Аналитический обзор

1.1. Обзор существующих технологических схем

Агрегат АС-72

В агрегате АС-72 ком­поновка основного технологического оборудования нейтрализации и упарива­ния растворов размещено на отметке ±0,00 в открытой металличе­ской этажерке. В верхней части грануляционной башни размещены промыв­ной скруббер, вентиляторы и грануляторы. Вместо железобетонной, футеро­ванной кислотоупорным кирпичом башни применена облегченная металличе­ская башня с несущими металлоконструкциями заводского изготовления. Принятые решения удешевили и сократили сроки строительства агрегата, упростили эксплуатацию и ремонт оборудования.

Такая компоновка оборудования стала возможной в результате приме­нения специальных насосов для перекачивания плава на высоту примерно 70 м. Практика эксплуатации показала, что насосы надежны в работе, а си­стема автоматического контроля и регулирования обеспечивает безопасность их эксплуатации. Для повышения качества аммиачной селитры в агрегате АС-72 было предусмотрено применение сульфатно-фосфатной добавки, улучшена конструк­ция грануляторов, установлен трехсекционный выносной аппарат КС для охлаждения гранулированной селитры. Обработку гранул диспергатором НФ проводят в аппарате улучшенной конструкции. [4]

В верхней части аппарата соковый пар из реакционной части отмывается от брызг аммиачной селитры, паров HNO₃ и NH₃ 20%-ным раствором ам­миачной селитры из промывного скруббера 18 и конденсатом сокового пара из подогревателя азотной кислоты 2, которые подают на колпачковые тарел­ки верхней части аппарата. Часть сокового пара используют на подогрев азотной кислоты в подогревателе 2, а основную его массу направляют в промывной скруббер 18, где смешивают с воздухом из грануляционной баш­ни, с паровоздушной смесью из выпарного аппарата 6 и промывают на про­мывных тарелках скруббера. Промытую паровоздушную смесь выбрасывают в атмосферу вентилятором 19.

Раствор из аппаратов ИТН 3 последовательно проходит донейтрализатор 4 и

контрольный донейтрализатор 5. В донейтрализатор 4 дозируют сер­ную и фосфорную кислоты в количестве, обеспечивающем содержание в го­товом продукте 0,05 - 0,2% сульфата аммония и 0,3 - 0,5% Р₂О₅. Дозировку кислот ведут плунжерны-ми насосами и регулируют в зависимости от нагрузки агре­гата [5].

Рис.1. Технологическая схема агрегата АС-72:

1,2 - подогреватели соответственно газообразного аммиака и азотной кислоты; 3 - аппарат ИТН; 4, 5 - донентрализаторы; 6 - комбинирован­ный выпарной аппарат; 7, 24 – подогрева-тели воздуха; 8 - нагнетатель воздуха; 9 – гидрозатвор-донейтрализатор; 10 - фильтр плава; 11 - бак для плава аммиачной селитры; 12 - погружной насос; 13 - насос центробежный; 14 - бак для раствора аммиачной селитры; 15 - бак на­порный; 16, 17 - грануляторы соответственно акустический и монодисперсный; 18 - скруббер; 19, 23 - вентиляторы; 20 - грануляционная баш­ня; 21, 25 - ленточные конвейеры; 22 - аппарат для охлаждения аммиачной селитры в кипящем слое; 23 - вентилятор; 26 - элеватор; 27 - ап­парат для обработки гранул ПАВ.

После нейтрализации избыточной HNO₃ в растворе аммиачной селитры из аппаратов ИТН и введенных серной и фосфорной кислот в донейтрализаторе 4, раствор проходит контрольный донейтрализатор 5 (куда аммиак автоматически подается только в случае проскока кислоты из донейтрализатора 4) и поступает в выпарной аппарат 6. Верхняя часть выпарного аппарата 6 снабжена двумя ситчатыми промывными тарелками, на которые подают паровой конденсат, отмывающий ПВС из выпарного аппарата от аммиачной селитры. Плав селитры из выпарного аппарата 6, пройдя гидрозатвор-донейтрализатор 9 и фильтр 10, поступает в бак 11, откуда его погружным насосом 12 по трубопроводу с антидетонационной насадкой подают в напорный бак 15, а затем к грануляторам виброакус­тическому 16 или монодисперсному 17. Безопасность узла перекачивания плава обеспечивается системой автоматического поддержания температуры плава до 190°С при его упаривании в выпарном аппарате, контролем и ре­гулированием среды плава после донейтрализатора 9 (в пределах 0,1- 0,5 г/л NH₃), контролем температуры плава в баке 11, корпусе насоса 12 и напорном трубопроводе. При отклонении регламентных параметров процесса перекачивание плава автоматически прекращается, а плав в баках 11 и вы­парном аппарате 6 при повышении температуры разбавляют конденсатом [4].

Плав гранулируют в прямоугольной металлической башне 20.. Высота полета гранул 55 м обеспечивает кристалли­зацию и остывание гранул диаметром 2-3 мм до 90-120°С при встречном потоке воздуха летом до 500 тыс. м³/ч и зимой до 300-400 тыс. м³/ч. В нижней части башни расположены приемные ко­нуса, с которых гранулы ленточным конвейером 21 направляют в аппарат ох­лаждения КС 22.

Аппарат охлаждения КСразделен на три секции с автономной подачей воздуха под каждую секцию решетки кипящего слоя. В головной его части имеется встроен-ный грохот, на котором отсеиваются комки селитры, образо­вавшиеся вследствие нарушения режима работы грануляторов. Комки на­правляют на растворение. Воздух, подаваемый в секции аппарата охлажде­ния вентиляторами 23, подогревают в аппарате 24 за счет тепла сокового пара из аппаратов ИТН. Подогрев производят при влажности атмосферного воздуха выше 60%, а в зимнее время во избежание резкого охлаждения гранул [6].

Гранулы аммиачной селитры последовательно проходят одну, две или три секции аппарата охлаждения в зависимости от нагрузки агрегата и температуры атмосферного воздуха. Рекомендуемая температура охлажде­ния гранулированного продукта в зимнее время - ниже 27°С, летом до 40-50°С.

Количество воздуха, подаваемое в каждую секцию, 75-80 тыс. м³/ч. Отработан­ный воздух из секций аппарата при температуре 45-60°С, содержащий до 0,52 г/м³ пыли аммиачной селитры, направляют в грануляционную башню, где он смешивается с атмосферным воздухом и поступает на промывку в промывной скруббер 18.

Охлажденный продукт направляют на склад или на обработку ПАВ (дисперга-тором НФ), а затем на отгрузку навалом или на упаковку в мешки. Обработку диспер-гатором НФ ведут в полом аппарате 27 с центрально расположенной форсункой, опрыскивающей кольцевой вертикальный поток гранул, или во вращающемся барабане. Качество обработки гранулированного про­дукта во всех применяемых аппаратах удовлетворяет требование ГОСТ 2-85 [5].

Гранулированную аммиачную селитру хранят на складе навалом в бур­тах высотой до 11 м. Перед отправкой потребителю селитру из склада пода­ют на рассев. Нестандартный продукт растворяют, раствор возвращают на упарку. Стандартный продукт обрабатывают диспергатором НФ и отгружают потребителям.

Емкости для серной и фосфорной кислот и насосное оборудование для их дозирования скомпоновано в самостоятельный блок.

Агрегат АС-72М

В ГИАП разработана технологическая схема агрегата АС-72М, в которой учтен обобщенный опыт эксплуатации агрегатов АС-72. Основные отличия модернизиро-ванного агрегата заключаются в следующем:

-для кондиционирования применена магнезиальная добавка, что исключи­ло потребление серной и фосфорной кислот, а также необходимость обра­ботки гранул ПАВ;

-установлен скруббер-нейтрализатор 8 для улавливания, не прореагировавшего аммиака в донейтрализаторах 4 и 5;

-установлен скруббер 7 с фильтрующей насадкой для промывки паровоз­душной смеси из выпарного аппарата;

-промывной скруббер 18 грануляционной башни оснащен элементами для фильтрующей очистки выхлопных газов;

-в схеме КИПиА усовершенствованы блокировки, обеспечивающие защиту процесса от повышений температуры в аппаратах ИТН, выпарном аппарате, баках и насосах для перекачивания плава селитры за счет дублирования при­боров измерения температур и измерения рН растворов и плава.

В остальном основное оборудование соответствует оборудованию агрега­тов АС-72 с небольшими изменениями, повышающими надежность его эксплуатации.

Принятые решения в технологической и строительной частях улучшили условия эксплуатации и повысили надежность работы агрегата. Ниже описана установка для приготовления магнезиальной добавки. Магнезиальную добавку готовят в виде 30-40%-ного раствора нитрата магния путем разложения азотной кислотой каустического магнезита. Порошок магнезита из крытых железнодорожных вагонов при помощи пневматического вакуумного разгрузчика 7 подают в силос 5. Вакуум соз­дается насосом 8. Воздух из силосов очищают в рукавном фильтре 4 и уда­ляют в атмосферу вентилятором 3. Из силосов порошок магнезита пневмати­ческим подъемником 9 через объемный дозатор 6 подают на приготовление магнезиальной добавки в три реактора 2.

Магнезит дозируют в количестве, обеспечивающем полную нейтрализацию азотной кислоты. Для обеспечения лучшего контакта реагентов через раствор барбо-тирует воздух. Для отвода тепла в реакторах имеются змеевики, в ко­торых цирку-лирует оборотная вода. Процесс разложения магнезита происходит в течение 3-5 ч при темпе­ратуре не выше 80 °С. Раствор из реакторов собирают в емкость 10 и насо­сом 14 подают на фильтрпресс 1, где раствор отделяется от нерастворимого шлама. Очищенный раствор направляют в хранилище 12, откуда насосом 15 подают в производство аммиачной селитры [7].

В реак­тор по уровню заливают 10 м³ 58%-ной азотной кислоты и разбавляют ее конденсатом сокового пара из агрегата АС-72 и промывной водой из фильтр-пресса до концентрации 35% HNO₃.

Промывные воды из фильтр-пресса собирают в емкости 11, откуда ее насосом 13 направляют в реакто­ры 2 для разбавления азотной кислоты. На установке для приготовления магнезиальной добавки в расчете на 1 т аммиачной селитры расхо-дуется: 6,0 кг магнезиального порошка ПМК-83; 27 кг 58%-ной азотной кислоты; 17,1 кг конденсата сокового пара; 0,23 кВт-ч электроэнергии; 0,35 м³ оборотной воды.

Рис. 2. Технологическая схема агрегата АС-72М:

/, 2 - подогреватели соответственно газообразного аммиака и азотной кислоты; 3 - ап­парат ИТН; 4, 5 - донентрализаторы; 6 - комбинированный выпарной аппарат; 7 - про­мыватель паровоздушной смеси; 8, 18 - скрубберы; 9 - гидрозатвор-донейтрализатор; 10 - фильтр плава; 11- бак для плава; 12 - погружной насос; 13 - центробежный на­сос; 14 - бак для раствора аммиачной селитры; 15 - напорный бак; 16 - гранулятор акустический; 17 - грануляционная башня; 19, 22 - вентиляторы; 20 - ленточный кон­вейер; 21 - аппарат охлаждения аммиачной селитры в кипящем слое; 23, 24 - подогре­ватели воздуха; 25 - нагнетатель воздуха работающие периодически.

1.2 Кондиционирующие добавки, улучшающие качество продукта

Специфические физико-химические свойства аммиачной селитры, такие как полиморфные превращения, протекающие при кристаллизации ее плавов или при нагреве и охлаждении кристаллов этой соли, а также их гигроскопичность, весьма затрудняют получение гранулированного продукта, удовлетворяющего требованиям потребителей. Для получения такого продукта приходилось прибегать к применению различного рода добавок, вводимых в аммиачную селитру.

Основным назначением добавок является уменьшение отрицательного влияния процесса полиморфных превращений, протекающих в кристаллах аммиачной селитры с заметным изменением их объема. Несмотря на многочисленность и многообразие таких добавок, их можно подразделить на следующие основные группы[9]:

Добавки, связывающие свободную влагу:

- Нитрат магния Мg(NO₃)₂ (магнезиальная добавка). Он хорошо растворим в воде и в растворах аммиачной селитры. В безводном состоянии может присоединять шесть молекул воды, образуя гексагидрат нитрата магния. Одна массовая часть безводного нитрата магния может связать около 0,7 массовых частей воды. В технологическом процессе производства аммиачной селитры нитрат магния используют в виде водного раствора, который вводят в раствор аммиачной селитры, поступающий на гранулирование. Находящийся в растворе аммиачной селитры нитрат магния постепенно обезвоживается в процессе получения высококонцентри-рованного плава аммиачной селитры.

Гранулированная селитра с магнезиальной добавкой обладает очень хорошими физико-химическими свойствами. Упакованная в полиэтиленовые мешки, она в течение длительного времени (более шести месяцев) сохраняет сыпучесть; она пригодна для бестарной перевозки в вагонах; может также храниться насыпью в обычных закрытых складах. В обычных бумажных мешках, не обеспечивающих достаточной герметизации, аммиачная селитра с этой добавкой при длительном хранении может при неблагоприятных условиях сильно увлажняться и рекристал-лизоваться [10].

- Доломитная добавка (ДЛМ), получаемая разложением азотной кислотой доломитов, содержащих 32-33% карбоната кальция и 16-19% карбоната магния и 43-44% диоксида углерода. Получаемый при этом раствор содержит нитрат магния и нитрат кальция, причем с большим преобладанием нитрата кальция. Необходимый эффект по уменьшению слеживаемости аммиачной селитры эта добавка дает при меньшем содержании влаги в готовом продукте. При хранении на складах селитры с добавкой ДЛМ в бумажных мешках она сильно рекресталлизуется, превращаясь в сыпучую кристаллическую массу.

Добавки, влияющие на процесс полиморфных превращений:

- Сульфатная добавка представляет собой сульфат аммония, вводимый в раствор аммиачной селитры. Для этого в раствор аммиачной селитры, поступающей после аппаратов ИТН на донейтрализацию, при помощи дозирующих насосов вводят соответствующее количество серной кислоты и газообразного аммиака.

Добавление к раствору аммиачной селитры небольшого количества сульфата аммония практически устраняется пыление в грануляционной башне. Причем при использовании грануляторов существующих типов обеспечивается получение грану-лированного продукта, содержание мелких (менее 1мм) гранул в котором соответ-ствует требованиям ГОСТ 2-85. Изменение содержания сульфата аммония в аммиачной селитре от 0,3 до 1,0% при содержании влаги в продукте 0,3 до 0,4% не оказывает существенного влияния на физические свойства продукта. Поэтому на отечественных предприятиях, выпускающих аммиачную селитру с сульфатной добавкой, принята норма расхода сульфата аммония 4 кг на 1т готового продукта.

При содержании этой добавки 0,17 до 0,83% предельная концентрация влаги для стабилизации перехода II®IV возрастает с 0,06 - 0,08% до 0,15%.

Константа скорости превращения IV®III селитры с сульфатной добавкой (0,27%) почти в десять раз меньше, чем для чистой селитры. Присутствие сульфатной добавки существенно повышает также дисперсность кристаллической структуры в пределах изменения добавки от 0,45 до 0,85%. Гигроскопичность продукта с указанным содержанием сульфатной добавки практически не отличается от гигроскопичности чистой селитры.

Несмотря на то, что применение сульфатной добавки улучшает технологию производства гранулированной аммиачной селитры и физико-химические свойства продукта, ее нельзя признать наиболее эффективной. Существенным недостатком этой добавки является то, что она в применяемых количествах (0,4%) не предотв-ращает разрушения гранул селитры в результате модификационных превращений, происходящих при переменном изменении температуры. При длительном хранении в неблагоприятных условиях такая устойчивость гранул недостаточна, так как их прочность может значительно понизиться, и качество продукта не будет соответствовать требованиям потребителей.

Также для сохранения 100% сыпучести товарной селитры с сульфатной добавкой обязательным условием является обработка гранул ПАВ.

- Фосфатно-сульфатная добавка состоит из фосфатов аммония и сульфата аммония, вводимых в раствор аммиачной селитры в виде растворов этих солей, или в виде фосфатной и серной кислот, нейтрализуемых затем газообразным аммиаком до рН раствора 5,5-6,8. Гранулы аммиачной селитры, содержащие добавку, обладают значительно большей стойкостью к воздействию переменной температуры, чем гранулы самой селитры. Эта добавка замедляет разложение плава аммиачной селитры и повышение его кислотности [6].

- Фосфатно-сульфатно-боратная добавка («Пермален-34») отличается от фосфатно-сульфатной тем, что кроме фосфата и сульфата аммония содержит орто-борную кислоту. Эти компоненты вводят в раствор аммиачной селитры в виде водных растворов ортоборной кислоты, чистого диаммонийфосфата и технического сульфата аммония. Гранулы аммиачной селитры практически не разрушаются от температурных колебаний.

Добавки, образующие центры кристаллизации:

- Внесение твердых нерастворимых примесей в плав аммиачной селитры способствует образованию гранул с мелкокристаллической структурой, обладающих высокой плотностью и прочностью. К добавкам такого типа относится в первую очередь тонкоизмельченный сухой порошок бентонитовой глины.

Добавка 2% бентонита к плаву аммиачной селитры стабилизирует полиморфный переход II®IV до содержания влаги в продукте 0,4%, но не влияет на скорость влагопоглощения.

Эффективность этой добавки была проверена в нашей стране в одном из цехов по производству аммиачной селитры. В плав селитры, содержащей 0,4% влаги, вводили 2% порошка бентонита с размером частиц менее 0,04% мм и влажностью не более 2%.

Полученный продукт обладал лучшими физическими свойствами, чем селитра без добавки, содержащая 0,15% влаги. После длительного хранения в запаянных полиэтиленовых мешках на обычном складе селитра с добавкой бентонита сохранила сыпучесть и высокую прочность гранул, в то время как гранулы селитры без добавки в тех же условиях заметно слежались и имели меньшую прочность [7].

Веществами, способствующими образованию центров кристаллизации плава нитрата аммония, могут также служить вермикулит, кизельгур, перлит, аэросил, каолин. Как правило, в случае применения добавок, образующих центры кристаллизации плава, повышается прочность гранул, не оказывая решающего влияния на уменьшение их слеживаемости. В то же время операция приготовления ввода в плав таких добавок существенно усложняет технологическую схему производства гранулированной аммиачной селитры, так как в этом случае приходится, как правило, оперировать с сухими, пылящими материалами. Транспор-тирование, складирование, хранение и дозирование их в плав аммиачной селитры гораздо сложнее, чем жидких добавок.

Кроме того, присутствие в поступающем на грануляцию плаве аммиачной селитры нерастворимых частиц усложняет работу статических грануляторов. В этом случае необходима тщательная фильтрация плава для отделения частиц добавки, недопустимых по размеру для данного типа гранулятора. Тем не мене добавки такого типа могут оказаться перспективными, если возникает необходимость значительного увеличения прочности гранул аммиачной селитры [9].

Из анализа приведенных выше сведений вытекают преимущества производства САФУ:

-очень хорошие физико-химические свойства;

-сохранение сыпучести в течение длительного времени;

- применение этой добавки облегчает технологическую схему производства;

- повышение качества готового продукта.

1.3 Выбор и обоснование технологической схемы

Применение ЖКУ в качестве добавки повышает качество продукции, продукт становится менее гигроскопичным. Целью данного проекта с экономической точки зрения является повышение рентабельности за счёт экономии греющего пара, затрачиваемого на упаривание раствора удобрения, при замене магнезиальной добавки на ЖКУ на агрегате большой единичной мощности АС-72М.

При проведении процесса нейтрализации ЖКУ вносит дополнительный вклад тепла, что позволяет получать в аппарате ИТН более концентрированные растворы, тем самым снижает энергозатраты на упаривание плава до продуктного содержания в нём влаги.

На агрегате АС-72М предусмотрен ввод ЖКУ в ИТН для обеспечения содержания фосфата в конечном продукте на уровне 0,05%.

Таблица 1.1

Расходные коэффициенты на 1 т аммиачной селитры

Наименование	АС-72	АС-72М
на 1 т продукта (34,7 % N)	на 1 т	на 1 т продукта (34,5% N)	на 1 т
100% NH3, кг	214,5
100% HNO3, кг			792,6
100% H2SO4, кг 100% Н3РО4, кг	1,2 4,0	3,5 11,5	- -	- -
Пар	0,75	2,18	0,84	2,4
Электроэнергия, кВт-ч	19,8	57,1	28,24	81,7
Химически очищенная вода, м3	0,2	0,6	0,1	0,3
Оборотная вода, м3	0,8	2,3	0,7	2,2
Каустический магнезит, кг	-	-		14,46.
Технологический воздух, м3		14,4		14,4
Воздух для КИП	2,6	7,5	2,6	7,5

Для производства САФУ наиболее подходящим является агрегат крупной единичной мощности АС–72М. Так как по сравнению с агрегатом АС-72 он является наиболее экономичным и экологически-безопасным.

Промышленные испытания получения САФУ с применением в качестве фосфорсодержащего сырья проводили в два этапа: первый – в декабре 2007 года (выпущено 187 тонн продукта), второй – с мая 2008 года по март 2009 года (выпущено 157333 тонн продукта) [1].

На первом этапе была выяснена принципиальная возможность получения NP-удобрения с заданным химическим составом и качеством, соответствующим требованиям нормативной документации не вносили никаких изменений и дополнений в технологическую схему производства аммиачной селитры, пользовались оборудованием цеха.. На основании результатов лабораторных исследований была разработана программа первого выпуска опытно-промышленной партии с содержанием фосфата 5-7 % в пересчете на P₂O₅ с целью изучения особенностей технологического процесса, качества получаемого удобрения, его пригодности для длительного хранения, изучения спроса на рынке.

Процесс получения САФУ осуществлялся в соответствии с принятой технологией, заключающейся в приготовлении NP-раствора путем смещения аммиачной селитры концентрацией не менее 89 % при температуре 148-165⁰С с раствором ЖКУ с последующей донейтрализацией, упариванием до состояния высоко концентрированного плава при температуре 175-185⁰С и грануляцией NP-плава методом приллирования.

В начальный период второго этапа испытаний принятую технологическую схему производства несколько раз изменяли в части подготовки и подачи ЖКУ в технологический цикл с целью снижения осадкообразований и оптимизации процесса получения NP-удобрения.

В первые дни работы производства раствор ЖКУ, подаваемый в смеси с возвратным NP-раствором на установку слабой выпарки в аппарат Т-101, подвергался нагреву до высоких температур (в пределах 128-164⁰С), что способствовало интен-сивному образованию в системе нерастворимых осадков в результате гидролиза полиформ фосфатов и забивке трубчатке выпарного аппарата. После разделения потоков ЖКУ и возвратных NP-растворов температуру подаваемого в технологи-ческий процесс ЖКУ снизили до 60-80 ⁰С [3].

Температура раствора ЖКУ в баках Е-34/_2,3 в течение июня 2002 года превышала регламентированную норму (не более 25 ⁰С), составляя в среднем 43-66 ⁰С вследствие перелива ЖКУ, подогретого в аппарате Т-101/₁, из напорного бака Е-101/₁, в баки Е-34/_2,3. Нарушение температурного режима в баках ЖКУ Е-34/_2,3 и продолжительность пребывания ЖКУ в условиях высоких температур привели к снижению степени конверсии фосфатов в результате гидролиза конденсированных форм P₂O₅ в ЖКУ, следствием явилось помутнение раствора ЖКУ и выпадение осадка

В существующую технологическую схему производства аммиачной селитры на крупнотоннажном агрегате АС-72М на основании выполненных исследований требуется внести существенные изменения и дополнения:

- смонтировать отделение приема сырья;

- спроектировать и выполнить монтаж узла подготовки ЖКУ;

- спроектировать и выполнить монтаж узла дозировки ЖКУ.

В состав проекта приемного комплекса сырья входит:

- заглубленная емкости ЖКУ, объемом 6,3 м³;

- поддон для предотвращения проливов ЖКУ из транспортных средств;

- устройство для слива ЖКУ из железнодорожных цистерн с низким разгрузочным устройством;

- устройство для слива ЖКУ из железнодорожных цистерн с верхним разгрузочным устройством.

В дополнение к существующей технологической схеме агрегата АС-72М требуется установить следующее оборудование:

- емкость расходная для ЖКУ объемом 5 м^3;

- технологические трубопроводные линии для переобвязки существующего оборудования;

- металлоконструкции для крепления оборудования и трубопроводов.

Проект узла вспомогательных технологических промывок по семи различным контурам был выполнен в связи с тем, что при эксплуатации оборудования на новом виде удобрения, вследствие особенностей его раствора, образуется довольно большое количество труднорастворимого осадка.

Разработан проект опрыскивания ПАВ с целью придания им свойств антислеживаемости. В исходных данных на проектирование установки поверхностной обработки гранул САФУ были учтены рекомендации передовых фирм, специализи-рующих в обработке гранул различными добавками [7].

Проект включает в себя узел приема и хранения ПАД выполненный на базе существующего оборудования, а также узел подготовки и опрыскивания гранул, компактно и рационально вписанный в действующую систему конвейеров и пересыпок. Нормы технологического режима процесса подготовки добавки к опрыскиванию поддерживаются с помощью автоматических средств контроля и регулирования параметров процесса.

В проекте применены трансзвуковые малоинерционные насосы для подогрева воды, позволяющие с меньшими затратами энергоносителя поддерживать необходимую температуру. Оригинальное проектное решение дает возможность, использованную на обогреве емкостей воду применить для обогрева подводящих трубопроводов от узла хранения до узла опрыскивания. В связи с большой вязкостью добавки при обычных температурах имеет важное значение скорость переключения потоков. Для решения этой проблемы проектом предусмотрена специальная арматура. Чтобы избежать забивания форсунок и труб при остановках процесса, запроектированы воздухоподогреватели для продувки линий горячим воздухом.

1.4 Сравнительная характеристика САФУ и аммиачной селитры

САФУ представляет собой смесь аммиачной селитры с массовой долей 87-91% NH₄NO₃, орто- и полифосфатов аммония с массовой долей 7-8% и 1,7-2% соответственно. В чистом виде аммиачная селитра представляет собой белое кристаллическое вещество, содержащее 35% азота, 60% кислорода и 5% водорода.

Таблица 1.2

Сравнительная характеристика аммиачной селитры и САФУ

Показатель	Аммиачная селитра	САФУ
Суммарная массовая доля нитритного и аммонийного азота в пересчете на сухое вещество азот, %, не менее	34,4
Массовая доля воды, %, не более	0,3	0,5
Гранулометрический состав: - масс. доля гранул от 1 до 4 мм, %, не менее; - масс. доля гранул от 2 до 4 мм, %, не менее; - масс. доля гранул размером менее 1, %, не более; - масс. доля гранул размером более 6 мм, %.
Рассыпчатость, %, не менее
Температура плавления, 0С	169,6
Кристаллическая модификация	От -17 до +169,6 0С имеет 5 модифика-ций	Определяется крис-талллической моди-фикацией веществ, входящих в состав удобрения
Растворимость при 20 0С, г/100г раствора, %
Слеживаемость	Слеживается	Не слеживается
Взрывоопасность	Взрывоопасно	Не взрывоопасно
Коэффициент гигроскопический, моль воды/г час (φ=80%)	4,6	3,6

Таким образом, для САФУ высокая гигроскопичность в силу связывания и удержания влаги кристаллогидратами не оказывает такого существенного влияния на слеживаемость, как гигроскопичность чистой аммиачной селитры. САФУ не расплывается на воздухе в отличие от аммиачной селитры даже при достаточно высоком содержании влаги в удобрении. Введение в аммиачную селитру фосфорсодержащих добавок приводит к уплотнению структуры гранул и повышению их прочности к раздавливанию и истираемости, что в конечном итоге оказывает воздействие на снижение слёживаемости продукта при хранении.

Изучение растворимости аммиачной селитры и САФУ в воде выявило существенные различия в скорости этого процесса. САФУ растворяется значительно медленнее, чем аммиачная селитра. Следовательно, обладая более низкой скоростью растворения, чем аммиачная селитра фосфаты, присутствующие в САФУ способствуют постепенному высвобождению азота, что предотвращает большую степень его использования (вследствие уменьшения потерь от вымывания) и наделяют его свойствами удобрения пролонгированного действия.

Фосфаты делают кристаллические гранулы прочными, чем тормозят процесс перекристаллизации. Гранулы мало измельчаются. Резко уменьшается количество пыли, мелкая фракция практически отсутствует. Отсутствие пыли снижает слеживаемость продукта. Снижению слеживаемости также способствует гранулирование продукта, повышение прочности гранул, обработка гранул поверхностноактивными веществами, упаковка продукта в герметичную тару, снижение температуры затаривания продукта.

Таким образом, на основании выше сказанного установлено, что введение фосфатной добавки в аммиачную селитру в количестве не менее 5% P₂O₅ приводит к значительному улучшению физико-химических свойств продукта.

1.5 Аппарат ИТН

Аппарат ИТН предназначен для получения раствора аммиачной селитры путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с использованием тепла реакции для частичного выпаривания воды из раствора под атмосферным давлением.

Вертикальной цилиндрической формы аппарат состоит из двух частей: реакционной и сепарационной. Внутри корпуса реакционной части находиться реакционный стакан с отверстиями внизу. Реакционный стакан обеспечивает время пребывания реагентов в реакционной зоне 0,5-1,0 с, что обеспечивает незначительные потери азота за счет термического разложения HNO₃ и нитратов аммония. Внутрь стакана поступают аммиак и раствор азотной кислоты через титановые барботеры. Скорость аммиака в отверстиях барботера 30-50 м/с. Скорость HNO₃ 2-3 м/с. За счет теплоты реакции нейтрализации из образующегося раствора NH₄NO₃ испаряется часть воды. Вследствие этого возникает подъемная сила, и парожидкостная эмульсия выбрасывается из верха реакционного стакана через завихритель, способствующий разделению парожидкостной смеси. Температура процесса нейтрализации составляет 150-160 ^оС. Раствор, выходящий из завихрителя по кольцевому зазору между стаканом и корпусом аппарата, движется вниз, продолжая упариваться за счет тепла, получаемого через стенку стакана[12]..

Соковый пар, отделяемый в завихрителе от раствора, содержит брызги раст-вора NH₄NO₃, NH₃ или пары HNO₃. Очистка сокового пара производится в верхней сепарационной части. При этом соковый пар, поднимаясь со скоростью 0,6 м/с про-мывается на 4-х барботажных колпачковых тарелках. На 2-х нижних тарелках пар отмывается от аммиака 15-20 % раствором NH₄NO₃, подкисленным HNO₃. При этом раствор подается на 2-ую тарелку, затем перетекает на 1-ую тарелку, а с неё по пере-ливной трубе перетекает в реакционную зону, смешиваясь с циркулирующим 90 % раствором. На 2-х верхних тарелках из сокового пара улавливаются пары HNO₃ и брызги раствора NH₄NO₃ с помощью конденсата сокового пара. При этом конденсат сокового пара подается на 4 тарелку, затем перетекает на 3 и выводится из аппарата. Из аппарата ИТН выходит 89-91 % NH₄NO₃.

2. Технико-экономическое обоснование проекта

Производство САФУ является сложным технологическим процессом, а в виду того, что в состав ЖКУ входят соединения Fe, Al, Mg, Ca, S, Se, возможно протекание целого ряда сопутствующих реакций с образованием осадков, состав которых меняется в зависимости от pH среды [4].

С повышением температуры возрастает образование нерастворимых соединений, которые склонны с течением времени укрупняться и оседать на оборудовании (на стадиях выпаривания и гранулирования) [4].

Предполагаем, что цена на САФУ при внедрении новой добавки увеличится на 10000 руб за 1 тонну, так как улучшится однородность гранул по химическому составу, а также повысится их прочность и плотность. Вследствие этого увеличится прибыль предприятия от данного производства.

Себестоимость САФУ составит 14907376,048 руб; новая цена NP-удобрений предполагается – 36000 руб/т; мощность производства не изменяется – 450 тыс. тонн в год.

Прибыль производства: 195000 руб. в год.

Использование в производстве новой добавки ЖКУ позволяет получить новое минеральное удобрение - САФУ с улучшенными физико-химическими качествами и повысить качество и получить прибыль.

Экономический расчет показывает экономическую целесообразность замены магнезиальной добавки на ЖКУ.

3. Характеристика исходного сырья и готового продукта

3.1 Характеристика исходного сырья

Сырьем для производства САФУ являются жидкое комплексное удобрение (ЖКУ), жидкий аммиак, азотная кислота, антислеживающие добавки.

3.1.1 Техническое наименование продукта - жидкое комплексное удобрение. В качестве фосфорсодержащей добавки при получении удобрения используют жидкое комплексное удобрение марки 11:37:0 представляющие собой водный раствор орто- и полифосфатов аммония, содержащие 11% азота и 37% фосфора в пересчете на диоксид фосфора. Ортофосфаты аммония, входящие в состав ЖКУ, содержат один атом фосфора и представлены моноаммонийфосфатом (NH₄H₂PO₄) и диаммо-нийфосфатом ((NH₄)₂HPO₄). Полифосфата аммония, содержащие в своем составе два и более атомов фосфора, представлены в ЖКУ диаммонийпирофосфатом ((NH4)₂H₂P₂O₇), триаммонийпирофосфатом ((NH₄)₃HP₂O₇), а также небольшим коли-чеством триполифосфата аммония ((NH₄)₃H₂P₃O₁₀). Кроме основных компонентов в состав ЖКУ входят водорастворимые соединения железа, алюминия, магния, кальция, серы, фтора, являющиеся примесями в исходном сырье. Их количество зависит от состава исходного сырья и составляет (в пересчете на оксиды) 1,5-2,5%.

В ЖКУ может также присутствовать небольшое количество (до 0,4%) твердых примесей – аммонийных пирофосфатов железа и алюминия состава ((FeAl)NH₄H₂P₂O₇∙3H₂O) с некоторым включением органических веществ, образующих мелкодисперсный, медленно оседающий и легко взмучиваемый осадок. Общее содержание солей в растворе ЖКУ составляет более 60%.

Раствор ЖКУ имеет нейтральную реакцию. Массовой доле азота в ЖКУ, составляющей 11%, соответствует рН, равный 6,4-6,8. В зависимости от качества кислоты, используемой для получения ЖКУ, эта величина может незначительно меняться.

Поскольку ЖКУ не содержит свободного аммиака, равновесное парциальное давление NH₃ над раствором незначительно. В интервале рН, равном 6,4-6,8, равновесное давление аммиака составляет:

Таблица 3.1

Равновесное давление аммиака при различных температурах

Температура, 0С	Давление, Па
	-
	10,6
	141,3
	625,3

Плотность ЖКУ при 20 ⁰С составляет 1,44 ±0,03 г/см³ и зависит в основном от суммы питательных веществ в удобрении и состава исходного сырья. Увеличение концентрации питательных веществ и рост количества примесей в исходной суперфосфорной кислоте приводит к увеличению плотности ЖКУ.

При нагревании ЖКУ выше 25 ⁰С начинается процесс гидролиза полифосфатов с образованием ортофосфатов и появление осадка. Результаты лабораторных исследований по изучению изменения конверсии растворов ЖКУ марки 11:37:0 в процессе хранения при разных температурах представлены в таблице:

Таблица 3.2

Изменение степени конверсии ЖКУ от времени и температуры хранения.

Температура, 0С	Снижение конверсии в % от исходного в зависимости от времени хранения (сутки)
6 ± 3	0,8	14,1	1,2	1,2	2,3
26 ± 4	1,8	2,5	3,9	4,5	5,4
36 ± 2	6,3	10,1	12,5	15,8	17,2
	13,1	20,4	27,4	35,2	39,1

3.1.2 Техническое наименование продукта - жидкий аммиак технический. Химическая формула NH₃. Основные технические требования: аммиак должен выпускается в соответствии с требованиями ГОСТ 6221-90 двух сортов:

Таблица 3.4

Основные технологические требования аммиака

Показатель	1 сорт	2 сорт
Аммиак, %, не менее	99,9	99,6
Вода, %, не более	0,1	0,4
Масло, мг/л, не более
Железо, мг/л, не более		не нормируется

При обычных условиях жидкий аммиак технический - бесцветный газ с резким, удушливым запахом, плотностью 0,771 кг/м³. При охлаждении до -33,5°С под атмосферным давлением газообразный аммиак превращается в бесцветную жидкость, затвердевающую при температуре -77,8°С (температура плавления аммиака). Критическая температура аммиака 132,4°С; критическое давление 111,5ат; теплоемкость газообразного аммиака при 25°С равна 8,523 ккал/(моль·град).

Таблица 3.5

Давление насыщенных паров жидкого аммиака при различной температуре:

Температура,°С	-35	-25	-15	-5
Давление, ат	0,95	1,55	2,41	3,62	5,26	7,48	10,23

Жидкий аммиак технический перевозят в цистернах двух типов: в цистер-нах, рассчитанных на давление 16 ат, без тепловой изоляции, и в цистернах на давление 2,5 ат с тепловой изоляцией [9]. Аммиак хорошо растворим в воде.

Таблица 3.6

Растворимость жидкого аммиака при различной температуре.

Давление, ат	Температура,°С
0,1	0,22	0,085	0,043	-
0,5	0,57	0,337	0,247	0,105
	0,88	0,515	0,400	0,224
	1,62	0,812	0,632	0,389

3.1.3 Техническое наименование продукта - азотная кислота. Химическая формула-HNO₃ [10].

По внешнему виду азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость или слегка желтоватую жидкость, температура кипения которой зависит от концентрации HNO₃. Так, 100%-ная азотная кислота кипит при 86°С, а при 68,4%-ная имеет наивысшую точку кипения, равную 122°С. При охлаждении кислота затвердевает, причем температура плавления также зависит от концентрации HNO₃.

Основные технические требования: азотная кислота выпускается двух видов: разбавленная и концентрированная. Разбавленная азотная кислота имеет три сорта:

Таблица 3.7

Основные технические требования азотной кислоты

Показатель	1 сорт	2 сорт	3 сорт
HNO3, %, не менее
N2О4, %, не более	0,15	0,2	0,2
Твердый остаток, %, не более	0,05	0,1	0,1

Теплота плавления 100%-ной азотной кислоты составляет 39,8 Дж/г; теплота испарения 481 Дж/г. Теплоемкость азотной кислоты с повышением ее концентрации уменьшается от 1 до 0,46 кал/(г*град). Плотность водных растворов азотной кислоты возрастает с увеличением концентрации.

3.2 Характеристика готового продукта

3.2.1 Сложное азотно-фосфатное удобрение представляет собой смесь аммиачной селитры с массовой долей 87-91% NH₄NO₃, орто- и полифосфатов аммония с массовой долей 7-8% и 1,7-2% соответственно (полифосфаты аммония представлены в основном пирофосфатами (NH₄)H₂P₂O₇), содержащую азота общего 32-33%, фосфора в пересчете на Р₂О₅ - 5-7% и конверсии полифосфатов 18-27% [7].

Таблица 3.8

Химический состав аммиачной селитры, фосфатов аммония и САФУ.

Формула	Молек. масса	Состав, %	Сумма P2O5+N	Мас. отн. P2O5:N
P2O5	NH3	HNO3	N
NH4NO3	80,0	-	21,3	78,7	35,0	-	-
САФУ	-	6,0	21,0	71,8	33,1	38,8	0,18:1

Таблица 3.9

Температура кипения водных растворов САФУ.

Массовая доля САФУ,%	Температура, °С

Одной из важных характеристик удобрения является уровень рН 10%-го водного раствора.

Как показали исследования, рН готового продукта САФУ составил от 4,0 до 5,0 ед., что ниже по сравнению с рН аммиачной селитры (норма не менее 5,0). Это связано с протеканием в процессе получения САФУ гидролиза солей аммония, в результате чего в системе возрастает концентрация свободных ионов водорода (Н⁺), что приводит к снижению значения рН получаемого продукта.

Таблица 3.10

Растворимость САФУ и его компонентов в воде.

Температура, °С	Растворимость, г/100г раствора (%)
NH4NO3	NH4H2PO4	Полифосфаты	САФУ
-17	42,4	1,0	-	-
	54,3	18,5	51,0	-
	60,3	22,8	-	-
	65,5	27,2	-
	-	-	63,3	-
	70,2	31,7	-	-
	74,1	36,2	-	-
	77,6	40,5	-	-
	80,8	45,2	-	-

3.2.2 Область применения САФУ.

САФУ рекомендуется применять на всех типах почв для основного (допосевного) внесения и для подкормок под все культуры. Применяя САФУ, можно обеспечить питание растений азотом и частично фосфором.