Luận Văn “Thiết kế xưởng sản xuất supe phốt phát đơn ” - 1 - LỜI NÓI ĐẦU Phân khoáng là những muối cơ bản có chứa những nguyên tố cần thiết cho sự phát triển của thực vật. Trong đất luôn thiếu những nguyên tố này do thực vật tiêu hoá, vì vậy để đảm bảo cho sự phát triển tốt phải thường xuyên bổ xung các nguyên tố dinh dưỡng cho đất. Phân bón không những làm tăng sản lượng mà còn làm tăng chất lượng của nông sản. Nước ta là một nước nông nghiệp, vì thế phân bón đối với ngành nông nghiệp nước ta là rất quan trọng. Các công ty phân bón nước ta chưa đáp ứng được nhu cầu phân bón cho cây trồng, hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất ngày càng nghèo nàn, nên cần phải cung cấp một lượng lớn phân bón cho đất giúp cây trồng phát triển và cho năng suất cao. Như vậy sự phát triển các ngành phân bón có ý nghĩa to lớn đến sự phát triển ngành nông nghiệp. Trong bản đồ này em được giao nhiệm vụ thiết kế xưởng sản xuất supe phốt phát đơn là một trong những chất dinh dưỡng cho cây trồng. PHẦN I - LÝ THUYẾT A- ĐẶC ĐIỂM NGUYÊN LIỆU BAN ĐẦU VÀ SẢN PHẨM THU ĐƯỢC. I. Đặc tính của supe phốt phát đơn: 1. Công thức hóa học của các thành phần trong supe phốt phát đơn Supe phốt phát đơn là một hỗn hợp gồm có: các muối của axít oc tô- phốtphoric, axit sunfuaric, một lượng của axit octo phốtphoric tự do và apatit chưa phân huỷ - 2 - Thành phần trong supe phốtphát :[1-27] Thành phần chính: - Ca(H 2 PO 4 ) 2 .H 2 O : Mônô can xi phốt phát Thành phần phụ : - H 3 PO 4 : Axít phốtphoríc tự do - FePO 4 .2H 2 O : Phốt phát sắt ba. - AlPO 4 .2H 2 O : Phốt phát nhôm - CaHPO 4 : Đi Canxi phốt phát - Ca 5 (PO 4 ) 3 F : Apatít chưa phân huỷ - CaSO 4 : Sunphát Canxi 2. Tính chất hoá lý cơ bản của supe phốt phát: Supe phốt phát là một loại bột tơi, xốp, có màu xám sẫm hoặc xám nhạt, trọng lượng riêng đổ đống của supe phốt phát từ 1,1- 1,5 T/ m 3 . Hàm lượng các hợp chất phốt phát chứa trong supe phốt phát được tính ra phần trăm anhyđrit phốtphoric tức là phần trăm P 2 O 5 . Phần P 2 O 5 trong supe phốt phát ở dạng hoà tan trong nước (P 2 O 5 hoà tan trong nước) gồm có mônô canxi phốt phát canxi và axitphốtphoríc tự do. Các phốt phát sắt, phốt phát nhôm dicanxi phốt phát không hoà tan trong nước mà hoà tan một phần hoặc hoàn toàn trong trong dung dịch xitrat amôn, cây trồng cũng có thể hấp thụ được nhưng chậm gọi là P 2 O 5 hoà tan trong xitrat. Chất lượng của Supe phốt phát được đánh giá theo hàm lượng P 2 O 5 hữu hiệu (dạng P 2 O 5 mà cây trồng có thể hấp thụ được ) là tổng các dạng P 2 O 5 hoà tan trong nước và P 2 O 5 hoà tan trong xitrat, ngoài ra trong supe - 3 - phốt phát còn chứa một phần P 2 O 5 không hoà tan trong xitrat nằm trong lượng aptít chưa được phân huỷ. Tổng các dạng P 2 O 5 hữu hiệu và P 2 O 5 không hoà tan trong xitrat hợp thành P 2 O 5 chung. Tỷ lệ phần trăm của P 2 O 5 hữu hiệu đối với P 2 O 5 chung biểu thị mức độ phân huỷ apatit bởi axít sunfuric gọi là hệ số phân huỷ (K). 3. ứng dụng của Supe phốt phát đơn: Supe phốt phát đơn được sử dụng chính để làm phân bón có chứa phốt phát, phốt pho chứa trong supe phốt phát ở thể dinh dưỡng làm tăng lượng bột ở các loại cây có củ, có hạt, tăng lượng đường ở các loại cây có quả, làm cho cây cứng cáp, chống được sâu bệnh. Nói chung là làm cho cây trồng phát triển khoẻ mạnh, cho năng suất thu hoạch cao đối với các cây công nghiệp và nông nghiệp. Ngoài ra supe phốt phát đơn còn dùng để sản xuất các loại phân bón hỗn hợp P-K hoặc NPK, dùng sản xuất chất khoáng bổ xung thức ăn cho gia súc. 4. Tiêu chuẩn Nhà nước về supe phốtphát đơn: Theo tiêu chuẩn Nhà nước số TCVN 4440-87 phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật sau: Hàm lượng P 2 O 5 hữu hiệu không nhỏ hơn 16.5% Hàm lượng P 2 O 5 tự do không lớn hơn 4% Hàm lượng ẩm không lớn hơn 13% Supe phốt phát phải tơi xốp màu xám sáng không bị vón cục, không nhão bết. II. Thành phần nguyên liệu sản xuất supe đơn. - 4 - Nguyên liệu để sản xuất supe đơn gồm có quặng chứa phốt pho và axít sunfuric. Quặng chứa phốt pho bao gồm các loại: apatit, phốtphoric và phốt phát thiên nhiên; Ở nước ta để sản xuất supe đơn quặng được dùng chủ yếu là apatit. 1-Apatit Apatit là một loại quặng gồm các muối của axit phôtphoric chủ yếu là Floapatit và các tạp chất khác. Quặng có màu nâu sẫm vàng, không hoà tan trong nước. Nhưng hoà tan trong các axit vô cơ, trọng lượng riêng từ 1,5- 2,2 T/m 3 . Nhiệt độ nóng chảy 1550 0 C- 1470 0 C Hàm lượng phốt pho trong apatit cũng được tính ra phần trăm anhyđrit phốtphoric và gọi là P 2 O 5 chung trong apatit. Apatit chưa làm giàu chứa một lượng lớn các tạp chất như thạch anh, đất sét, đá vôi, đôlômit. Do đó mà hàm lượng P 2 O 5 chung trong apatit giảm đi. Những khoáng chất có chứa sắt, nhôm, đôlômit là những tạp chất có hại cho sản xuất. Trong thời gian ủ ở kho, sắt và nhôm tạo thành muối trung tính FePO 4 .2H 2 O và AlPO 4 .2H 2 O không hòa tan trong nước và cây cối hấp thụ rất chậm. Manhê tạo thành muối Mg(H 2 PO 4 ).4H 2 O có tính hút ẩm mạnh làm giảm tính chất vật lý của supe phốt phát. Tỷ lệ 52 32 OP OFe lớn hơn 8- 10% và 52 OP MgO lớn hơn 7-8% không dùng để sản xuất supe phốt phát đơn. Apatit Lào Cai đưa vào sản xuất ở công ty là loại apatit nguyên khai, chưa làm giàu, không đồng nhất về kích thước lẫn phẩm chất, thường chiếm từ 81- 90% Floapatit và phân bổ không đều. Các tạp chất nhiều và không ổn định và độ ẩm cũng thay đổi thất thường. - 5 - Hàm lượng P 2 O 5 trong flo apatit Lào Cai vào khoảng : 32÷36% . Theo bản thiết kế thành phần quặng apatit có thành phần như sau: Thành phần P 2 O 5 CaO MgO Fe 2 O 3 Al 2 O 3 SiO 2 F CO 2 H 2 O % khối lượng 33.5 42 1.7 1.8 2.1 4.5 1.7 2.2 10.5 2- Axít sunfuric. Axít sunfuric là nguyên liệu chính để sản xuất supe phốtphát thường sản xuất trực tiếp axít cung cấp cho sản xuất supe phốtphát. Trong hoá học axít sunfuríc được xem là hợp chất của Anhyđríc sunfuríc với nước, công thức hoá học SO 3 .H 2 O hoặc H 2 SO 4 , khối lượng phân tử : 98,8 (g). Axít thu được có nhiều sản phẩm gồm : mono hyđrat, olêum, axít loãng thì có tính ăn mòn mạnh, axít đặc thì có tính thụ động. Là chất lỏng không màu, sánh, có ủ = 1.8305 (g/ cm 3 ), kết tinh ở áp suất thường ( 760 mmHg ) đến 292 0 C axít H 2 SO 4 bắt đầu sôi. Axít được sử dụng trong thiết kế này là 76%. Axít được lấy từ phân xưởng axít cung cấp cho sản xuất supe. xưởng axít sunfuric là S được nhập khẩu từ nước ngoài về. Trong thực tế sản xuất thường lấy vượt quá lượng lý thuyết từ 6-10% bởi vì ngoài việc thoả mãn cho nhu cầu phân huỷ còn cần phải có sự tiếp xúc đầy đủ giữa pha rắn và pha lỏng để tăng nhanh tốc độ phản ứng. III- Sản phẩm thu được: Thành phần chính sản phẩm của bản thiết kế này là : supe phốt phát, và bên cạnh sản phẩm chính còn có sản phẩm phụ như : Na 2 SiF 6 , NaF , SiO 2 , - 6 - 3NaF, AlF 3 Ngoài ý nghĩa kinh tế việc thu hồi Flo còn bảo đảm vệ sinh công nghiệp, chống ô nhiễm môi trường. Sản phẩm phụ đặc trưng là Na 2 SiF 6 .Na 2 SiF 6 là một muối của axít H 2 SiF 6 , trọng lượng phân tử là 188, trọng lượng riêng là 2,7 T/ m 3 . Na 2 SiF 6 là một muối kết tinh, màu trắng, khó tan trong nước, độ hoà tan của nó tăng theo nhiệt độ. Na 2 SiF 6 tan nhiều trong các axít, ở môi trường kiềm phân giải tạo các muối Florua và axít silíc, là một chất rất độc. Thông thường chất lượng của Na 2 SiF 6 sản xuất có thành phần như sau: + Hàm lượng của Na 2 SiF 6 : Không nhỏ hơn 98%. + Axít tự do : Không lớn hơn 0,2%. + Độ ẩm : Không lớn hơn 1%. + Độ mịn (sàng 0,063 mm): Không lớn hơn 15%. Sản phẩm này sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xây dựng, là chất tăng nhanh sự đóng rắn, sử dụng trong công nghệ sản xuất thuỷ tinh, men sứ, ngoài ra Na 2 SiF 6 còn để sản xuất một số muối khác chứa Flo. B- LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SUPE ĐƠN. I. Các giai đoạn phản ứng và đặc điểm kỹ thuật của quá trình sản xuất: Phản ứng phân huỷ apatit bằng axit sunfuric tiến hành theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Axit sunfuric tác dụng với apatit tạo thành axit phốtphoric và canxi theo phương trình: - 7 - Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 5H 2 SO 4 + 2,5H 2 O = 3H 3 PO 4 +5CaSO 4 + 2 1 H 2 O +HF Sunphát Canxi ngậm nửa phân tử nước biến thành sunphat Canxi khan và tách ra với tốc độ nhanh hay chậm tuỳ theo nhiệt độ và thành phần của pha lỏng. Tuỳ theo mức độ phản ứng của giai đoạn 1 mà nồng độ axit sunfuric giảm dần và nồng độ axit phốtphoric tăng dần sau khi khuấy trộn. Bột sệt đã được tạo thành nhanh chóng và chảy xuống phòng hoá thành. Khi đó khoảng 60-80% lượng axit cho vào đã tham gia phản ứng, khối bột sệt đông cứng lại. Trong thời gian ủ phòng hoá thành, giai đoạn phản ứng 1 hầu như kết thúc và giai đoạn phản ứng thứ hai bắt đầu, đây là giai đoạn phản ứng chậm giữa axit phôtphoric mới sinh ra với apatit còn dư lại sau giai đoạn 1 Ca 5 (PO 4 ) 3 F +7H 3 PO 4 +5H 2 O = 5Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O + HF Giai đoạn phản ứng thứ 2 sẽ kéo dài trong suốt thời gian ủ supe trong kho chứa Từ hai phương trình phản ứng ta có phương trình tổng hợp: 2Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 7H 2 SO 4 + 5H 2 O = 3Ca(H 2 PO 4 ) 2 .H 2 O + 7CaSO 4 + 2HF Quá trình sản xuất supe phốtphát có những đặc trưng sau: -Nó sẩy ra khi thành phần của pha lỏng thay đổi căn bản, sự phân huỷ apatit được bắt đầu trong các hỗn hợp của axit sunfuric và axit phôtphoric mà nồng độ của axit sunfuric cao hẳn. Tuỳ theo thời gian phản ứng nồng độ của axit sunfuric giảm dần và nồng độ của axit phôtphoric tăng dần lên. Trong giai đoạn phản ứng thứ hai, pha lỏng lúc đầu là axit phôtphoric, rồi sau đó là dung dịch H 3 PO 4 được bão hoà bởi Ca(H 2 PO 4 ) 2 sinh ra -Quá trình phản ứng sinh ra một số muối - 8 - Trong giai đoạn 1: một trong những dạng kết tinh của CaSO 4 tách ra ( khoảng 50%), trong giai đoạn thứ hai Ca(H 2 PO 4 ).H 2 O kết tinh các sản phẩm của phản ứng CaSO 4 và Ca(H 2 PO 4 )H 2 O bao bọc trên bề mặt của những hạt apatit, tạo thành một màng ngăn cách axit xâm nhập vào apatit và gây khó khăn cho quá trình khuyếch tán của ion Ca 2+ từ mặt ngoài của apatit vào khối dung dịch, làm chậm tốc độ phản ứng. -Tuỳ theo tốc độ phân huỷ của apatit mà tốc độ của phản ứng của giai đoạn 2 giảm dần đặc biệt là ở giai đoạn ủ cuối cùng của supe phốtphát. Ngoài ra các đặc điểm trên quá trình sản xuất supe phốt phát còn có sự biến đổi pha của: CaSO 4 2 1 H 2 O > CaSO 4 + H 2 O Phản ứng này xảy ra với tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào chế độ kỹ thuật khi trộn các chất tham gia phản ứng. Trong sản xuất supe phốtphát đồng thời với 2 phản ứng chính còn có hàng loạt phản ứng phụ xảy ra của các tạp chất khác có trong apatit đưa vào sản xuất Flohyđric và axit Silisic tạo thành khi axit sunphuric phân huỷ Floapatit 6HF + H 2 SiO 3 = H 2 SiF 6 + 3H 2 O Axit tạo thành do sự phân huỷ của axit với nêphelin(NaAlSiO 4 ) NaAlSiO 4 + 4H + = Na + + Al 3+ + H 2 SiO 3 + H 2 O Tuỳ theo tốc độ của những phản ứng chính nhiệt độ của bột sệt tăng lên và do đó áp suất riêng phần của Florua silic tạo thành theo phản ứng cũng tăng dần lên - 9 - 2H 2 SiF 6 + H 2 SiO 3 = 3SiF 4 +3H 2 O Tóm lại: Thành phần pha trong sản xuất supe phốtphát có thể chia ra như sau: Pha rắn gồm có: -Ca(H 2 PO 4 ).H 2 O -CaSO 4 -Apatit chưa phân huỷ -Các chất chưa bị phân axit phân huỷ Pha khí : SiF 4 , HF , CO 2 , hơi nước Pha lỏng gồm có: dung dịch axit photphoric đã bão hoà, Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O và chứa các tạp chất như: Na + , K + ,Mg 2+ ,Al 3+ ,Fe 3+ , Fe 2+ , SiF 6 2- … II- Cơ Sở hoá lý của quá trình sản xuất supe đơn 1- Độ hoà tan trong hệ CaO - P 2 O 5 - H 2 O Trong quá trình sản xuất supe đơn, phản ứng giữa apatit và axít sunfuric xảy ra theo phương trình tổng quát sau:[1-84] 2Ca 5 F(PO 4 ) 3 + 7H 2 SO 4 + 3H 2 O = 3Ca(H 2 PO 4 ) 2 . H 2 O + 7CaSO 4 + 2HF Nhưng thực chất nó tiến hành theo hai quá trình phản ứng: Phản ứng 1: Ca 5 F(PO 4 ) 3 + 5H 2 SO 4 + 2,5H 2 O = 3H 3 PO 4 + 5CaSO 4 . 0,5 H 2 O + HF Phản ứng 2: Ca 5 F(PO 4 ) 3 +7H 3 PO 4 + 5H 2 O = 5Ca(H 2 PO 4 ) 2 . H 2 O + HF Như vậy khi đạt tới cân bằng sẽ tồn tại 4 thành phần: H 3 PO 4 , Ca(H 2 PO 4 ) 2 .H 2 O, CaSO 4 .H 2 O. Vì nồng độ CaSO 4 trong dung dịch rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Nếu viết thành hợp chất với ôxy ta sẽ có hệ P 2 O 5 , CaO, - 10 - [...]... dụng tất cả các chất thải trong công nghiệp sản xuất supe phốt - 22 - phát biến nó thành những sản phẩm phụ, cho nên vấn đề thu hồi khi Flo là vấn đề quan trọng trong sản xuất supe phốt phát. Trong công nghiệp sản xuất supe phốt phát thường hấp thụ khí flo để sản xuất H 2SiF6, Na2SiF6 , NaF, 3NaF, AlF3 , Sự thoát khí có chứa flo trong quá trình sản xuất supe phốtphát không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng của... Ca(H2PO4)2 giảm dần về 0 Vì vậy trong sản xuất supe phốt phát với mục đích thu được môno canxi phốt phát thì không thể dùng axít loãng để phân huỷ quặng 2- Phân huỷ quặng phốt phát Trong quá trình sản xuất supe phốt phát hai giai đoạn phản ứng tiến hành kế tiếp nhau không phải xen kẽ đồng thời vì trong dung dịch không có sự tồn tại đồng thời của axít sunfuric và môno canxi phốt phát : Ca(H2PO4)2 + H2SO4 = CaSO4... dịch Môno canxiphốtphát đồng thời phân huỷ nó thành đicanxi phốtphát và axít H3PO4 tự do, làm tăng độ hút ẩm của sản phẩm: Ca(H2PO4)2 + H2O = CaHPO4 + H3PO4 Một sản phẩm như thế có tính chất hoá học xấu, dễ kết khối, dính bết, ăn mòn cơ cấu vân chuyển, phá hỏng bao bì Vì vậy cần phải trung hoà H3PO4 trong sản xuất trước khi xuất kho Đưa lượng axít tự do xuống dưới 3% P2O5 Trung hoà sản phẩm: Sau khi... định, gốc sunphát cao, giá thành sản phẩm sẽ cao Khi trung hoà quá lượng apatit P2O5 tự do giảm, gốc sun phát giảm nhưng P2O5 hữu hiệu cũng giảm do đó chất lượng supe không đảm bảo Việc trung hoà và trộn đều supe với apatit sẽ tạo điều kiện cho axit phốtphoríc còn lại tác dụng tốt với apatit do đó ảnh hưởng lớn đến chất lượng và giá thành sản phẩm Khi trung hoà đúng liều lượng apatit, supe phốt phát của... phản ứng phải tạo thành phốt phát tan được trong nước Ca(H2PO4)2, Ca(H2PO4)2.H2O vì supe phốt phát phải là phân bón phốt pho tan trong nước độ phân hủy của Ca 5F(PO4)3 và H3PO4 tạo thành từ Ca5F(PO4)3 + H2SO4 chỉ có thể đi qua khu kết tủa Ca(H2PO4)2.H2O , H3PO4 của pha lỏng chỉ đạt được từ 42 ÷ 46% P2O5 Vì vậy sản phẩm chỉ có thể là Ca(H2PO4)2 H2O - 11 - Ta thấy mô nô can xi phốt phát tan không tương... 4 và axít H2SiF6 ở dạng mù, còn lại một số flo khác Ca(H 2PO4) thì lẫn trong supe phốtphát dưới dạng H2SiF6 trong pha lỏng của supe phốt phát và muối của nó Trong toàn bộ quá trình từ khi bắt đầu hỗn hợp cho đến khi trung hoà sản phẩm đều có Flo bay ra Khi sản xuất supe phốt phát lượng flo trong thiết bị hỗn hợp và phòng hoá thành bay vào pha khí bằng khoảng 35÷45% tổng lượng Flo nguyên liệu và nó chiếm... kém + Độ hút ẩm và trung hoà sản phẩm: Trong supe tươi thành phần dung dịch chủ yếu là Môno canxiphốtphát ở 200C, áp suất hơi nước trên nó là 16,5 mmHg (áp suất hơi nước bão hoà của không khí ẩm 100% là 17,5 mmHg ), khi đó môno sẽ hút ẩm Còn nếu không khí không bị bão hoà hơi nước, ví dụ độ ẩm là 75% thì dung dịch bão hoà - Môno canxiphốtphát sẽ tự bốc hơi tuy vậy supe phốt phát vẫn hút ẩm từ không khí... khối supe phốt phát nhanh chóng bị đóng rắn và được dỡ ra khỏi phòng hoá thành nhờ hệ thống dao cắt caluxen (26) quay ngược chiều quay của phòng hoá thành, supe phốt phát trong phòng hoá thành sẽ được cắt nhỏ ra và được gạt vào ống trung tâm để tụt xuống băng tải supe tươi (45) rồi qua thiết bị đánh tung (46) vào kho ủ việc trung hoà supe tươi đợt I được thực hiện ngay trên băng tải vận chuyển supe. .. P2O5 trong sản phẩm, nhưng do có CO2 thoát ra làm thuận lợi cho phản ứng phân huỷ, làm tơi xốp sản phẩm - Đối với Fe2O3 và Al2O3 Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O Fe2O3 + 4H3PO4 = 2FeH3(PO4)2 + 3H2O Pha rắn tách ra chủ yếu ở dạng FePO 4.2H2O và tương tự nhôm cũng được tách ra dưới dạng phốt phát Sự có mặt của nhôm và sắt trong nguyên liệu làm kém chất lượng supe Phốt phát sắt và nhôm trong sản phẩm chỉ... ứng dị thể: 2H2SiF6 + H2SiO3 = 3SiF4 + 3H2O Nồng độ H2SiF6 trong pha lỏng của supe phốtphát bị giảm dần đến hạ thấp áp suất hơi riêng phần SiF4 trên pha lỏng Việc thoát khí chứa Flo khỏi pha bùn bị chậm lại một cách tương ứng Đây là một trong những nguyên nhân của việc sử dụng Flo không hoàn toàn trong sản xuất supe phốt phát 4.4 Ảnh hưởng của lượng axít H2SO4 tiêu chuẩn: Mức độ thoát flo phụ thuộc . ứng dụng của Supe phốt phát đơn: Supe phốt phát đơn được sử dụng chính để làm phân bón có chứa phốt phát, phốt pho chứa trong supe phốt phát ở thể dinh. THU ĐƯỢC. I. Đặc tính của supe phốt phát đơn: 1. Công thức hóa học của các thành phần trong supe phốt phát đơn Supe phốt phát đơn là một hỗn hợp gồm có: