АНАЛИЗ ПРОЦЕССА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В статье проведены анализы нейтрализация экстракционной фосфорной кислоты аммиаком и выполнено описание анализа непрерывных линейных систем управления с помощью дифференциальных уравнений. В исследовании представлена зависимость температуры кипения пульпы от плотности. Эксперименты проводились по плану полного факторного эксперимента (ПФЭ) 2². В качестве факторов выбраны: расход пульпы H₃PO₄ (11,39¸15,83 кг/с), давление аммиака и pH пульпы. Результаты экспериментов обработаны методом регрессионного анализа и выявлены значимые коэффициенты. Данные процесса нейтрализации были получены также при помощи метода наименьших квадратов. Автором статьи рекомендуется определение полученных регрессионных уравнений в качестве математической модели процесса нейтрализации.

ABSTRACT

This article analyzes the carried out neutralization, extraction of phosphoric acid ammonia, and the description and analysis of continuous linear control systems using differential equations. The dependence of the boiling temperature of the pulp on the density is presented. The experiments were constructed using a full factorial experiment (FFE) 2² design . The factors selected were H3PO4, pulp flow rate (11,39 ¸15,83 kg/s), ammonia pressure, and pulp pH. The experimental results were processed using regression analysis, and significant coefficients were identified. Neutralization process data were also processed using the least squares method. It is recommended that the resulting regression equations be defined as mathematical models of the neutralization process.

Ключевые слова: процесс нейтрализации, аммофос, жидкий аммиак, регрессионный анализ, математическая модель.

Keywords: neutralization process, ammophos, liquid ammonia, regression analysis, mathematical model.

Введение

В Узбекистане, в качестве кoнцентрирoванных фoсфoрных удoбрений, в настоящее время, в oснoвнoм, используют аммoфoс, получаемый из фoсфoритoв  Центральных  Кызылкумoв [4; 5]. 

Современное состояние топливно-энергетических ресурсов и конструкционных материалов свидетельствует о том, что дальнейшее совершенствование процессов и аппаратов для выпаривания пульпы должно опираться на результаты математического моделирования, наиболее полно учитывающего все основные физико-химические закономерности и явления, имеющие место в промышленных аппаратах. В связи с этим возрастает значимость задачи разработки адекватной математической модели, позволяющей прогнозировать поведение исследуемого процесса концентрирования растворов минеральных удобрений при различном его аппаратурном оформлении [2].

Объекты и методы исследования. Процесс получения гранулированного аммофоса состоит из следующих основных стадий: нейтрализация экстракционной фосфорной кислоты аммиаком с получением неупаренной аммофосной пульпы; упарка аммофосной пульпы; её гранулирование и сушка; классификация и охлаждение готового продукта; очистка отходящих газов; хранение и отгрузка готовой продукции [1; 5].

Основные реакции нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком экзотермические, т.е. протекают с выделением большого количества тепла, в связи с увеличением концентрации Р₂О₅ в кислоте температура пульпы повышается и достигает 110 °С.

В процессе нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком из 1 т H₃PO₄ испаряется до 10 кг Н₂О, введенной с кислотой. Это снижает температуру пульпы примерно на 5 °С. Содержание воды в пульпе после аммонизации в аппарате САИ (при условии возврата конденсата) составляет 60 ~ 65 %.

Аппарат САИ (скоростной аммонизатор-испаритель), где происходит нейтрализация фосфорной кислоты, состоит из реакционной камеры, сепаратора и циркуляционной трубы.

Нижняя часть реакционной камеры выполнена в виде трубы Вентури с вмонтированной комбинированной форсункой для подачи жидкого и газообразного аммиака. В боковой части размещается сопло для отвода аммофосной пульпы. Циркуляционная труба снабжена соплом для подачи экстракционной фосфорной кислоты. Реакционная камера и циркуляционная труба соединены между собой.

В циркуляционной зоне САИ происходит смешение фосфорной кислоты и аммофосной пульпы, которая, охлаждаясь, передвигается в реакционную зону. Здесь в восходящий поток пульпы через комбинированную форсунку подается аммиак.

В результате реакции, пульпа разогревается и переходит в испарительную зону аппарата, где происходит её испарение и охлаждение, за счет отсасывания парогазовой смеси.

Взаимодействие фосфорной кислоты с аммиаком протекает в течении не более 2–3-х минут и зависит от интенсивности циркуляции пульпы в аппарате САИ и степени диспергирования газообразного аммиака. Циркуляция происходит за счет разности температур в циркуляционной и реакционной зонах аппарата САИ и эффекта эжекции, образующегося при подаче аммиака.

В процессе нейтрализации фосфорной кислоты наблюдаются следующие входные параметры в аппарате: расход пульпы H₃PO₄ (11,39¸15,83 кг/с), а также давление аммиака и выходные параметры, являющиеся pH пульпы.

Таблица 1.

Матрица планирования для обработки результатов

Вычисляем коэффициент линейных уравнений регрессии:

y=b₀+b₁x₁+b₂x₂

Важно то, что полный факторный эксперимент относится к числу ортогональных планов. Преимущество его состоит в том, что резко упрощается расчет коэффициентов регрессии [2; 3].

Результаты и их обсуждение. Вместо прямого решения системы нормальных уравнений используют следующие простые расчетные формулы для коэффициентов регрессии:

где j — номер фактора, N — количество опытных точек в плане, i — номер опытной точки в плане (номер строки).

Нужно получить сумму коэффициентов для b₀, b₁,b₂  

.

.

Уравнение регрессии будет выглядеть так:

Система полученных регрессионных уравнений представляет собой математическую модель процесса нейтрализации.

Экспериментальные данные процесса нейтрализации были обработаны также методом наименьших квадратов, что позволило связать выходные параметры после скоростного аммонизатор-испарителя: pH полученного пульпы (плотность 1200–1240 кг/м³), температуру продукта в САИ (90¸105°С).

Предел концентрирования температуры кипения пульпы может быть выражен линейной зависимостью или параболической зависимостью:

где   — коэффициенты, полученные с использованием метода наименьших квадратов.

Рисунок 1. Зависимость температуры кипения пульпы от плотности

Как видно из рисунка 1, в процессе нейтрализации изменение пульпы в зависимости от температуры может быть выражен линейной зависимостью.

Заключение

Результаты экспериментов проанализированы с помощью табличной и математической обработки. Зависимость температуры кипения пульпы от плотности может быть выражена параболической зависимостью.

С помощью регрессионного анализа определены значимые коэффициенты и получена математическая модель.

Предложенные модели используются при рассчeте процесса нейтрализации с получением неупаренной аммофосной пульпы в САИ аппарате.

Список литературы:

1. Дохолова А.Н., Кармышов В.Ф., Сидорина Л.В. Производство и применение аммофоса. — М.: Химия, 1977. — 240 с.
2. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. — М.: Химия, 1982. — 288 с.
3. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1976. — 464 с.
4. Набиев М.Н., Амирова А.М., Мушиева Н.Х., Зецер Л.И. Аммофос на основе фосфоритов Центральных Кызылкумов // Узбекский химический журнал. — Ташкент, 1987. — №5. — С. 58–61.
5. Раджабов Р.Р. Новая химико-технологическая система на базе типовой технологической схемы производства аммофоса // Химическая технология. Контроль и управление. — Ташкент, 2006. — № 3. — С. 5–11.
6. Рейпназарова З.Д., Артиков А. Температура кипения аммофосной пульпы из фосфоритов Центральных Кызылкумов // Узбекский химический журнал. — Ташкент, 2007. — № 4. — С. 34–37.