Оптимизация этапа конверсии нитрата кальция в комплексном производстве удобрения

OPTIMIZATION OF CALCIUM NITRATE CONVERSION
 STAGE IN COMPLEX FERTILIZER PRODUCTION

Seitmagzimova G., Issabayeva L.,
Petropavlovsky I., Seitmagzimov A.

Стадия конверсии нитрата кальция в производстве азофоски связана с образованием пересыщенного раствора, вызывающим небольшую кристаллизацию сульфата кальция. Это усложняет процесс фильтрации, промывки и сушки осадка и увеличивает содержание ионов кальция в конверсионном растворе нитрата калия. В представленной работе представлены результаты исследования конверсии нитрата кальция с раствором сульфата калия для определения оптимальных условий процесса и обеспечения максимальной степени конверсии. Результаты исследования по конверсии позволили сделать вывод о том, что проведение конверсии нитрата кальция в двухстадийном режиме с предварительным преобразованием 80% и последующее превращение после конверсии в 20% осадителя способствует снижению степени пересыщения в исходной смеси. Он обеспечивает осаждение более крупных кристаллов сульфата кальция и интенсификацию процесса суспензионной фильтрации в производстве удобрений NPK.

Ключевые слова: производство азофоски, замораживающий тетрагидрат нитрата кальция, конверсия нитрата кальция, продуктивность фильтрации, средний диаметр кристалла, пересыщение.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время производство минеральных удобрений является одним из приоритетных направлений развития химической промышленности Республики Казахстан. Комплексные удобрения являются наиболее перспективными из-за высокой концентрации N, P, K питательных веществ и отсутствия компонентов балласта. Азофоска (Azophoska) - эффективное высококонцентрированное тройное удобрение, состоящее из 3 основных компонентов: азота, фосфора и калия [1]. Это производство, основанное на разложении азотной кислоты фосфатной породы, позволяет осуществлять процесс безвредной технологией со сложным использованием всех компонентов фосфатного сырья. Способ включает нерастворимое выделение остатков из экстракта азотной кислоты, охлаждение экстракта с помощью замораживающего тетрагидрата нитрата кальция, осаждение Ca (NO 3) 2 ∙ 4H 2 O, его промывку, аммиацию и сушку раствора азотфосфата, введение калийного компонента и гранулирование и сушка удобрений NPK [2].

Стадия конверсии нитрата кальция связана с образованием пересыщенного раствора, вызывающим небольшую кристаллизацию сульфата кальция. Это усложняет процесс фильтрации, промывки и сушки осадка и увеличивает содержание ионов кальция в конверсионном растворе нитрата калия. Поэтому этот этап замедляет процесс производства удобрений NPK в целом [3].

В реальных промышленных условиях для конверсии используется раствор карбоната аммония. Некоторые ученые разработали новые методы этой конверсии с использованием сульфата аммония и карбоната калия в качестве осадителей [4-6]. В то же время, по последним данным, предприятие «ЕвроХим-удобрение» (Казахстан) в настоящее время начинает разработку новых сортов сульфата калия и сложных минеральных удобрений в Южно-Казахстанской области. В этом контексте замена аммиачно-карбонатной конверсии на применение сульфата калия очень актуальна сегодня. В представленной работе представлены результаты исследования конверсии нитрата кальция с раствором сульфата калия для определения оптимальных условий процесса и обеспечения максимальной степени конверсии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для изучения процесса конверсии нитрата кальция использовали насыщенный раствор сульфата калия, содержащий 20% K2SO4 и химически чистый тетрагидрат нитрата кальция. Процесс проводили при постоянной температуре 60ºC и перемешивании в термостате добавлением нитрата кальция к раствору. Процесс проводили в течение 2 часов. Предварительно определено время достижения равновесия, равного 2 часам. Чтобы установить степень пересыщения раствора, мы изучили процесс частичной конверсии с различной степенью осаждения сульфата калия из стехиометрического потребления, меняя его с 60 до 120%. Одновременно было определено влияние режима конверсии на полученную производительность фильтрации суспензии и средний размер кристалла. Процесс фильтрации проводили на лабораторной вакуумной вакуумной установке под вакуумом 0,02 МПа. Производительность фильтрации (кг / м2 ∙ ч) влажным осадком рассчитывали стандартным методом в виде отношения массы осадка и продукта площади поверхности фильтрации и времени процесса. Средний размер кристалла определяли на фотометре FSCh-6 с одновременным определением удельной поверхности образца и распределения частиц по размерам. Содержание CaO в растворе анализировали стандартным методом комплексометрического титрования.

На второй стадии частично конвертированный нитрат кальция для каждого образца на первой стадии подвергали дальнейшей конверсии до 120% нормы сульфата калия. При этом были проведены те же анализы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследований отражены на рисунках 1-6. Степень пересыщения C / C0 рассчитывалась для каждого расхода осадителя для конверсии. Для описания процесса кристаллизации сульфата кальция определение содержания CaO в жидкой фазе после конверсии является наиболее надежным анализом. Как видно, большая часть оксида кальция постепенно осаждается при норме К2SO4 40-70% (рис.1, кривая 1); при этом происходит интенсивное кристаллическое образование и небольшое количество твердой фазы осаждается из-за относительно небольшого пересыщения суспензии.


Рисунок 1. Зависимость содержания CaO в конверсионном растворе от нормы раствора сульфата калия

В случае изменения нормы от стехиометрического количества до 20% избытка сульфата калия процесс кристаллизации происходит из растворов с высоким пересыщением, и осаждение протекает примерно полностью, сохраняя небольшое пересыщение. На рисунке 1 (кривая 2) также показано, что когда преобразование происходит в двухэтапном режиме, достигается меньшее на 35-40% значение CaO в жидкой фазе по сравнению с 1-ступенчатой ​​частичной конверсией - 0,161% против 0,266% , Это объясняется образованием системы с меньшим пересыщением при первой стадии превращения, из которой выделяется максимум CaO в виде сульфата кальция, и образуется стабильный равновесный раствор нитрата калия. Содержание оксида кальция в этом растворе соответствует растворимости в этой системе.

Известно, что высокая степень пересыщения водных растворов имеет определяющее значение по размеру образовавшихся кристаллов. Вот почему мы изучили влияние потребления осадителя на частичную конверсию 60-120% на размер кристалла и на свойства фильтрации осадка. Эти зависимости представлены на рисунках 2 и 3. Рисунок 3 (кривая 1) показывает, что относительно небольшие кристаллы сульфата кальция образуются при изменении потребления сульфата калия в интервале 40-80% стехиометрического количества; производительность фильтрации влажным осадком имеет низкие значения в этих условиях конверсии, а также на фиг.2 (кривая 1). Это связано с отсутствием осадителя, вызывающим кристаллизацию небольшого количества частиц осадка, которые способны к дальнейшему увеличению размера и могут быть семенами для роста кристаллов. Дальнейшее увеличение нормы осадков от 80 до 100% вызывает рост кристаллов сульфата кальция с 47,2 до 61,0 микрометров, и, следовательно, фильтрация суспензии увеличивается с 50,3 до 74,2 кг / м2 ∙ ч. В этом случае достаточно материала для образования больших кристаллов. Уменьшение этих показателей на 20% превышение осадителя связано с созданием очень высокого пересыщения и соответственно высокой скоростью кристаллизации. Таким образом, эти данные доказывают, что отношение скоростей образования ядра и роста кристаллов является определяющим фактором для размера частиц осадка. В свою очередь этот размер предопределяет сформированные свойства фильтрации суспензии.

Для установления оптимальных условий конверсии нитрата кальция с точки зрения степени пересыщения системы изучалось частичное и полное преобразование.

...

ВЫВОДЫ

Получение результатов исследования конверсии позволяет сделать вывод о том, что проведение конверсии нитрата кальция в двухстадийном режиме с предварительным преобразованием 80% и последующее после конверсии до 20% избытка осадителя позволяет снизить степень пересыщения в исходной смеси и осадить более крупные кристаллы сульфата кальция с лучшими фильтрационными свойствами. Проведенный анализ влияния режима конверсии на образование кристаллов сульфата кальция из пересыщенных конверсионных растворов показал значительное влияние начальной степени пересыщения раствора на размер кристалла на первой стадии конверсии и размера затравочных кристаллов и его количества на второй стадии. Эффективность конверсии нитрата кальция в оптимальном режиме с подачей 80% нормы осадка на первую стадию, а остальное количество сульфата калия до 120% стехиометрического количества для осаждения кальция покоя способствует увеличению среднего размера частиц на 70-80% и до производительность фильтрации в два раза. Это позволяет осаждать более однородные крупные кристаллы CaSO4 и значительно усилить процесс суспензионной фильтрации, который является предельной стадией производства азофоски.

Использованные источники

1      Pozin M.E. Technology of mineral fertilizers. - L.: Chemistry, 1989. – 352 p. (In Russian)

2      Goldinov A.L., et.al. Complex nitric-acid processing of phosphate raw materials. / Goldinov A.L., Kopylev B.A., Abramov O.B., Dmitrevsky B.A. – L.: Chemistry, 1982. – 207 p. (In Russian)

3      Seitmagzimova G.M. Regulation of size of calcium carbonate crystals at conducting calcium nitrate conversion in a pulsating mode. / Journal “Scientific works of M. Auezov SKSU, 2002г., №2-3. - p.104-106. (In Russian)

4      Akayeva T.K. Research and development of the technology of calcium nitrate tetrahydrate conversion with ammonium sulphate in nitroammophospka production. Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences.- Ivanovo, 1996. -20 p. (In Russian)

5      Akayeva T.K., Shirokov Yu.G. Research of the process of calcium nitrate tetrahydrate conversion with ammonium sulphate. / Abstracts of Scientific-technical conference of instructors and staff. – ISChTA, Ivanovo, 1995. – p. 68. (In Russian)

6     Grosheva L.P. et. al. Complex fertilizers based on ammonium saltpeter and methods of their production. OAO “Acron”. - Patent RF №2237046. Published 27.09.2004. (In Russian)