Математическое моделирование и оптимизация процесса получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратно полугидратным методом из фосфоритов Каратау тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Соболева, Ирина Вячеславовна

• Соболева, Ирина Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соболева, Ирина Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ. I

Глава I. ЖТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Характеристика основных месторождений фосфатного сырья.

1.2 Характеристика руд бассейна Каратау . II

1.3 Физико-химические основы производства ЗФК

1.4 Влияние примесей фосфатного сырья на растворимость и скорость фазовых превращений кристаллогидратов сульфата кальция

1.5 Основные способы производства Э®£.

1.6 Состояние исследований по технологии получения

ЗФК из фосфоритов бассейна Каратау.

1.7 Исследование скорости и механизма кислотного разложения фосфоритов

1.8 Моделирование процессов разложения фосфатов и кристаллизации сульфата кальция

1.9 Постановка задачи исследования

Глава П ЗКШЕРШЕНТМШЯ ЧАСТЬ

2.1 Постановка задачи экспериментальных исследований

2.2 Методика проведения опытов по кинетике разложения фосфорита и кристаллизации ДСК

2.3 Методика проведения опытов по кинетике процесса перекристаллизации ДСК в ИСК.

2.4 Методика проведения анализов и обработки результатов экспериментальных исследований

2.5 Результаты экспериментальных исследований дигидратной стадии .ИЗ

2,6 Результаты экспериментальных исследований полугидратной стадии.

2.7 Зависимости для равновесных концентраций ДСК и

ПСК, вязкости раствора и коэффициента диффузии

Глава Ш МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИГВДРАТНО-ПОЛУГИДРАТНОГО ПРОЦЕССА В ПЕРИОДИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

3.1 Основные допущения для создания математического описания процесса получения ЗФК

3.2 Математическое описание химико-технологического процесса в рамках многоскоростного континиума

3.3 Математическая модель дигидратной стадии процесса

3.4 Алгоритм решения уравнений математической модели дигидратной стадии

3.5 Определение кинетических параметров модели дигидратной стадии.

3.6 Анализ закономерностей дигидратной стадии процесса с использованием математической модели.

3.7 Выводы по дигидратной стадии процесса.

3.8 Математическое моделирование полугидратной стадии процесса.

3.9 Алгоритм решения уравнений математической модели полугидратной стадии . *. а ЗЛО Определение кинетических параметров математической модели полугидратной стадии

3.11 Анализ закономерностей процесса перекристаллизации ДСК в ПСК с использованием математической модели.

3.12 Выводы по второй стадии дигидратно-полугидратного процесса

Глава 1У МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИГИДРАТНО

ПОЛУГВДРАТНОГО ПРОЦЕССА В НЕПРЕРЫВНЫХ УСЛОВИЯХ

4.1 Описание технологической схемы процесса получения

ЗФК дигидратно-полугидратным методом.

4.2 Основные допущения для создания математического описания непрерывного процесса.

4.3 Математическая модель дигидратной стадии непрерывного процесса.

4.4 Алгоритм решения уравнений математической модели дигидратной стадии непрерывного процесса

4.5 Математическая модель полугидратной стадии непрерывного процесса. а 4.6 Алгоритм решения уравнений математической модели стадии перекристаллизации непрерывного процесса.

4.7 Поиск оптимальных параметров непрерывного процесса.

4.8 Выводы по непрерывному процессу

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и оптимизация процесса получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратно полугидратным методом из фосфоритов Каратау»

Важным фактором интенсификации сельскохозяйственного произ-' водства является широкое применение и эффективное использование минеральных удобрений. Большое место при этом отводится фосфорсодержащим удобрениям. Более 80% из них производится на основе экстракционной фосфорной кислоты/ ЗФК/ [ Г J. Кислотные методы переработки фосфатного сырья являются основными для получения фосфорсодержащих удобрений и ЗФК. Как свидетельствуют научные публикации, кислотные методы имеют много потенциальных возможностей. Их реализация будет способствовать повышению эффективности действующих месторождений, разработке новых приемов, нал* равленных на более полное использование фосфатного сырья, а так-А же на получение более качественных или новых продуктов.

Основным сырьем для производства ЭФК в странах бывшего СССР являются Хибинские апатитовые концентраты. Однако в связи с тем, что в ближайшие годы производство фосфорсодержащих удобрений должно значительно возрасти, а увеличить масштабы производства /.Хибинского апатитового концентрата невозможно, дальнейший прирост мощностей по производству 3<Ж в странах СНГ будет осуществляться в основном за счет переработки фосфатного сырья Ковдорского и Ка-ратаусского месторождений, а также за счет вовлечения новых видов фосфатного сырья. К 2000 году более в странах СНГ планируется произвести из сырья бассейна Каратау.

Характерной особенностью фосфатных руд бассейна Каратау является низкое содержание в них Pg^S ' относительное непостоянство состава и повышенное содержание в них магния и других примесей, которые усложняют переработку данного вида сырья и ухудшают показатели процесса экстракции [ 2,3 J.

В нэдгоящее время в странах СНГ 80% всей ЭШ получают дигидкак в лабораториях, так и в промышленных условиях, он прост и надежен в эксплуатации. Однако получающаяся при этом способе разбавленная еЖ находит ограниченное применение, её необходимо упаривать, образуется фосфогипс низкого качества, что не позволяет его дальнейшую переработку. В связи с этим возникают экологические проблемы.

В полугидратном процессе получают более концентрированную ЭШ, увеличивается производительность оборудования, уменьшается расход электроэнергии, улучшается качество получаемого фосфополугидрата и фильтруемость осадка [Z J . Однако данный способ не нашел достаточно широкого применения, так как возникают определенные сложности из-за усиленного коррозионного действия и необходимости использования более стойких материалов. Он сложен в проведении, а также в данном процессе увеличиваются потери фтора и Потери Р£% ясняются неполным разложением фосфата и захватом осадком заметного количества PgOg в сокристаллизованной и нертмытой формах.

В последнее время в мировой практике Широкое распространение в мировой практике получили комбинированные методы. Это продиктовано, в первую очередь, резко обострившимуся вниманию людей на проблемы экологии. Появляются разработки новых более совершенных технологических приемов, позволяющих использовать бедное сырье, снижать издержки производства, удовлетворять требованиям экологии [4^.

Довольно долго в промышленности используются полугидратно-дигидратные методы. Преимущества данного способа - высокая степень извлечения PgOg из сырья и получение фосфогипса с небольшим содержанием/до 0,1% / водорастворимого Р2О5 . Но существенным их не/достатком является большая продолжительность перекристаллизации полугидрата сульфата кальция /ПСК/ в дигидрат сульфат кальция /ДСК/ ратным способом метод наиболее детально исследован

HU-аиболее переспективным является дигидратно-полугидратный метод, предложенный фирмами РъоуЮЯ- и [gfifaz^ при котором получаются высокий выход PgO^ в ЗЖ, а также практически чистый ПСК, который содержит всего около 0,2% общего^^О^, в том числе около 0,01% водорастворимого, а также 0,1% фтора. Его существенным недостатком является двойная фильтрация, что значительно усложняет технологическую схему.

Поэтому привлекает внимание дигидратно-полугидратный метод без промежуточной фильтрации осадка после первой стадии [ 5 J разработанный МХТИ им. Д.И.Менделеева и НПО" Минудобрения

В странах СНГ применяются в основном пока дигидратные и полу-гидратные методы и вводятся комбинированные, рри этом используется в основном апатитовый концентрат польского месторождения. Лишь в дигидратном процессе на некоторых предприятиях перерабатывается рядовое фосфатное сырье Каратау [ 6J . При этом получается низкий коэффициент выхода Pg% /92 - 93% / и невысокая концентрация ЭЖ /20- 22% PgOg^/. Эта кислота наполовину нейтрализована примесями, главным образом и без больших трудностей перерабатывается в аммофос f?J . Однако необходимы большие затраты тепла на упаривание аммофосной пульпы. При переработке рядовых руд бассейна Каратау дигидратным методом образуется фосфогипс низкого качества, что затрудняет его дальнейшую переработку, в связи с этим возникают экологические проблемы.

Если для апатитового сырья активно внедряются комбинированные способы его переработки, то в отношении высокомагнезиального сырья Каратау эти способы мало изучены. Медленное продвижение работ в этой области в значительной мере обусловлено недостаточностью фундаментальных исследований по разложению сырья, кристаллизации и перекристаллизации сульфата кальция различной гидратности в разных температурно-концентрационных условиях. Б этой связи углубленное из изучение физико-химических основ стадий и кинетики этих процессов преобретает актуальное значение. Для этой цели в данной работе ' была поставлена серия экспериментов в лабораторном реакторе перио-дисеского действия с интенсивным перемешиванием, который позволяет в наиболее "чистом" виде организовать нестационарный процесс и дающий наибольшую информацию при его исследовании.

Исходя из вышесказанного, целью данной работв явилось нахождение оптимального технологического режима дигидратно- полугидрат-ного процесса /ДПП/, для фосфоритов Каратау, который обеспечил бы получение более концентрированной ЭФК по сравнению с применяемым в промышленности дигидратннм методом, высокую степень разложения исходного сырья и высокую степень перекристаллизации ДСК в почти д чистый оС -ПСК, который в дальнейшем может быть использован в строительстве в качестве вяжущего. В связи с этим важным представляется разработка математической модели дигидратно-полугидратного процесса, которая отражала бы основные физико-химические закономерности производства ШК.

При построении математической модели ДПП автор опирался на результаты теоретических исследований физико-химических процессов, протекающих в полидиспереных средах, развитых Кафаровым В.В., Дороховым И.Н., Кольцовой Э.М. £* 8,9 J . Использование системного подхода дало возможность разработать математическое и программное * обеспечение, позволяющее проводить вычислительные эксперименты на

ЗВМ для оценки, прогнозирования и оптимизации технологических режимов ведения процессов разложения исходного фосфорита Каратау, образования на их зернах сульфатных пленок, кристаллизации ДСК и перекристаллизации ДСК в ПСК и вырабатывать на их основе конкретные рекомендации для решения практических задач.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы и приложения. Первая глава содержит обзор литературы, посвященной анализу фосфатного сырья и , в частности, руд бассейна Каратау, физико-химических основ производства ЭЖ, влиянию примесей фосфатного сырья на растворимость и скорость фазовых переходов кристаллогидратов сульфата кальция, а также сравнению различных способов получения ЭЖ. Вторая глава включает в себя методики проведения экспериментальных исследований, результаты опытов и их обсуждение. В третьей главе проведено построение математических моделей периодических процессов растворения фосфоритов Каратау с кристаллизацией ДСК и перекристаллизации ДСК в ИСК. Найдены кинетические константы процессов, приведены результаты вычислительных экспериментов и их обсуждение. В четвертой главе на основе полученных в третьей главе результатов предложена концепция непрерывной схемы ДПГ1, отдельные узлы которой и часть расходных коэффициентов уточнялись с помощью математического моделирования непрерывного процесса.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР НИР по направлению. ТОХТ на 1986 - 1990гг /разделы 2.27.1. 27; 2.27.6.20; 2.27.1.4.3; 2.27.Ь.1.4/ и в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 4 октября 1987 года Р 1022 раздел "Новые процессы углубленной и комплексной переработки минерального сырья, нефти, газа, твердых горючих ископаемых".

Работа проводилась на кафедре кибернетики химико-технологических процессов в РХТУ им. Д.И.Менделеева. Автор приносит глубокую признательность и сердечную благодарность своим научным руководителям старшему научному сотруднику, д.т.н. Кольцовой Э.М., профессору, д.т.н. Петропавловскому И.А., Зав. кафедрой КХТП академику Кафарову В.В., всем преподавателям, сотрудникам и аспирантам кафедры кибернетики за консультации, помощь и поддержку в работе над диссертацией, сотрудникам НЙУИФ им. Я.В. Самойлова за помощь при проведении экспериментальных исследований, а также фонд фундаментальных исследований РАН, при материальной поддержке которого была проделана данная работа.

Особую признательность автор приносит своим родителям Соболеву Вячеславу Петровичу и Соболевой Елене Андреевне за моральную и материальную поддержку при работе над диссертацией, а также своему сыну Славику за безропотное ожидание мамы из института в годы усиленной работы над диссертацией. 4 к А

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Соболева, Ирина Вячеславовна

4.8 Выводы по непрерывному процессу

1.Анализ и обобщения по дигидратной и полугидратной стадиям к периодического процесса позволили предложить технологическую схему производства ЭФК дигидратно-полугидратным методом для фосфоритов Каратау в промышленных условиях.

2. Построена математическая модель непрерывного дигидратно-полу-гидратного процесса, которая учитывает как физико-химические закономерности протекания основных процессов в экстракторах, так и структуру материальных потоков в аппаратах.

3. Исходя из данных по производительности и стехеометрии процесса подобран рабочий объем реактора дигидратной стадии и объемный расход фосфорита. 4. С помощью расчетов по математической модели непрерывного процесса уточнены объемные расходы оборотной фосфорной кислоты на первой стадии и серной кислоты на первой и второй стадиях непрерывного ДПП, которые позволяют поддерживать оптимальные концентрации компонентов раствора. При этом достигается максимальный коэффициент извлечения на первой стадии и /97,5% / и максимальная степень перекристаллизации ДСК в ПСК на второй стадии /98-99$ / 5. Даны рекомендации по организации непрерывного ДПП для фосфоритов Каратау, которые переданы в НЙУИФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены экспериментальные исследования по кинетике разложения фосфоритов Каратау, кристаллизации ДСК ж перекристаллизации ДСК в ПСК.

2. Разработаны математические модели дигидратной и полу-гидратной стадий процесса, отражающие основные физико-химические закономерности проведения процесса, включающие метода расчета:

- скорости растворения фосфоритов полидисперсного состава с учетом образующихся сульфатных пленок на них;

- скоростей зародышеобразования и роста кристаллов ДСК;

- скоростей.зародышеобразования и роста кристаллов ПСК;

- скорости растворения кристаллов ДСК;

- изменения концентраций основных компонентов жидкой фазы;

- распределения числа частиц ДСК и ПСК по размерам и частиц фосфорита по диаметру зерна и .толщине сульфатной пленки.

3. Были найдены оптимальные условия проведения дигидрат-ной и полугидратной стадий процесса.

4. Расчетным путем было установлено, что при низких концентрациях P^Off (ниже 26,3$) в растворе, на дигидратной стадии сульфатные пленки на зернах фосфоритов не образуются.

5. На первой ста,дни с помощью расчетов по математической модели было определено, что скорость кристаллизации сульфатных пленок не зависит от размера исходных частиц фосфорита Каратау, что позволяет использовать при переработке более крупный помол.

6., С помощью экспериментальных исследований и расчетов по модели была проверена гипотеза о том, что процесс перекристаллизации ДСК в ПСК происходит главным образом через жидкую фазу.

7. Предложена непрерывная схема получения ЭФК из фосфоритов Каратау в условиях дигидратно-полугидратного режима.

8. С помощью математического моделирования непрерывного процесса уточнены объемные расходы оборотной фосфорной, серной кислоты и объем реактора на дигидратной стадии, а также объемный расход серной кислоты на полугидратной стадии, которые позволяют достичь максимального коэффициента извлечения

PzQf в раствор на I стадии и, максимальной степени перекристаллизации ДСК в ПСК на П стадии.

9. Экономический эффект от разработок составил 113 тыс. рублей в ценах 1990 г.