автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка эффективных технологических процессов гранулирования и модифицирования минеральных удобрений в аппаратах взвешенного слоя

' r" ^ / ; ' À f : ■ ' ^

ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

■■ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ ЛЕВ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 66.099.2

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В АППАРАТАХ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, действительный член АИН РФ Федосов C.B.

Иваново -1998

СОДЕРЖАНИЕ.

стр.

Введение......................... 9

ГЛАВА 1. Основы теории и расчета гетерогенных процессов, сопровождающихся химическими превращениями и изменением

гранулометрического состава дисперсной фазы......19

1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета сложных физико-химических систем (ФХС).......19

1.1. Общие положения..................19

1.2. Основные закономерности химической кинетики в моделировании технологических процессов ..........21

1.3. Математическое моделирование тепло- и массообмена

в одиночной частице.................28

1.4. Математическое моделирование физико-химических процессов, протекающих в аппарате...........31

1.5. Закономерности формирования гранулометрического состава в процессе грануляции технологических продуктов. . . 35

ГЛАВА 2. Физико-химические основы процесса получения минеральных удобрений в аппаратах со взвешенным слоем.....47

2.1. Мгновенная химическая необратимая реакция в растворе. Аналитическое описание диаграммы растворимости в системе Н20 - Н2804 - Жз................ 49

2.2. Мгновенная химическая обратимая реакция в растворе. Аналитическое описание диаграммы растворимости

Н20 - Н3Р04 - №1з................. 58

ГЛАВА 3. Моделирование процессов тепло- и массообмена, протекающих в одиночной частице.............. 68

3.1. Нейтрализация серной кислоты аммиаком в капле кислого раствора сульфата аммония.............. 69

3.1.1. Нестационарная хемосорбция аммиака каплей раствора,

содержащего серную кислоту.............. 70

3.2. Нейтрализация в капле фосфорной кислоты аммиаком ... 84

3.2.1. Нестационарная хемосорбция аммиака каплей раствора,

содержащего фосфорную кислоту............ 84

ГЛАВА 4. Моделирование процессов взаимодействия сплошной и дисперсной фаз при гранулировании минеральных удобрений во взвешенном слое............... 95

4.1. Закономерности движения дисперсной фазы в факеле, истекающем из пневматической форсунки во взвешенный слой частиц....................... 95

4.1.1. Современные представления о характере движения дисперсной фазы в газовом потоке............... 96

4.1.2. Математическая модель движения капли жидкости в газовой струе, истекающей в псевдоожиженный слой....... 101

4.2. Сушка мелкодисперсных капель в факеле струи пневматической форсунки................... 119

4.2.1. Проверка адекватности математических моделей сушки с одновременной нейтрализацией кислот аммиаком в каплях гранулируемых растворов............... 132

4.2.1.1. Исследование процесса диспергирования растворов .... 132

4.2.1.2. Исследование процесса концентрирования растворов сульфата аммония и фосфорной кислоты в аппарате распылительного типа ....................136

4.2.1.3. Исследование процесса хемосорбции аммиака каплями раствора фосфорной кислоты в аппарате распылительного

типа........................139

4.2.1.4. Исследование процесса получения минеральных удобрений

в аппарате кипящего слоя...............140

4.3. Осаждение распыленных капель на гранулах и образование частиц внутреннего рецикла в псевдоожиженном слое..... 147

4.3.1. Экспериментальные исследования и проверка адекватности математической модели образования внутреннего рецикла. . . . 161

4.4. Сепарация частиц в пневматических классификаторах ... 168

4.4.1. Анализ современных методов расчета воздушных классификаторов......................169

4.4.2. Математическое описание процесса воздушной классификации частиц в критериальной форме...........174

4.4.3. Экспериментальные исследования процесса сепарации гранул минеральных удобрений в воздушном классификаторе . . 181

ГЛАВА 5. Закономерности формирования гранулометрического состава при грануляции минеральных удобрений в аппаратах

кипящего слоя....................186

5.1. Кинетика гранулообразования при "нормальном" росте

частиц.......................190

5.1.1. Изменение эквивалентного размера в периодическом процессе грануляции...................190

5.1.2. Изменение эквивалентного размера в переходном режиме стационарного процесса................194

5.1.3. Расчет плотности распределения частиц слоя и получаемого продукта в переходном режиме и стационарном процессе грануляции.....................261

5.2. Закономерности вторичных явлений при грануляции в

аппаратах с псевдоожиженным слоем..........212

5.2.1. Процесс агрегирования частиц в аппаратах с кипящим

слоем........................212

5.2.2. Результаты экспериментальных исследований и проверка адекватности математической модели агломерации частиц сульфата аммония в аппарате с кипящим слоем......231

ГЛАВА 6. Разработка технологических схем получения минеральных

удобрений с применением грануляторов "КС".......241

6.1. Классификация технологических схем получения минеральных удобрений ...................242

6.1.1. Технологические схемы получения двойных МР-удобрений. 242

6.1.1.1. Технологическая схема получения МР-удобрений на базе аммонизированных растворов фосфатов аммония и гранулированного карбамида................ 242

6.1.1.2. Технологическая схема получения ЫР-удобрений с применением фосфорной кислоты, газообразного аммиака и гранулированного карбамида............. 243

6.1.1.3. Технологическая схема получения ЫР-удобрений с использованием фосфорной кислоты, плава мочевины после колонны дистилляции первой ступени и гранулированного карбамида..................... 244

6.1.2. Технологические схемы получения тройных ЫРК-удобрений................... 245

6.1.3. Технологические схемы получения сульфата аммония . . . 246

6.2. Теоретические основы расчета технологических схем получения ИР- и КРК-удобрений............ 248

6.2.1. Методика расчета расходов сырья........... 248

6.2.2. Обоснование температурных режимов процесса грануляции минеральных удобрений и расчет энергозатрат...... 253

6.2.3. Расчет гранулометрического состава получаемого продукта

и продукта, находящегося в слое............ 255

6.2.4. Расчет процессов тепломассообмена при грануляции минеральных удобрений.................. 258

6.2.5. Методика расчета основного аппарата "КС" технологической схемы получения сложных ИР- и ЫРК-удобрений . . . 263

ГЛАВА 7. Модифицирование минеральных удобрений во взвешенном слое...................... 268

7.1. Современное состояние проблемы модифицирования минеральных удобрений................ 268

7.2. Исследование процесса модифицирования минеральных удобрений в аппаратах со взвешенным слоем.......270

7.2.1. Изучение кинетики поликонденсации мочевиноформальде-гидных соединений (МФС).............. 271

7.2.2. Результаты экспериментальных исследований процесса кондиционирования минеральных удобрений в аппарате

с падающим потоком частиц.............. 281

7.2.2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента ................. 281

7.2.2.2. Влияние технологических параметров процесса кондиционирования на улучшение физико-механических свойств удобрений..................... 284

7.2.3. Результаты экспериментальных исследований процесса кондиционирования и капсулирования удобрений в аппарате с псевдоожиженным слоем............ 293

7.2.3.1. Описание экспериментальной установки и методики прове-

дения эксперимента................. 293

7.2.3.2. Влияние технологических параметров процесса кондиционирования и капсулирования в аппарате "КС" на улучшение физико-механических свойств гранул удобрений..... 296

7.2.4. Результаты экспериментальных исследований процесса получения комплексных удобрений с микроэлементами и стимулятором роста растений в многосекционном аппарате "КС"....................... 305

7.2.4.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента............... 306

7.2.4.2. Обоснование концентрации используемых смешанных растворов солей микроэлементов и гумата натрия..... 308

7.2.4.3. Определение технологических параметров процесса получения комплексных минеральных удобрений с микроэлементами...................... 310

7.2.4.4. Методика расчета процессов сушки и поликонденсации растворов модифицирующих веществ при кондиционировании минеральных удобрений в аппаратах взвешенного

слоя........................ 312

ГЛАВА 8. Результаты исследований процессов гранулирования и модифицирования минеральных удобрений в промышленных условиях...................... 321

8.1. Гранулирование растворов сульфата аммония....... 322

8.1.1. Гранулирование растворов сульфата аммония из отделений МАК, САКиПХВС.......................323

8.1.2. Гранулирование сульфат-нитратных растворов...... 335

8.2. Гранулирование азотно-фосфорных ИР- и азотно-калийных МРК-удобрений................... 341

8.3. Модифицирование минеральных удобрений..............356

Основные результаты работы................368

Основные условные обозначения............................373

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........379

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................412

Введение.

Дальнейшее развитие производства минеральных удобрений ставит перед собой целью осуществление в основном двух задач: повышение качества получаемого продукта и снижение его себестоимости за счет внедрения новой технологии, нового аппаратурного оформления и применения методов с наиболее эффективными процессами тепло- и массообмена, максимально использующими теплоту химических реакций. Основные направления повышения качества минеральных удобрений предусматривают увеличение средней концентрации питательных веществ, выпуск технологических продуктов в гранулированном виде, модифицирование поверхности гранул защитными пленками /1^7/. При этом наибольший интерес представляет производство комплексных удобрений, содержащих два или более питательных компонентов с добавками микроэлементов и стимуляторов роста растений.

Снижение себестоимости минеральных удобрений необходимо осуществлять за счет сокращения производственных площадей, совмещения технологических стадий в одном аппарате, уменьшения экономических затрат как при создании, так и эксплуатации производственных агрегатов, внедрения механизации и автоматизации.

Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эту задач}' является внедрение способа получения гранулированных минеральных удобрений в аппаратах со взвешенным слоем, который заключается в нанесении на поверхность частиц слоя распыленных растворов и пульп /8-1-23/. Данный способ позволяет совместить в одном аппарате целый ряд технологических стадий переработки исходного сырья в готовый продукт.

Дальнейшим развитием данного метода гранулирования является способ получения минеральных удобрений в нейтрализаторе-грануляторе с кипящим слоем /24-г35/. Отличие данного способа состоит в том, что здесь процесс гра-

нуляции сопровождается нейтрализацией кислых растворов солей или кислот газообразным аммиаком, осуществляемой непосредственно в аппарате с кипящим слоем "КС". Таким образом, в одном аппарате совмещаются стадии нейтрализации, упаривания, кристаллизации, грануляции и сушки солей. Технологическая схема получения минеральных удобрений с применением нейтрализа-тора-гранулятора выгодно отличается от существующих не только тем, что она является одностадийной, но и более рациональным использованием тепла, выделяющегося при реакции нейтрализации кислот аммиаком. Здесь тепло реакции полностью идет на испарение влаги из раствора, тогда как при проведении химической реакции в отдельном реакторе это тепло в основном затрачивается на разогрев реакционной массы. Преимуществом данного метода является возможность получения нескольких видов удобрений: аммофоса (на основе фосфорной кислоты и аммиака), карбоаммофоса (из фосфорной кислоты и плава мочевины колонны дистилляции первой ступени), карбоаммофоски (на основе фосфорной кислоты, калийсодержащего сырья и плава мочевины колонны дистилляции первой ступени).

Кроме того, наряду с процессами получения минеральных удобрений из технических кислот, одной из важных задач является разработка методов утилизации некоторых отходов основных химических производств, содержащих ценные компоненты, входящие в удобрения. В связи с этим, нами проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса переработки кислых и нейтральных растворов сульфата аммония, являющихся отходами некоторых производств органического синтеза химических предприятий, в гранулированный продукт с применением нейтрализатора-гранулятора "КС". Однако применение такого метода целесообразно в тех производствах, где отработанные растворы содержат незначительное количество органических примесей. При высоком содержании органики проведение процесса грануляции с внутренним рециклом из отработанных растворов может привести к ухудшению каче-

ства готового продукта из-за накопления в последнем органических примесей и тем самым к снижению содержания азота. В этом случае более целесообразным является осуществление процесса грануляции с внешним рециклом в агломерационном режиме, позволяющем получать гранулированный продукт с достаточным содержанием питательных компонентов.

Одной из важных задач на стадии разработки и проектирования грануля-торов "КС", нахождении оптимальных технологических режимов и управлении работой непрерывно-действующих установок является вопрос расчета такого рода аппаратов с целью получения продукта заданного химического и гранулометрического состава.

К настоящему времени научными школами МГУИЭ (МИХМ) /10,14,15, 17,19,23,285/; РХТУ (МХТИ)/41,43,46,51-53,69,94/; НИУИФ/5,12,18/; ГИАП /4,7,280,281/ г.Москва; СГТГИ(ТУ) (ЛТИ им.Ленсовета) /9,16,21,45,49,109,113, 146/ г.Санкт-Петербург; ИГХТА (ИХТИ) /50,54, 68,268,269/ г.Иваново; ЯГТУ (ЯПИ) /282-284/ г.Ярославль; КГТУ (КХТИ) /279/ г.Казань и др. накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, касающийся изучения процессов тепломассообмена, гранулирования и модифицирования технологических продуктов во взвешенном слое.

Однако, несмотря на несомненный прогресс, достигнутый перечисленными научными направлениями в области изучения и интенсификации различных технологических процессов, многие вопросы, связанные с разработкой эффективных способов и оборудования для обезвоживания гранулируемых растворов, а также инженерных методов их расчета, остаются еще недостаточно изученными.

При разработке теоретических основ процессов гранулирования минеральных удобрений в аппаратах "КС", решение данных задач связано прежде всего с исследованиями переходного и стационарного процессов гранулообра-зования, совместное рассмотрение которых позволяет проследить изменение и

становление одной из важнейших характеристик процесса - функции распределения частиц по размерам.

Другой, не менее важной проблемой, особенно для безрецикловых схем получения минеральных удобрений, является исследования образования внутреннего рецикла и его регулирования. Эта проблема выдвигает необходимость решения вопросов кинетики хемосорбции, тепло- и массообмена, поведения частиц в слое, зонах сепарации, а также работы пневматической форсунки.

Относительно малоизученной является задача регулирования химического состава получаемых удобрений. Как показывают исследования /25,32-г35/, процессы получения фосфатов аммония и удобрений на их основе сопровождаются потерями аммиака, которые при определенных условиях ведения процесса гра-нулообразования могут быть значительными. Потери аммиака снижают содержания азота в готовом продукте и ухудшают экономичность процесса, поэтому вопросы правильного выбора технологических режимов ведения процесса с целью получения удобрений с заданным содержанием питательных компонентов приобретают большое практическое значение. При грануляции сульфата аммония из его кислых растворов в нейтрализаторе-грануляторе "КС" химический состав получаемого продукта также а значительной мере зависит от выбранного режима протекания процесса.

Так как содержание питательных веществ в минеральных удобрениях является важнейшим показателем их качества, проведение исследований по изучению влияния технологических параметров процессов, протекающих в нейтрализаторе-грануляторе "КС", на химический состав получаемого продукта представляется весьма актуальным.

Повышение качества минеральных удобрений достигается не только гранулированием и повышением концентрации питательных компонентов, но и улучшением физико-механических свойств готовой продукции. Особенно это касается удобрений, отличающихся гигроскопичностью и высокой растворимо-

стью в воде, например, аммиачная селитра и карбамид. При неблагоприятных условиях хранения (плохое состояние тары, частые колебания температуры и относительной влажности воздуха) сыпучие удобрения превращаются в монолит�