автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимизация процесса получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратно-полугидратным методом из фосфоритов Каратау

РГ6 О

1 v V^ii'i

Российский кимикА-теХиологичесинй уннверситег им. Д. И. Менделеева

На правах рукописи СОБОЛЕВА ИРИНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ К ОПТИМИЗАЦИЯ

ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ДИГИДРАТНО-ПОЛУГИДРАТНЫМ МЕТОДОМ ИЗ ФОСФОРИТОВ КАРАТАУ

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕ PAT

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОосква — 199^

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева.

Научные руководители: доктор технических наук, старшин научный сотрудник Кольцова Э. М.; доктор технических наук, профессор Петропавловский И. А.

Официальные оппоненты — доктор технических паук, профессор Классен П. В.; кандидат технических наук, доцент Беспалов А. В.

Ведущая организация — Воскресенское производственное объединение «Минудобрения».

Защита состоится £ Ц М¿С /Л Сг______ 199^'г.

в ауд. ^АЯ в час. на заседании специа-

лизированного совета Д 053.34.08 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125190, Москва, А-190, Миусская пл., 9).

■ -.С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан & У(рб^&С.СЛЯ 199^г.

Ученый секретарь .. . ... ,

специализированного совета

Д.. А. БОБРОВ

. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы Ножная роль в интенсификации сельскохозяйственного производства отводится применении и эффективному использованию минеральных удоСро:>пИ. Большое место при отом принадлежит фосфорсодержащим удобрении.,. Кислотные истода переработки природного фосфатного сырья, по всей видимости, ещё долго буду? оставаться основными для получения фосфорсодержащих удобрений. 11х совершенствование будет способствовать новстеиия эффективности действующих методов, разработке норич приемов, направленных на более полное использование фосфатного смрья, а такта на получение более качественных или новы:-: продуктов. В последнее время доля польского апатитового концентрата в общем балансе фосфатного сырья страны ..начинает заметно енпиатьея и г» переработку активно вводится фосфатное сырье Ковдорзкого и Каратаусскогч месторождений, отличающиеся от-, иоемтедыгим непостоянство:.! состава и повп-ецннм содержанием нежелательных для шюлотшх технологий примесей. Ухудшение качества сырья требует разработка нови;; гф]ск<Г1ЮШОс' способов его переработки. Если для апатитового спрья в промниДешуы практику основательно повел попугидратнпй и вводятся комбинирован!!?'«? метода* его1 переработки, то п отношении фосфоритов .Капатау эти способ!! пока не дают хороших технико-экономических пбк.азатёхэй. £)?о обусловлено не-нодобтаточиостш фрццаменгальних данных по разложению сырья, кристаллизации и порепристаллигзацин' сульфата ка'яьция различной гнд-ратности ¡г в рааш.гх температ^'рно-иондпл'грацнбшц.'х условиях. В :.тоГ1 связи исследование указании вопросов приобретает актуальное значение» .Определение оптимальных условий проведения дигидратно-полу-гидратноро процесса,ДП11, обеспечивает" получение более концентрированно!}., §ой$эркой кислоты по ерзшенг.ю с применяемым в'промкллен-ности дигидрстшм методом, при которое необходим значительные затраты энергии на упаривание слабо!: 22'А:?2®5 продукционной кислоты,и получение почти чистого А '-полупидрата, которпй в дальнейшем мояет бнть использован.в строительстве п качество-вяжущего. В связи- с-ртим важной представляется'разработка математической.,.-' модели дагидратно-полуги,йратного процесса для фосфоритов. Каратау, которая Позволяет учитывать основные физико-химические закономерности производства экстракционной фосфорной кислотн.ЭЖ.

РАбота.выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР НИР по направлению ТОХТ на;МВ6-1990огг /разделы- 2.71 Л. 27;,-8.27.6.20; 2.27.1.4.3; 2.27.5.1.4/ и в соответствии с постановлением Повета Министров СССР от 4 октября'1987 года 1022 рал-дел "Новые процессы углубленной и комплексной-переработки минераль-

ного сирья, пефги« гаяа, твердых горючих'ископаемых". Цель^ работ. Разработка ыатематкческоЛ модели Д1ГС получения 8Й{ из оедшк руд бассейна Каратау с учетом всех основных физико-химических явлении, для решения следующих задач:

- нахождение оптимальны^ условий проведения дигидратно-полугидрат-ного процесса, ..

- выработка рекомендаций для использования ¿того метода в промышленности. •

Научная новизна. Разработана математическая модель, позволяющая:

- рассчитывать скорость растворения фосфоритов Каратау полидисперсного состава с. учетом образующихся .сульфатных пленок на них, а также скорости зародашеобразованик и роста кристаллов дигидрата сульфата кальция, ДСК.

- рассчитывать скорость перехода дигидрата сульфата кальция /ДСК / в полугидрат сульфата кальция /ПСК/ и степень перекристаллизации ДСК в ЛСК.

Получено двумерное уравнение для плотности фикции распределения частиц фосфорита гю размерам и по толщине сульфатной пленки и уравнение для плотности функции распределения ЛСК и ДСК по размерам. Получена математическая модель процесса перекристаллизации ДСК в ПСК Исследован механизм перекристаллизации. Показано, что образование ПСК происходит за счет создания пересыщения по ПСК при растворении ДСК. Разработан алгоритм решения системы уравнения математической модели. Разработана технологическая схема и проведена оптимизация непрерывного процесса получения ЭЖ. Расчетнгм путем установлено, что при концентрации в растворе ниже 26сульфатные пленки на зернам фосфорита не растут и что' скорость роста сульфатных пленок практически не зависит от размера неходких частиц фосфорита. Практическая ценность. 0 помощью полученной математической-модели оптимизирован Д1Ш получения ¡К К из фосфоритов Каратау, даны рекомендации для осуществления стого процесса в пропиленных условиях. Полученная модель мо~ет бить использована при проектировании установок по производству ЭЗК дигидратио-полуги,г,ратным методом из фосфоритов Каратау. Разработан пакет програ-.в.:, который мо.тет быть использован для:

- определения эффективности проведения процессов сернокислотного растворения сырья, кристаллизации и перекристаллизации твердой фазы ь разных температурно-концонтрационпых условиях;

--разработки промышленного способа получения ЗЗК из фосфоритов Каратау дигидратно-полугидратньи способом без промежуточной фильтрации. Оаидаешй экономический Зффект от разработок составляет ИЗ. тыс.руб в ценах 1930 года..

-з-

■АШРОБАЦИЯ. Основные'результата диссертационной работа докладпаялась и обсуждалась на конференциях молодых ученых 'и специалистов МХТй ид. Д.11, Меидзлеева в 1980, 193Э, 1990 гг. !!о тема диссертации опубликовано 6 работ.

Сбьем работ». Диссертационная работа состоит из введения, четырех

глав, выводов и приложения. Обцлй объем,работы составляет ¡¿.т^) страниц, в том число рисунков и 2^5" -аблиц, Список яспольэо»-

ванной литератури содержит -/^¿Р наименований./

Содержание диссертационной работе

Первая глава содержит литературшй обзор работ, посвященных анализу руд бассейна Каратау и. различии технологических схеи производства Э'Ш. Выполнено» сравнение различных иетЬдов производства 8Ж показывает, что наиболее переспективными являются комбинированные 1,юто~ да. В связи с атш важное значение приобретаетДальнейшее изучение механизма и скорости взаимодействия фосфатрв с кислотами, а тдкке исследование процессом крметаллизации н' перекристаллизации сульфата кальция различной гндратиости,- на которые'.большое влияние оказнкаот качество пркмекяс1/.ого сырья. Поотсну одм! из разделов глаш /посвящен исследованию влияния примесей ра процессы разложения, фосфатного сырья, кристаллизации и перекристаллизации сульфата кальция. Для построения математической модели,/ учитывающей основные фиэйко-хнии-чсоли^'лроЦсссы производства ЗЗС> большое значение икоет'исследование скорости взаимодействия фосратов о лиедбтаыи и кристаллизация твердой фэзц. Накопленный опит и дальше позволяют провести анализ элементарных актов процессов растворений,, кристаллизщцш и перекристаллизации -сульфата' кальция, В' главо; также приводится анализ оучес-гвущих математических методов, прЫенре!^ для описаний процесса Юлучания.Э^. Существующие рёгрессиошше модели не дат возможности моделировать процесс получения 3:0? в широком интервале температур 1 концентраций компонентовСоздание математического/описания» учитывающие все выше'перечисленные, факторы,- обусловило наяравлешодть 1 цель данной работ«. ; / '.' '.'/■■ /'

1о второй главь приведены данные экспериментальных исследований ;игндратно-полуг«Дратного процесса получения Э'Ш из фосфоритов Ка-атау ,6 лабораторных условию?', Даны методики проведения' ск'сперимен-ов пб кинетике дигидратной и шяугидратной- стадий процесса, а тпп-э методики проведения анализов. Принципиальная технологическая сема ДПП получения ЭЗК преде грздлейа-на-рис ¿1., Для обеспечения перечной кристаллизации ДСК па первую стадию подают-только часть от ■ 'ехеометрической нормы сорго!) кислоты, Псрекрие-Лшшгщт ДСК л

- ч-

ИСК на второй стадии осуществляется в условиях повышения в пульпе концентрации - и тпппературы за счет оставшейся до нормы

части серной кислотах, которат подается на начало второй стадии.При ого;.! освобождается часть Р?05, захвачениач осадком ДСК м идет до-

Рис Л Принципиальная технологическая схема производства ЗФП дигидратно-полугндратным методом.

Исследования проводились в лабораторном реакторе периодического Действия. Для анализов л определения времени Лшьтровсяия использовались принятие в технологии Э'Ж методики. Состав используемого о работе фосфорита Каратау, полученного с Джэмбульсиого ПО "Хшпром",

был следующим, Й: Р205-24,5 , . СаО-38,9 , М ¿Г 0-4,7 , Р -2,4 , прочие, е основном и.о.-21,5.'Изучалось влияние на показателя процесса количества серно!) кислоты, подаваемой на первую и вторую стадии, концентрации оборотне" фосфорной' кислоты, подаваемой на первую стадию и температуры на второй стадии, ■ . '

В третье¡1 главе проведено построение математических моделей периодических; процессов растворения фосфоритов с' кристаллизацией' ДСК и перекристаллизации ДСК,в ЛСК. Процесс получения'ЭЗД ыоино, описать' с поь'.оцьа механики готерогенн-х срод, которая строится на основе , физических законов сохранения массы, импульса' и энергии. Для описания процесса разложения фосфорита при одновременном образовании на их зернах сульфатных пленок используется функция распределения числа частиц фосфорита по двум параметр®.!- размеру нерастворпдаегосм зерна/-и толщине сульфатной пленки'^. Модель растворения фосфатов с образованной кристаллов ДСН включает а себя математическое! описание процесса разложения исходного сырья с одновременном образованием на его зернах сульфатннх пленок и модёлЪ кристаллизации ДС1С. Модель включает в себя следующие уравнения; Уравнение баланса числа частиц фосфорита •'

ътлы). ътшш_ п" ... ¿ь. . и—+ и -0

Уравнение баланса числа частиц кристаллов ДСК

¿т) тлшй-п <

¿ь и " . ()>

Уравнение Изменения концентрации серной кислоты в раетпЬре

= -^(Щ +Х) 13),-..

Уравнение изменения концентрации фосфорной'кислоты в; растворе

. (II),

.Уравнение- изменения концентрации сульфита кальция в растворе Уравнение тиснения -плотности раствора

- ь-

№ - и+эу К).

п I

Определение зависимостей для скоростей растворения фосфатов А , кристаллиоации сульфатных пленок У^ и скорости кристаллизации £ кристаллов ДСК из раствора основывалось на уравнении универсальной двтгущей счлы массопередачн, которая включает в себя знтальпийную составляющую, обусловленную тепловой неравновесностью фаз, скоростную составляющею иеравновесности фаз й разность химических потенциалов растворенного вещества в ядре потока и вблизи поверхности раздела фаз. Исходя из того, что процесс происходит в аппарате идеального смешения, то есть смесь находится в тепловом и скорост-но» равновесии, били получены следующие выражения для скоростей основных процессов:

Скорость растворения частиц исходного фосфорита

• ЧЙ х

Скорость образования суль$ат!шх пленок

Г-Я(а+*ЩСгф <8,1,

Скорости зародтиеобрачования кристаллов ДСК

"1№=К/(С3-С/)г ; а),.

Скорость роста кристаллов ДСК из раствора .

щ

Система уравнений /I/ - /10/ представляет собой основу математической модели дигидратпой стадии периодического режима..Для решения системы уравнений математической модели использована.разностная схема с первым порядком аппроксимации по Ф , , и Л . В системе разностных уравнений использован метод расщепления /дробных шагов/ по координате времён». Полученная схема абсолютно устойчива. Программа решения системы уравнений составлена на изнке Фортран-4.

При поиске значений кинетических констант воспользовались экспериментальными данннми, полученными в главе 11. Определение кинетических параметров дигидратной' стсдии процесса осуществляли

- t-

с помощью метода случайного поиска. В качества критерия рассогласования воспользовались соотношением: , , ,

(И)'

Расчеты проводили до тех пор, пока не свели к минимуму значение критерия рассогласования. Вили получены,следующие значения кинетических констант: ü с А.тГм j , R ^

4= ЬМ-Щ22, к^ СМгМ Ы ,-л • I

Экспериментальное и расчетные данные хорошо согласуются г.южду собой. Сравнивал кинетические параметра дигидратиого процесса для фосфоритов Каратау и длл Хибинских апатитов,, можно,видеть', что коэффициент К2i входящий в уравнение для скорости разложения исходного сырья, приблизительно в.ГО2 раз выше для фосфоритов,Каратау, чем для'апатитов, то ость процесс разложения для фос^ригов Каратау идет намного быстрее. Это обусловлена различиями кристаллической структуры фосфоритов и апатитов. Также было шявлецо, что 'скорость крестами- . зации сульфатных пленок не зависит'от размера исходных частиц, что следует из малости,коэффициента & по сравнению с этим же коэффициентом для кольских апатитов. ¡ ,,' ■ / /

'С,помощью вычислительного эксперимента /било установлено, что при концентрации PgOg в растворе, нижа' 26,3$ / .сульфатные пленки на зерНгис фосфорита практически не'растут. ,

/В результате расчетов по. математической модели получен ряд зависимостей, характеризующих дигадратнум стадию процесса» измерение которых., экспериментальным путем весьма затруднительно.iípowe расчетах кривых дАя изменения концентраций компонентов раствора,' получены 1ависшости;для скоростей растворени^ фосфаяов, кристаллизации суль-уатенх пленок,' зародинеобразования и• роста ¡кристаллов' Д'?К, а также щя изменения среднего-размера'кристаллов ДСК и коэффициента иэвле-гения P^Ct, во времени в зависимости от объема подачи серной кислоты, 'pajJHK распределения числа частиц фосфоритов по размерам- во времени ¡лг разных толщин сульфатных пленок. . ......

На рис Л представлены расчетные' кривые Изменения концентрация, Ч $ со времени при рааном объеме подаваемой серной кислоты, идно, что.чем меньше ковцйптргщия серной кисуютц, тем больше рпечго-иморть ДСК, но на первых 10 мин. и концентрация, С ДО в растворе ыше, поэтому переешцение по ДСК вини, тем толще сульфатные плонкп. днако плотность Сульфатных плопок пропорциональна концентрации сер-

- ь-

iioii кислоты, поэтому на первых Ю мши образуются толстые,'но рых--Лиз сульфатные пленки .при низких концентрациях серной кислоты в растворе, а затем возникает тенденция к образованию тонких пленок, в результате чего суммарный коэффициент извлечения Р^ в растворе при низких концентрациях серной кислоты выше и вше концентрация Р2О5

в раотворе.

На рис.2 приведено распределения частиц фосфорита по размерам для толщин пленок 2,5 и 5 мкм в разные временные промежутки. Моучо видеть, что наиболее вероятным представляется процесс образования сульфатных пленок на частицах фосфорита большего размера. Так, по истечение 8 мин только незначительное-число мелких частиц не имеет сульфатной пленки /кривая 2 /. При.ртом на более крупных частицах кристаллизуются пленки с большей толщиной. Так, через 8 мин почти все частигы размером более 130 мкм имеют пленку толщиной 5мкм.

Кроме того, из рис.2' хорошо просматривается тенденция к росту сульфатны", пленок. Например, по истечении 20 мин количество частиц, iD.ierJjitx сульфатную пленку толщиной 5 мкм /кривая А! значительно больше частиц с сульфатно!; пленкой 2,5 мкм /кривая 3/. С другой стороны, существует тенденция it разложению сирья, так наг,более ве-рояТ!М1-' размер фосфорита для данной толщины пленки .уменьшается с течением времени.

lia рис.З представлено изменение скорости роста кристаллов ДСК со времени для разного количества подаваемой cepuoii кислоты.Видно, ■что на лергодх 10 tu-.ii-, чем шгсчг конце:нтрация ¡>0% в растворе, тем больше пересилен!» раствора по ДСК, которое является со.нопной дви-.ryi^çii ci-'лоЛ процесса ктмст-м.пп.инп', и тем, слздерггелмю, больше

М { U

уцтЖч-Щт г

JjMrn.

Г Шмл

пристал."HM.Tinr. и тем,

О 20 W 60 KOHigimuf-aUPs №тттщ№3

OÎQ wiù m 130 iZ-Mmн 3/ht-29m/i

10 20 •/-• Щбгл

2- iZSm

-у-

скорость роста кристаллов ДСК. В дальнейшем значение пересыщения' уменьшается И скорость роста кристаллов ДСК подает.

Из анализа расчетное кривых можно сделать следующие шводм:

- процесс идет интенсивно и точение первых 30 мин, далее тормозится из-за образования сульфатных .пленок, которые затрудняют реакцию' разделения ^осратов, и увеличения вязкости раствора}

- процессы происходят интенсивнее при малых количествах подаваемой серной кислота, что объясняется наличием более рнхлнх пленок ДСК;

- скорость кристаллизации Сульфатных пленок не зависит от размера исходных частиц, фосфорита;

- при концентрации Р^О^ п растворе ниже 26,2%. сульфатные пленки на зернах фосфорита практически не растут;

- по всей видимости,.непрерывный процесс для дигидратной стадии следует вести при низких концентрациях/серной кислоты в растворе, не превышающей 255, но но менее равновесного значения, что позволит уменьшить интенсивность образования сульфатных пленок.

Для-построения математической модели второй стадии воспользовались моделью идеального смешения. Подход к построению модели аналогичен подходу к построен!;-: математической модели первой стадии. Для описания процесса перекристаллизации ДСК в 11С1С воспользовались допущением, которое было проверено п ходе экспериментальных исследований, что пронеся перекристаллизации'происходит'главным образом через ;:;идку» фазу н рост кристяллов ИСК происходит в кинетической области, '.¡атсматичоскал модель второй стадии включает в себя математическое описание процесса растворения кристаллов ДСК при одновременном образовании крист-чллоп ¡¡СК из раствора. Модель включает в сс(5я уравнения баланса числа члетиц ДСК и числа частиц ИСК, которче .«¡я бистротн расчетов .на ¿К'-! внраглвт через первое три момента плот-нг-отк их Душздик гпг,по?дсл<;'Н;п. Точк:> образом иодуиенз следующая • сне.том.ч уравнений:'

а =-л*4 а цЦсН = ¿ц; (Ц

(Щ (1?);

.'лтедаткчеапя ирдзль пклгач.чет п себя также уравнения для' изменения иот'екгрлш!» гс-ллюиентов р'ютпо1'а, и пго плотности, которые приведены ни-" о:

- {и~

& а - Щ ¿Ь + Ми*? 4 ¿&.-.Ж 1 - Ж- ч-

сГГ" М*^ ^ (АШц ^г (22)7

где Iда/)] характеризует суммарную интенсивное

растворения* кристаллов ДСК, $2= £¿(3%) ' характеризует суммарную интенсивность кристаллизации частиц ИСК. Выражения для скоростей растворения ДСК, зародышеобраэования И роста кристаллов ИСК получены аналогично соотношениям для скоростей процессов на первой стадии:.

(гз),

Гщ=И2'(иа,щ-С^ {г«), # гКя'(25)} Г Ч^Сса^'С") (26). /

Математическая модель второ/! стадии перлодического процесса включает в себя уравнения /II/- /22/ и соотношения /23/г7Й6/. Уравнения решали методом конечных разностей с первым порядком аппроксимации по £ и "Ь . Полученная схема абсолютно устойчива. Прграмм; для решения системы'уравнений написана на языке Фортран-4, кинетические константы процесса найдены методом случайного поиска.Полу-чет следующие значения кинетических .параметров: ,

к^Щ-Ю^'Ш . ,!{„= о,ЕЫЮ^УмЧ .

8кспбри:.»;итолышв и расчетные данные хорошо согласуются между со-бои. ¡Ла гсиатлчвекоя модель адекватна описывает, процесс перекристал-лизап.и!п ЬОК, _ .

. В т«5л. I представлены экспо шментальнне и расчетные данные

-и-

по изменению концентраций и в РаствоРе 00 времени

при температуре 83 °С. Колебания концентраций компонентов жидкой фазы подтверждают наше предположение о том, что пррцесс перекристаллизации происходит главным образом через жидкую фазу. Табл. I

$ экс-та г Расчетные значения, Экспериментальные

Т , мин с/ /0 значения, %

Р2°5 СаО . т СаО .

I 0,0. 31, Я 1,73 0,000 - -

5,0" 31,6 2,84 0,807 31,65 2,93 0,500

15,0 31,6 1,80 0,302 31,70 1,60 0,294

30,0 31,3 2,70 0,707 31,15 1,95 0,678

75,0 31,2 2,19 0,502 -- - 0,572

120,0 с 31,2 2,00 0,752 — 2,16 0,765

150,0 31,2 1,98 0,297 31,92 1,29 0,618

180,0 - -' - 31,96 1,16 0,296 :

210,0 ■ ¿1,2 1,97 . 0,194 32,00 0,80 0,334

2 0,0 29,03 12,30 0,000 „ _ -------1 <

5,0 29,06 12,98 0,652 29,00 12,30 0,672

15,0 29,00 11,97 0,537 28,40 12,63 0,553

30,0 29,30 12,92 0,595 29,20 11,55 0,501

60,0 - - - 29,20 . 12,78 0,485

90,0. - - - 30,60 11,23 0,'>52

120,0 29,56 12,57 0,275 29,90 11,08 0,300 ;

150,0 29,30. 10,55 0,465 29,10 10,бб 0,594

180,0 - - - 28,94 8,81 0,182 '

210,0 29,56 10,50 0,292 29,74 7,75 0,360

В табл.2 приведены расчетные и окспериментальные данные по влиянию I концентрации серной кислоты вначале второй стадии на степень пере- | кристаллизации в конце процесса при температуре 95 °С. Видно, что ! чем вше значение начальной концентрации серной кислоты на второй | стадии, тем выше степень пересыщения раствора по ПСК К тем, следо- ' вателыго, интенсивнее идет процесс перекристаллизации.

Табл, 2.

Расчетные данные, % Экспериментальные данные, %

Р2°5 /V Р2°5 ' /

31,2 •1,73 57,15 31,50 1,80 55,0

.31-,2 2,60 ' 66,53 31,67 2,90 . 65,0

31,2 3,60 82,35 31,70 3,50 ' 80,0

В табл. 3 представлены расчетные и экспериментальные данные зависимости степени перекристаллизации от температуры .на второй стадии Чем выше температура на..второй стадии, тем выше равновесная, кон- , центрация и тем, следовательно, больше движущая сила процесса растворения ДСК и тем'выше степень перекристаллизации. Табл. 3

Расчет, ?« Эксперимент, % ,

Т, °С Р2°5 У Р2°5 ¿°3 /К

83,0 '93,0 ' 95,0 31,2 31,2 1,73 1,73 9,15 •57,15 31,10 31,50 31,50 3,28 3,15 1,80 ■10,0 . 45,0 55,0

Анализируя данные табл. 2-3 можно сделать вывод, что непрерыв' най процесс следует вести при концентрации в растворе порядка 5 - 7 ?! и температуре порядка 95 - 97 °С на второй стадии.,. В'главе четыре приведено построение'математической модели дигид-ратно-полугидратного процесса в непрерывных условиях* Предложена технологическая схема производства. 8® для промышленных'установок, О помощью математического моделирования были уточнены расходы серной-и фосфорной кислот, фосфорита , подобран рабочий объем аппарата, который используется на первой стадии процесса. Даны рекомендации по использованию данного метода в промышленности для фосфоритов Каратау. " . .'.'.•••

Но разработанной схеме-/ си. рис. 4/ фосфатное сырье смешивают е оборотной фосфорной кислотой, поступающей со. стадии фильтрова нип полугидратпой пульпы, Образующаяся пульпа.поступает в реактор дш'пдрчтцоГ, стадии, куда также подают концентрированную серную иго лоту /. При температуре 75-80 РД разложение'фосфата на

ото/ с,»:,,,.!'.1: 'ззкгшчис-У'ген черэз 0,8 1,3 ч с образованием ДСК.

По окончании процесса раэлсхспня пульпу подают в реактор перекристаллизации, куда добавляют определенное количество сериоМ кислоти для создания некоторого её избытка в жидкой фазе. Вторая стадия сопровождается кристаллизацией ПСК и перекристаллизацией образовавшегося на Первой стадии ДСК п ПСК. Продолжительность второй стадии 3,5 -4 ч. Далее пульпу фильтруют и прошвают» Дигидратиая стадия осуществляется в односекцишном реакторе типа "Ритм", конструкции 1ШШ&, а полугидратная - в прогялптлспном Ю-семционном реакторе емкостью 740 м3. При разработке математической модели непрерывного пропса, с учетом те рмодин амгче с к их условий в реакторах, приняты следующие до лущения: экстрактор дигидратноП стадии представляет собоН одну ячей-: ку идеального смеиения, а экстрактор полугидратной стадии - пять ячеек идеального смешения /ячейка состоит из двух секции/.

фосфат

»3^4

1 обор

»2°

1

I I 3 4 5

Фильтрация

I стадия П стадия

Н дРО^ оборотная .

Промывка

Продукционная

кислота

'ио. 4

Математическая модель непрерывного процесса учитывает структуру ма-горпалы.их потокоп в аппаратах. С ¿то!! целью сведены когкТфгциепти И..{. .прмшявоте значении 0 или I в озвксю/остл ,от помора н:с!;ю:. Матсы-тпк.аскг'.и недель дигидрат ностадии представлена урав-¡еннями:

>аланса числа частиц фосфорита

у

■ о

0

(2*

(Щ

¿ь ы ' У*

¡аланса числа частиц ДСК

а ' за ~ 5 у* 1

змененкя концентраций компонентов пастсота.

-УУ-

измен'ёния плотности раствора

Математическая модель второй стадии представлена уравнениями для цервых трех моментов плотности функции распределения числа часг.вд ДСК и ПСК,-соответственно, уравнениями изменения концентраций ■ ^ОдИ СаО в растворе, а также уравнением изменения плотности рас та ра для каждой Ь -й ячейки реангора. Уравнения для первых двух моментов плотности функции распределения числа Частиц ДСК приведены . ниже. / '

Аналогичным образом записываются уравнения для второго, и третьего Моментов плотности функции распределения числа чаотиц ДСК и уравне Лий для моментов плотности, функции распределения числа частиц ИСК,-Уравнение изменения концентрации ^Оз в растворе записывается следующим образом: . . ' .■',■•'

т

Таким же фразой можно записать уравнения изменения остальных концентраций компонентов раствора и плотности "жидкой фазы. Уравнения математической модели решали методом ко'нечных разностей с первым-порядком аппроксимации. "Программа решения системы уравнений матема тической модели написана на языке Фортран-4. '

О !!о:;о:-ьч матоаптическогй моделирования найдшш оптимальные

расхода количества серной кислоты на первую и вторую стадии ДПП, эборотной фосфорной кислоты и фосфорита на первую стадшо и объем реактора первой стации, которые позволяют поддерживать оптимальные концентрации компонентов жидкой фазы длл достижения максимального соэффициента извлечения на' первой стадии и' максимально!! степени перекристаллизации На второй стадии. При этом в оптимальных условиях соэффициент извлечения РзОд в раствор составляет 97,5-98/5, а сте-¡ень перекристаллизации ДСК в ПСК 98-99^. .'

Рекомендации по организации непрерывного ДПП для фосфоритов !аратау переданы в НиУИФ. Экономический эффект "от разработок сос-авил ИЗ тыс.руб в ценах 19У0 года, нводн по работе ' .

. На . основании зкеперименталышх исследований по кинетики разло-ения фосфоритов Каратау в условиях дигидрагного процесса предло-ена математическая'модель дмгидратной■стадии ДПП, учитывающая ос-овные закономерности протекания процесса и позволяющая рассчитывать скорости основных процессов, а токке- функции распределения исла частиц исходного фосфорита'по размерам и распределения числа астиц ДСК-по размерам. *

. Расчетным путем установлено, что при низких, концентрациях Р2О5 растворе, ниже 26,3^, сульфатные пленки на зернах-фосфорита не 5разуютсл. ■ '

. С помошью вычислительного эксперимента определено, что скорость эста сульфатных пленок практически не зависит от размера частиц )с;|орита.

Исходя из гипотезы разового перехода ДСК в ПСК в.фосфорно-кислнх ¡.створах через -жидкую '¡талу, основанию на полученных эксперимен-(льных данных по кинетики процесса перекристаллизации, раэработа-I математическая модель полугидратноП стадии ДПП. Модель учитыва-• осиовнь-о физико-химические гпкоиомсрности процесса перзкристол-:зации и позволяет рассчитывать скорости процессов растворения К, зарсгдлсобрачопаиня и роста кристаллов ПСК из раствора, а так-)

степень перекристаллизации ДСК в ПСК. • Разработана технологическая схема ведения непрерывного ДПП, для торого с покцгг.ы) иатенатического моделирования уточнен объем ре-г тора первом стадии -и расходные характеристики, при которых достается максимальный коофициент извлечения на первой стадии и кеш.толытап степень перекристаллизации На второй стадии. Даны ре-мондацки по использованию этого метода в промышленности-для фос-рйтов Каратау. Экономический эффект от разработок составил ИЗ . з.'руб в ценах -1990 года.

Условные обозначения

~ фуннцни распределения числа частиц фосфорита и ДСК по разме рам, соств.; , р° , pg - плотность раствора,фосфорита,ДС

сульфатной пленки, соотв.; - суммарная интенсивность процесса растворения фосдатов; I4 , Xj, Хц. ~ суммарная интенсивность процесс роста'сульфатной пленки, кристаллизации ДСК из раствора,'зародшеоб разованип ДОС, соотв.; (I - число оборотов мешалки; (I - диаметр мешалки; $ - коо$фициент джНузии; ^ - вязкость раствора; Cfi - растворимость; К^- копффпциеит извлечения; - средний размер ДСК; с-Alf - I ~й момент плотности функции распределения числа частиц ДСК; tUfa - О -i! момент плотности функции распределения числа частиц HCi{; ff- CTsnot-ь пер51фкстслляза!\ии; Л«'- - скорость растворения

ДСК, образования ПС!?, соотв.;" скорость зародакообразова-ния ДСК' irficii, соотв.; \!1 - объем £ -П ячейки экстрактора; '/¡р- -объемный расход пульпы, идущей на фильтрации;'/^ Л^РР^У^'0^1' .нпй расход фосфорита, оборотной фосфорной и серной кислот, соотв. Литература по теме диссертации

1. Кольцова 3.Г,!., Пстропашювсивй И.Л., Соболева И.В. "Математическое моделирование и оптимизация дигидратной стадии процесса полу

> чения опстракционной фосфорной кислоты дигидратно-подувидратним методом из фосфоритов Карзтау"/Изв.ВУЗов. Химия Химическая технология, 1992, той..35, вып. 2, c,84-Sü

2. Кольцова Э.М., Петропавловский H.A., Соболева И.В. "Математическое моделирование и оптимизация стадии перекристаллизации лроцес са получения экстракционной фосфорной кислота дигедратно-гюлугид

:'ратным мзгодом га фосфоритов Каратау"/Мэв.ВУЗов. Химия и-химичес кая технологи/., I9Ü2, томД^", вып. ß , с.

3. Кольцова Э.М., Соболева И.В.' "Математическое моделирование и оптимизация процесса получения'экстракционной фосфорной кислоты дигидраттш способом .из "фосфоритов Карат ау"/Материалы научи.конф Москва, 22-23 ноября 1988/ Mocjc, хим.-технол, ин-т, М,, 1988,

с.19. - Деп. в ВИ11ЙИ ii5M3-B89, ' -' ■ /

4..Кольцова P.M., Соболева И.В,."Математическое моделирование процесса получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратным спо собом из фосфоритов Каратау"// Тез..стенд,докл. 3-й Всесоюзной научн. копф."Методы кибернетики химико-технологических процессов

Москва, 14-16 июня 1989, с.48 • • . /'"'"'.....

5. Соболева 11.13., Кольцова 3.П.' "Математическое моделирование и оп-■ tinшзпнин процесса получения ЭШС дйгидратно'-полугццратньм методом"// Тез. докл. 4-й Московской конф. молодых ученых и студентов «о xi!>.!i:u и •/.н'дпческо!; технологии. - Москва, 1990. .