ТЕХНОЛОГИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОГО ПЕРЕДЕЛА ЖЕЛТОГО ФОСФОРА В КРАСНЫЙ

В соответствии с основным направлением развития туко­вой промышленности важное значение приобретает разра­ботка новых видов удобрений, в том числе концентрирован­ных долгодействующих удобрений с регулируемой усвояе-

3-867 33

Мостью. Успешные испытания НИУИФ [1] по применению красного фосфора в качестве фосфорсодержащего компо­нента удобрений указывают на возможность приготовления на его основе концентрированных сложных гранулирован­ных и суспендированных удобрений. Высокая концентрация питательных компонентов (229% Р2О5), возможность регули­рования усвояемости подбором катализаторов и долговре - менность действия делают красный фосфор весьма перспек­тивным для использования в сельском хозяйстве. Выпуск удобрительного красного фосфора одновременно способст­вует решению проблемы переработки и утилизации фосфор­ного шлама.

Существующая технология передела желтого фосфора в реакторах периодического действия характеризуется малой производительностью и наличием трудоемких ручных опера­ций. Производство удобрительного красного фосфора рацио­нально может быть организовано лишь непрерывным спосо­бом. Техническое осуществление известных методов непре­рывного передела [2, 3] из-за трудностей выделения суспендированного красного фосфора из большого объема белой модификации [2] и наличия большого потока ретура [3] крайне затруднено. Более перспективно использование способа, - предложенного ЛенНИИГипрохимом [4], исключе­ние ретура в котором достигается распределением желтого фосфора в значительном объеме красного с образованием сыпучей реакционной смеси.

Данная технология может быть осуществлена в трех по­следовательно установленных реакторах (рис. 1). В первом реакторе 4, представляющем собой вращающийся барабан, помещенный в муфельную печь 5, осуществляется непрерыв­ное приготовление реакционной смеси. Желтый фосфор рас­пределяется форсунками 2, готовая омесь через окна 6 и вы­грузную камеру 7 подается во второй реактор 9. Темпера­тура в первом реакторе 250—260 °С, в реакторе 9 280— 290 °С и в реакторе 10 300—320 °С. Второй и третий реак­торы целесообразно изготовить совмещенно.

Ранее проведенными исследованиями [5] было установ­лено, что передел желтого фосфора в присутствии значим - тельного количества красного относится к реакции первого порядка.

Для расчета реакторов передела необходимы данные ско­рости передела в условиях перемешивания. Исследование

Процесса проводили в передельной мельнице периодического действия, перемешивание массы в котором осуществляли лопастной мешалкой с числом оборотов ~200 об/мин. Жел­тый фосфор дозировали форсункой в разогретую до темпе­ратуры опыта навеску (100 г) красного фосфора. Время дозирования составляло 15—20 мин. По окончании опыта

Аппарат охлаждали обдувом воздухом (15—20 мин) и от­бирали усредненную пробу на определение белой модифика­ции известным методом [6]. В работе использовали техни­ческие образцы желтого и красного фосфора. По результа­там опытов определены скорости передела, представленные на рис. 2. При расчете скорости принимали во внимание протекание передела и в период дозирования желтого фос­фора. Учитывая равномерность подачи фосфора, в общее время передела включали и половину времени дозирования.

Степень передела фосфора в реакционной массе, началь­ное отношение красного фосфора к желтому в которой
6—9: 1, для температур 220, 260 и 280°С достигает соответ­ственно 18, 48 и 73%. Это обеспечивает повышение концент­рации красной модификации в реакционной смеси со сред­ней скоростью 2,2; 6,0 и 9,0%-ч-1. При уменьшении концент­рации желтого фосфора в смеси скорость передела понижа­ется. Для смеси с содержанием 1 % желтого фосфора при 300—320°С она равна 0,4—2,0%-ч-1. Ранее определено [5], что исключение схватывания реакционной массы достига­ется при содержании желтого фосфора в смеси менее 20%. Это и должно быть обеспечено режимом работы первого реактора, приближающегося к условиям реактора идеального смешения.

Уравнение материального баланса в общем виде пред­ставляется уравнением

-^L = AOl+rlV, (1)

Аг

Где G, — масса і-го компонента; ДФ,- — изменение і-го ком­понента; г і — скорость превращения и V—реакционный объем.

Исходя из уравнения 1, баланс красного фосфора:

—Gx+ (G—Ct)x+al[Gi + (G—G,) (1— *)] =0, Щ

Где G и G] — количество реакционной массы и дозируемого желтого фосфора; х — концентрация красного фосфора в реакционной массе на выходе из реактора; а — степень пе­редела, достигаемая в реакторе.

Обозначив долю красного фосфора, загружаемого в реак­тор в качестве затравки, от общего веса реакционной массы через п

G- G,

Получим, что степень передела

Л: (1 — п)

А =—5------------------------

1 — пх

Поскольку передел желтого фосфора при наличии соиз­меримого количества затравки красной модификации явля­ется реакцией первого порядка, то для условий необрати-

Мос™ ■ ..-айчас.-.________

A — 1 — е"*\ (5)

Где k — константа скорости процесса передела, а т — время пребывания в аппарате.

Отсюда необходимое время пребывания

(і-и*)

-0.4343Л

О

-05

'/.о

/.6

'/г-ю*

Рис. 3. Зависимость константы скорости (k, ч-1) от температуры передела (Т, К)

А текущая концентрация красного фосфора в реакционной смеси на выходе из первого реактора

------- — ■ (7)

1 + И(а - 1)

Таким образом, характеристическое уравнение зависи­мости концентрации красного фосфора в элементарном объеме реакционной смеси может быть записано в следую­щем виде:

1 _ D—tn

~ - Ъ - ■ (8)

1 + пе

Поскольку второй и третий реакторы работают в режиме, приближенном к непрерывнодействующему реактору идеаль-
ного вытеснения, их характеристическое уравнение может быть выражено в виде

^ = 2,31g*,(w71), (9)

Хп'

Где х'(п—1) и х'п—концентрация желтого фосфора на вы­ходе из предыдущего и рассматриваемого реакторов.

Как установлено [7], рабочий объем первого реактора минимален при соотношении количеств затравки и дозируе­мого желтого фосфора, равным 9—12, а для сохранения сыпучей структуры реакционной массы в течение всего про­цесса должно быть обеспечено условие х5*0,85 (в весовых долях). Константы скорости передела приведены на рис. 3.

В соответствии с уравнением (6) при температуре 260 °С необходимое время пребывания массы в первом реакторе должно быть не менее 1,1 ч. При этом минимально допусти­мая степень передела желтого фосфора в первом реакторе должна быть (а=0,362) 36,2%. При меньшей степени пере­дела будет протекать постепенное уменьшение концентраций красного фосфора и при п<0,8 произойдет схватывание массы в последующих реакторах.

Результаты расчета реакторов, приведенные в таблице, показывают, что при мощности технологической ниткн 1600 т/год размеры первого реактора будут: диаметр 1,0 м, длина 9,6 м, а второго и третьего при их совмещенном изго­товлении: диаметр 0,87 м, длина 9,8 м.

Полученные данные использованы при проектировании опытной установки и подготовке исходных данных для проек­тирования опытно-промышленного производства.