Описать производство минеральных удобрений кратко

Описать производство минеральных удобрений кратко

к списку лекций

к списку предметов

Производство минеральных удобрений.

Минеральные удобрения являются одним из важнейших для хозяйственной деятельности человека видов продукции химической промышленности.

Рост численности населения выдвигает перед всеми странами одну и ту же проблему – умелое управление способностью природы воспроизводить жизненные ресурсы и прежде всего продовольственные. Задача расширенного воспроизводства продуктов питания уже давно решается путем применения в сельском хозяйстве минеральных удобрений.

Классификация минеральных удобрений.

Минеральные удобрения классифицируют по трем главным признакам — агрохимическому назначению, составу и свойствам.

По агрохимическому назначению удобрения подразделяют на прямые, являющиеся источником питательных элементов для растений, и косвенные, служащие для мобилизации питательных веществ почвы путем улучшения ее физических, химических и биологических свойств. К косвенным удобрениям относятся, например, известковые удобрения, применяемые для нейтрализации кислых почв, структурообразующие удобрения, способствующие агрегированию частиц тяжелых и суглинистых почв и др.

Прямые минеральные удобрения могут содержать один или несколько разных питательных элементов. По количеству питательных элементов удобрения подразделяют на простые (односторонние) и комплексные.

В простые удобрения входит только один из трех главных питательных элементов: азот, фосфор или калий. Соответственно, простые удобрения делят на азотные, фосфорные и калийные.

Комплексные удобрения содержат два или три главных питательных элемента. По числу главных питательных элементов комплексные удобрения подразделяют на двойные (например, типа NP или РК) и тройные (NPK). Последние называют также полными. Удобрения, содержащие значительные количества питательных элементов и мало балластных веществ называют концентрированными.

Комплексные удобрения, кроме того, подразделяют на смешанные и сложные. Смешанными называют механические смеси удобрений, состоящие из разнородных частиц. Если же удобрение представляет собой сложные соединения, являющиеся результатом химического взаимодействия, то они относятся к сложным.

Удобрения, предназначенные для питания растений элементами, стимулирующими их рост и требующиеся в малых количествах, называются микроудобрениями, а содержащиеся в них питательные элементы – микроэлементами. Такие удобрения вносят в почву в очень малых количествах. К ним относятся соли, содержащие бор, марганец, медь, цинк, и др. элементы.

По агрегатному состоянию удобрения подразделяют на твердые и жидкие (например, аммиачная вода, водные растворы и суспензии).

К физическим свойствам минеральных удобрений предъявляется ряд требований. Водорастворимые соли должны быть сыпучими, легко рассеиваться, не быть сильно гигроскопичными, не слеживаться при хранении, должны обладать такими свойствами, чтобы сохраняться в почве в течении некоторого времени, не слишком быстро вымываться дождевой водой и не сдуваться ветром. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают крупнокристаллические и гранулированные удобрения. Гранулированные удобрения можно вносить на поле с помощью туковых машин и сеялок в количествах, строго соответствующих агрохимическим требованиям.

Эффективным свойством для уменьшения слеживаемости является обработка поверхности гранул поверхностно-активными веществами. В последние годы стали рассматриваться способы создания вокруг гранул специальных оболочек, которые с одной стороны предохраняют удобрение от слеживания, с другой – позволяют регулировать во времени процесс растворения питательных веществ в почвенных водах, т.е. создавать долговременно действующие удобрения.

Рассмотрим некоторые процессы получения фосфорных, азотных и комплексных удобрений.

Существует ряд методов переработки природных фосфатов в удобрения: механические, термические и методы кислотного разложения.

Одним из методов механической обработки является измельчение фосфатов. Полученная фосфористая мука при использовании в кислых почвах медленно растворяется в почвенных водах и таким образом становится долговременно действующим удобрением.

Фосфорные удобрения могут быть получены термическим разложением фосфатов при температурах 1200 – 1800 ° С. Так получают термофосфаты, обесфторенные фосфаты, плавленые магниевые и термощелочные фосфаты.

Основным методом получения фосфорных удобрений является химическое разложение фосфатного сырья. Так, в результате сернокислотной обработки получают простой суперфосфат и фосфорную кислоту, которую в свою очередь, перерабатывают в двойной суперфосфат, преципитат и сложные удобрения.

Производство простого суперфосфата.

Сущность производства простого суперфосфата состоит в превращении природного фторапатита, нерастворимого в воде и почвенных растворах, в растворимые соединения, преимущественно в монокальцийфосфат ( Ca ( H ₂ PO ₄)₂)

В этом процессе разложение протекает в две стадии. На первой стадии около 70% апатита реагирует с серной кислотой. При этом образуется фосфорная кислота и полугидрат сульфата кальция (уравнение ( 1)). Эта стадия характеризуется образованием поверхностных пленок CaSO ₄ на зернах фосфата. Структура образующейся корки обусловлена скоростью кристаллизации твердой фазы, зависящей главным образом от пресыщения раствора сульфатом кальция, которое определяется в свою очередь концентрацией серной кислоты, температурой и другими факторами. Поэтому необходима оптимальная концентрация серной кислоты, сочетающая достаточную скорость растворения апатита с образованием рыхлой пленки, более проницаемой для диффузии серной кислоты к поверхности фосфата. Первая стадия заканчивается через 20 – 40 минут после смешения фосфата с серной кислотой. После полного исчезновения серной кислоты начинается вторая стадия разложения, в которой оставшийся апатит (

30%) разлагается фосфорной кислотой

Образующийся монокальцийфосфат в отличие от сульфата кальция не сразу выпадает в осадок. Он постепенно насыщает раствор фосфорной кислоты, после чего начинает выкристаллизовываться в виде Ca ( H ₂ PO ₄)₂ × H ₂ O и протекает значительно медленнее, чем реакция ( 1), что объясняется низкой активностью фосфорной кислоты и кристаллизацией твердых фаз. Она начинается в суперфосфатных камерах и длится в течение 5 – 20 суток хранения суперфосфата на складе.

Для получения твердого продукта более высокого качества суперфосфат перед дозреванием подвергают нейтрализации твердыми добавками (известняком, фосфоритной мукой и т.п.) и гранулируют.

Производство двойного суперфосфата.

Двойной суперфосфат – концентрированное фосфорное удобрение. Получаемое разложением природных фосфатов фосфорной кислотой. Оно содержит 42 – 50 % усвояемого P ₂ O ₅, что в 2-3 раза больше, чем в простом суперфосфате. В отличие от последнего двойной суперфосфат почти не содержит балласта – сульфата кальция. Процесс протекает по уравнению ( 2).

Азотнокислое разложение фосфатов.
Получение сложных удобрений.

Прогрессивным направлением в переработке фосфатного сырья является метод азотнокислого разложения апатитов и фосфоритов. Этот метод позволяет использовать азотную кислоту не только как средство разложения фосфоритов, но и дополнительный источник питательных элементов. На основе азотнокислого разложения фосфатов обычно получают сложные NP – или NPK -удобрения.

В основе процесса разложения фосфатов азотной кислотой лежит реакция

в результате которой образуется азотнокислая вытяжка, раствор, содержащий нитрат кальция и свободную фосфорную кислоту. Существует ряд методов дальнейшей переработки азотнокислой вытяжки. Во многих процессах вытяжку нейтрализуют аммиаком получая фосфаты аммония ( NP -удобрения). Если перед гранулированием нейтрализованной пульпы к ней добавляют соли калия ( KCl , K ₂ SO ₄), то получают тройное NPK -удобрение – нитроаммофоску.

Во многих процессах азотнокислой переработки фосфатов нитрат кальция, образующийся в реакции ( 3), удаляют из реакционной смеси выпариванием. Разработка таких схем дает возможность комплексной переработки фосфатного сырья и создания практически безотходных производств, исключающих сброс отходов, в частности фосфогипса. Азотнокислый метод разложения фосфатов позволяет наряду с получением NPK -удобрений попутно выделять из сырья такие ценные продукты как стронций, редкоземельные элементы и др., находящие применение в различных отраслях промышленности (электроника, металлургия и т.д.).

Производство азотных удобрений.

Важнейшими видами минеральных удобрений являются азотные удобрения: аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, водные растворы аммиака и др.

Азотные удобрения отличаются друг от друга по содержанию азота, по форме соединений азота (нитратные, аммонийные, амидные), фазовому состоянию (твердые и жидкие).

Производство аммиачной селитры.

Аммиачная селитра или нитрат аммония ( NH ₄ NO ₃) – кристаллическое вещество белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах, обе формы легко усваиваются растениями. Гранулированную аммиачную селитру применяют в больших масштабах перед посевом и для всех видов подкормок. В меньших масштабах ее используют для производства взрывчатых веществ.

Аммиачная селитра хорошо растворима в воде и обладает большой гигроскопичностью. Это является причиной того, что гранулы удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую форму, происходит слеживание удобрений – сыпучий материал превращается в твердую монолитную массу.

Для получения практически не слеживающейся аммиачной селитры применяют ряд технологических приемов. Во-первых, гранулирование. Суммарная поверхность однородных гранул меньше поверхности такого же количества мелкокристаллической соли, поэтому гранулированные удобрения медленнее поглощают влагу из воздуха. Иногда аммиачную селитру сплавляют с менее гигроскопичными солями, например, сульфатом аммония, фосфатами аммония, хлоридом калия, нитратом магния.

В основе процесса производства аммиачной селитры лежит гетерофазная реакция взаимодействия газообразного аммиака с раствором азотной кислоты

Процесс лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного торможения необходим интенсивный режим перемешивания реакционной массы. Тепло реакции рационально использовать для испарения воды из растворов нитрата аммония. Возможен вариант получения плава нитрата аммония путем использования концентрированной азотной кислоты и предварительного подогрева ингредиентов (плав содержит 95 – 96% NH ₄ NO ₃).

В настоящее время наиболее распространены схемы с частичным упариванием раствора за счет тепла нейтрализации. Нейтрализацию осуществляют в аппарате ИТН (использование тепла нейтрализации) (рисунок 1). Аппарат состоит из двух цилиндров (внешний и внутренний). Во внутренний подается газообразный аммиак и разбрызгивается азотная кислота. Внутренняя часть представляет собой реакционное пространство, внешняя – зона испарения. Отвод тепла из зоны реакции необходим не только для выпаривания раствора, но и во избежании перегрева и разложения азотной кислоты и аммиачной селитры. Соковый пар, образующийся как результат испарения воды из реакционного раствора используется для подогрева реагентов и упаривания реакционного раствора.

Схема установки представлена на рисунке 2.

Раствор аммиачной селитры (60-80%) поступает в донейтрализатор ( 5). Сюда добавляют аммиак как нейтрализующий агент, а также вещества уменьшающие слеживаемость удобрений (нитраты кальция и магния). Выпарку проводят в 2 или 3 ступени с использованием в качестве греющих агентов сокового пара из аппарата ИТН, вторичного пара выпарки и свежего насыщенного пара. Для простоты на схеме показан один выпарной аппарат ( 6). В выпарной установке плав доводят до содержания в нем NH ₄ NO ₃ 98 – 99%. Гранулирование производят путем разбрызгивания плава в полой железобетонной башне ( 8) высотой 30 – 35 м . Падающие капли застывают в гранулы в потоке холодного воздуха, поступающего противотоком с помощью вентиляторов. Окончательная сушка осуществляется горячим воздухом во вращающемся сушильном барабане (на схеме не показано).

Для улучшения физических свойств аммиачной селитры целесообразно изготовление на ее основе сложных и смешанных удобрений. Смешением аммиачной селитры с известняком получают известково-аммиачную селитру, с сульфатом аммония – сульфонитрат аммония. Нитрофоску можно получить сплавлением аммиачной селитры с солями фосфорной кислоты и калия. На основе аммиачной селитры выпускают также жидкие удобрения, растворяя ее в аммиачной воде.

Источник

Описать производство минеральных удобрений кратко

Минеральные удобрения (МУ) — соли и другие неорганические природные или полученные промышленным путем вещества, содержащие в своем составе элементы, необходимые для питания растений и улучшения плодородия почвы, используемые с целью получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

В образовании тканей растений, в его росте и развитии принимают участие около 70 элементов, которые по их роли могут быть разделены на следующие группы:

1. элементы-органогены (углерод, водород, кислород, азот);
2. зольные элементы (фосфор, кальций, калий, магний, сера);
3. микроэлементы (бор, молибден, медь, цинк, кобальт);
4. 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 (таблица. 10.1), а также вымывается из почвы дождевыми водами или переходит в недеятельную форму (иммобилизируется). Например, азот под воздействием микроорганизмов восстанавливается из иона NO₃ — до N₂ и N₂O. При этом, чем выше урожайность, тем больше вынос питательных элементов из почвы.

Таблица 10.1 — Вынос питательных элементов из почвы

Элемент и его соединение

Вынос, кг/га, при урожае

сахарной свеклы 270 ц/га

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 культуры (табл. 10.2).

Таблица 10.2 — Влияние минеральных удобрений на урожайность

Применения МУ, помимо повышения урожайности, увеличивает производительность труда, сокращает себестоимость сельскохозяйственной продукции и улучшает ее качество: повышает содержание сахара в свекле, крахмала в картофеле, увеличивает прочность хлопкового и льняного волокон, морозо- и засухоустойчивость растений.

10.2. Классификация минеральных удобрений

Ассортимент выпускаемых промышленностью МУ весьма многообразен. Они классифицируются по природе питательных элементов, по содержанию и числу питательных элементов, по способам получения и свойствам.

По природе питательных элементов МУ подразделяют 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) удобрения, содержащие только один питательный элемент, и комплексные удобрения, содержащие два (двойные типа NP, PK, 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 сложносмешанные, представляющие комбинацию двух первых типов.

По содержанию питательного элемента среди МУ выделяют неконцентрированные (содержащие менее 33% питательных элементов), концентрированные (содержащие более 33% питательных элементов) и высококонцентрированные (содержащие более 60% питательных элементов) 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. Фосфорные минеральные удобрения по растворимости делятся на водорастворимые (рН=7), цитратно- или лимоннорастворимые, то есть растворимые в слабых органических кислотах (рН ;

масса в условных единицах – для планирования производства и поставок МУ (m_у). При этом содержание действующих веществ в условной единице принято: в азотных – 0,205 мас. долей N; в фосфорных – 0,187 мас.дол. P₂O₅; в калийных – 0,416 мас. долей К₂O.

Эффективность использования МУ существенно зависит от правильного сочетания питательных элементов, вносимых с ними в почву. Соотношение питательных элементов выражают в виде формул их состава, например:

Уравновешенные минеральные удобрения — удобрения, в которых соотношение питательных элементов соответствует агротехническим требованиям. От правильного использования минеральных удобрений (их «уравновешенности») существенно зависит урожайность зерновых и других сельскохозяйственных культур.

10.3. Типовые процессы солевой технологии

Большинство МУ представляет различные минеральные соли или твердые вещества с подобными солям свойствами. Технологические схемы производства минеральных удобрений весьма разнообразны, но в большинстве случаев складываются из одних и тех же типовых процессов, свойственных солевой технологии, цель которой – разделение сложных систем, состоящих из нескольких солевых компонентов.

Переработка минерального сырья в соли (и в минеральные удобрения) может идти или его высокотемпературной обработкой, или «мокрым» путем в жидких средах и суспензиях. В соответствии с этим, помимо обычных процессов подготовки сырья к переработке (измельчение, классификация ,обогащение, сушка), в солевой технологии особое значение имеют два типа процессов:

• термическая или термохимическая обработка, то есть различные виды обжига сырья или шихты;
• растворение и перекристаллизация веществ, связанные с их химической обработкой, разделением и очисткой растворов от примесей.

10.3.1. Обжиг

Обжиг — процесс термической обработки материалов, заключающийся в нагреве их до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении. При обжиге, в зависимости от условий процесса, протекают реакции термического разложения, окисления или восстановления, образования и полиморфных превращений минералов. В соответствии с протекающими при обжиге химическими превращениями различают:

• кальцинационный обжиг ( кальцинация ) – удаление из вещества летучих компонентов, чаще всего оксида углерода (IV) и конституционной воды, например:
  • обжиг известняка: CaCO₃ = CaO + CO₂,
  • дегидратация гидроксида алюминия до его оксида: 2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O;
• окислительный обжи г, в результате которого повышаются степени окисления элементов, например: 2FeO + O₂ = 2Fe₃O₄ или превращение сульфида в оксид: CuS + 1,5O₂ = CuO + SO₂;
• восстановительный обжиг , в результате которого понижаются степени окисления элементов, например, получение элементарного фосфора: Ca₃(PO₄)₂ + 5C + 3SiO₂ = P₂ + 5CO + 3CaSiO_3.

Частный случай обжига – спекание сырья с какими-либо реагентами с целью образования растворимых, извлекаемых из сырья продуктов, например, спекание фторапатита с содой:

Обжиг и спекание представляют собой гетерогенные процессы, в которых реакции протекают в системах «Т + Т», «Ж + Ж» и «Т + Г», где газообразная и жидкая фазы образуются за счет диссоциации и плавления твердой фазы. Поэтому скорость процессов обжига и спекания зависит как от скорости химической реакции, так и скоростей возгонки, плавления и диффузии твердых, жидких и газообразных веществ через фазы, образованные реагирующими компонентами и продуктами их взаимодействия.

Скорость процессов обжига и спекания может быть увеличена за счет повышения температуры, измельчения компонентов обжигаемого материала, повышения их концентрации, перемешивания и создания условий, при которых один из компонентов будет находиться в жидком и газообразном состоянии.

10.3.2. Растворение и выщелачивание

Растворение твердого тела — процесс разрушения его кристаллической структуры под воздействием растворителя с образованием гомогенной системы – раствора.

Растворение может быть физическим, когда возможна обратная кристаллизация растворенного вещества из раствора по схеме

и химическим, когда растворитель или содержащийся в нем реагент химически взаимодействует с растворяемым веществом и делает невозможным его обратную кристаллизацию, то есть по схеме

• где: A — растворяемое вещество; Р — растворитель; В-новое вещество, образовавшееся в результате растворения.

Очевидно, что процесс химического растворения, в отличии от процесса физического растворения, является необратимым.

Растворение представляет гетерогенный некаталитический процесс, протекающий в системе «Т + Ж» в диффузионной области.

Процесс растворения ускоряется при повышении температуры, измельчении твердой фазы, перемешивании и увеличении концентрации. В случае физического растворения движущей силой процесса является разность концентраций , поэтому скорость его определяется уравнением

• (10.1)

• — коэффициент скорости растворения;
• — площадь поверхности кристаллов растворяемого вещества;
• — концентрация растворяемого вещества в жидкой фазе;
• — концентрация насыщенного раствора при данной температуре.

Очевидно, что по мере растворения разность концентраций (С_Н – С) убывает и процесс растворения замедляется.

Различные случаи химического растворения подчиняются различным кинетическим закономерностям. В наиболее простом случае, когда реакция протекает только на поверхности твердого тела, скорость химического растворения может быть выражена уравнением

• (10.2)

• K — коэффициент, зависящий от температуры, гидродинамических и других условий растворения;
• С_р — концентрация активного реагента в растворителе.

Частный случай растворения – выщелачивание. Это процесс извлечения (экстракции) жидким растворителем твердого компонента из системы, состоящей из двух и большего числа твердых фаз. Как и растворение, выщелачивание может быть физическим и химическим. Скорость выщелачивания зависит от структуры материала и тем выше, чем больше доля растворимой фазы в нем, больше поверхность и крупнее поры в выщелачиваемом материале.

10.3.3. Кристаллизация из растворов

Кристаллизация — процесс выделения твердой фазы (кристаллов) из растворов, происходящий при перенасыщении их по отношению к образующейся твердой фазе. В зависимости от приема, с помощью которого достигается перенасыщение раствора, различают два вида кристаллизации: политермическую и изотермическую.

При политермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется за счет охлаждения системы. Этот процесс протекает при переменной температуре ( ). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость которых существенно возрастает при повышении температуры.

При изотермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется в результате выпаривания части растворителя. Этот процесс протекает при постоянной температуре (Т = const.). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость которых мало зависит от температуры.

Частным случаем кристаллизации является высаливание, т.е. процесс выделения твердой фазы путем введения в концентрированный раствор веществ, понижающих растворимость растворенного вещества.

Из других типовых процессов, используемых в солевой технологии, наибольшее значение имеют операции разделения солей, находящихся в твердых смесях или растворах. Помимо описанных выше процессов кристаллизации и выщелачивания, к ним относятся: ионный обмен, экстракция веществ неводными растворителями, флотация, гидросепарация и некоторые другие.

Источник