ПРОИЗВОДСТВО АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ
1 Общая характеристика
Азотные удобрения могут содержать азот в форме свободного аммиака и аминов (аммиакаты), ионов NH4+ и NO3-, аминогруппы NH2, а также в их сочетании. В соответствии с этим различают следующие виды азотных удобрений: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и аммонийно-нитратные.
Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растенимями, особенно из аниона NO3-, который отличается высокой подвижностью в почве. По агрегатному состоянию азотные удобрения делятся на твердые (соли и карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений). В табл. 1.1 приведены характеристики важнейших азотных удобрений и удельный вес их в общем балансе производства.
Таблица 1.1 - Ассортимент и характеристика азотных удобрений
| Удобрение | Формула действующего вещества | Содержание азота, % | Удельный вес, %, по годам |
| 1960 | 1980 |
| Аммиачные Аммиак жидкий Аммиачная вода | NH3 NH3 | 82 16,1 – 20,1 | 2,8 | 7,1 |
| Аммонийные Сульфат аммония | (NH4)2SO4 | 19,9 – 21,0 | 17,9 | 1,1 |
| Нитратные Нитрат натрия Нитрат кальция | NaNO3 Ca(NO3)2 | 11,0 – 16,0 18,0 – 11,0 | - - | - - |
| Амидные Карбамид | CO(NH2)2 | 46,0 – 46,1 | 2,1 | 27,1 |
| Аммонийно-нитратные | NH4NO3 | 32,1 – 31,0 | 73,3 | 40,1 |
| Карбамидоформ-альдегидные Карбаминоформ | NH2CONHCH2 | 33,0 – 42,0 | - | - |
| Аммиакаты Азотная часть комплексных минеральных удобрений | - - | 20,0 – 30,0 - | - - | - 19,3 |
В приведенных данных прослеживается тенденция снижения производства сульфата и нитрата аммония и увеличения производства карбамида, жидких азотных удобрений и минеральных удобрений, содержащих, наряду с другими элементами, азот (комплексных минеральных удобрений).
Ниже рассматривается технология производства наиболее распространенных азотных удобрений – нитрата аммония и карбамида, на долю которых приходится свыше 60% общего выпуска азотных удобрений.
1.2 Производство нитрата аммония
1.2.1 Свойства нитрата аммония
Нитрат аммония (аммонийная селитра) NH4NO3 – кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6ºС, хорошо растворимое в воде. Растворимость при 20ºС равна 0,621 мас. долей, при 160ºС – 0,992 мас. долей. Нитрат аммония сильно гигроскопичен и легко поглощает влагу из атмосферы, в зависимости от температуры может существовать в пяти кристаллических модификациях, различающихся плотностью и структурой кристаллов. Вследствие высокой растворимости в воде, гигроскопичности и полиморфных превращений, сопровождающихся выделением тепла, нитрат аммония легко слеживается. Для уменьшения слеживаемости, которая затрудняет использование продукта, в промышленности используют следующие меры:
- перед складированием полученный продукт охлаждают до температуры ниже 32ºС, так как именно в интервале от 32,3ºС до -17ºС нитрат аммония находится в стабильной ромбической модификации;
- выпускают товарный продукт в гранулированном виде, обрабатывая поверхность гранул ПАВ, образующими на них гидрофобную пленку;
- вводят в состав продукта кондиционирующие добавки в виде нитрата магния и других солей, которые связывают свободную воду и препятствуют переходу одной модификации в другую.
Нитрат аммония в твердом состоянии или в виде высококонцентрированного раствора (плава) при нагревании выше 180 - 200 ºС разлагается:
NH4NO3 = N2O + 2H2O – DH, где DH = 36,8 кДж.
При быстром нагревании в замкнутом пространстве до 400 - 100ºС или инициировании нитрат аммония разлагается со взрывом по уравнению
NH4NO3 = N2 + 2H2O + 0,1O2 – 118 кДж.
Разложение ускоряется в присутствии минеральных кислот и органических веществ. На этом основано использование нитрата аммония в качестве компонента аммонийно-селитровых взрывчатых веществ – аммонитов (смеси с органическими веществами), аммотолов (смеси со взрывчатыми веществами) и аммоналов (смеси, содержащие аллюминий).
Нитрат аммония является безбалластным азотным удобрением и содержит 34,8% азота, из них 17,4% - в аммиачной (NH4+) и 17,4% - в нитратной (NO3-) форме. Поэтому стоимость транспортировки содержащегося в нем азота значительно ниже, чем при перевозке других балластных удобрений (например, сульфата аммония).
1.2.2 Физико-химические основы процесса синтеза
Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония.
Нейтрализация. Нейтрализация азотной кислоты аммиаком – это необратимый гетерогенный процесс хемосорбции, протекающий с выделением тепла по уравнению
HNO3 + NH3 = NH4NO3 – DH.
Реакция идет в диффузионной области, и ее скорость лимитируется диффузией аммиака из газа к поверхности жидкости. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, складывается из теплового эффекта реакции и теплоты растворения образовавшегося нитрата аммония в воде:
Qå = Q1 – (Q2 + Q3),
| где | Q1 | – | тепловой эффект реакции нейтрализации 100% азотной кислоты с образованием твердого нитрата аммония; |
| | Q2 | – | теплота разбавления азотной кислоты; |
| | Q3 | – | теплота растворения нитрата аммония. |
Таким образом, тепловой эффект процесса зависит от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации.
Подогрев компонентов (азотной кислоты и газообразного аммиака) улучшает перемешивание системы, ускоряет процесс нейтрализации и повышает концентрацию раствора нитрата аммония.
Упаривание раствора нитрата аммония. В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется в виде сокового пара. Интенсивность испарения зависит от величины теплового эффекта и температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора определяется как концентрацией азотной кислоты, так и температурой.
С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося сокового пара.
Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации, выделяющуюся в самом процессе (рис. 1.1.).
Qподв
H2O(пар) NH4NO3 + H2O NH4NO3
DH реакц
Рисунок 1.1 - Использование тепла при упаривании раствора
Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет:
- снизить затрату внешнего тепла;
- обеспечить за счет отвода тепла из системы оптимальный температурный режим процесса нейтрализации и избежать опасных перегревов;
- исключить применение сложных охладительных устройств.
При использовании азотной кислоты концентрацией 60 – 61 % и температуре процесса около 70ºС оказывается возможным за счет использования теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония.
В соответствии с принципом использования тепла все существующие варианты технологического процесса производства нитрата аммония делятся на две группы:
1 Без упаривания раствора. Концентрирование раствора осуществляется исключительно за счет теплоты нейтрализации азотной кислоты концентрацией 61%. При этом образуется 96% плав нитрата аммония:
Q = DH; Qподв = 0.
2 С упариванием раствора. Концентрирование раствора осуществляется как за счет частичного использования теплоты нейтрализации, так и за счет подводимого извне тепла:
Q = DH + Qподв.
При этом в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться:
- при 18% кислоте в 1-й ступени;
- при 10% кислоте в 2-й ступени.
1.2.3 Технологические системы производства
Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта (рис.1.2.).
В настоящее время в связи с освоением производства 18 – 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1171 т/сутки с упариванием в одну ступень, а также на установках безупарочного типа (рис.1.3. и 1.4.)
$IMAGE6$
Рисунок 1.2 - Принципиальная схема производства нитрата аммония
Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом сокового пара, нагретый до 120 - 160ºС, и азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90ºС поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 1. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку. Воздух из верхней части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат – основные аппараты в технологической схеме АС-72М.
$IMAGE7$