СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФАТА АММОНИЯ ИЗ АММИАКА И КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR SYNTHESISING AMMONIUM SULPHATE FROM AMMONIA AND CONCENTRATED SULPHURIC ACID

Настоящее изобретение относится к химической промышленности, в частности, к производству минеральных удобрений, а именно к получению сульфата аммония сухим способом, т.е. без получения растворов соли.
Известен сухой способ получения солей аммония (патент US 1971563 C1, W. Hirschkind, Н. Bender, опубликован 28.08.1934), по которому их получают из аммиака и соответствующей кислоты. При этом кислота распыляется в атмосфере аммиака, подаваемого в реактор и циркулирующего в контуре из реактора и аппаратов очистки отходящих газов от паров воды и пыли продукта. Осаждающиеся на дно реактора кристаллы соли выводятся из аппарата разгрузочным устройством. В качестве способа поддержания необходимой температуры процесса предложено использовать раствор кислоты нужной концентрации (снижение температуры за счет полного испарения воды) и подогрев/охлаждение реагентов. Основным недостатком предлагаемого способа при производстве сульфата аммония (процесс с большой теплотой реакции нейтрализации) является необходимость использования разбавленной серной кислоты (68-71% масс), и, значит, дорогих коррозионностойких материалов, что приводит к значительному удорожанию при промышленном производстве.
Известен способ получения сульфата аммония (патент US 2524341 С1, Н.D. Chapman, W.I. Denton, R.В. Bishop, опубликован 03.10.1950), в котором предложено использовать концентрированную серную кислоту (80-100% масс.). В реакторе, в нижнюю часть которого вдувается газообразный аммиак, снизу вверх распыляется концентрированная серная кислота. Навстречу кислотному факелу сверху вниз распыляется охладитель, в частности, вода. Эта схема устраняет необходимость использования особо коррозионностойких материалов, но не обеспечивает получение сухой средней соли сульфата аммония. Получается смесь сульфата и гидросульфата аммония.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату при использовании является схема процесса получения сульфата аммония сухим способом, описанная в книге И.Д. Фотинич «Производство азотных удобрений» (М., ГНТИ Химической литературы, 1956, стр. 149-153). По этой схеме сверху в реактор распыляется серная кислота навстречу подаваемому снизу потоку аммиака. Падающие на дно частицы сульфата аммония удаляются разгрузочным устройством. Недостатком этого процесса является использование разбавленной кислоты, а также малое время пребывания частично аммонизированных частиц в потоке аммиака, что не гарантирует отсутствие существенного содержания гидросульфата аммония в получаемом продукте.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является гарантированное получение сухой средней соли сульфата аммония при минимизации использования дорогих высоко коррозионностойких материалов.
Технический результат в предлагаемом сухом способе получения сульфата аммония достигается за счет того (см. чертеж), что первичный продукт (1), получаемый нейтрализацией концентрированной серной кислоты (2) газообразным аммиаком (3), проходит доаммонизацию в кипящем слое (4), ожижаемом оборотным потоком пароаммиачной смеси (5). При этом первичный продукт образуется в результате распыления в вертикальный реактор (6) сверху-вниз форсункой/форсунками (7) концентрированной серной кислоты, газообразного аммиака и аммиачной воды (8). Расходы серной кислоты и аммиака поддерживаются в стехиометрическом соотношении (2 моля аммиака на 1 моль серной кислоты), а расход аммиачной воды поддерживается на уровне, обеспечивающем необходимый тепловой режим.
Выгрузка порошка сульфата аммония производится через течку (9), представляющую собой вертикальный патрубок над решеткой кипящего слоя (10) и прикрытый сверху приподнятым защитным колпаком (11). Высота этого патрубка определяет высоту кипящего слоя и, соответственно, время пребывания частиц в кипящем слое - зоне доаммонизации продукта. Расход аммиачной воды через форсунку обеспечивает необходимую температуру в верхней части кипящего слоя на уровне 140-160°C, что ниже температуры начала разложения сульфата аммония, но достаточно для получения продукта с содержанием влаги не более 0,1% масс.
Выходящая из верхней части реактора парогазовая смесь (12) содержит аммиак, пары воды и мелкую пыль сульфата аммония, захватываемую восходящим потоком пароаммиачной смеси. Пароаммиачная смесь направляется в теплообменник-охладитель (13), в котором пары воды частично конденсируются, чем обеспечивается вывод из цикла избытка воды, поступающей с серной кислотой. В конденсате водяного пара растворяется часть аммиака и пыль сульфата аммония с образованием слабого раствора сульфата аммония в аммиачной воде. Этот раствор попадает в сборник аммиачной воды (14), откуда она насосом (15) подается на форсунку, а очищенный, охлажденный и частично осушенный аммиак подается газодувкой (16) на ожижение кипящего слоя в реакторе и создание зоны доаммонизации.
Дополнительной особенностью предложенной форсунки является то, что в ней происходит смешение и взаимодействие серной кислоты и аммиачной воды. В результате этого взаимодействия образуется парогазовая смесь (ПГС) с температурой 115-120°C, содержащая 8-10% масс. водяного пара и раствор гидросульфата аммония в разбавленной серной кислоте. Эта ПГС с частично диспергированной паром жидкой фазой подается на распыл через центральное сопло. При этом эту внутреннюю смесительно-проточную часть форсунки необходимо изготавливать из высоко коррозионностойких материалов. Основной распыл жидкой фазы производится газообразным аммиаком, подаваемым через коаксиальное кольцевое сопло.
Упрощенная технологическая схема опытно-промышленной установки (ОПУ), на которой проводились работы по опробованию предложенного сухого способа производства сульфата аммония, приведена на чертеже, где:
1. Факел форсунки, состоящий из аммиака, паров воды, капель раствора гидросульфата аммония в серной кислоте и частиц сульфата аммония.
2. Линия подачи концентрированной серной кислоты на форсунку.
3. Линия подачи газообразного аммиака на форсунку.
4. Кипящий (псевдоожиженный) слой частиц сульфата аммония.
5. Поток пароаммиачной смеси, подаваемой под решетку кипящего слоя.
6. Реактор.
7. Форсунка.
8. Линия подачи аммиачной воды на форсунку.
9. Течка - патрубок выгрузки продукта из кипящего слоя.
10. Газораспределительная решетка кипящего слоя.
11. Колпак, закрывающий течку от факела форсунки.
12. Поток пароаммиачной смеси и пыли сульфата аммония.
13. Теплообменник-охладитель.
14. Сборник аммиачной воды с растворенной пылью сульфата аммония.
15. Насос, подающий аммиачную воду на форсунку.
16. Газодувка, подающая пароаммиачный поток на ожижение кипящего слоя.
Примеры проведения процессов на опытно-промышленной установке. Продолжительность процессов после установления стационарного режима составляла 1,5-2 часа.
Пример. 1. Установлена форсунка внутреннего смешения жидких компонентов и внешнего смешения продуктов их реакции с газообразным аммиаком (форсунка №1).
Пример. 2. Установлена форсунка №1
Пример. 3. Установлена форсунка №2 внешнего смешения потоков реагентов и охладителя.