Схема кислотной переработки фосфатного сырья

Совершенствование промышленного производства аммиака идет по следующим основным направлениям:

- кооперация производства аммиака с производствами основного органического синтеза на базе использования природного газа и газов нефтепереработки;

- создание агрегатов большой (до 3000 т/сутки) единичной мощности;

- применение колонн синтеза с кипящим слоем катализатора;

- разработка новых катализаторов, устойчивых к ядам с низкой (300 °С температурой зажигания), позволяющих процесс синтеза без снижения выхода аммиака при низких (10 МПа) давлениях.

Лекция 6

Производство минеральных удобрений.

1) Фосфорные удобрения. Сырьё. Разложение трикальцийфосфата.

Производство простого суперфосфата, фосфорной кислоты,

двойного суперфосфата.

Азотные удобрения. Производство нитрата аммония, карбамида.

Калийные удобрения.

Минеральными удобрениями называются соли и другие неорганические природные или полученные промышленным путем вещества, содержащие в своем составе элементы, содержащие элементы, необходимые для питания растений и вносимые в почву с целью получения устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

Минеральные удобрения являются наиболее крупнотоннажным видом химической продукции, так как их потребление сельским хозяйством ежегодно составляет сотни миллионов тон.

В образовании тканей растения, в его росте и развитии принимают участие около семидесяти элементов, которые по их роли могут быть разделены на следующие группы:

– элементы органогены (углерод, водород, кислород, азот);

– зольные элементы (фосфор, калий, кальций, магний, сера);

– микроэлементы (бор, молибден, медь, цинк, кобальт);

– элементы, входящие в состав хлорофилла и различных ферментов (железо, марганец).

Из этих элементов углерод, водород и кислород образуют около 90% массы сухого вещества растения, 8—9% составляют азот, фосфор, сера, магний, кальций и калий. На долю остальных элементов, в том числе таких жизненно важных как бор, железо, медь, марганец и другие приходится не более 1—2%.

Важнейшее значение для питания растений имеют азот, фосфор и калий, от которых зависят обмен веществ в растении и его рост. Азот входит в состав белков и хлорофилла, принимает участие в фотосинтезе. Соединения фосфора играют важную роль в дыхании и размножении растений, участвуя в процессах превращения углеводов и азотсодержащих веществ. Калий регулирует жизненные процессы, происходящие в растении, улучшает водный режим, способствует обмену веществ и образованию углеводов в тканях растений.

Основную массу кислорода, углерода и водорода растение получает из воздуха и воды, остальные элементы извлекает из почвы. При современных масштабах культурного земледелия естественный кругооборот питательных элементов в природе нарушается, так как часть их выносится с урожаем и не возвращается в почву (табл. 16.1), а также вымывается из почвы дождевыми водами или переходит в недеятельную форму (иммобилизуется). Например, азот под воздействием микроорганизмов восстанавливается из иона NO^3- до N₂ и N₂O. При этом, чем выше урожайность, тем больше вынос питательных элементов из почвы.

Это вызывает необходимость в компенсации потерь питательных элементов в почве путем внесения в нее веществ, содержащих эти элементы, то есть минеральных удобрений, что позволяет обеспечить высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Так, при внесении в почву полного, то есть содержащего азот, фосфор и калий, удобрения, урожай повышается в 1,5—3 раза, в зависимости от вида культуры (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Влияние минеральных удобрений на урожайность

Ассортимент выпускаемых промышленностью МУ весьма многообразен.

Классификация минеральный удобрений:

– по природе питательного элемента,

– по содержанию и числу питательных элементов,

– по способам получения и свойствам.

По природе питательных элементов МУ подразделяются на азотные, фосфорные (фосфатные), калиевые (калийные), магниевые (магнезиальные), борные и т.д. Основное место по масштабам производства занимают первые три вида минеральных удобрений.

По числу питательных элементов МУ делятся на простые (однокомпонентные), содержащие только один питательный элемент, и комплексные, содержащие два (двойные типа NP, РК, NK) или три (тройные типа NPK или полные) элемента.

Комплексные МУ подразделяются на сложные, полученные в результате химической реакции, смешанные, представляющие механические смеси, образованные механическим смешением различных простых минеральных удобрений, и сложно-смешанные, представляющие комбинацию первых двух типов.

По содержанию питательного элемента среди МУ выделяют концентрированные (более 33% элемента) и высококонцентрированные (более 60% элемента) удобрения.

По свойствам минеральные удобрения делятся на твердые, жидкие, порошкообразные, кристаллические, гранулированные, растворимые и нерастворимые.

Усвоение МУ растениями зависит от их растворимости и характера почв, главным образом от рН почвы. Азотные и комплексные минеральные удобрения растворимы в воде.

На рис. 6.1 приведена классификация минеральных удобрений.

Рис. 6.1. Классификация МУ по природе питательного элемента, их числу и содержанию

1) Фосфорные удобрения. Сырьё. Разложение трикальцийфосфата. Производство простого суперфосфата, фосфорной кислоты, двойного суперфосфата.

Большинство фосфорных и комплексных минеральных удобрений представляют собой разнообразные соли ортофосфорной кислоты. Технологические процессы их производства генетически связаны с процессами производства фосфорной кислоты, оксида фосфора (V) и элементарного фосфора. Они опираются • на одно и то же природное фосфатное сырье и имеют близкую технологическую и аппаратурную базы. На рис. 6.2 представлена взаимосвязь этих производств.

Рис. 6.2. Взаимосвязь производств фосфорных и важнейших комплексных удобрений на основе фосфора

Простые фосфорные удобрения, это кальциевые соли фосфорной (ортофосфорной) кислоты различного состава. В отличие от калийных и азотных удобрений фосфорные удобрения обладают различной растворимостью, которая зависит от природы соли. По растворимости фосфорные удобрения подразделяются на: водорастворимые (группа I); растворимые в органических кислотах или усвояемые (группа II); нерастворимые или растворимые только в сильных минеральных кислотах (группа III).

Фосфорные минеральные удобрения по растворимости делятся водо-растворимые (рН = 7), цитратно- или лимоннорастворимые, то есть растворимые в слабых органических кислотах (рН < 7) и труднорастворимые, то есть растворимые только в сильных минеральных кислотах (рН«7).

Сырьё. Сырьём для производства фосфорных удобрений и фосфорной кислоты служат природные фосфатные руды: апатиты и фосфориты.

Апатиты, имеют состав, отвечающий общей формуле 3Ca₃(PO₄)₂·CaR₂ (трикальцийфосфат), где R – это F, Cl или OH. Чаще всего встречаются 3Ca₃(PO₄)₂·CaF₂ фторапатиты.

Фосфориты содержат фосфор в виде фторапатита и большое количество примесей – кальцита CaCO₃, доломита CaCO₃·MgCO₃, а также оксидов железа и алюминия.

Основная задача технологии фосфорных удобрений – переработка нерастворимых, трудно усваиваемых растениями солей фосфора в растворимые или усвояемые соли.

Растворимость солей фосфора увеличивается с повышением их кислотности:

средняя соль Ca₃(PO₄)₂ – растворима только в минеральных кислотах;

гидрофосфат кальция CaHPO₄ – в слабых почвенных кислотах;

дигидрофосфат кальция Ca(H₂PO₄)₂ –в воде.

Химическая переработка природных фосфатов может быть осуществлена тремя методами: химическим разложением, восстановлением углеродом и термической обработкой. Наиболее распространенный метод переработки фосфатного сырья — его разложение серной, фосфорной или азотной кислотами, используемое в промышленных масштабах для производства фосфорных удобрений, фосфорной кислоты, фосфора и комплексных удобрений на основе соединений фосфора.

Схема кислотной переработки фосфатного сырья

Нерастворимые соли фосфора превращаются в растворимые соли разложением природных фосфатовкислотами.

Простой суперфосфат - самое распространённое фосфорное удобрение. Он представляет собой порошок серого цвета, содержащий дигидрофосфат кальция Ca(H₂PO₄)₂·H₂O, полугидрат сульфата кальция CaSO₄·0,5H₂O и свободную фосфорную кислоту.

Простой суперфосфат получают разложением фторапатита серной кислотой.