком. Из аммонизатора она попадает в холодильник кипящего слоя и затем на склад. Выделяющиеся из аппарата БГС фторсодержащие газы очищаются от пыли в циклоне и направляются на абсорбцию.

     Основным  аппаратом в поточной схеме является барабанная гранулятор-сушилка (аппарат  БГС), представляющая барабан диаметром 4,5 м и длиной до 35 м,  установленный  под углом 3ᴼ  и вращающийся  с частотой 4 об/м. Барабан содержит внутри лопастную насадку переменной конфигурации, с помощью которой при вращении барабана создается завеса частиц суперфосфата, ссыпающегося с полок. Теплоноситель (топочные газы) и поток суспензии суперфосфата подаются по оси аппарата, что уменьшает нагрев его стенок и позволяет применять топочные газы, нагретые до 950ᴼС. Производительность аппарата БГС составляет 40 т/час.

     Упаковывают гранулированный двойной суперфосфат  в водонепроницаемые мешки, транспортируют в крытых вагонах или автомобилях, хранят в закрытых сухих помещениях.

     В себестоимости  производства суперфосфата наибольшую долю (93-96%) составляет стоимость сырья, как и в производстве всех минеральных  удобрений. Себестоимость гранулированного двойного суперфосфата выше, чем порошкообразного. Однако гранулирование способствует значительному улучшению качества и агрохимических свойств удобрения. Себестоимость продукта в поточном и камерном методах практически одинакова. При этом себестоимость P₂O₅ в них на 20% выше, чем в производстве простого суперфосфата. Однако, это компенсируется экономией при транспортировке, хранении и внесении в почву более концентрированного удобрения, каким является двойной суперфосфат.

     Рис. 1. Блок-схема технологического процесса производства двойного суперфосфата:

     1 - смешение  измельченного фосфорита и фосфорной  кислоты; 

     2 - разложение  фосфорита I ступени; 

     3 - разложение  фосфорита II ступени; 

     4 - гранулирование  пульпы;

     5 - очищение  фосфорсодержащих газов от пыли;

     6 - сушка  гранул пульпы;

     7 - получение  топочных газов (в топке);

     8 - грохочение  сухого продукта;

     9 - измельчение  крупной фракции; 

     10 - отделение мелкой и средней  (товарной) фракции на втором грохоте; 

     11 - смешение измельченной крупной  фракции и мелкой;

     12 - аммонизация (нейтрализация) остаточной фосфорной кислоты;

     13 - очищение газов, содержащих аммиак  и пыль;

     14 - охлаждение нейтрализованной товарной  фракции двойного суперфосфата;

     - предмет  труда и побочные продукты  на всех стадиях переработки; 

     - стадии  переработки продукции (операции);

     - технологические  (предметные) связи.

2.2.3. Расчет материального  и энергетического  баланса

Расчет насадочного  абсорбера

• Плотность газовой смеси  на входе в аппарат.

 Мольная концентрация  в газовой смеси  на входе в аппарат:

 Мольная концентрация аммиака в газовой  смеси на выходе из аппарата:

y_к = ун(1-е)

 При нормальных условиях:

r_0Н = [М_Аy_н + (1–y_н)М_В] / 22,4;  кг/м³,

при рабочих  условиях:

r_Н = r_ОНТ₀Р/(ТР₀);  кг/м³.

• Массовые  расходы

• Массовый  расход исходной смеси на входе в аппарат:

G_Н = Vr_Н/3600; кг/с.

      Расход  распределяемого компонента G_ркн и инертного вещества G_ин:

G_ркн = G_Н

; кг/с,

G_ин = G_Н(1 –

); кг/с.

 Расход  газовой фазы на выходе:

G_К = G_ин / (1 –

); кг/с.

 Количество  поглощенного вещества:        

М; кг/с.

      Масса распределяемого компонента в газовой  фазе на выходе:

G_ркк = G_К – G_ин ;кг/с.

• Относительная концентрация на входе  и выходе:
 = G_ркн / G_ин ;кг/кг,
 = G_ркк / G_ин ;кг/кг.

• Расход  инертной фазы.

С помощью  уравнения Генри строим диаграмму  и наносим на   нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


                                                                                                                

Рис.1 Зависимость  между концентрацией в газовоздушной  смеси  и воде .

 


   Через точку А ( ; ) и точку В₁ ( ; ) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды m_min:

    m_min = tga_min =

;кг/кг.

 Действительный  расход воды m = 1,3m_min ; кг/кг,

 тогда уравнение рабочей линии будет:

,

 отсюда  конечная концентрация аммиака в  воде .

   Через точки А и В ( ; ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции.

 Расход воды на входе:

L_ин = mG_ин; кг/с.

 Расход воды на выходе:

L_K = L_ин + М; кг/с.

 Средний расход воды:

L_ср = 0,5(L_ин + L_K); кг/с

    Средний расход газовой фазы:

G_ср = 0,5(G_H + G_K) .

 
 
 
 


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА

Средняя плотность  газовой фазы.

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(ун +ук).

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = М_Ау+(1 – у)М_В;кг/моль.

Плотность газовой фазы при рабочих условиях,

r_г = МТ₀Р/(22,4ТР₀);кг/м³.

• Предельная  скорость газовой  смеси

      Принимаем в качестве насадки кольца Рашига.

Предельную  скорость газовой фазы w_пр, соответствующую точке инверсии фаз, т. е. переходу от пленочного гидродинамического режима к эмульгированию найдем из уравнения

,

где m_ж и m_в – вязкость абсорбента при 15 °С и воды при 20° С; в нашем    случае   (m_ж / m_в)^0.16 = (1,14/1,0)^0,16 = 1,02

      r_ж = 1000 кг/м³ – плотность воды;

     А и В – коэффициенты зависящие от типа насадки: для колец Рашига          

     А ;   В.

     d_э; м – эквивалентный диаметр насадки    

     e; м³/м³ – свободный объем насадки

• Рабочая скорость газовой  фазы:

w_г = w_прn;м/c,

• Диаметр колонны:
;м.

Принимаем стандартный диаметр м, тогда  действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

w_г = G_cр / (0,785d_к²r_г); м/с.

 Условие w_г/w_пр ; 0,89 < 1 выполняется.

 
 


РАСЧЕТ  ВЫСОТЫ СЛОЯ НАСАДКИ

Число единиц переноса

Число единиц переноса находим как площадь под кривой         .

По данным рис. 1 составляем таблицу 1 и строим график 2

 


Рис.2 Определение числа единиц переноса графическим методом.

 


Искомую площадь находим методом трапеций:

= S;

•   Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе:
,

где  b = 0,123 – для колец Рашига,

           а = 200 м²/м³ – удельная поверхность насадки,

       y – коэффициент смачивания насадки, зависящий от отношения  рабочей плотности орошения  U к оптимальной U_опт.

U_опт = В×а; м³/(м²×ч)

где  В = 0,158 – для процесса абсорбции 

U = L_ср3600/(0,785d_к²r_ж);м³/(м²×ч).

U/U_опт ; ® y ;

Критерий  Рейнольдса:

Re_г = 4w_гr_г/(m_га) ,

где m_г – вязкость газовой смеси,

Вязкость  воздуха 

,
; Па×с

где m₀ = 17,3×10^-6 Па×с – вязкость воздуха,

      c = 124 – вспомогательный коэффициент .

Вязкость  аммиака

; Па×с

где m₀ = 9,18×10^-6 Па×с – вязкость воздуха

      c = 626 – вспомогательный коэффициент

 


Вязкость  газовой смеси найдем найдем из соотношения

 
 


откуда m_см = 16,7×10^-6 Па×с

Критерий  Ренольдса:

Re_г.

Диффузионный  критерий Прандтля:

Pr_г = m_см / (r_гD_г);,

где D_г – коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

;м²/с,

D₀ = 17,0×10^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях .

h_Y; м.

•    Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе:

h_X = 119(m_ж²/ρ_ж²g)^1/3Re_ж^0,25Pr_ж^0,5.

Критерий  Рейнольдса:

Re_ж = 4L_ср/(S_каm_ж);

где S_к – площадь поперечного сечения колонны.

 


Диффузионный  критерий Прандтля:

Pr_ж = m_ж/(r_жD_ж);,

где D_ж = 1,8×10^-9 м²/с – коэффициент диффузии аммиака в воде.

h_X; м

•     Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса:
; м,

где m = 0,260 – тангенс угла наклона равновесной линии.

• Суммарная высота насадки:

H = m_Yh₀; м.

Отношение Н/d_к.

    Высота  слоя насадки не должна превышать 4d_к, поэтому принимаем 3 слоя насадки высотой 2,30 м, между которыми устанавливаем перераспределительную тарелку ТСН-II. Над верхним слоем насадки устанавливается распределительная тарелка ТСН-III.

Техническая характеристика тарелок

	ТСН-II	ТСН-III
Рабочее сечение, м2
Сечение слива, м2
Максимально допустимая нагрузка по жидкости, м2/(м3×ч)
Диаметр патрубка, мм
Количество  патрубков
Шаг патрубков, мм
Масса тарелки, кг

 


 

• Плотность орошения насадки:

U; м³/(м³×с).

•           Коэффициент сопротивления:

l = 16 / Re^0,2;.

• Скорость  газа в свободном  сечении насадки:

w₀ = w_г / e; м/с.

• Гидравлическое  сопротивление сухой  насадки:
;  Па.

• Гидравлическое  сопротивление орошаемой насадки:
 Па,

где b  – для колец Рашига.

По этой величине и объемному расходу  м³/с выбираем  газодувку, для которой   DР ;Па; Q ;м³/с.

• Подбор  насоса для подачи воды.

Из материального  расчета имеем L;кг/с. Это количество воды необходимо подать на высоту приблизительно  м.

Объемный  расход воды Q ; м³/с. По этим величинам выбираем центробежный насос, для которого

        Q ; м³/c; Н;м.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Библиографический список.

 1. Штефан В.К. Жизнь растений и удобрений – М., 1981г.

 2. Артюшин А.М., Державин Л.М. Краткий словарь по удобрениям - 2-е изд. – М., 1984г.

 3. Основы земледелия и растеневодства - 3-е изд. / Под ред. Никляева В.С. – М., 1990г.

 4. Вронский В.А. Прикладная экология. – Ростов-на-Дону, 1996г.

 5. Основы химической технологии / Под ред. И.П. Мухленова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 463 с.: ил.

 6. Журнал Химия и жизнь – XXI век, № 4, 1998г.

 7. Журнал Химия и бизнес, № 46, 2001 г.

 Агрохимия / Под редакцией проф. А.С. Ягодина, Москва, “Колос”. – М., 1982 г