3.2. Концентрирование растворов и суспензий

В производстве минеральных удобрений широко используются процессы концентрирования путем удаления из жидкой смеси части содержащейся воды (растворителя) в газовую фазу. Упариванию подвергаются растворы экстракционной фосфорной кислоты, аммонизированные суспензии аммофоса, растворы аммиачной селитры и карбамида.

Необходимость выпарки в производстве фосфорных удобрений связана с тем, что производимая экстракционная фосфорная кислота имеет невысокую концентрацию (28–42  P₂O₅ ), в то время как на производство сложных фосфорных и концентрированных жидких комплексных удобрений (ЖКУ) требуется кислота концентрацией 52–76  P₂O₅.

Концентрирование растворов аммиачной селитры и карбамида ведут до получения высококонцентрированных плавов, содержание влаги в которых не превышает 0,2-0,5 . Для осуществления процесса концентрирования к исходному раствору необходимо подвести определенное количество тепла.

Количество тепла Q [ ], производимое горячим теплоносителем, к выпариваемому раствору в единицу времени определяется по уравнению

Q ,

где K	– коэффициент теплопередачи, кДж/(м2·ч·град);
F	– поверхность нагрева, м2;
Δt = tT – t кип	– разность температур теплоносителя и кипения раствора.

Коэффициент теплопередачи определяется как

К = 1/(1/α₁ + Σδ_i / λ_i + 1/ α₂),

где 1 и 2	– коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке и от стенки к нагреваемому раствору;
	– толщина стенки [м];
	– коэффициент теплопроводности стенки, кДж/(м·ч·град)
Σδi / λi	– термическое сопротивление стенки.

Поскольку в реальном производстве упариванию подвергаются растворы коррозионно-активных веществ, содержащие к тому же примеси взвешенных частиц, стенки выпаренных аппаратов покрываются осад­ком, накипью, ржавчиной. Теплопроводность этих отложений в десятки раз меньше, чем у металлов. Поэтому термическое сопротивление даже очень тонких сло­ев загрязнений оказывается весьма большим.

Величина коэффициента теплоотдачи  зависит от гидродинамических характеристик жидких сред (теплоносителя и раствора). Повышение турбулизации и уменьшение вязкости сред увеличивает и коэффициент теп­лоотдачи.

Самый простой способ концентрирования – выпарка при атмосферном давлении. В таком случае образующийся вторичный (соковый) пар выбрасывается в атмосферу.

Концентрирование при пониженном давлении протекает при более низких значениях температуры кипения раствора и применяется для высококипящих и термически нестойких растворов. При этом увеличивается движущая сила теплопередачи и возможно уменьшение по­верхности теплопередачи. Однако тогда необходимо проводить кон­денсацию вторичного пара в специальном аппарате теплообменного ти­па – конденсаторе и использовать вакуум-насос для отсоса некон­денсирующихся газов. Вакуум-выпарные установки сложны по устрой­ству, достаточно дороги и требуют дополнительных затрат при их обслуживании.

В производстве минеральных удобрений используют выпаривание растворов и суспензий как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. При атмосферном давлении работают, как правило, выпарные аппараты контактного типа, в которых осуществляется прямой контакт горячего теплоносителя (топочных газов, полученных сжиганием газообразного или жидкого топлива) с упариваемым раствором. Под вакуу­мом работают аппараты поверхностного типа с обогревом раствора те­плом через стенку. В качестве теплоносителя используется водяной пар, имеющий высокое теплосодержание и большой коэффициент теплоотдачи.

Под вакуумом работают так называемые многокорпусные выпар­ные установки, состоящие из соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), каждый последующий из которых работает при более низ­ком давлении, чем предыдущий. В таких установках свежим паром обогревается только первый корпус, а образующийся в нем вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса направляется в конденсатор. Таким образом, в многокорпусных выпарных аппаратах одно и то же подводимое извне тепло многократно используется, что сокращает потребление свеже­го пара.