Отримання фосфорних та комплексних добрив

Прості фосфорні добрива — це кальцієві солі фосфорної кислоти, які мають різну розчинність у воді і відрізняються за вмістом фосфору (табл. 5.7).

Виробництво фосфорних добрив здебільшого розташовують в Україні поблизу районів споживання (бурякосіючі райони лісостепової зони). Найбільшими підприємствами є Вінницький та Сумський заводи. Центрами виробництва є також Костянтинівка (Донецька область) та Одеса. Для виробництва фосфорних добрив використовують довізний апатитовий концентрат та місцеві фосфорити.

Технологічні процеси отримання фосфорних добрив пов’язані з процесами виробництва фосфорної кислоти та використовують природну фосфатну сировину. Ключовим виробництвом для отримання висококонцентрованого подвійного суперфосфату та комплексних добрив є фосфорна кислота, яку можна отримати екстракційним та електротермічним методом.

Виробництво фосфорної кислоти екстракційним методом характеризується як гетерогенний незворотний процес, заснований на такому стехіометричному рівнянні, за яким розраховують матеріальний баланс:

Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ = 3H₃PO₄ + 5CaSO₄ + HF.

Перша стадія процесу відбувається в багатосекційному екс- тракторі, де утворюється кислота та відбувається кристалізація сульфату кальцію. Практично процес екстракції відбувається впродовж 4—8 годин. Саме цей час необхідний для утворення великих кристалів сульфату кальцію. Друга стадія — це фільтрування на спеціальних вакуум-фільтрах карусельного типу з фільтруючою поверхнею 80—160 m³ сульфату кальцію. Наступна стадія процесу полягає в упарюванні фосфорної кислоти до потрібної концентрації. Фторид водню, що утворюється, використовують для отримання гексафторосилікатної кислоти.

Необхідність упарювання кислоти призводить до корозії апаратів, а також кристалізації сульфату кальцію на її стінках.

Виробництво кислоти електротермічним методом засноване на відновленні фосфатів до елементарного фосфору, який окиснюють до оксиду фосфору(V) та гідратують до утворення фосфор­ної кислоти необхідної концентрації (рис. 5.13).

В електропіч 1 надходить шихта, що містить фосфорит, кокс та кварцит, який видаляє оксид кальцію у вигляді шлаків. Тут відбувається процес утворення фосфору за таким стехіометричним рівнянням для розрахунку матеріального балансу:

2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C = P₄ + 6CaSiO₃ + 10CO.

За температури 1400—1500С процес закінчується за 20 хвилин. Газ, що виходить з печі, містить від 6 до 10 % фосфору, проходить через електрофільтр 4, який вилучає пил, та надходить до конденсаторів 5 і 6, що охолоджують його водою, і конденсований рідкий фосфор збирають у пристроях 7 і 8, звідки він надходить у відстійник 9. Наступний етап процесу — це спалювання фосфору в башті 10 за рівнянням:

P₄ + 5O₂ = P₄O₁₀ + 753kJ.

Оскільки цей процес екзотермічний, то після охолодження в холодильнику 11 оксид фосфору(V) подають у спеціальну башту 12 для гідратації, де відбувається процес утворення фосфорної кислоти, який можна відобразити таким рівнянням:

Р₄О₁₀ + 6Н₂О = 4Н₃РО₄.

Рис. 5.13. Технологічна схема виробництва фосфорної кислоти електротермічним методом:

1 — електропіч, 2 — бункер для шихти, 3 — газовідсікач, 4, 14 — електрофільтри, 5 — гарячий конденсатор, 6 — холодний конденсатор, 7, 8 — збирачі для рідкого фосфору, 9 — відстійник для рідкого фосфору, 10 — башта для згоряння, 11, 13 — холодильники, 12 — башта гідратації, 15 — збирач для фосфорної кислоти

Процеси гідратації є екзотермічними та складаються з кількох стадій (утворення метафосфорної, ортофосфорної, поліфосфорних кислот), тому для розрахунку можна скористатися наведеним рівнянням.

Незважаючи та енергетичні затрати, кислота, отримана елек- тротермічним методом, має вищу концентрацію, ніж екстракційна (до 115 % Р₂О₅, включаючи полікислоти), і відрізняється високою чистотою.

Електротермічний метод дає можливість переробляти фосфат­ну сировину з низьким вмістом фосфору, яка є в Україні.

Фосфорна кислота та фосфатна сировина використовуються для отримання висококонцентрованого водорозчинного добрива — подвійного суперфосфату. Залежно від виду фосфатної сировини матеріальний баланс можна розраховувати за такими стехіометричними рівняннями:

Ca₅(PO₄)₃F + 7H₃PO₄ + 5H₂O = 5Ca(H₂PO₄) · 2 H₂O + HF;

Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂.

Технологічна схема отримання подвійного суперфосфату поточним методом наведена на рис. 5.14. Фосфатна сировина та фосфорна кислота подаються в послідовно розміщені реактори 3 та 4, що обігріваються водяною парою. Тут уже на 55 % відбувається розклад фосфатів. Подальший розклад відбувається в барабанних грануляторах-сушарках 5, де змішується пульпа з реактора 4 із сухим тонкоподрібненим відходом — ретуром, який є гранулами подвійного суперфосфату. Тут пульпа розбризкується та нашаровується на частки ретуру, утворюючи гранули, які підсушують за температури 700С топковими газами. Сухий продукт надходить на грохоти 7 та 8, де його розділяють на три фракції. Товарна фракція з розміром гранул 1—4 mm надходить на барабан-амонізатор 10, де фосфорну кислоту остаточно нейтралізують амоніаком, фракцію більше 4 mm подрібнюють у дробарці 9 та змішують з дрібною фракцією і відправляють у вигляді ретурів у апарат 5.

Рис. 5.14. Технологічна схема виробництва подвійного суперфосфату поточним методом:

1 — бункер для фосфату, 2 — збирач для фосфорної кислоти, 3 — реактор першого ступеня, 4 — реактор другого ступеня, 5 — апарат барабанної гранулятора-сушарки, 6 — топка, 7, 8 — грохоти, 9 — дробарка, 10 — барабан-амонізатор, 11 — холодильник «киплячого шару», 12, 13 — циклон

Комплексні добрива (складні та змішані) мають переваги порівняно з простими, оскільки в ґрунт вноситься одночасно кілька поживних речовин. До складних добрив належить амофос, ні­ трофос та нітрофоска.

Амофос — це складне комплексне добриво з високим вмістом поживних речовин (див. табл. 5.7). Отримують його завдяки процесу нейтралізації фосфорної кислоти аміаком з таким розрахунком, щоб утворилося 80—90 % NH₄H₂PO₄ та 10—20 % (NH₄)₂HPO₄.

Нітроамофоска — це потрійне (N + P + K) складне комплексне добриво, яке можна отримати азотнокислим розкладом фосфатів або нейтралізацією суміші фосфорної та азотної кислот аміаком. В обох випадках додається калієва сіль (наприклад, хлорид калію).

Вміст поживних речовин можна регулювати введенням певних кількостей солей калію та азотної кислоти. Залежно від співвідношення поживних речовин випускають нітроамофоску марки А із співвідношенням 1 : 1 : 1 або марки Б із співвідношенням 1 : 1,5 : 1,5.