化学肥料的生产方法和原理

点击次数:   更新时间:2020-08-11 19:46     来源:亚慱体育app官网

  化学肥料的生产方法和原理_化学_自然科学_专业资料。化学肥料的生产方法和原理 第一节 生产化学肥料的原料 一、天然矿物原料 磷灰石、磷块岩(氟磷酸钙Ca5F(PO4)3)、钾石盐(KCl和NaCl 混合物)、光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)、

  化学肥料的生产方法和原理 第一节 生产化学肥料的原料 一、天然矿物原料 磷灰石、磷块岩(氟磷酸钙Ca5F(PO4)3)、钾石盐(KCl和NaCl 混合物)、光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)、霞石 (K2OAl2O32SiO2) 、钾盐镁矾(KCl·MgSO4·3H2O) 、明矾 石(K2O3Al2O34SO36H2O)、硝石(NaNO3)等 目前氮肥均以渣油、天然气、煤等为原料将空气中的氮固定为 氨,利用氨进一步加工为各种氮肥,但是磷肥、钾肥是依靠天 然矿物原料生产出来的,所以化学肥料也常被称之为矿物肥料。 比如说自然界中的硫磺与硫铁矿,都可以用来生产硫酸,而生 产出来的硫酸分解磷矿可以制出磷肥。硫虽然不是植物的主要 营养元素,含硫矿物却被认为是制造化学肥料的重要原料之一。 天然矿物原料有磷灰石、磷块岩、钾石抉、光卤石、钾抉侈矾、霞石、明矾石、硝石等。其 中础石(NaNoI)曾是生产氮肥的主要原料,产于个别地区,自合成氨工业化以来,其重要性 日趋下降,迄今已在氮肥生产中不占什么地位。目前氮肥均以渣油、天然气、煤等为原风特 空气中的氮固定为氨,再进一步加工成为各种铵态、础基态、碳配胺态肥料。但是磷肥、钾 肥不然,必须仰给天然矿物原料才能生产。正因为如此,化学肥料也常校称之为矿物肥料。 硫磺和硫铁矿是制造硫酸的原料,而硫酸则又大量用于分解磷矿以制取过磷硬钙、磷酸铵及 其它磷肥,故硫虽然不是植物的主要营养元素,而且往往不进入肥料之中,但含硫矿物却被 认为是制造化学肥料的重要原料之一。 ? 天然矿物 (两大类) 水溶性: 钾长石、光卤石、硝石 水不溶性: 磷灰石、明矾石 水溶性矿物生产化学肥料,加工比较简单,仅 需溶解富集、分离和提纯的过程。 水不溶性矿物生产化学肥料时,首先必须进行 化学加工,使其成为作物所能吸收的水溶性或 微溶性物质,然后经过除去杂质、蒸发、结晶 等工序制成成品。 天然矿物可分为水溶性和水不溶性两大类。钾长石、光卤石、 硝石是水溶性的矿物,磷灰石、明矾石是水不溶性矿物的例 子。用水溶性矿物生产肥料仅是富集、分离和提纯的过程, 加工简单。而水不涪性矿物用来生产肥料时,首先必须进行 化学加工,使其成为作物所能吸收的水涪性或微溶性物质, 然后经过除去杂质、蒸发、结晶等工序3贼成品。 二、盐湖湖水 盐湖的组成因地而异,其可能含有的离子为 Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+ CI-、Br-、HCO-3、CO32-、B4O72- 、 BO2它MM们ggCS除Ol2了等4等生大化产宗学N无肥a机C料l、盐。N外a2,SO还4,可N生a产2COKC3l、、NK2aS2OB44O、7 、 三、化工原料 很多化学肥料是用酸、碱、盐和其它化工产品 制造的。例如:硝酸铵是由硝酸和氨中和而成的, 硝酸钾是由硝酸钠和氯化钾复分解而成的, 尿素是由氨和二氧化碳直接合成的。 四、工业废料 很多微量元素肥料是利用工业废料来生产的 例如:电解铜厂的铜泥可以用来生产铜肥;废汽车 回炉炼钢的锌尘、炼锌厂、镀锌厂的废渣可以用 来生产锌肥;洗涤钢板所得的酸洗液可以用于生 产铁肥等。 美国微量元素肥料中的70%原料来自综合回收,只 有30%来自天然资源或原矿。利用工业废料生产肥 料,既可综合利用资源,又可消除“三废”,减少 污染,保护环境,实为一举两得。 第二节 生产化学肥料的基本方法 ? 在生产化学肥料时,由于所用的原料和产品种类 不同,加工方法也就各异。即使用同一种原料生 产同一种产品,也可以有多种多样的方法。 以磷灰石(Ca5F(PO4)3) 生产磷酸为例,既可用硫 酸、硝酸、盐酸等无机酸使之分解,然后利用生成 沉淀(过滤)和溶剂萃取等方法除去CaS04 、 Ca(N03)2和CaCl2而得到磷酸;也可以在电炉中用 焦炭还原先制得黄磷,而后经氧化和水吸收而得磷 酸。得到磷酸以后进一步加工成为肥料时,方法就 更多了。 在化学肥料生产过程中,可以设想一个“标本” 流程,将各种原料制造各种肥料生产过程中的重 要工序都概括其中,而每一种肥料的具体的工艺 流程可以只是这种标本流程的一部分。 由于水不溶性矿物加工成为化学肥料需要的工序最 多,因此将它的加工流程作为标本流程来介绍. 首先将矿物进行破碎和粉碎,然后进行筛选。 水不溶矿 湿法加工 用无机酸将矿石分解 物的加工 (两种) 热法加工 在高温下,将矿石与助剂进行烧 结、熔融、还原、水热法处理等 使其变为水溶性物质。如明矾石 的高温焙烧 分解 如溶液中只含生 产所需最终产品 沉淀 蒸发、结晶 分离 冷却、结晶 利用水盐相图进行控制 分解 溶液中含多种组分 分级结晶 过滤、沉降 为了使产品具有一定的粒度和结晶性能,不易结 块和不易潮解;便于运输、贮存和机械施肥 造粒、包装 若生产多元肥料 机械混合 可将各种营养元素 洗涤 一、矿石的破碎和粉碎 用矿石制造肥料时,首先将其破碎与粉碎,使其 具有一定的粒度,然后再进行化学加工。 大块矿石 破碎 小块矿石 粉碎 粉末 破碎和粉碎后的粒度取决于后继工序的工艺要求 例如:当磷矿石用电炉生产黄磷时,为了使炉料之间有较大 的自由空间以便通风良好,矿石的块度应控制在25-250mm之 间。用硫酸分解磷矿石制取磷酸时,必须将矿石粉碎到80目, 用硝酸分解磷矿石时,则只要粉碎到40目;而磷矿石用来制 造过磷酸钙时,则要求将其中70-80%粉碎到通过200目。 破碎和粉碎都有专用的机器,种类很多。 以压应力为主的破碎机(颚式破碎机、对辊破碎机) 以冲击力为主的破碎机(锤式破碎机) 以剪切力为主的粉碎机(轮碾机、球磨机) 为了节省动力,矿石一般多分成几级破碎,将各种 破碎机配合使用。颚式破碎机一般用作粗碎;圆锥 破碎机、双辊破碎机及反击式用于中碎和细碎。 颚式破碎机 颚式破碎机是一种粗碎设备,具有两块颚板,一块固定,一块 不断前后运动。正如人体的两颚,上颚固定,下颚则上下运动 一样。 在运动时两颚板间的空隙时大时小,不断周期变化。 当空隙由大到小的过程中,粗块的矿石即被压碎,而当空隙由 小到大的过程中,大块矿石即靠重力自上而下掉落。颚板由铸 铁制 成并衬以耐磨的高硬度 锰钢,磨损的衬板可以更换。 圆锥破碎机 圆锥破碎机是一种形似圆锥体的破碎机,其作用原理是借助一 个直立的锥形轧头,在一固定的倒锥形壳体内作偏心转动,连 续不断地挤压料块使其破碎,两锥体之间的空间,即所谓轧压 空间,上大下小,矿石自上部加入,偏心运动着的锥体则以其 坚硬的表面挤压料块而使其破碎。 双辊破碎机 双辊破碎机工作时,两滚筒相对转动,矿石由滚筒之间加入,由于摩擦和重力作用被带 入两滚筒之间的挤压空间而被挤压破碎。 铁栅筛 电磁器 震动筛 斗式提升机 钾石盐的破碎流程图 矿石经铁栅筛分成二级,其中大于200mm的矿石在颚式破碎机中破碎到200mm。然后同小 于200mm的一起通过装有电磁器的皮带输送机除去铁质物质,再用震动筛分成大于和小于 25mm的两段。 矿斗(1)斗式提升机(9) 二、筛分和分级 经过破碎,矿石按颗粒大小分选的方法有筛分法和分级法。 筛分法:使物料通过带有不同孔眼的筛子,较大颗 粒留在筛上,较小颗粒通过孔眼落下的分选方法。 每一种筛子都能把物料分成两种粒度。 预先筛分:破碎前进行,除去细粒,防止矿石过 度粉碎并提高破碎机的生产能力 检查筛分 为了控制破碎产品的粒度,进一步提 高破碎机的生产能力 控制筛分 控制最终破碎的粒度,使之满足后继 工序的工艺要求 筛分有预先筛分、检查肺分和控制筛分之分。预先筛分是在矿石破 碎前的筛分作业,日的在防去细粗.防汇矿石过度粉碎并提高破碎 机的生产能力。矿石开采后,矿[1』扰根抿用户的要求,按照原料 块度的大小进行预先筛分。检决筛分的N的是为了控制破碎产品的粒 度以及充分发挥破碎机的生产能力。控制筛分的目的在于控制最终 破碎的粒度,饺之满足后继工序的工艺要求。 分级:固体物料在流体中,依其沉降速度不同而按粒度大 小分类的方法 水力分级法 适用于直径为1-3mm的颗粒 旋液分离器 空气分级法 适用于直径小于0.5mm的固体颗粒 三、矿石的精选 矿石中,有的矿石可以利用,有的矿石不能利用, 这种无法利用的矿物称为脉石矿物或简称脉石 选矿的目的:把有用的矿物和脉石分开,提高矿石的 品位。 矿石的品位↑ 浸取液的消耗↓ 产品纯度↑ 矿石的品位太低,不仅在经济上是不合理的,而 且在技术上也是无法实现的。 随高品位矿石的不断减少和选矿技术的不断进步,低品位 矿石也可用于工业生产 如:磷矿石原来含P205都在31%以上,现在含量 为13%的原矿,经浮选后也可用于工业生产 精选:利用矿石中各组分的物理或物理化学性质上的 差异将有用成份富集的方法。 手选、磁选、浮选、摩擦选、放射选、重力选、 光电选、电力选等。 重力选:利用矿石中各组分比重的差异选别的方法。 在水、有机溶剂中或方铅矿等所配制的悬浮液(重介 质选矿)中进行,或在气流中进行。 磁选:利用矿物的磁化系数不同而进行选别的方法。 根据矿物 的磁化系 数大小 强磁性:磁铁矿、钛磁铁矿、磁黄铁矿等 弱磁性:赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、钛铁矿、 水锰矿、软锰矿等 非磁性:方解石、石英等 浮选(泡沫浮游选矿法) 利用矿石中各组分被水润湿程度的差异 不易被水润湿的(浮) 矿物悬浮在水中 鼓入空气泡 易被水润湿的(沉) 绝大多数矿物均易被水润湿,因此必须加入一种 捕收剂,使各种矿物具有不同的润湿性以达到分离 的目的。 能使某些矿物表面生成一层憎水膜,使其与气体泡沫 结合而使矿物上浮的物质,称为捕收剂。 在浮选时,为了促使流体形成结实外膜的气 泡,生成能较长时间存在的大量泡沫,要添加起 泡剂。起泡剂都是表面活性物质,含有-OH、-NH2、 -COOH、=CO等极性基团。起泡剂在矿浆中定向吸 附在空气与水的界面上,其极性基朝向水,非极 性基朝向空气。这样当气泡互相接触时,就不易 兼并破裂。又由于起泡剂分子的定向吸附作用, 使气液界面上的界面张力降低,气泡变得较为坚 韧稳定。 常用的起泡剂有松油、桉树油、煤焦油、甲酚及某些高级醇 为了增加矿石中非上浮组分的亲水性而使之完 全地沉底,以提高选矿效果,要添加抑制剂。 如氰化物、水玻璃、石灰、氨水等。 为了改变浮选介质的PH值,调节其它药剂的作用, 消除有害离子的影响和调节泥浆的分散度及絮凝度, 还要添加调节剂,如石灰、碳酸钠、硫酸、磷酸盐 及硫化钠等。 各种药剂的用量都很少,浮选每吨矿石,多者只 要数百克,少者仅仅需要数克。有的药剂兼有几种 作用,如硫化钠既是抑制剂,又是PH调节剂。 正浮选 将其中的有用成份浮入泡沫产物中, 而将脉石矿物留在矿浆中 反浮选 将脉石矿物浮入泡沫产物而将 有用矿物留在非泡沫产物中 如矿物中含有两种或两种以上的有用矿物,其浮选方法有两种: 优先浮选 将有用矿物依次地一个一个地选出为单 一的精矿。 混合浮选 先将有用矿物共同选出为混合精矿,随 后再把混合精选中的有用矿物一一选别。 浮选法的选分效率比较高,它能有效地将品 位很低的矿石选成高品位的精矿,特别是对于细 粒浸染、成分复杂的矿石,采用浮选最为合适, 但由于使用浮选药剂,故选矿成本较高。 在选矿时,为了将其中的有用成分一一分离, 往往同时采用几种方法。 含钛铁矿、磁铁矿的 浮选法 含P2O5 >30% 重力选 低品位磷矿石 的磷灰石精矿 钛铁矿、磁铁矿 磁选法 含TiO2 48.48%的钛精矿 含铁67.68%的铁精矿 上述各种选矿方法称为物理选矿法 (矿石的化学结构不发生变化) 有些选矿方法是使矿石经过化学变化之后而进行的 例如在我国某地磷矿石的富集中,采用了焙烧富集法, 就是化学选矿的一例。 焙烧 磷矿中伴生有大量的石灰石 石灰石分解成石灰 水 重力选 消化为消石灰 P205由24%提高至30% 评价某种矿石是否具有工业开采价值: 开采本身的条件,原矿的品位,可选性如何。 四、矿石的热化学加工 ? 某些矿石要经过高温处理才能成为化学肥料。 煅烧:将矿石在高温下处理,使矿石分解出CO2和H2O 如:石灰石加热放出二氧化碳,明矾石加热放出结构水 烧结:将矿石与石灰、纯碱、硫酸钠、亚硫酸钠等烧结 剂混合加热使之成半熔融状态,矿石即与烧结剂反应。 熔融:在比烧结更高的温度下进行,此时炉料全部成为 熔体,炉料之间的反应即在熔体中进行。 如:磷灰石与橄榄石共熔,可制得枸溶性的热法磷肥。 反应温度↑ 化学反应和扩散↑ 不应该烧结和熔融的炉料可能会结瘤和挂壁 温度过高 加热不匀 通风不均 出现过烧和生烧现象 下料困难和炉衬被烧坏 炉料的破碎度↑ 传热的阻力↓ 颗粒彼此间的 接触表面积↑ 竖窑 块度太小,会造成通风困难 回转炉和沸腾炉 过细的矿粉会使炉气严重夹带粉尘 炉料中反应组分的浓度↑ 反应速率↑ (经过精选除去脉石) 当反应剂之一是气相时, 提高气相中该组分的浓度 氧化焙烧时提高氧的浓度 还原焙烧时提高一氧化碳和氢的浓度 把炉料预先压制成团, 使反应组分的颗粒彼此更加紧密接触 反应速率↑ 当必须用竖窑进行矿石的高温处理时,也必 须将粉末炉料压制成团。 在焙烧过程中搅拌固体物料,使反应物料的表面 从反应生成物的覆盖层中解放出来,促使尚未反应 的各种物料接触,以便加快焙烧和烧结过程。 此外,搅拌可使炉料受热均匀,避免炉料过烧 和挂壁,使用转炉可以达到搅拌的目的。 五、矿石的湿法加工 (利用溶剂使其有用组分进入溶液,然后再将溶液进一 步加工) 溶剂 水:有用组分是水溶性的 酸、碱溶液:水不溶性的 在化学肥料生产中,较常用的是各种无机酸处理水不溶矿物。 1、溶解 矿石中不溶性组分不多,用溶剂处理后的残渣很少 物理溶解:溶质的化学组成没有变化 如:钾石盐溶解时,KCl和NaCl的化学成分并没有变化。 化学溶解: 溶质与溶剂之间发生化学变化 如:磷灰石溶解于硝酸时生成磷酸和硝酸钙而放出氟化氢气体。 2、浸取: 用溶剂处理后的残渣量较大,可溶组分要从其中提出 从光卤石中提取KCl,用氨水提取明矾石中的硫酸盐。 3、影响溶解和浸取的因素 a.最有效和最常用的办法:温度↑ 扩散系数↑ 溶液的粘度↓ 扩散速度↑ 溶解速度↑ 多数盐类的溶解度C0 ↑ 溶解推动力(C0 -C) ↑ 溶解速度↑ (C为溶液中的实际浓度) b.溶液中的实际浓度C ↓ 溶解推动力↑ 使用纯溶剂和制取稀溶液时, 溶解和浸取的速度↑ 后继蒸发工序的负荷↑ c.粒度大小和颗粒形状 粒度↓单位质量的表面积↑ 溶解速率↑ 愈不规则的固体 溶解↑ 另一方面,粒度太细,液体循环流动会受到阻碍 表面作用得不到充分利用,且使后继的液固分离发生困难 粒度范围要窄,以使各颗粒所需的溶解时间几乎相等。 d.固体物料的孔隙率↑ 浸取便愈容易 ∴烧结时避免矿石熔融结成坚实的熔块 e.在溶解和浸取时加强搅动 增加涡流扩散,促使溶质从固体颗粒表面向溶液本体移动 浸取过程一般以逆流方式进行 从浸取设备出来的残渣 用以浸取的纯溶剂或稀溶液 残渣中带走有效组分的含量↓ 六、盐类的结晶 化学肥料一般都要制成固体出售,在许多情况 下,还要求颗粒的粒度均匀,流动性良好,容易包 装和贮存。颗粒粗大的晶体对沉降、过滤、洗涤、 干燥等后继工序有利。但在粗大的晶粒之间往往含 有母液,从而影响成品的纯度。 此外,结晶也是产品提纯的一种方法。 晶体可以从熔体、溶液中和气相中析出,而以 从水溶液中析出的过程最为常用。 一定要冷却到低于饱和温度以下的某一温度 以后,使溶液具有一定的过饱和度,才开始 有晶体生成。 溶液的过饱和度 S=C/C0 S? =C-C0 过冷温度差 S ?? ? t0 ? t 将各种温度下不会自发结晶的过饱和浓度曲线 和溶解度曲线同时表示在浓度-温度图上 实际生产中,在结晶器的某一区间,往往由于 机械冲击、摩擦或强烈搅拌而形成晶核。 例如静止的清水能过冷40℃而不至结冰,在搅 拌时,过冷0.5℃就会自发形成晶核而结晶。 其它如电场、磁场、紫外线、x光、 ? 射线、声波、 超声波等外界因素均能促使晶核形成。 七、吸湿性和结块性 ?各种化学肥料除了纯度合乎要求以外,还要求吸 湿性和结块性小,松散性好。肥料的吸湿性和结 块性影响贮藏和施用,因此为评价其性能优劣的 重要指标之一。 ?吸湿性↑结块性↑ 微量的杂质可以使吸湿性大为增加,例如NaCI中含 有微量的CaCl2时,就可以使其结块性增加。 防止结块的方法 将产品贮藏在干燥的空气中,或密封的容器中 颗粒间彼此接触↓结块性↓要求颗粒大小均匀 采用覆盖剂。如:石膏、高岭土、硅藻土、 氯化锌和合成树脂。这些具有高度分散性的 物质只需要添加少量,即显著地起到防止结 块的作用。

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