автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и оценка эффективности схем организации потоков в каскаде реакторов смещения (на примере азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья)

г Г Б ОД

., п ~,,г> На правах рукописи

| и Г(н>1 иои

'БШЪ ТХ!! ХОНГ ХАНЬ

РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ОРГАНИЗАЦИИ ПОТОКОВ В КАСКАДЕ РЕАКТОРОВ СПЕШИМ (НА ПРИЗЕРЕ АЗОТНОКИСЛОТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ВЬЕТНАМСКОГО ФОСФАТНОГО СЫРЬЯ)

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА- 1995

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

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Петропавловский И. А.; кандидат технических наук, доцент Ахназарога С. Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беспалов А. В.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Новиков Э. А.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. проф. Я. В. Самойлова.

Защита диссертации состоится с^-/ 1995 г. в <¿0 час. в ауд. заседании

диссертационного совета Д 053.34.68 в РХТУ им. Д.И. Меделеева (125047, г. Москва, А-47, Миусская пл., дом 9). /

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

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного с

Д. А. БОБРОВ

-1-

ОЗЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. 53 соответствии с о&рспьятшяшм планом рзоглпия народного хозяйства Вьетнама напечены ксогае текши роста производства минеральна* удобронпй, в том числ-з и в первую очередь фосуорсодв] у.авдх удобрений.

Истощение запасов высококачественного сырья приводит к необходимости вовлечения а кислотную переработку ное^х видов, как правило, низкокачественного фосфатного сырья. Это в свою очередь приводит к необходимости разработки новых технологичесгак схем п^,,,,,»,™-; фосфсриих. >ли<зрвний или изменял»! тсгпалогатесвого пп сущвстуьщем оборудовании.

Азотнокислотная переработка фосфатов, в особенности низко- • сортных, является целесообразной и перспективной, т.к. этот метод менее требователен к качеству исходного сырья.

Основной стадией процесса, во многом определяющей его экономические показатели, является стадия разложения. Извлечение Р20& из пор природных фосфатов - слозиг'й гетерогенный процесс с изменяющейся твердой фазой, детальное теоретическое списание кинетики этого процесса весьма трудоемкая и слокная задача. В настоящей работе в математических моделях предлагается использовать кинетические характеристики, получаемые из эксперимента по разложению конкретного фосфатного сырья. Эффективность процесса разложения определяется температурными и .. нцентрглдошшыи условиями, интенсивностью перемешивания и временем процесса. Экспериментальное исследование процесса разложения при разработке лабораторного регламента проводится обычно в лабораторном периодическом реакторе, в то время как промышленное производство реализуется по непрерывному способу. Для обоснованного определения показателей непрерывного процесса, в частности, времени пребывания, обеспочшза-юцего заданной коэффициент извлечешш Р^О^, по кинетическим данным, полученным в периодических условиях, необходимо использовдта методы математического моделирования. и

В связи с "шеизложеттим повышение эффективности стадии азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья путем выбора лучшей из различных схем организации движения потоков в каскад-? реакторов смешения является актуальной научной и практической задачей.

Цель работы - исследование процесса взотнокислотного разло-

кешя двух видов вьетнамского сырья: высококачественного (содера-Ш18 Р20& - 36%), запасы во Вьетнаме незначительны и низкокачественного высококарбонатного (содержание: Р205 - 21%, С02 - 16,3%, МйО -7%), осноБШ.'в запасы ?;о Вьетнаме представлены этим видом сырья. Главная задача работы заключается в установлении возможности улучшения технолопгееских показателей стадии разложения путем "анализа использования различных схем организации потоков в каскаде реакторов смешения (прямоточной, противоточной схем и схемы с рециркуляцией твердой фазы), а также поиск технологических решений для переработки высококарбонатного доломитизированного сырья.

Научная новизна. Впервые исследованы возможности улучшения технологических показателей стадии азотнокислотного разложения двух видов вьетнамского фосфатного сырья путем использования различных схем организации движения потоков в каскаде реакторов смешения.

Разработаны алгоритма расчета непрерывного каскада реакторов смешения равного объема для прямоточного, противоточного процессов и процесса с рециркуляцией твердой фазы.

Методом математического моделирования нроведен анализ параметрической чувствительности процесса азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья к изменению факторов, определяло: эффективность процесса, исследовано взаимное влияние факторов для различных схем движения потоков.

На основании кинетических, дашшх, полученных в лабораторном периодическом реакторе, определены кинетические характеристики: энергия активации,, порядок реакции, кинетическая функция и время полного разложения- процессов азотнокислотного разложения высококачественного сырья, азотно-сульфатного разложения низкокачественного высококарбонатного сырья. Проведена оценка эффективности схем организации потоков в каскаде реакторов для разложения каждого вида сырья.

Предложена противоточная схема подачи реагентов как экологически и экономически приемлемый способ борьбы с ледообразованием при азотнокислотной переработке высококарбонатного сырья, обеспечивающий.4 к тому же более высокую технологическую эффективность оборудования.

Практическая ценность. Полученные результаты по оценке эффективности различных схем потоков в каскаде реакторов смешения при азогяокислогном разложении вьетнамского фосфатного сырья поз-

-отчк.т выбрать наилучший способ срг&гшзации стадии •;чслотпой переработки для конкретного вила о;рз.я.

.'."роо.чпии работе, основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуудс.чпсь на IV Мездународной научной кон-^генани ''Метода кибернетики химико-технологических процоссов". •!'.:<:т;1-1У-94". (Москва, 1994), на IX Международной конференции мо-опыч ученных "ЖХТП-Э". (Москва, 19Г»5).

чуоликэты. По результатам работы имеются 4 публикации. Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, "ст™с-:: глав, списка литературы. Работа изложена на.

страницах маиинописного текста, включает ¡¿Л таблиц и рисунков. Список используемой литературы содержит Л 4 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется, актуальность и основная цель диссертации.

Первая глава посвящена анализу литературных данных, касающихся сущности процесса азотнокислотного разложения фосфатного сырья. Особое внимание уделено рассмотрении основных проблем, возникающих при прямой азотноккслотнсА переработке низкокачественного высококарбонатного долсмитизировашюго сырья.

Приведен обзор существующих походов, к описанию кинетики процесса кислотного разложения фосфатного снрья. Отмечет/ достоинства и сравнительная простота метода, использующего кинетическую функцию, который дает возможность на ©еяоЕании кинетической информации, полученной в лабораторном периодическом реакторе, моделировать процесс разложения в непрерта'-таЯ системе.

В связи с этим конкретными задачами- исследования являются:

- разработка математической модели кинетики процесса азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья, предназначенной для расчета непрерывного процесса в каскаде реькторо.} скен'п1".;я по экспериментальной информации, полученной в лабораторном периодическом реакторе.

- определение кинетических параметров, кинетической функции и врск»ни полного истечения для азотнокислотного и азотщнеуль-фатного разложения вьетнамского сырья. ,г- разработка математических моделей и алгоритмов расчета

процесса азотнокислотного разложения фосфатного сырья в каскаде реакторов смешения непрерывного действия, для различных схем организации движения потоков.

- анялиз параметрической чувствительности процесса азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья к изменению условий разложения, кинетических параметров, гранулометрического состава и различных схем движения потоков.

- моделирование стадии азотнокислотного разложения вьетнамского высококачественного фосфатного сырья и расчет каскада реакторов смешения для:

- прямоточного процесса;

- противоточного процесса;

- процесса с рециркуляцией твердой фазы.

- моделирование стадии азотно-сульфатного разложения вьетнамского низкокачественного фосфатного сырья и расчет каскада реакторов смешения для:

- прямоточного процесса;

- противоточного процесса;

- процесса с рециркуляцией твердой фазы.

Во второй главе проведен анализ параметрической чувствительности процесса азотнокислотного разложения фосфатного сырья в непрерывном каскаде реакторов смешения.

Для осуществления обоснованного определения показателей непрерывного процесса по результатам периодических опытов было предложено представлять экспериментальную информацию о кинетике разложения в виде двух функций: кинетической функции процесса и времени полного разложения. При этом сделано допущение: функция, выражающая зависимость скорости процесса от состояния твердой фазы, температуры и концентрации, представлена в виде произведения функций:^ 1 п <Ю

- = -Я(П).Г(Т).ф(С), следовательно , I ---- -

(И • !(Т).<р(С) 1 г(П)

1 о <Ю г П (ЗП о «Ш

---; -• е = - = ;- : /-

Г(Т).ф(о 1 ия) 1 1 гш) 1 г(П)

Кинетическая функция процесса П(9), выражанцая зависимость доли неизвлеченого Р205 П от безразмерного времени пребывания 0, инвариантна относительно концентрации и температуры, а время полного

рпзлоие.чия т зависит от твмперг'.'ур1 и нсрш язотлс1 кясло"-1!.

Была кзлозона методика определении кино-тичееких характерис-¡го результатам периодических опнтов, где злкисхмость от тем-пзротурн представлена в вг!ДО ?(?) = ехр(-Е/НТ), з-ьасаюоть от т;еа"?-нтрзц!тн ф(С) - С01 (Е, а - соответственно "кавугу'юя" анергия втпюаигл и порядок реакции по НЖ)3).

Й1п(1?/ст) 1п(й^/йгт) где и, г2 ВР0МЯ»

К ----------------------а = - кес ";-,с>,тамое для

1/та - 1-''^ 1п(с1/с2) досгзжэшм одного

и того яе значения п в первом и втором опытах.

КйпнГИЧмскми !1|унК-|ИЧ О = 0(6)

е = t.-x =J eg dtn / J с!

Время полного разложения при С, Т

И «п

т = xQoxp £--^-)](—где Tq—время полного разло- .

R т то с кения ггри С0, Т0. Была разработана методика проверки инвариантности кинетичес-коа функции по акспериментальннм денным.

К 2 П 2

sf----------; ---- (j = 1,n)

m - 1 n

где n-чнело точек на экспериментальная кинетической кривой,

ш - число кривых при разных (С, !).

Условие однородности дисперсий (па критерия Кохрека G):

О = шах s^(fi)/ \ < a(i1=n,r2=m-1 )p=0j05

3=1

Условие инвариантности (по критерии Фишера F):

р = -:- = -;-— < Pir^ntm-I ).Г2-ГЗОСПр^=0,05

Slornp(f2) 10 4,SIX-I7P(K)

:'а готические модели процесса извлечения р-О* в непрорывшл

t-j о

изотермическом каскаде реакторов смешения для различных схом двл-я^нпй готогсов имеют виц (к=1, 2,..., п) - для прямотска

т„ =

{ б^Г2 | П(9)ехр(-О/0. )Й9

5 етр Г- ±(±--1-)]

где:

(а) 7К- доля неизв-леченного Рг05 при непрерывном процессе на вы-

(0) ходе из к-й ступени; ^-среднее

(в) время пребывания в кий ступени каскада; 01= Т^/и^-безразмер. сред.время преб.в 1-й ступени; Ь-расход НШз при полном разложении I т исходного сырья. - для противотока

к е^-2 | п(е)ехр(-е/0. )йв ?к = ~

ск = с.

'яач ~ Ь (1~Тк >

1„-обьем жидкой

К

о

1Г

(-£-)" "[--Г 1т-Т и

к

1- А(1-тк) +-]

6

т

(а) фазы из к-й ступени; 1К- объем жидкого слива после разделителя,

(б) направленного в.

(к-1 )-ю ступень; (б') 1СГ- влажность осадка после раз-делитоля фаз; Д - убыль массы

(в) 1т исход.твордой фазы при полном

(В')

разложении;

,Ч»И1к+1 + Ск-^сг"- Тк-1)3 = «Ук + Ьт(ТК-1 - V <в>> - для схемы с рециркуляцией твердой фазы

1 1

%/п--X п(в)Рк/п(в)ае

I - V о

]"■*[-4 с

где:

^-коэффициент 1 рециркуляции;

— ]] <б> Рк/п(0)- Ш10ТН°-0 сть распределения

я

с

о

о

VK вероятностей вреТ -----------) ¡«ни пребывания

i +г ''аСТИЦ ИЗ ВЫХОД Ga.

ао[

10 + пц + - ] из к-й ступ, п-

^т ступенчатого каск.

л с ррциркуляцией;

У'нач + г1ц°п " W1 + Тц - W 10. 'а-влаиюсть •

•\г -------------(в) исходной и рецир-

10 г г1ц куляционной суспензии Величша а./„(0) определяется в зависимости от решения урав-

уу (no р) - v - а.

1=1 А •

Были разработаны 'алгоритмы и программное обеспечение для расчета непрерывного каскада реакторов смешения равного объема для азотнокислотного разложения по ураълениям моделей. В основе алгоритмов лежит метод итераций.

Методом математического моделирования нами проведен анализ параметрической чувствительности процесса азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного енрья к изменению факторов, определяющих эффективность процесса, таких как соотношения объемов ступеней, числа ступеней каскада, порядка реакции по азотной кислоте в диапазоне 0,5+1,5, характерном для азотнокислотного разложения фосфатов, нормы азотной кислоты в диапазона luu+120%, температуры, требуемой степени разложения для различных схем движения потоков. В качестве критерия эффективности процесса выступает требуемый суммарный обьем аппаратуры Vg (в м3) на I т/ч Исходного фосфата, обеспечивающий требуемую степень разложения.

На примере каскада из 2 реакторов с различным порядком реакции а, при различных нормах азотной кислоты II и конечных долях неизвлеченного вещества 7 , наше исследование подтвердило теоретическую зависимость оптимального соотношения объемов ступеней ф от порядка реакции для гетерогенного процесса фшт ^ I+а. Выигрыш для экстремального случая, т.е. для высокого порядка реакции а-1,5; при р.ысокой степени разложения 7о=0,01; при низком избытке азотной кислот (N--105%) составляет лишь 5% по сравнению с объемом каскада реакторов равного объема. Неудобства, связанные с изготовлением, монтажом и эксплуатацией реакторов различного обы;-ма, на наш взгляд, не компенсируются незначительным уменьшенном общего объема аппаратуры, поэтому для азотнокислотного разложения

вьетнамского фосфатного сырья реакторов равного обьема.

3 Рис.1

а=1

.N=105%

в дальнейшем используется каскад

___против,

.прям.

Рис.2 а=0,5 Тп=0.02

у го

у

0,05" 0,40

Анализ результатов расчета показал, что с увеличением числа ступеней каскада реакторов требуемый суммарный обьем аппаратуры уменьшается (рис.1,2). Установлено, что с ростом степени извдечз-ния Р205 благоприятное влияние увеличения числа ступеней усиливается; этот эффект тем заметнее чем выше порядок реакции и чем меньше норма азотной кислоты.

При использовании схемы противотока эффективность процесса увеличивается с увеличением требуемой степени извлечения, а такда с увеличением порядка реакции. При низкой степени разложения, о-чонь малом или очень большом избытке кислоты противоток неэффективен (рис.1,2). Улучшение показатели противотока связано'с болг' благоприятным распределением концентрации ШЮ3 по ступеням.

Эффективность процесса с рециркуляцией твердой фазы снизится с увеличением требуемой степени извлечения (рис.3 а).

Эффективность рециркуляции резко возрастает с . увеличением коэффициента рециркуляции V (рис. 3). При исследовании взаимовлияния факторов установлено,.что с увеличением порядка реакции нук-но увеличить коэффициент рециркуляции для того, чтобы рециркуляция была эффективна (рис.3,6)

Повышение эффективности при использовании схемы с рециркуляцией твердой фазы по сравнению с прямотоком объясняется улучшением распределения частиц по времени пребывания и увеличением мэк-

фазноа поверхности в единице оОьема суспензии.

V& прям. 0,Ы ) N<=100/,

0,05"

г-%ъ- °>02-

з _ ЧЬ=0,04

0,<+ о,г о

N

X V \.

* *С,5 2 . р<=^0 3 _ о< =

ОД

0,6

0,4 1

б,Ь 0,5

0,Т

Рис. 3: Влияние коэффициента рециркуляции и ня суммарный обь«м

трехступенчатого каскада рециркуляцией твердой фазе**..

Из литератушшг данпт-' известно, ч;о процесс кислотного раз-лгоспия високскарошзтоогс оарья сопрсвожкаотса озялшю пеиооз-рзеозанкек. что ;;с позволяло использовать традиЛиотаде технологические сх#ги для переработки лтгс. РУД- ПеиооОразованко приводит г еттуттю щячтортяьтст:* ¡зоактороп. коррозионному износу об?-

уа-уд^с«;!'.» экологически: условий ппоизв' тетка. Ие!?о-> зечокке опгья гсубого помоле ет")«: "низить затраты на ип»/"г»л' -четю сырья, уменьшить ценообразование при кислотном разложении.

РтТслгс;* гг"-" ""л ~>?"~сг, —

"Г"Г;->0К!!0,' :*• ■ •• р--с """ , '. .¡л'1 с^та апатпок^г-": "

разложения висококароонатного сырья различного грзисостава. 113 основании полученных данных т»ами рчссчитан суммарный обьем трехступенчатого пря'г^ 'очного каскада факторов для степени извлечения Р?Сб - >"5. г.;... '.О°С г, при рнормзх озотпо» кислот» ' различи;: ; гл^декс-тс:*?: заполнения реактора т]. Результаты показали несохолшость использования сырья более крупного гтомоля, и нашем случае с размером частиц до 3 им при 40°С, норме НГЮ3~130''. Однако, необходимость еннгепля производительности реакторов при азотнокислотном переработке высококарбонатного фосфатного сырья грубого помола требует поиска и других технологических решений.

Третья глава посвящена оценке эффективности различных схем организации движения потоков в каскаде реакторов при азотнокис-лотном разложении вьетнамского высококачественного сырья.

Кафедрой ТНВ РХТУ для высококачественного вьетнамского сырья разработан лабораторный регламент прямой азотнокислотной переработки этого сырья на сложные удобрения в периодическом реакторе при Т = 50-тб0°С, норме азотной кислоты N = 100^120%. По вышеизложенной методике в нашей работе были определены кинетические характеристики процесса разложения: "кажущаяся" энергия активация ' Е = 28,1 кдж/моль; порядок реакции по Ш03 а = 1,08; кинетическая функция и время полного разложения. Было доказано, что полученная кинетическая функция инвариантна относительно условий разложения.

Были получены математические модели процесса разложения вьетнамского высококачественного фосфатного сырья в непрерывном, изотермическом каскаде реакторов смешения для различных схем движений потоков. Проведены расчеты показателей процесса разложения по уравнениям моделей. Из табл.' 2 видно, что при использовании

Таблица I

Суммарный обьем реакторов для различного число. ступеней п

1'гри 7П П = 1 П = 2 П = 3 П = 4 п = 5 п = 6 П = 8 П = 10

Т = 5¿ J°C, но; яла азог ■ной ки зло ты N = 100%

0,02 103,11 19,83 11,67 9,40 8,07 7,93 6,75 6,61

0,01 - - 33,00 22,03 19,84 18,07 15,86 14,69

Т = 5¿ ГС, но; )ма азо1 ■ной ки ¡ЛОТЫ N = 105%

0,02 32,1 7,66 4,85 3,98 3,60 3,39 3,06 3,01

0,01 - 15,32 9,11 6,74 5,94 5,51 4,90 4,04

противотока обьем уменьшается в 3+4 раза для высокой степени извлечения Р205 (98-99%)...Исследовано влияние рецикла (рис. 4) по твердой фазе, рецикл для 7=0,05 эффективен для коэффициента рециркуляции v от 0,4+0,9. с уменьшением доли неизвлеченного вещества рецикл эффективен только при коэффициенте рециркуляции больше 0,7.

Из табл. 2 видно, что в первом реакторе противоточного каскада доля неизвлеченного Р2Р5 в 5 раз больше, чем ее значение в первом реакторе прямотока. Установленный факт существенного уменьшения коэффициента разложения в 1-ом реакторе при противотоке дает возможность использовать противоток как один из способов

ТаСлицэ 2

Показатели трехступенчатого каскада для прямотока и противотоки

Ч/.<. рсИ.

Т = 50°С прямоток Пр.1 „=0,7

N - 105% Сумм.объем .Уч, м^"

при 7=0,02 4,85 1,90

при 7=0,01 3,11 2,45

7, О, ЮГ 0,500

То 0.025 0,0:-)0

7з 0,010 0,010

л о

Рас-ния конц.ШОоПо ст.м^Л.ф

ОЛ

•С,* 5,657 3,000

С;* 105 2,778 13,467 10г 2,190 34,416

Рис.4. Влияние коэф£. V на эф-эффективности схемы с рециклом

уменьшения пенообразования при азотнокислотном разложении высококарбонатного фосфатного сырья.

Четвертая глава посвящена исследоватно и моделировании процесса азотно-сульфатиого разложения вьетнамского низкокачественного внсококарОонатного фосфатного сырья.

Как ухе отмечалось раньше, сильное ценообразование при азот-жжисдатиом разложении низкосортного шсококарОонатного фосфатного Г' реакторе приводит к необходимости поиска рациональных путе? ро|п»яия этой проблема. Азо!но-сульфатныВ способ позволяет наибо-эфректгано перерабатывать низкокачественные фосфата пряипу путем, т.к. при этом пенообразование существенно меньше по сравнению с разложением только азотной кислотой. В связи с этим кз-(флрей ТНВ ГУЛУ сил рг."1р°.Сотан лабораторный регламент процесса с-зстно-сульфзткого разложения вьетнамского высококарбонатиого фосфатного сырья с добавлением карбамида для пеногашения при Т = 40+80°С, норме азотной кислоты 100+110% в периодическом реакторе.

По у поенной ранее методике в нами были определены кинетические характеристики процесса: энергия активации Е=6,4 кдж/моль; порядок реакции а = 0,60; кинетическая функция и время полного разложении. Доказана инвариантность полученной кинетической функции процесса азотно-сульфатного разложения от условий разложения.

При составлении уравнепий математических моделей процесса

азотно-сульфатного разложения нами учитывалось сОрззсвашш гшса как вторичной твердой фазы. С учетом результатов, полученных при анализе параметрической чувствительности процесса азотнокислотно-го разложения нами Сила проанализирована целесообразность использования различных схем ор.анизации потоков (рис.3 0). Полученное наибольшее возможное значение коэффициента рециркуляции V для а-зотно-сульфатного V = 0,07 показало неэффективность использования схемы с рециркуляцией твердой фазы, т.к. для а=0,6, и>0,3. Поэтому нами проведены расчеты схем прямотока и протилтока (табл.3,4).

Таблица 3

Суммарный обьем кьскадг прямотока и противотока

Температура разложения Т = 40°с

число ступ. XI №• = 105%, 7П=0.02 ь = 105%, 7П=0.01 N = 110%, 7П=0.01

прям.' 1СГ'7 1 - ? прям. 1ср.2 пря!... 1сГ.7 1сГ,.2

' 2 21.50 12,00 8,20 32,25 17,40 11,60 24,45 15,20 10,20

3 11,64 5,25 4,05 17,91 6,90 5,10 13,75 6,30 4,65

4 8,95 4,00 3,25 11,94 4,80 3,80 9,78 4,40 3,40

• Температура разложения Т = 50°С

число ступ, п N = 105%, 7П=0.02 N = 105%, 7П=0.01 N = 110%, 7П=0.01

прям. 1с?.7 1сГ-2 прям. ^СГ-7 1сГ.2 прям. 1сГ.7 1ср.2

2 19,11 11 ,00 7,40 31 ,06 16,00 10,со 23 ,'33 14,00 9,40

3 10,75 4,80 3,60 16,13 6,30 4,65 11,91 о,00 4,20

4 8,36 3,70 3,00 11 ,34 4,40 3,50 8,55 4,1л) 3,20

Распределении доли непзвлеченного Р205 и концентрации НЫ03 по ступеням показали (табл.4), что в первой ступени противоточной схемы, где встречаются исходная твердая фаза и обеденный раствор с реагентом скорчзть разложения фосфата невысока (^^0,7), здесь, в основном разлагается только карбонатная часть фосфатного сырья, поэтому ценообразование долкно быть существенно меньше.

Известно,что в настоящее время делаются попытки найти технологически е решения по разложению карбонатной части фосфатного сырья до подачи его в непрерывный каскад реакторов, основанные на значительно более быстром растворении кислотами доломита и кальцита по по сравнению с фторапататом в шековом смесителе. Нам

Таблица 4

Показатели трехступенчатого каскада для прямотока и противока

при 50°С

II = 105%

прямоток

1Тр. с 1гт,=с,7|пр. с

Суш. обьем реак.У,,, м" 6,30

16,12

4-

4.65

Расптз- :мя доли ней: воинство т по ступеням

71

£

0, ¡УЗ 0,043 О,ОГО

и.ьсз 0,096 0,0!0

0,693 0,097 0,010

Распр-ния конц.Ьи'о по ступеням, м"/м"»,ф.

С,* 10* 10? 4,743 1,70 1 ,70

с> 2,18 75,78 82. <51

10г 1 ,61 103,11 104,¿7

представляется, что использование для этой цели противоточной схемы подачи реагентов является более экологически приемлемым и эффективным способом решения этой проблемы. При этом первый реактор в противотоке выполняет роль декарбонизатора. Использование противоточной схемы повышает технологическую эффективность оборудования в 1,5+2 раза (для сгустителя) и б 2+2,5 раза (для фильтра) при степени извлечения РгОз 98+99% (табл.3).

НЫВОДЫ

Вперрые исследованы возможности улучшения технологических показателей стадии азотнслсислотного разложения двух видов вьетнамского фосфатного сырья Лзокай путем использования рэздичпкх схем организации движения потоков в каскаде реактотов смеш&ния.

ттуулпгл пппу п^тоти* |

1. Прздлсгана мйтемачическая модель кинетики разложения фатного сырья азотной кислотой, предназначенная для расчета непрерывного процесса в каскаде реакторов смешения с использованием • кинетической инф>р1ации, полученной в периодическом реакторе. Кинетическая информация представляется в виде двух характеристик: кинетической функции процесса, инвариантной относительно условий процесса, и времени полного разложения, зависящего от температуры и нормы азотной кислоты.

2. Разработаны математические модели.процесса азстнокислот-ного разложения фосфатов в каскаде реакторов смешения непрерыв-

г.ого действия для

- прямоточного процесса;

- противоточного процесса;

- процесса с рециркуляцией твердой фазы.

Основное уравнение математических моделей определяет долю неизвлеченного из фосфорита Р205 на выходе из любой ступени каскада, как математическое ожидание кинетической функции для данного вида сырья.

3. Разработаны алгоритмы расчэта непрерывного каскада реакторов смешения равного обьема для прямоточного, противоточного процессов и процесса с рециркуляцией твердой фазы. В основе алгоритмов лежит метод итераций.

4. Методом математического моделирования .проведен анализ параметрической чувствительности процесса азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья к изменению факторов,

' определяющих эффективность процесса, таких как соотношения обьемов ступеней, числа ступеней каскада, порядка реакции по азотной кислоте в диапазоне 0,5+1,5, характерном для азотнокислотного разложения фосфатов, нормы азотной кислоты в диапазоне 100+120%, температуры (40+80°С), требуемой степени разложения для различных схем движения потоков.

При исследовании взаимного влияния факторов установлено, что с ростом степени извлечения Р20& благоприятное влияние увеличения числа ступеней усиливается; чем выше порядок реакции и чем меньше ■ норма азотной кислоты тем заметнее уменьшение требуемого суммарного обьема аппаратуры.

5. При сопоставлении эффективности прямотока и противотока установлен факт сильной зависимости от требуемой степени извлечения и порядка реакции.

Эффективность противоточной схемы становится более существенной при высокой степени извлечения и при увеличения порядка реакции. При доле неизвлеченного Р20& 73 = 0,02 норме 105%, влажности продукта в нижнем сливе сгустителя 70% в трехступенчатом каскаде необходимый обьем в противотоке снижается для а = 0,5 в 1,7 раза; для а = 1,0 в 2,2 раза и для а = 1,5 в 3,6 раза, а при использовании для разделения фаз фильтра«уменьшение обьема каскада в противотоке по сравнению с прямотоком еще больше.

6. При использовании процесса с рециркуляцией твердой фазы эффективность процесса снижается с увеличением требуемой степени

извлечения. Рециркуляция твердой «tas» iip;; а - I, И = 1057., с коэффициентом рециркуляция v - 0,7 позволяет сократить обьрм каскада из 3 реакторов в 2 раза по сраптопяв с прямоточным проиоссо*: при степ"Ш! извлечен!!'! ь раза при степени извлечения У.'" и менее, чем в 1,2 раза при степени извлечения 9ЭА. С увеличением порядка реакции эффективность решцжуляиик уменьшается. При г>-0,8, N = lübS степени извлечения Р2«ь трбСус-май оСьем трехступенчатого каскада сократятся в 3 рпг.ч для о. - 0,Г>; ч 2,2 раза для а - 1,0 и в 1,2 раза для а - 1,5.

Эффективность рециркуляции резко возрастает с увеличением коэффициента рециркуляции v. Установлено, что при степени извлечения К - 98%, N - 105* в трехступенчатом кчскчдр р°циркул?!'ля твердой фазы эффективна при v 2 0,3 для процесса с порядком реакции а = 0,5 и при V ^ 0,5 для а = 1,0, a для а = 1,5 при v > 0,7.

7. Получены кинетические функции для процесса азотнокислот-ного разложения вьетнамского фосфатного сырья различного грансос-тава. Рассчитан суммарный обьем трехступенчатого прямоточного каскада реакторов.

8. Описана макрокинетика процесса азотнокислотного разложения вьетнамского высококачественного фосфатного сырья. Определены кинетические характеристики процесса: "кажущаяся" энергия активация Е 28,1 кдж/моль; порядок реакции по HNO,, а 1,08; кинетическая Функция и время полного разложения. Разработана методика грОЕеркя инвариантности кинетической функции. Установлен факт roí-вариантности полученной кинетической функции процесса азотнокис • ложного разложеш'я вьетнамского стья 1-го сорта.

•>. ссстэплопн мзтечатачвскио модели процесса разложении нь*--памского высококачественного фосфатного сырья в непрерывно!::, термическом каскаде реакторов смешения для различных схем движо-м:Г потоков нготиноточнс" схем и oxe'v-i с реп;'р:'у:'

пжЛ твердеГ1. Ú"

10. На основании расчетов по уравнениям моделей определены показатели процесс-, проведен анализ результатов. Установленный такт cyme гвенно большего значения (в 5 раз) доли неизвлеченного гещестрп ь первом реакторе трехступенчатого проткготочного каскада по сравнен:!!'': с прямотоком .».чет возможность использовать прот:'-!,оюк как о тин из способов уменьшения ценообразования при азотпо-ихслстном разложении вксоксжзрбонатного фосфатного слрья.

11. Для поддержания изотермического режима (Т = 50°С) опреде-

лено количество тепла, которой необходимо -подводить в каждый реакто{! в трехступенчатой прямоточной схеме при норме азотной кислоты 105%.

12. Описана макрокинетика процесса азотно-сульфатного разложения вьетнамского высококарбонатного фосфатного сырья. Определены кинетические характеристики процесса: энергия активации Е= 6,4 кдж/моль; порядок реакции а = 0,60: кинетическая функция и время полного разложения. Установлен ц,акт инвариантности полученной кинетической функции процесса азотно-сульфат! <го разложения вьетнамского фосфатного сырья 2-го сорта.

13. Составлены математические модели процесса разложения вьетнамского высококарбонатного фосфатного сырья в непрерывном, изотермическом каскаде реакторов смешения для прямоточной и противоточной схем движений потоков. Показана неэффективность использования процесса с рециркуляцией в связи с образовашем вторичной твердой фазы.

14. Перспективным является использование противоточной схемы для разложения высококарбонатного сырья Лаокай. При чтом первый реактор в каскаде выполняет роль декарбонизатора. Эффективность противоточной схемы в 1,5-2 раза выше прямоточной.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ахназарова С.Л., Петропавловский И.А., Гребешок Е.А., Чинь Т.Х.Х., Нгуен Т.Т. Моделирование и оптимизация ^гроцесса азотно-кислотного разложения фосфорита waj-птау.// Тр. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1994 г. Моделирование химико-техк логических процессов.

2. Чинь Т.Х.Х., Ахназарова С.Л., Петропавловский И.А., Коновалова Н.В. Моделирование стадии азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья.// Тез. докл. IV Международной научной конференции "Метода кибернетики химико-технологических процессов". "KXTn-IV-94". Москва. 1994. с.8.

3. Чинь Т.Х.Х., /хназарова С.Л., Петропавловский И.А. Моделирование и оптимизация стадии азотнокислотного разложения вьетнамского фосфатного сырья.//Рук. деп. в ВИНИТИ № 2162, 1994. 10 с.

4. Чинь Т.Х.Х., Ахназарова С.Л., Петропавловский И.А. Сопоставление вариантов аппаратурно-техно:погического оформления процесса разложения вьетнамского фосфатного сырья.//Тез. докл. IX Международной конференции молодых ученннх "МКХТП-9". Москва. 1995.