Расчеты содержания серы и азота при получении can с солями серной кислоты

УДК 661.525.502

РАСЧЕТЫ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ И АЗОТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ CAN С СОЛЯМИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Д.А. Савенков, А.В. Янков, В. Т. Леонов

Для улучшения физико-механических свойств кальций-аммонийной селитры (CAN) вводятся соли серной кислоты. Произведены математические расчеты содержания азота и серы в CAN. Получены зависимости, позволяющие получать удобрения на основе аммонийной селитры с содержанием азота 27 - 33,5 % и серы 2 - 6 %.

Ключевые слова: кальций аммонийная селитра - CAN, сера, азот, добавки, расчет, математические зависимости.

В конце XX столетия в качестве добавки производства аммонийной селитры применялся сульфат аммония. Введение сульфатсодержащей добавки увеличивает прочность гранул удобрения, значительно улучшает условия труда из-за снижения фракции менее 1 мм. Исследователям удалось в крупных промышленных масштабах выполнить испытания, позволившие определить условия, при которых добавка сульфата аммония наиболее эффективно препятствует рекристаллизации гранул аммонийной селитры [1].

Найдено, что в присутствии десятых долей процента сульфата аммония прочность гранул аммонийной селитры остается такой же, какой была до хранения, или даже незначительно возрастает. Например, после шестимесячного хранения аммонийной селитры продукт имел 100% - ую рассыпчатость и содержал только небольшое количество рекристаллизо-ванных гранул.

Установлено, что применение сульфата аммония позволяет также предотвращать пыление аммонийной селитры. Известно, что на тех производствах аммонийной селитры, где прекратили использование добавок ДЛМ, в галереях резко повысилось содержание в воздухе пыли аммонийной селитры. После добавления к аммонийной селитре сульфата аммония пыление в галереях готового продукта почти не наблюдается [2].

Несмотря на многообразие неорганических добавок, предлагаемых вводить в аммонийную селитру для улучшения ее физико-механических характеристик, в частности, уменьшения слеживаемости и увеличения прочности гранул до недавнего времени широко использовались добавки сульфата аммония (или эквивалентное количество серной кислоты) и 35%-ый раствор нитрата магния (продукт взаимодействия азотной кислоты и оксида магния). В Новомосковской акционерной компании «Азот» Евро-Хима на базе цеха сложных удобрений смонтировано производство по выпуску аммонийной селитры с добавкой доломита (кальций-аммонийной

селитры (CAN). Введение доломита позволило улучшить физико-механические показатели удобрения, в том числе улучшить и стабилизировать фракционный состав селитры.

Научные исследования ведутся по двум направлениям: 1 - получение стабилизированной аммонийной селитры, когда содержание азота в продукте равно 33,5 %; 2 - получение аммонийной селитры с содержанием 27 + 1 % азота.

В процессе работы был произведен расчет зависимости доли азота от количества добавки сульфата аммония. Вывод формулы зависимости доли азота в смеси аммонийная селитра и доломит от доли доломита в смеси [3].

Аммонийная селитра (NH4NO3) - АС; доломит (CaCO3 • MgCO3) -Д; масса азота - mN; масса аммонийной селитры - mAC; масса доломита -тд; атомная масса азота - AN; молекулярная масса аммонийной селитры -

Мас.

Доля азота в смеси аммонийная селитра и доломит ( dNcm ):

mN

DN См --.

mAC + тд

Доля азота в аммонийной селитре ( dn ):

АС

Dnас - Мас '

Количество азота (mN), содержащееся в (тАС ) количестве аммонийной селитры:

2AN /оч

mN - mACT~

МАС

Определим количество доломита (тд) в смеси аммонийная селитра и доломит в зависимости от доли доломита (Од) в смеси:

Dд--3-.

m АС + m3

Выражаем из формулы (3) тд:

^

Подставив формулу (2) и формулу (4) в формулу (1), получаем:

тАС

2 А

N

В

N

МАС

тАС

2А

N

МАС

см.

тАС +

тАС  Вд тАС (1 - Вд ) + тАС ' В,

(1 - Вд ) ,

д

1-В

д

и окончательно получаем:

В

2 А

N

N

см.

МАС

(1 - Вд ) .

На рис. 1 представлен график зависимости содержания доли азота от доли доломита в смеси аммонийная селитра (с содержанием основного вещества в сырье 98% + 0,2% воды) и доломит.

Рис. 1. График зависимости содержания доли азота от доли доломита в смеси аммонийная селитра (с содержанием основного вещества в сырье 98% + 0,2 % воды) и доломит

Вывод формулы зависимости доли азота в смеси аммонийная селитра и сульфат аммония от доли сульфата аммония в смеси, т.е.: Доля азота = ¥(доля сульфата аммония в смеси).

Аммонийная селитра (ЫИфЫ03) - АС; сульфат аммония [(N^4)2 304]—СА; масса азота - тN масса аммонийной селитры - тАС; масса сульфата аммония - тСА; атомная масса азота - Ам; молекулярная масса аммонийной селитры - МАС; молекулярная масса сульфата аммония - МСА; доля азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония -В

Ысм..

Доля азота в чистой аммонийной селитре (В^ ):

АС

2 АN

В^с =

МАС

Доля азота в чистом сульфате аммония (В^ ):

СА

CA MCA

Количество азота (m1N), содержащееся в (тАС) количестве аммонийной селитры:

2 AN /m

m\N - mACTT—

М АС

Количество азота (m2N), содержащееся в (тАС) массе сульфата аммония:

2 AN /1ЛЧ

m2 N - mCA—N

М СА

Доля азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония

(DNCM. ):

Dn - m\N + m2N

см- m ас + mcA

Доля сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония (Dca):

n _ mCA /19ч

DCA --

m AC + mCA

Выражаем из (12.) mCA:

(mAC + mCA )DCA - mCA > mAC  DCA + mCA  DCA - mCA > mAC — mCA ' DCA - mAC ' DCA > mCA (\ - DCA ) - mAC ' DCA >

- mACDçA .

CA \ - Dca

Подставляем значения (9), (10) и (12) в выражение (11), получаем:

2 An 2 An 2 An 2An

mAr-— + m™—— mAr-— + m^——

n Мас Мса ac Мас Мса n n ,

D— --—---(\ — Dca ) -

—см mA„ + mCA Dca mAC (\—Dca )+mAC Dca mAC + 1 n \— Dca

- 2 A

N

с 1 1 Л

\ \ mCA

МAC MCA mAC

В последнем преобразовании (14) соотношение mCA домножим на

mAC

m

см- и в результате получаем:

mCM.

тСА т

см.

д

СА

тАС тсм.

д

Из (14) и (15) получаем:

д

n

= 2 А

см.

n

v мас

+

АС

1 д

са

Мгл д

(1 - дСА ).

са дас )

Далее, так как дса + дАС = 1, имеем:

дас = 1 - д

СА

Из (16) и (17) выражение выглядит следующим образом:

Г л л ГЛ \ Л

д

N

= 2 А

см.

n

1

+

1

д

са

мас мса

(1 - дСА ) = 2 Ак

1-д

са

М

д

са

ас

М

са

и окончательно получаем:

д

n

= 2 А

см.

n

1 - д

са

д

са

М

ас

М

са )

Применение в качестве добавки сальфата аммония имеет зависимость отличную от других добавок, не содержащих азот, так как наличие аммонийного азота приводит к увеличению количества добавки

На рис. 2 представлен график зависимости доли азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония. Горизонтальными линиями обозначены значения азота, требуемые производителями продукции растениеводства.

Рис. 2. График зависимости содержания азота от доли сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония

В последнее время сельскохозяйственные потребители проявляют большое внимание к содержанию серы в минеральных удобрениях. По требованиям сельскохозяйственных производителей содержание серы должно быть 4 ^ 2 %. Сера играет большую роль в нормальном росте и развитии растений, недостаточное содержание ее в почве приводит к

1

уменьшению урожайности и ухудшению качества продукции растениеводства. По своему потреблению растениями она стоит в одном ряду с азотом фосфором и калием, вынос с урожаем зерновых с гектара пашни составляет до 100 кг.

Нами рассмотрен ряд серосодержащих солей, в качестве последних выступают: сульфат аммония - (МН4)2ЗО4; полугидрат сульфата кальция -СаЗО4 • 0,5Н2О; гипс - СаБО4 • 2Н2О; сульфат калия - К2ЗО4; сульфат магния - MgSO4 -7Н2О; полигалит - ^О4 • MgSO4 • 2 СаБО4 ОДО. Ряд составлен по уменьшению массы сульфата [4].

Количественное содержание серы в удобрении будет зависеть от ее содержания в применяемой соли. Расчеты зависимости доли серы от доли I соли в смеси аммонийной селитры и I - той соли идентичны и выражаются следующим образом:

Доля серы = Р

Пример: расчет зависимости доли серы от доли сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония в смеси, т.е.:

Доля серы = Р(доля сульфата аммония в смеси) Доля серы в чистом сульфате аммония (Д^):

DSca

СА MCA

Количество серы (mS), содержащееся в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония:

As //-»in

mS = mCAYs  (21) MCA

Доля серы (DScM.) в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония с учетом (21):

As mcA —

mS MCA П1Л

Dscm. =-=--

mAC + mCA mAC + mCA

Доля сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата

аммония (Dca):

n _ тСА ПпЛ

DCA =-

m АС + mCA

Выражаем из (23) mCA:

(тАС + тСА )DCA = тСА > тАС  DCA + тСА  DCA = тСА > тАС - тСА ' DCA = тАС ' DCA > тСА (1 - DCA ) = тАС  DCA >

= mAc • Dca .

cA 1 - Dca

Значения из (24) подставляем в (22) и получаем:

т AS AS mACDCA т AS п m^j---m аг-Dca

п МАС МCA

DS =-=-Fi-=--

mAc + mcA m + mAcDcA mAc

Ac

AS

mAc M^DcA A

=_М CA_= AS £)

mAc - mAcDcA + mAcDcA McA ' окончательно получаем:

Ас

д8 =—^дСА,

. МСА СА

где Озсм - доля серы в смеси аммонийной селитры и сульфата; Оса - доля сульфата аммония в смеси; Л8 - атомная масса серы; МСА - молекулярная масса сульфата аммония. Расчет был выполнен в среде математического пакета МаШсаё. На рис.3 представлен график зависимости доли серы в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония. По требованиям заказчика этот показатель установлен в пределах 2 -г- 4 % Б в продукте.

Дйш.,% 12

ю

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

оса, %

Рис. 3. График зависимости доли серы от доли сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония

Аналогично получены зависимости для смесей: аммонийная селитра - полугидрат сульфата кальция - СаБ04 • 0,5Н20, аммонийная селитра -гипс - СаБ04 • 2Н20; аммонийная селитра - сульфат калия - К2Б04; аммонийная селитра - сульфат магния - М§Б04 -7 Н20; аммонийная селитра -полигалит - К2Б04 • МвБ04 • 2 СаБ04 -2^0.

Список литературы

1. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений: учебник для вузов. 6-е изд., перераб. Л.: Химия, 1989. 352 с.

2. Миниович М.А. Производство аммиачной селитры. М.: Химия, 1973. 240 с.

3. Нахождение содержания азота в смеси аммонийной селитры с различными веществами / Д.А. Савенков [и др.] // Тезисы докладов XV научно техн. конф. молодых учёных, аспирантов, студентов. Новомосковск: ГОУ ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделеева», Новомосковский институт (филиал), 2013. С. 45.

4. Расчеты содержания серы в удобрениях на основе аммонийной селитры / А.В. Янков [и др.] // Тезисы докладов XXIX научн. конф. проф.-преп. состава и сотр. НИ РХТУ им. Д.И.Менделеева. Новомосковск: ГОУ ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделеева», Новомосковский институт (филиал), 2013. С. 29.

Савенков Дмитрий Александрович, главный специалист, Россия, г. Москва, Минерально-химическая компания ЕвроХим, аспирант,

Янков Александр Викторович, канд. техн. наук., доц., Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Леонов Валентин Тимофеевич, д-р. техн. наук., проф., Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

CALCULATIONS SULFUR AND NITROGEN CONTENT UPON RECEIPT CAN WITH

SULFURIC ACID SALTS

D.A. Savenkov,A.V. Yankov, V.T. Leonov

To improve the physical and mechanical properties of calcium ammonium nitrate (CAN) salts of sulfuric acid are introduced. Produced math content of nitrogen and sulfur in the CAN. The dependencies that allow better based fertilizer ammonium nitrate with a nitrogen content of 27 33,5% and sulfur 2 ^ 6%.

Key words: calcium ammonium nitrate - CAN, sulfur, nitrogen, additives, calculation, mathematical relationships.

Savenkov Dmitry Aleksandrovich, Chief Specialist, Russia, Moscow, Mineral and Chemical Company Eurochem, graduate student,

Yankov Alexander Viktorovich, PhD. tehn. Sciences., Assoc., Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Leonov Valentin Timofeevich, D . tehn. Sciences., prof., Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University