Международный
научный журнал

Исследование процесса нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты мелом


Study of the process of neutralization of phosphoric acid extraction by chalk

Цитировать:
Исследование процесса нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты мелом // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Мамуров Б.А. [и др.]. 2019. № 2(56). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6910 (дата обращения: 16.10.2019).
 
Прочитать статью:


 

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований переработки мела на одинарные фосфорные удобрения. Показано, что для получения одинарных фосфорных удобрений фосфорную кислоту, содержащую 1 % нитрата аммония, необходимо нейтрализовать мелом при стехиометрической норме на образование монокальцийфосфата при температуре 25–30 оС и продолжительности процесса 30 минут. После сушки фосфорные удобрения содержат не менее 99,07 % усвоямой и не менее 88,66 % водорастворимой формы P2O5. Для снижения пенообразования при нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты мел желательно подвергать термообработке при температуре 850 оC, а сушку продуктов нейтрализации проводить при температуре 95–100 оC. Установлено влияние нормы и концентрации кислоты на технологические показатели процесса нейтрализации и химический состав фосфорных удобрений, кислых и нейтрализованных пульп. Показано, что для снижения содержания влаги в пульпе желательно использовать упаренную до содержания 35 % кислоту. При этом влажность пульпы не превышает 40 %.

ABSTRACT

The results of research on the processing of chalk for single phosphate fertilizers are given. It has been shown that to produce single phosphate fertilizers, phosphoric acid containing 1 % ammonium nitrate must be neutralized with chalk at a stoichiometric norm for the formation of monocalcium phosphate at a temperature of 25–30 ° C and a process duration of 30 minutes. After drying, phosphate fertilizers contain at least 99,07 % assimilable and at least 88,66 % water-soluble form of P2O5. To reduce foaming, it is desirable to heat the chalk while neutralizing the extraction of phosphoric acid at a temperature of 850 °C approx and drying of neutralization products is carried out at a temperature of 95–100 °C. The influence of the norm and acid concentration on the technological indices of the neutralization process and the chemical composition of phosphate fertilizers, acid and neutralized pulps was established. It is shown that for reducing the moisture content in the pulp, it is desirable to use the acid evaporated to a content of 35 %. At the same time, the moisture content of the pulp does not exceed 40 %.

 

Ключевые слова: мел, экстракционная фосфорная кислота, нейтрализация, разложение, сушка, фосфорные удобрения.

Keywords: chalk, extraction phosphoric acid, neutralization, decomposition, drying, phosphate fertilizers.

 

В сельском хозяйстве Республики Узбекистан в качестве фосфорных удобрений, в основном, используются аммофос и простой суперфосфат, полученные из фосфоритов месторождения Центральных Кызылкумов. Известно, что в составе аммофоса отсутствует макроэлемент кальций. В результате длительного применения аммофоса в качестве удобрения содержание в почве подвижного кальция и магния ежегодно снижается, что приводит к недостатку кальция и магния в составе растений и живых организмов. Вследствие этого ухудшается структура почвы, снижается урожайность растений, а также возникают болезни растений и животных [1, 4, 5].

Развитие производства минеральных удобрений предусматривает не только расширение ассорти­мента продукции и улучение её качества, но и разработку новых, экономически и экологически эффективных технологических процессов, рацио­нальное использование местных сырьевых ресурсов.

На территории Республики Узбекистан в больших количествах встречаются кальцит, известняк, доломит и другие нерудные материалы, состоящие из карбонатов кальция и магния, которые соответствуют технологическим требованиям промыш­ленного производства [2]. На государственный баланс республики принято 24 месторождения известняка и доломитизированного известняка, а также 4 месторождения карбонатсодержащего сырья. Их промышленные запасы составляют 1017,8 млн. т и лишь 294 тыс. т. известняка используется в производстве строительных материалов. Исходя из вышеизложенного, исследования кальциймагний­содержащих минералов в качестве кальциевого сырья, а также разработки промышленного производства легко усвояемых растениями фосфатных удобрений, содержащих кальций и магний, и их широкое использование в сельском хозяйстве имеет важное народнохозяйственное значение. До настоящего времени не были изучены возможности налаживания в промышленных масштабах производства фосфорных удобрений из имеющихся в больших количествах запасов мела, известняка и доломита. В связи с этим, в области производства фосфорных удобрений переработка такого вида сырья в целевую продуцию является одной из важных задач.

На практике процесс производства фосфорных удобрений основан на их получении путём нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК). При этом в качестве нейтрализующего средства используют газообразный аммиак в производстве аммофоса и фосфориты в производстве суперфосфатов. При взаимодействии ЭФК с фосфо­ритом первоначально взаимодействуют карбонаты, а затем, в частично нейтрализованной суспензии, происходит разложение фторкарбонатапатита. В результате степень разложения (Кразл.) природного фосфата в получаемом продукте не превышает 45–50 %.

Путём осуществления процесса нейтрализации ЭФК природным карбонатсодержащим сырьём можно получить легко усвояемые растениями фосфорные удобрения, содержащих фосфаты кальция.

С целью повышения объёма производимых фосфорных удобрений и снижения их себестоимости по сравнению с аммофосом, а также уменьшения расхода ценного сырья – фосфорита по сравнению с двойным суперфосфатом изучен процесс получения фосфорных удобрений, содержащих усвояемые фосфаты кальция и магния путём нейтрализации ЭФК, полученной из фосфоритов Центральных Кызылкумов, мелоподобным сырьём.

Для этого была использована ЭФК состава (масс. %): Р2О5 – 17,23, CaO – 0,32, MgO – 0,66, Fe2O3 – 0,30, Al2O3 – 0,41, F – 1,18 и доломитизированное мелоподобное сырьё (масс. %): CaO – 40,67, MgO – 11,55, FeO – 0,48, Fe2O3 – 0,50, CO2 – 44,76. К ЭФК был добавлен нитрат аммония в количестве 1% от её массы и путём её выпаривания были приготовлены растворы с концентрацией 17,23÷35,2 % Р2О5. Добавляемый нитрат аммония служит для улуч­шения растворимости фосфатов кальция и магния в образующейся в процессе нейтрализации суспензии. Норма кислоты, в процессе нейтрализации ЭФК доломитизированным мелоподобным сырьем, составляла 70–125 % от стехиометрии на образо­вание монокальций- и мономагнийфосфатов, а также фосфатов железа и алюминия. Продолжительность процесса нейтрализации составляла 1 час при температуре 25–30 оC. Полученные суспензии высушивали в интервале температур 95÷100 оC.

Технологические показатели получения кальций- и магнийфосфатных удобрений путём нйтрализации ЭФК доломитизированным мелопо­добным сырьем и химический состав полученной продукции приведены в таблицах 1 и 2.

При нейтрализации ЭФК с содержанием 21,5 % Р2О5 доломитизированным мелоподобным сырьем при норме кислоты 70 % отношение P2O5усв.:P2O5общ.×100 составляет 95,11 %. При повышении нормы кислоты до 85 % это отношение возрастает до 96,19 %. В результате нейтрализации при такой же норме кислоты и при повышении концентрации исходной кислоты с 31,7 % до 35,2 % Р2О5 отмечается возрастание отношения до 96,46 % и 96,83 %, соответственно. При достижении нормы кислоты 95 % отношение (P2O5усв.:P2O5общ.)×100 в суспензии, полученной в процессе нейтрализации ЭФК с концентрацией 21,5 % и 35,5 % Р2О5, составляет 98,36 % и 99,02 %, соответственно. При нейтрализации ЭФК с концентрацией кислоты 17,23 % P2O5 доломитизированным мелоподобным сырьём при норме кислоты 100 % и 125 % от стехометрии отношение (P2O5усв.:P2O5общ.)×100 повышается до 99,31 % и 99,69 %, соответственно.

Таблица 1.

Химический состав пульпы и технологические показатели процесса

Покаазатели

Технологические показатели процесса при норме кислоты, %

70

85

85

85

95

95

100

125

Исходная концентрация ЭФК, % Р2О5

21,5

21,5

31,7

35,2

21,5

35,5

17,23

17,23

Р2О5 (общ.), %

19,03

19,42

27,40

29,96

19,45

30,66

15,91

16,13

Р2О5 (усв.), %

18,10

18,68

26,43

29,01

19,13

30,36

15,80

16,08

Р2О5 (в.р.), %

13,24

15,13

21,52

23,78

16,33

26,02

14,12

14,58

CaO (общ.), %

8,80

7,46

10,52

11,51

6,72

10,60

5,24

4,31

MgO (общ.), %

3,13

2,76

3,89

4,25

2,55

4,02

2,01

1,76

N (общ.), %

0,31

0,31

0,46

0,49

0,32

0,50

0,32

0,33

Н2О, %

58,96

60,2

43,93

39,48

60,49

39,74

67,79

69,17

(P2O5усв..:P2O5общ.)×100, %

95,11

96,19

96,46

96,83

98,36

99,02

99,31

99,69

(P2O5в.р.:P2O5общ.)×100, %

69,57

77,91

78,54

79,37

83,96

84,87

88,75

90,39

 

Следует отметить, что в результате нейтра­лизации ЭФК доломитизированным мелоподобным сырьем с низким содержанием (17,23–21,5 %) P2O5 образуется суспензия с влажностью 59–69 %. Содержание воды в образующейся суспензии при нейтрализации ЭФК с концентрацией 35,5 % P2O5, предварительно подвергнутой выпариванию, составляет ~40 %, т.е. в 1,5 раза ниже. Для выпаривания исходной ЭФК расходуется значи­тельно меньше энергии, чем выпариванию суспензии. По этой причине целесобразно в процессе нейтрализации использование ЭФК с коцентрацией ~35 % P2O5.

В результате сушки образующейся суспензии при температуре 95÷100 оC получены фосфорные удобрения, содержащие в своём составе кальций и магний. При повышении температуры сушки свыше 100 оC за счёт дегидратации находящихся в составе продукта монокальцийфосфата и мономагний­фосфата содержания усвояемой и водорастворимой формы P2O5 уменьшаются, соответственно, снижается и качество продукции. Уменьшение температуры ниже 95 оC приводит к возрастанию продолжительность сушки. Оптимальным режимом температуры сушки продуктов является температура 95÷100оC.

Таблица 2.

Химический состав удобрений и технологические показатели процесса

Покаазатели

Технологические показатели при норме кислоты (в %)

70

85

85

85

95

95

100

125

Исходная концентрация ЭФК, % Р2О5

21,5

21,5

31,7

35,2

21,5

35,5

17,23

17,23

Р2О5 (общ.), %

45,40

48,20

47,91

48,37

46,43

48,98

48,11

51,21

Р2О5 (усв.), %

43,25

46,33

46,20

46,82

45,66

48,45

47,75

51,07

Р2О5 (в.р), %

31,25

37,24

37,32

38,03

38,68

41,19

42,48

46,34

Р2О5 (св.), %

0,35

1,42

1,38

1,34

2,27

2,31

3,39

12,55

CaO (общ.), %

20,98

18,52

18,39

18,58

16,05

16,94

15,84

13,68

MgO (общ.), %

7,45

6,85

6,80

6,87

6,08

6,42

6,08

5,58

N (общ.), %

0,73

0,78

0,79

0,79

0,75

0,80

0,97

1,04

pH

3,8

3,4

3,4

3,4

3,3

3,3

3,2

2,4

Н2О, %

2,15

1,18

1,96

2,29

5,69

3,73

2,61

2,12

(P2O5усв..:P2O5общ.)×100, % (или K)

95,26

96,12

96,43

96,80

98,34

98,92

99,25

99,73

(P2O5в.р.:P2O5общ.)×100, %

68,83

77,26

77,90

78,62

83,31

84,10

88,30

90,49

 

В результате сушки суспензии, полученной путём нейтрализации ЭФК доломитизированным мелоподобным сырьём при норме кислоты 70÷85 % в интервале температур 95÷100 оC образуются продукты с отношением (P2O5усв.:P2O5общ.)×100 95,26-96,80 %. Следует отметить, что содержание в составе этих продуктов фосфатов в неусвояемой форме составляет 3,2–4,74 % в расчёте на P2O5, что свидетельствует об их низком качестве.

Подобным же образом, при нейтрализации ЭФК доломитизированным мелоподобным сырьём при избыточной норме кислоты кислотность получаемого продукта (P2O5своб.) превышает 5 %, что также приводит к ухудшению его качества. Так, если в процессе нейтрализации норма кислоты составляет 125 %, образуется продукт с содержанием (масс. %): Р2О5общ. – 51,21; Р2О5усв. – 51,07; Р2О5в.р. – 46,34; СаО – 12,55; MgO – 5,58; N – 1,04; Н2О – 2, количество Р2О5своб. составляет 12,55 %. Гигроскопичность такого продукта довольно высока.

Таблица 3.

Влияние температуры обжига на химический состав доломитизированного мелоподобного сырья

t, оC

Продол-жительность обжига, мин.

Химический состав, масс. %

Потеря массы, %

CaO

MgO

FeO

Fe2O3

CO2

H2O

н.о.

1.

100

60

40,80

11,59

0,48

0,50

44,90

0,29

1,44

0,31

2.

200

60

40,80

11,59

0,48

0,50

44,90

0,28

1,45

0,32

3.

300

60

40,82

11,59

0,48

0,50

44,92

0,24

1,45

0,36

4.

400

60

40,83

11,60

0,48

0,50

44,94

0,20

1,45

0,39

5.

500

60

40,94

11,63

0,48

0,50

45,00

-

1,45

0,66

6.

600

60

40,99

11,76

0,49

0,51

44,78

-

1,47

1,79

7.

700

60

43,10

12,24

0,51

0,53

42,09

-

1,53

5,64

8.

800

60

47,97

13,62

0,57

0,59

35,55

-

1,70

15,22

9.

850

60

50,88

14,45

0,60

0,63

31,64

-

1,80

20,06

10.

900

60

54,08

15,36

0,64

0,66

27,35

-

1,91

24,80

11.

950

60

60,97

17,32

0,72

0,99

17,84

-

2,16

33,30

12.

1000

60

70,62

20,06

0,83

0,87

5,12

-

2,50

42,41

13.

1000

120

74,36

21,12

0,88

0,91

0,10

-

2,63

45,31

14.

1000

180

74,43

21,14

0,88

0,91

-

-

2,64

45,36

15.

1050

60

74,43

21,14

0,88

0,91

-

-

2,64

45,36

16.

1050

120

74,43

21,14

0,88

0,91

-

-

2,64

45,36

17.

1050

180

74,43

21,14

0,88

0,91

-

-

2,64

45,36

 

Для улучшения качества продукта нейтрализацию ЭФК целесобразно проводить доломитизированным мелоподобным сырьем при норме кислоты 95-100 %. В результате этого, при сушке получаемой суспензии при температуре 95÷100 оC, отношение (P2O5усв.:P2O5общ.)×100 составляет 98,34-99,25 %. При этом продукт содержит (масс. %): Р2О5общ.. – 46,43–48,98; Р2О5усв. – 45,66-48,45; Р2О5в.р. – 38,68–42,48; Р2О5своб. – 2,27–3,39; СаО – 15,84–16,94; MgO – 6,08–6,42; N – 0,75-0,97; Н2О–2,61–5,69. Содержание водорастворимых фосфатов в получаемом продукте [(P2O5в.р.:P2O5общ.)×100] составляет 83,31–88,30 %.

Таким образом, на основании проведённых исследований найдены оптимальные параметры получения кальциймагнийсодержащих одинарных фосфорных удобрений путём нейтрализации ЭФК доломитизированным мелоподобным сырьем, которые соответствуют следующим условиям: концентрация исходной ЭФК – ~35 % P2O5, норма ЭФК – 95–100 %, температура сушки суспензии – 95÷100 оC.

С целью снижения пенообразования при нейтрализации ЭФК мелоподобным сырьем изучены процессы термообработки мелоподобного сырья и влияние нейтрализации ЭФК термообработанным мелоподобным сырьём на процесс пенообразования. Для этого проведена термообработка доломитизированноого мелоподобного сырья состава (масс. %): CaO – 40,67, MgO – 11,55, FeO – 0,48, Fe2O3 – 0,50, CO2 – 44,76 в интервале температур 100÷1050 оC и изучен химический состав полученных продуктов (таблица 3).

При термообработке сырья в интервале температуре 100÷500 оC происходит уменьшение влажности, выделение кристаллизационной воды и разложение гидроксидов железа, благодаря чему масса образца уменьшается на 0,66 %.

По литературным данным, разложение карбоната магния (MgCO3) начинается с 500 оC, доломита (CaCO3∙MgCO3) – с 600 оC, кальцита (CaCO3) – с 850-900 оC и при 1050 оC все карбонатные минералы в течение 1 часа полностью разлагаются [3]. В результате этого образуются следующие продукты (масс. %) : CaO – 74,43, MgO – 21,14, FeO – 0,88, Fe2O3 – 0,91 и н.о – 2,64.

При нейтрализации экстракцион фосфорной кислоты доломитизированным мелоподобного сырьём образование трудногасимой пены связано не только с выделением диоксида углерода, образующегося в результате разложения карбонатов, а прежде всего обусловлено наличием остатков органических соединений в составе сырья. В процессе термической обработки происходит выгорание органических соединений, что приводит к снижению количества трудногасимой пены.

С этой целью изучен процесс нейтрализации ЭФК, содержащей (масс. %): Р2О5 – 17,23, CaO – 0,32, MgO – 0,66, Fe2O3 – 0,30, Al2O3 – 0,41, F – 1,18 термически обработанным доломитизированным мелоподобным сырьём в интервале температур 500÷950 оC. Изучен процесс пенообразования и зависимость степени пенообразованияе от продолжительности процесса нейтрализации ЭФК продуктами обжига сырья при норме 100 % от стехиометрии на образование монокальцийфосфата, мономагнийфосфата, а также фосфатов железа и алюминия (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Изменение степени пенообразования в процессе нейтрализации ЭФК от продолжительности процесса и температуры термообработки мелоподобного сырья: 1 - нетермообработанное; 2 – 500 оC; 3 – 700 оC; 4 –850 оC; 5 – 950 оC.

 

Для обозначения степени пенообразования был принят такой показатель, как степень пенообра­зования, которая выражается в процентном отношении высоты образовавшейся пены к высоте реакционной смеси (суспензии).

При нейтрализации ЭФК не термообработанным сырьём степень пенообразования в течение 5 минут возрастает до 310 %, через 15 минут снижается до 125 %, через 60 минут снижается до 30 %, а через 120 минут понижается до 10 %, а для гашения пены до 7 % требуется 150 минут

При нейтрализации ЭФК продуктами, полу­ченными в результате термообработки доломитизи­рованного мелоподобного сырья, степень пенообра­зования сильно понижается: при использовании термообработанного при 500 оC, 700 оC, 850 оC и 950 оC сырья степень пенообразования через 5 минут составляет 190 %, 180 %, 147 % и 78 %, а через 15 минут - 65 %, 52 %, 30 % и 10 %, соответственно. При перемешивании суспензии в течение 30 минут наблюдается полное гашение пены, полученной из термообработанного при 850 оC и 950 оC сырья.

С целью снижения пенообразования в процессе нейтрализации ЭФК мелоподобным сырьём целесо­образно проведение первоначальной термообра­ботки исходного сырья при 850 оC. В результате этого образуется термообработанное сырьё состава (масс. %): CaO – 50,88, MgO – 14,45, CO2 –31,64, FeO – 0,60, Fe2O3 – 0,63 и нерастворимый остаток – 1,80.

При нейтрализации термообработанным при 850 оC мелоподобным сырьём ЭФК с концентрацией ~35 % P2O5 при норме, соответствующей стехиометрической на образование монокальций-, мономагнийфосфатов, фосфатов железа и алюминия, получается суспензия состава (масс. %): Р2О5общ. – 30,50; Р2О5усв. – 30,23; Р2О5в.р. – 27,15; СаО – 10,04; MgO – 3,86; N – 0,62; Н2О – 40,05. В этих суспензиях количество усвояемого фосфора соответствует 99,11 %.

При сушке суспензии в интервале температур 95÷100 оC образуются кальций- и магнийфосфатные удобрения состава (масс. %): Р2О5общ. – 49,21; Р2О5усв. – 48,75; Р2О5в.р. – 43,63; Р2О5своб. – 2,27; СаО – 16,21; MgO – 6,23; N – 1,00; Н2О – 3,46. В полученном продукте Р2О5усв. составляет 99,07 %, а P2O5в.р. равно 88,66 %.

Таким образом, найдены оптимальные условия получения кальциймагнийсодержащих фосфорных удобрений путём нейтрализации ЭФК доломитизо­рованным мелоподобным сырьём, а именно: температура термообработки исходного мелопо­добного сырья – 850 оC, концентрация исходной ЭФК – ~35 % P2O5, норма ЭФК – 95–100 %, температура сушки суспензии – 95÷100 оC.

 

Список литературы:
1. Алиев А.Т., Ким Р.Н., Мячина О.В., Мирзакулов Х.Ч., Шамшидинов И.Т. Агрохимические испытания азотфосфоркальцийсодержащих удобрений и удобрения с микроэлементами меди и цинка на хлопчатнике // Научно-технический журнал ФерПИ. – Фергана, 2017. – № 2. – С. 157-160.
2. Геология и полезные ископаемые Республики Узбекистан / Т.Н. Долимов, Т.Ш. Шаякубов и др.: Редкол.: Т.Ш. Шаякубов (гл. ред.) и др. – Т.: Университет, 1998. – 724 с.
3. Рабинович В.А. Краткий химический справочник/ В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. – М.: Химия, 1978. – С.71-79.
4. Шамшидинов И.Т. Исследование процесса переработки фосфоритов Каратау на концентрированные фосфорные удобрения по поточной технологии //Universum: технические науки. – 2017. – №. 3 (36). – С. 29-33.
5. Шамшидинов И.Т., Мирзакулов Х.Ч., Мамуров Б.А. Переработка магнийсодержащих фосфоритов на экстракционную фосфорную кислоту //Universum: технические науки. – 2017. – №. 2 (35). – С. 84-88.

 

Информация об авторах:

Мамуров Баходир Арифжанович Bakhodir Mamurov

докторант Наманганского инженерно-строительного института, Узбекистан, г. Наманган

doctoral student of the Namangan engineering-construction institute, Uzbekistan, Namangan


Шамшидинов Исраилжон Тургунович Israiljon Shamshidinov

профессор Наманганского инженерно-строительного института, Узбекистан, г. Наманган

professor of Namangan engineering-construction institute, Uzbekistan, Namangan


Усманов Илхам Икрамович Ilham Usmanov

директор научно-производственного предприятия «Ilm-fan texnologiyalar», Узбекистан, г. Ташкент

director of the research and production company «Ilm-fan texnologiyalar», Uzbekistan, Tashkent


Кодирова Гулноза Кодиржановна Gulnoza Kodirova

докторант Наманганского инженерно-строительного института, Узбекистан, г. Наманган

doctoral student of the Namangan engineering-construction institute, Uzbekistan, Namangan


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5459

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66239 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в:

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

ROAR

OpenAirediscovery

CiteFactor

 

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.