Производство азотных и калийных удобрений

   Так как конечной целью производства является получение твердого нитрата аммония, то на стадии нейтрализации стремятся получить, возможно, более концентрированные растворы аммиачной селитры, чтобы в дальнейшем упростить и удешевить стадию выпаривания раствора до состояния безводного плава. Оптимальные условия для проведения процесса нейтрализации выбираются в результате анализа совместного влияния на этот процесс таких параметров, как

концентрация  азотной кислоты, температура и  давление в реакторе. Для получения  высококонцентрированных растворов необходимо применять азотную кислоту высокой концентрации, подогревать реагенты. 

   Таким образом, приход тепла определяется количеством тепла, вносимого исходными компонентами и выделяющегося при взаимодействии этих реагентов. Тепло процесса отводится образующимся раствором аммиачной селитры, теряется в окружающую среду и расходуется на испарение воды из раствора. При соответствующем аппаратурном оформлении процесса тепла реакции нейтрализации может быть достаточно для выпаривания воды, вводимой с азотной кислотой. 

   Можно применить азотную кислоту такой высокой концентрации и так подогреть  исходные компоненты, что в процессе нейтрализации будет получен практически безводный плав, например, концентрация азотной кислоты – 63% и температура азотной кислоты –100⁰С. Однако целесообразность такого процесса ограничивается высокой температурой, которая развивается в нейтрализаторе. С повышением температуры нейтрализации увеличиваются потери азота из-за

некоторого разложения азотной кислоты и аммиачной селитры. Кроме того, при высоких температурах вследствие заметного увеличения давления паров аммиачной селитры создаются условия для ее уноса с соковым паром в виде аэрозоля. 

   Температура в зоне нейтрализации зависит от давления, при котором проводится процесс, поэтому с точки зрения целесообразности снижения температуры в зоне реакции, нужно проводить процесс при низком давлении и даже под вакуумом. Поэтому наиболее широко распространенны установки, в которых процесс нейтрализации осуществляется под давлением близким к атмосферному. Преимущества: простота схемы, возможность использования газообразного

аммиака, который  из производства аммиака выдается под Р =200–300 кПа без его сжатия и повторного испарения и двукратного использования теплоты реакции нейтрализации.

   Менее экономичный процесс нейтрализации под вакуумом ограниченно применяют  в установках, в которых в качестве сырья используется не чистый аммиак, а танковые и продувочные газы производства аммиака или газы дистилляции производства карбамида. Осуществление процесса нейтрализации под повышенным давлением приводит к уменьшению размеров оборудования и получению сокового пара с более высокими параметрами. Однако в этом случае возникает необходимость в применении жидкого аммиака и усложнении технологической схемы. Системы нейтрализации при Р=3-6 атм применяются за рубежом, они требуют большого расхода электроэнергии на компримирование аммиака, сравнительно сложного регулирования подачи азотной кислоты под давлением и др.

   Промышленные установки для получения раствора аммиачной селитры с использованием тепла реакции нейтрализации подразделяются на 4 типа:

   1) установки, работающие при атмосферном давлении (изб. Р = 0.3 атм);

   2) установки, работающие с использованием вакуум-испарителя;

   3) установки, работающие под повышенным давлением;

   4) комбинированные установки, работающие под давлением в зоне нейтрализации и при разрежении в зоне отделения соковых паров от раствора аммиачной селитры.

   Наиболее широко распространена 1-ая схема, она несложна и отличается стабильностью режима работы. 

   Процесс нейтрализации ведут при 110 –135⁰С в слабокислой среде, т.к. при этом потери аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры с соковыми парами меньше, чем в щелочной среде.

Выпаривание растворов аммиачной  селитры.

   Непременным условием улучшения качества аммиачной селитры является обеспечения высокой степени упаривания ее растворов в выпарных аппаратах с достижением остаточного содержания воды в готовом продукте не более 0.3%. В зависимости от метода кристаллизации продукта, конструкции выпарных аппаратов растворы аммиачной селитры упаривают до состояния плава различной концентрации. Так, при кристаллизации в гранбашнях растворы в доупарочных

аппаратах упариваются до концентрации 99.7% - 99.9% NН₄NО₃. С увеличением концентрации растворов NН₄NО₃ при их упаривании температура раствора повышается, и возрастают потери аммиачной селитры с соковым паром. Поэтому применяют выпарные аппараты, работающие при разрежении 550 –600 мм рт ст. Это позволяет упаривать растворы при пониженных температурах их кипения, что способствует уменьшению потерь продуктов на этой стадии производства.

   Для упаривания растворов аммиачной селитры часто применяют двухступенчатую схему выпарки, реже трехступенчатую. Двухступенчатое упаривание проводят с таким расчетом, чтобы в первой ступени концентрация повышалась до 84%, во второй – до 99.5%. Для выпарки применяют пленочные выпарные аппараты, представляющие собой кожухотрубные теплообменники с

сепараторами  специальной конструкции. Отличительной  особенностью этих аппаратов является упаривание растворов в тонкой пленке (слое), движущейся со скоростью 25 м/сек  вдоль внутренней поверхности трубок.

Кристаллизация  плава аммиачной селитры (гранулирование).

   В зависимости от методов кристаллизации плава аммиачная селитра может быть получена в виде мелких частично раздробленных кристаллов, в форме плотных чешуек и в виде сферической гранулы (d = 2 мм). При получении соли  из плава селитры выделяется значительное количество тепла за счет охлаждения плава, кристаллизации и рекристаллизации соли. С повышением концентрации аммиачной селитры количество тепла, выделяющегося при кристаллизации соли, значительно уменьшается. 

   Кристаллизация аммиачной селитры из ее плавов осуществляется в аппарате с полным использованием тепла процесса (кристаллизаторы чашечного типа, шнеки), с частичным использованием тепла (охлаждающие барабаны - вальцы) и без использования тепла (грануляционные башни). Кристаллизаторы чашечного типа и шнеки сравнительно редко применяются в промышленности  из-за их громоздкости и малой производительности. Охлаждающие барабаны–вальцы являются аппаратами непрерывного действия  и большой производительности. Доля негранулированной аммиачной селитры, получаемой в этих кристаллизаторах и барабанах, незначительна по сравнению с  общим ее выпуском.

   В н.в. существует три технологических способа гранулирования твердых веществ из расплавов:

   1) Разбрызгивание капель расплавов с помощью различных грануляционных устройств в объеме гранбашни, где далее происходит затвердевание капель и охлаждение образовавшихся гранул при их свободном падении.

   2) Напыление плава, затвердевание его и дальнейшее охлаждение образовавшихся гранул в условиях кипящего слоя.

   3) Проведение тех же, что и по способу 2 операций в условиях вращающихся барабанов с внутренними лопастями - сферодайзеров.

   Основным промышленным способом является гранулирование расплавов в грануляционных башнях. Гранбашня – сооружение цилиндрической формы, D =12 м, Н =39 м, выполнена из монолитного железобетона, изнутри футерована кислотоупорным кирпичом; нижняя часть башни – днище выполняется в виде трех усеченных конусов, между которыми имеются кольцевые зазоры (щели) для подсоса воздуха в башню и очистки конусов от селитры. Наверху башни установлен

гранулятор – корзина конической формы, на боковой поверхности которой находится несколько тысяч отверстий разного диаметра. На потолке установлены 3 –4 вентилятора, отсасывающих воздух из башни. Воздух поднимается через 28 окон, расположенных внизу по всему периметру башни. В каждую башню подается 200 –300 тыс.м³ воздуха, который на выходе из башни содержит мелкодисперсные частицы аммиачной селитры. Капли плава, вытекающие из отверстий гранулятора, при падении с высоты омываются холодным потоком воздуха и застывают, формируясь в гранулы, при этом они слегка подсушиваются. Чем выше концентрация плава и интенсивнее охлаждение его капель, тем меньше пор и трещин образуется в гранулах и тем выше становится их прочность.

   Температура гранул аммиачной селитры на выходе их гранбашни колеблется от 80 до 150⁰С и зависит от удельной нагрузки на башню, расхода, температуры охлаждающего воздуха, высоты свободного падения гранул и их размера. Поэтому далее проводят охлаждение гранул в кипящем слое. Этот процесс совмещают с досушкой, нанесением на поверхность гранул различных веществ.  Для образования кипящего слоя достаточно, чтобы линейная скорость сжижающего агента (воздуха) была 0.9–1.2 м/сек, что достигается применением обычных вентиляторов.

    Температура гранул нитрата аммония на выходе из грануляционной башни зависит от технических условий осуществления процесса грануляции. 

   Аппараты с кипящим слоем применяют не только для охлаждения гранул, но и для гранулирования плава аммиачной селитры.

   Сущность процесса гранулирования в аппарате с кипящим слоем заключается в следующем: раствор, упаренный до содержания NН₄NО₃ в нем 80-86%, с помощью форсунок распыляется в псевдоожиженный слой твердых частичек нитрата аммония. Охлаждающим агентом является горячий воздух. Происходит испарение влаги из диспергированной жидкости и образование твердых мелких частичек, которые периодически попадают в зону факела, увлажняются и снова подсыхают за счет теплоты горячего воздуха, и таким образом их размеры увеличиваются. Аппарат работает непрерывно. Преимущество данного способа заключается в совмещении

стадий глубокого  упаривания раствора, грануляции и  сушки  в одном аппарате.

   Конечной стадией процесса является кондиционирование удобрения – обработка поверхности гранул различными добавками (чаще всего ПАВ) с целью предотвращения слеживания и обеспечения хорошей сыпучести. Обработка гранул ПАВ приводит к гидрофобизации поверхности гранул, что защищает продукт от быстрого увлажнения при соприкосновении с воздухом, относительная влажность которого выше гигроскопической точки аммиачной селитры.

   В качестве ПАВ используют алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкиларилсульфонаты, соли алифатических и ароматических аминов и др. В качестве опудривающих добавок применяют диатомит, талькомагнезит, вермкулит, известняк, мел, доломит и др.

   Кондиционирование гранул нитрата аммония осуществляется во вращающемся барабане перед отправкой его на склад, причем обрабатывается только товарная фракция продукта.

   Товарный нитрат аммония хранят в огнестойких складах из расчета до 20000 т насыпью или

2500 т в мешках  в каждом помещении. Помещения  склада должны быть сухими, оборудованными  вентиляцией и воздушным отоплением. Полы настилают из кислотоупорных материалов. В процессе хранения соблюдают меры, исключающие возможность загрязнения нитрата аммония различными предметами, смазывающими и обтирочными материалами и др. Нитрат аммония не должен находится в контакте с веществами, дающими щелочную или кислую реакцию.

1.2.4.Технологическая схема производства аммиачной селитры

   Рассмотрим технологическую схему современного крупнотоннажного агрегата по производству аммиачной селитры АС –72 мощностью 1360 т/сутки. Исходная 58–60% азотная кислота подогревается в подогревателе 2 до температуры 70–80⁰С соковым паром из аппарата ИТН 1 и подается на нейтрализацию. Перед аппаратом 1 к азотной кислоте добавляют фосфорную и серную кислоты в таких количествах, чтобы в готовом продукте содержалось 0.3–0.5% Р₂О₅ и 0.05–0.2% сульфата аммония.

   На рис.2 приведена схема производства аммиачной селитры в агрегате АС-72.

   В агрегате установлены два аппарата ИТН, работающие параллельно. Кроме азотной кислоты в них подают газообразный аммиак, предварительно нагретый в подогревателе 3 паровым конденсатом до Т =120–130⁰С. Количества подаваемых азотной кислоты и аммиака регулируют таким образом, чтобы на выходе из аппарата ИТН раствор имел небольшой избыток кислоты (2 –5 г/л), обеспечивающий полноту поглощения аммиака.

    В нижней части аппарата происходит реакция нейтрализации при температуре 155 –170⁰С; при этом получается концентрированный раствор, содержащий 91–92% NН₄NО₃. В верхней части аппарата водяные пары (так называемый соковый пар) отмываются от брызг аммиачной селитры и паров азотной кислоты. Часть теплоты сокового пара используется на подогрев азотной кислоты. Затем соковый пар направляют на очистку и выбрасывают в атмосферу.

   Кислый  раствор аммиачной селитры направляют  в донейтрализатор 4, куда поступает  аммиак, необходимый для взаимодействия  с оставшейся азотной кислотой. Затем раствор подают в выпарной аппарат 5.  Выпарной аппарат 5 снабжен промывателем воздуха, что дополнительно снижает поступление загрязнений в промывной скруббер 20. Так, соковый пар из аппарата ИТН содержит 1–3 г/л аммиачной селитры и менее 1 г/л азотной кислоты,  а воздух после выпарного аппарата – 2-3г/м³ селитры и 0.5–1г/м³ аммиака. Полученный плав, содержащий 99.7 –99.8% селитры, на выходе из выпарного аппарата 5 проходит донейтрализацию в гидрозатворе 10, при 175⁰С проходит фильтр 11, поступает в бак 12, на котором установлен  центробежный погружной насос 13, перекачивающий плав на верх башни в напорный бак 16.