Производство минеральных удобрений

Производство минеральных удобрений

1. Производство минеральных удобрений

1.1 Агротехническое значение минеральных удобрений

Минеральными удобрениями (МУ) называются соли и другие неорганические природные или полученные промышленным путем вещества, содержащие в своем составе элементы, необходимые для питания растений и улучшения плодородия почвы, используемые с целью получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

В образовании тканей растений, в его росте и развитии принимают участие около 70 элементов, которые по их роли могут быть разделены на следующие группы:

- элементы-органогены (углерод, водород, кислород, азот);

- зольные элементы (фосфор, кальций, калий, магний, сера);

- микроэлементы (бор, молибден, медь, цинк, кобальт);

- элементы, входящие в состав хлорофилла и различных ферментов (железо, марганец).

Из этих элементов углерод, водород и кислород образуют около 90% массы сухого вещества растения, 8 - 9% составляют азот, фосфор, сера, магний, кальций и калий. На долю остальных элементов, в том числе таких жизненно важных, как бор, железо, медь, марганец и другие, приходится не более 1-2%.

Важнейшее значение для питания растений имеют азот, фосфор и калий, от которых зависят обмен веществ в растении и его рост. Азот входит в состав белков и хлорофилла, принимает участие в фотосинтезе. Соединения фтора играют важную роль в дыхании и размножении растений, участвуя в процессах превращения углеводов и азотсодержащих веществ. Калий регулирует жизненные процессы, происходящие в растении, улучшает водный режим, способствует обмену веществ и образованию углеводов в тканях растений.

Основную массу кислорода, углерода и водорода растение получает из воздуха и воды, остальные элементы извлекает из почвы. При современных масштабах культурного земледелия естественный кругооборот питательных элементов в природе нарушается, так как часть их выносится с урожаем и не возвращается в почву (таблица. 1.1), а также вымывается из почвы дождевыми водами или переходит в недеятельную форму (иммобилизируется). Например, азот под воздействием микроорганизмов восстанавливается из иона NO₃^- до N₂ и N₂O. При этом чем выше урожайность, тем больше вынос питательных элементов из почвы.

Таблица 1.1

Вынос питательных элементов из почвы

Это вызывает необходимость в компенсации потерь питательных элементов в почве путем внесения в нее веществ, содержащих эти элементы, то есть минеральных удобрений, что позволяет обеспечить высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Так, при внесении в почву полного, то есть содержащего азот, фосфор и калий, удобрения урожай повышается в 1,5 - 3 раза в зависимости от культуры (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Влияние минеральных удобрений на урожайность

Применения МУ, помимо повышения урожайности, увеличивает производительность труда, сокращает себестоимость сельскохозяйственной продукции и улучшает ее качество: повышает содержание сахара в свекле, крахмала в картофеле, увеличивает прочность хлопкового и льняного волокон, морозо- и засухоустойчивость растений.

1.2 Классификация минеральных удобрений

Ассортимент выпускаемых промышленностью МУ весьма многообразен. Они классифицируются по природе питательных элементов, по содержанию и числу питательных элементов, по способам получения и свойствам.

По природе питательных элементов МУ подразделяют на азотные, фосфорные (фосфатные), калиевые (калийные), магниевые (магнезиальные), борные и т.д. Основное место по масштабам производства занимают первые три вида минеральных удобрений.

По числу питательных элементов МУ делятся на простые (однокомпонентные), содержащие только один питательный элемент, и комплексные, содержащие два (двойные типа NP, PK, NK) или три (тройные типа NPK или полные) элемента.

Комплексные МУ подразделяются на сложные, полученные в результате химической реакции, смешанные, представляющие механические смеси, образованные механическим смешением различных простых минеральных удобрений, и сложносмешанные, представляющие комбинацию двух первых типов.

По содержанию питательного элемента среди МУ выделяют концентрированные (более 33% элементов) и высококонцентрированные (более 60% элементов) удобрения.

По свойствам минеральные удобрения делятся на твердые, жидкие, порошкообразные, кристаллические, гранулированные, растворимые и нерастворимые.

Усвоение МУ растениями зависит от их растворимости и характера почв, главным образом от рН почвы. Азотные и комплексные минеральные удобрения растворимы в воде. Фосфорные минеральные удобрения по растворимости делятся на водорастворимые (рН=7), цитратно- или лимоннорастворимые, то есть растворимые в слабых органических кислотах (рН<7), и труднорастворимые, то есть растворимые только в сильных минеральных кислотах (рН<<7).

Состав МУ характеризуется содержанием в них действующих веществ: в азотных - содержанием азота, фосфорных и калийных условно в пересчете на их оксиды. Для определения количества минеральных удобрений на практике используют три метода:

- физическая масса - для учета объемов перевозок и хранения (m_ф );

- масса в пересчете на 100% содержание действующих веществ - для определения норм внесения в почву и сопоставления масштабов производства (m₁₀₀):

m₁₀₀ = m_ф , (1.1)

где: - массовая доля в данном минеральном удобрении азота, оксида фосфора (V) и оксида калия соответственно;

- масса в условных единицах - для планирования производства и поставок МУ (m_у). При этом содержание действующих веществ в условной единице принято: в азотных - 0,205 мас.долей N; в фосфорных - 0,187 мас.дол. P₂O₅; в калийных - 0,116 мас. долей К₂O.

Эффективность использования МУ существенно зависит от правильного сочетания питательных элементов, вносимых с ними в почву. Соотношение питательных элементов выражают в виде формул их состава, например:

N : К₂O : P₂O₅ = 1 : 1 : 2; N : К₂O : P₂O₅ = 0,5 : 0 : 1 и т.п.

Удобрения, в которых соотношение питательных элементов соответствует агротехническим требованиям, называются уравновешенными минеральными удобрениями. От правильного использования минеральных удобрений (их «уравновешенности») существенно зависит урожайность зерновых и других сельскохозяйственных культур.

1.3 Типовые процессы солевой технологии

Большинство МУ представляет различные минеральные соли или твердые вещества с подобными солям свойствами. Технологические схемы производства минеральных удобрений весьма разнообразны, но в большинстве случаев складываются из одних и тех же типовых процессов, свойственных солевой технологии, цель которой - разделение сложных систем, состоящих из нескольких солевых компонентов.

Переработка минерального сырья в соли (и в минеральные удобрения) может идти или его высокотемпературной обработкой, или «мокрым» путем в жидких средах и суспензиях. В соответствии с этим, помимо обычных процессов подготовки сырья к переработке (измельчение, классификация ,обогащение, сушка), в солевой технологии особое значение имеют два типа процессов:

- термическая или термохимическая обработка, то есть различные виды обжига сырья или шихты;

- растворение и перекристаллизация веществ, связанные с их химической обработкой, разделением и очисткой растворов от примесей.

1.3.1 Обжиг

Обжигом называют процесс термической обработки материалов, заключающийся в нагреве их до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении. При обжиге, в зависимости от условий процесса, протекают реакции термического разложения, окисления или восстановления, образования и полиморфных превращений минералов. В соответствии с протекающими при обжиге химическими превращениями различают:

- кальцинационный обжиг (кальцинация), цель которого - удаление из вещества летучих компонентов, чаще всего оксида углерода (IV) и конституционной воды, например:

обжиг известняка:

CaCO₃ = CaO + CO₂,

или дегидратация гидроксида алюминия до его оксида:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O;

- окислительный обжиг, цель которого - повышение степени окисления элемента, например:

2FeO + O₂ = 2Fe₃O₁

или превращение сульфида в оксид:

CuS + 1,5O₂ = CuO + SO₂;

- восстановительный обжиг, цель которого - понижение степени окисления элемента, например:

получение элементарного фосфора:

Ca₃(PO₁)₂ + 5C + 3SiO₂ = P₂ + 5CO + 3CaSiO_3.

Частный случай обжига - спекание сырья с какими-либо реагентами с целью образования растворимых, извлекаемых из сырья продуктов, например, спекание фторапатита с содой:

Ca₅(PO₁)₃F + 2Na₂CO₃ + SiO₂ =3CaNaPO₁ + Ca₂SiO1 + NaF + 2CO₂.

Обжиг и спекание представляют собой гетерогенные процессы, в которых реакции протекают в системах «Т + Т», «Ж + Ж» и «Т + Г», где газообразная и жидкая фазы образуются за счет диссоциации и плавления твердой фазы. Поэтому скорость процессов обжига и спекания зависит как от скорости химической реакции, так и скоростей возгонки, плавления и диффузии твердых, жидких и газообразных веществ через фазы, образованные реагирующими компонентами и продуктами их взаимодействия.

Скорость процессов обжига и спекания может быть увеличена за счет повышения температуры, измельчения компонентов обжигаемого материала, повышения их концентрации, перемешивания и создания условий, при которых один из компонентов будет находиться в жидком и газообразном состоянии.

1.3.2 Растворение и выщелачивание

Растворением твердого тела называется процесс разрушения его кристаллической структуры под воздействием растворителя с образованием гомогенной системы - раствора.

Растворение может быть физическим, когда возможна обратная кристаллизация растворенного вещества из раствора по схеме

А + Р АР Р + А,

и химическим, когда растворитель или содержащийся в нем реагент химически взаимодействует с растворяемым веществом и делает невозможным его обратную кристаллизацию, то есть по схеме

А + Р = ВР + Р,

где: А-растворяемое вещество;

Р-растворитель;

В-новое вещество, образовавшееся в результате растворения.

Очевидно, что процесс химического растворения, в отличии от процесса физического растворения, является необратимым.

Растворение представляет гетерогенный некаталитический процесс, протекающий в системе «Т + Ж» в диффузионной области.

Процесс растворения ускоряется при повышении температуры, измельчении твердой фазы, перемешивании и увеличении концентрации. В случае физического растворения движущей силой процесса является разность концентраций ?С = (С_Н - С), поэтому скорость его определяется уравнением

U_Ф = К_Р · F(С_Н - С), (1.2)

Где K_p-коэффициент скорости растворения;

F- площадь поверхности кристаллов растворяемого вещества;

С-концентрация растворяемого вещества в жидкой фазе;

С_Н-концентрация насыщенного раствора при данной температуре.

Очевидно, что по мере растворения разность концентраций (С_Н - С) убывает и процесс растворения замедляется.

Различные случаи химического растворения подчиняются различным кинетическим закономерностям. В наиболее простом случае, когда реакция протекает только на поверхности твердого тела, скорость химического растворения может быть выражена уравнением

U_Ф = К_Р F С_Р , (1.3)

Где K-коэффициент, зависящий от температуры, гидродинамических и других условий растворения;

С_р-концентрация активного реагента в растворителе.

Частный случай растворения - выщелачивание. Это процесс извлечения (экстракции) жидким растворителем твердого компонента из системы, состоящей из двух и большего числа твердых фаз. Как и растворение, выщелачивание может быть физическим и химическим. Скорость выщелачивания зависит от структуры материала и тем выше, чем больше доля растворимой фазы в нем, больше поверхность и крупнее поры в выщелачиваемом материале.

1.3.3 Кристаллизация из растворов и другие процессы

Кристаллизацией называют процесс выделения твердой фазы (кристаллов) из растворов, происходящий при перенасыщении их по отношению к образующейся твердой фазе. В зависимости от приема, с помощью которого достигается перенасыщение раствора, различают два вида кристаллизации: политермическую и изотермическую.

При политермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется за счет охлаждения системы. Этот процесс протекает при переменной температуре (Т ? const.). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость (L) которых существенно возрастает при повышении температуры.

При изотермической кристаллизации пересыщенный раствор образуется в результате выпаривания части растворителя. Этот процесс протекает при постоянной температуре (Т = const.). Метод применим для кристаллизации веществ, растворимость которых мало зависит от температуры.

Частным случаем кристаллизации является высаливание, т.е. процесс выделения твердой фазы путем введения в концентрированный раствор веществ, понижающих растворимость растворенного вещества.

Из других типовых процессов, используемых в солевой технологии, наибольшее значение имеют операции разделения солей, находящихся в твердых смесях или растворах. Помимо описанных выше процессов кристаллизации и выщелачивания, к ним относятся: ионный обмен, экстракция веществ неводными растворителями, флотация, гидросепарация и некоторые другие. Эти процессы рассматриваются ниже при изучении конкретных производств.