Производство азотных удобрений

Введение

Азоту принадлежит ведущая роль в повышении урожая сельскохозяйственных культур. Д. Н. Прянишников подчеркивал, что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая, была степень обеспеченности сельскохозяйственных растении азотом.

Огромное значение азотных удобрений в увеличении урожайности сельскохозяйственных культур обусловливается исключительно важной ролью азота в жизни растений. Азот входит в состав белков, являющихся главной составной частью цитоплазмы и ядра клеток, в состав нуклеиновых кислот, хлорофилла, ферментов, фосфатидов, большинства витаминов и других органических азотистых соединений, которые играют важную роль в процессах обмена веществ в растении. 

 В основе производственного  процесса в химической промышленности  чаще всего лежит преобразование  молекулярной структуры вещества. Продукцию этой отрасли народного  хозяйства можно подразделить  на предметы производственного  назначения и предметы длительного  или кратковременного личного  пользования.       

  Потребители продукции химической промышленности находятся во всех сферах народного хозяйства. Машиностроение нуждается в пластических массах, лаках, красках; сельское хозяйство – в минеральных удобрениях, препаратах для борьбы с вредителями растений, в кормовых добавках (животноводство); транспорт – в моторном топливе, смазочных материалах, синтетическом каучуке. Химическая и нефтехимическая промышленность становится источником сырья для производства товаров широкого потребления, особенно химических волокон и пластмасс. Современное самолетостроение, реактивная техника, радиолокация, космическая техника, ракетостроение немыслимы без использования синтетических материалов и новых видов синтетического горючего.

 

ПРОИЗВОДСТВО АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ

          1 Общая характеристика

Азотные удобрения могут содержать азот в форме свободного аммиака и аминов (аммиакаты), ионов NH4+ и NO3-, аминогруппы NH2, а также в их сочетании. В соответствии с этим различают следующие виды азотных удобрений: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и аммонийно-нитратные.

Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растениями, особенно из аниона NO3-, который отличается высокой подвижностью в почве. По агрегатному состоянию азотные удобрения делятся на твердые (соли и карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений). В табл. 1.1 приведены характеристики важнейших азотных удобрений и удельный вес их в общем балансе производства.

Таблица 1.1 - Ассортимент и характеристика азотных удобрений

Удобрение	Формула действующего вещества	Содержание азота, %	Удельный вес, %, по годам
			1960	1980
Аммиачные Аммиак жидкий Аммиачная вода	NH3 NH3	82 16,1 – 20,1	2,8	7,1
Аммонийные Сульфат аммония	(NH4)2SO4	19,9 – 21,0	17,9	1,1
Нитратные Нитрат натрия Нитрат кальция	NaNO3 Ca(NO3)2	11,0 – 16,0 18,0 – 11,0	- -	- -
Амидные Карбамид	CO(NH2)2	46,0 – 46,1	2,1	27,1
Аммонийно-нитратные	NH4NO3	32,1 – 31,0	73,3	40,1
Карбамидоформ-альдегидные Карбаминоформ	NH2CONHCH2	33,0 – 42,0	-	-
Аммиакаты Азотная часть комплексных минеральных удобрений	- -	20,0 – 30,0 -	- -	- 19,3

 

В приведенных данных прослеживается тенденция снижения производства сульфата и нитрата аммония и увеличения производства карбамида, жидких азотных удобрений и минеральных удобрений, содержащих, наряду с другими элементами, азот (комплексных минеральных удобрений).

Ниже рассматривается технология производства наиболее распространенных азотных удобрений – нитрата аммония и карбамида, на долю которых приходится свыше 60% общего выпуска азотных удобрений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Производство  нитрата аммония

1.2.1 Свойства нитрата  аммония

Нитрат аммония (аммонийная селитра) NH4NO3 – кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6ºС, хорошо растворимое в воде. Растворимость при 20ºС равна 0,621 мас. долей, при 160ºС – 0,992 мас. долей. Нитрат аммония сильно гигроскопичен и легко поглощает влагу из атмосферы, в зависимости от температуры может существовать в пяти кристаллических модификациях, различающихся плотностью и структурой кристаллов. Вследствие высокой растворимости в воде, гигроскопичности и полиморфных превращений, сопровождающихся выделением тепла, нитрат аммония легко слеживается. Для уменьшения слеживаемости, которая затрудняет использование продукта, в промышленности используют следующие меры:

-        перед складированием полученный продукт охлаждают до температуры ниже 32ºС, так как именно в интервале от 32,3ºС до -17ºС нитрат аммония находится в стабильной ромбической модификации;

-        выпускают товарный продукт в гранулированном виде, обрабатывая поверхность гранул ПАВ, образующими на них гидрофобную пленку;

-        вводят в состав продукта кондиционирующие добавки в виде нитрата магния и других солей, которые связывают свободную воду и препятствуют переходу одной модификации в другую.

Нитрат аммония в твердом состоянии или в виде высококонцентрированного раствора (плава) при нагревании выше 180 - 200 ºС разлагается:

                       NH4NO3 = N2O + 2H2O – DH, где DH = 36,8 кДж.

При быстром нагревании в замкнутом пространстве до 400 - 100ºС или инициировании нитрат аммония разлагается со взрывом по уравнению

                       NH4NO3 = N2 + 2H2O + 0,1O2 – 118 кДж.

Разложение ускоряется в присутствии минеральных кислот и органических веществ. На этом основано использование нитрата аммония в качестве компонента аммонийно-селитровых взрывчатых веществ – аммонитов (смеси с органическими веществами), аммотолов (смеси со взрывчатыми веществами) и аммоналов (смеси, содержащие аллюминий).

Нитрат аммония является безбалластным азотным удобрением и содержит 34,8% азота, из них 17,4% - в аммиачной (NH4+) и 17,4% - в нитратной (NO3-) форме. Поэтому стоимость транспортировки содержащегося в нем азота значительно ниже, чем при перевозке других балластных удобрений (например, сульфата аммония).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         1.2.2 Физико-химические основы процесса синтеза

Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония.

Нейтрализация. Нейтрализация азотной кислоты аммиаком – это необратимый гетерогенный процесс хемосорбции, протекающий с выделением тепла по уравнению

                               HNO3 + NH3 = NH4NO3 – DH.

Реакция идет в диффузионной области, и ее скорость лимитируется диффузией аммиака из газа к поверхности жидкости. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, складывается из теплового эффекта реакции и теплоты растворения образовавшегося нитрата аммония в воде:

                                          Qå = Q1 – (Q2 + Q3),

где	Q1	–	тепловой эффект реакции нейтрализации 100% азотной кислоты с образованием твердого нитрата аммония;
	Q2	–	теплота разбавления азотной кислоты;
	Q3	–	теплота растворения нитрата аммония.

 

Таким образом, тепловой эффект процесса зависит от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации.

Подогрев компонентов (азотной кислоты и газообразного аммиака) улучшает перемешивание системы, ускоряет процесс нейтрализации и повышает концентрацию раствора нитрата аммония.

Упаривание раствора нитрата аммония. В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется в виде сокового пара. Интенсивность испарения зависит от величины теплового эффекта и температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора определяется как концентрацией азотной кислоты, так и температурой.

С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося сокового пара.

Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации, выделяющуюся в самом процессе (рис. 1.1.).

 

 

 

Qподв

H2O(пар) NH4NO3 + H2O NH4NO3

DH реакц

 

 Рисунок 1.1 - Использование тепла при упаривании раствора

Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет:

-          снизить затрату внешнего тепла;

-          обеспечить за счет отвода тепла из системы оптимальный температурный режим процесса нейтрализации и избежать опасных перегревов;

-          исключить применение сложных охладительных устройств.

При использовании азотной кислоты концентрацией 60 – 61 % и температуре процесса около 70ºС оказывается возможным за счет использования теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония.

В соответствии с принципом использования тепла все существующие варианты технологического процесса производства нитрата аммония делятся на две группы:

1 Без упаривания  раствора. Концентрирование раствора  осуществляется исключительно за  счет теплоты нейтрализации азотной  кислоты концентрацией 61%. При этом  образуется 96% плав нитрата аммония:

Q = DH; Qподв = 0.

2 С упариванием  раствора. Концентрирование раствора  осуществляется как за счет  частичного использования теплоты  нейтрализации, так и за счет  подводимого извне тепла:

Q = DH + Qподв.

При этом в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться:

- при 18% кислоте  в 1-й ступени;

- при 10% кислоте  в 2-й ступени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.3 Технологические  системы производства