Научная статья на тему 'Теория и практика процесса гранулирования пористой аммиачной селитры в башнях'

Теория и практика процесса гранулирования пористой аммиачной селитры в башнях Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

579
89
Поделиться

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Таран А. Л., Кучинский В. Е., Кузина Д. А.

Пористая аммиачная селитра (ПАС) является компонентом промышленных взрывчатых веществ. Для безопасности взрывных работ необходимо повышение статической прочности гранул ПАС. Увеличить прочность гранул ПАС можно путем введения структурирующих добавок в расплав аммиачной селитры (АС). Производство ПАС целесообразно организовать на существующих агрегатах получения АС при их минимальной реконструкции. На основе приведенного цикла научно-исследовательских работ предложено математическое описание процесса гранулирования ПАС в башне и проверена его адекватность ходу реальгого процесса.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Таран А. Л., Кучинский В. Е., Кузина Д. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Теория и практика процесса гранулирования пористой аммиачной селитры в башнях»

ло 2%.

Данные опыты проводились при ламинарном режиме течения жидкости. При других условиях толщину диффузионного слоя следует находить по другим уравнениям [5].

На основании представленных расчетных и экспериментальных данных можно сделать следующие выводы. Предложен метод расчета концентрации дилюата, исходя из заданных скорости, силы тока, числа ячеек и геометрических размеров аппарата. В случае, если конечная концентрация известна, с помощью данного метода можно рассчитать необходимое число ячеек при заданной скорости или же необходимую скорость при заданном числе ячеек. Данный метод можно использовать в аппарате двухпоточного типа, а так же при любом режиме течения жидкости, и поэтому является универсальным.

Библиографические ссылки

1. Комплексная переработка природных и промышленных вод с целью получения пресной воды./ Ю.М.Хожаинов [и др.]; // Вода: экология и технология. ЭКВАТЭК - 98: Третий Международный конгресс. Тез. докл. М., 1998. С. 472.

2. Хожаинов Ю.М. Комплексные технологические схемы электродиализного обессоливания и концентрирования промышленных и природных вод. // Химическая промышленность, 1995. №9. С. 518-523.

3. Хожаинов Ю.М., Ильина С.И. Обессоливание и концентрирование морских вод при совместном использовании электродиализа и обратного осмоса.//Химическая промышленность, 1998. №10. С. 622-624.

4. Rosenberg N.W., Tirrel С.Е. // Ind. Eng. Chem., 1957. 49. PP. 780-784.

5. Комплексная переработка минерализованных вод. /А.Т.Пилипенко {и др.}; Киев: Наукова думка, 1984. 284 с.

УДК 542.65+548.5

A. J1. Таран, В. Е. Кучинский, Д. А. Кузина

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ В БАШНЯХ

Porous ammonium nitrate (PAN) is a component of industrial explosive. To make the explosive works more safe it's necessary to increase the static solidity of PAN granules. It's possible to increase the solidity of PAN granules by including of texturing agents into the melt of ammonium nitrate (AN). It's rational to organize the production of PAN in existing AN plants with minimal reconstruction. On the base of reduced cycle of research works the mathematical descrip-

tion of PAN granulation process in towers is offered and it's checked up on its adequacy for real process.

Пористая аммиачная селитра (ПАС) является компонентом промышленных взрывчатых веществ. Для безопасности взрывных работ необходимо повышение статической прочности гранул ПАС. Увеличить прочность гранул ПАС можно путем введения структурирующих добавок в расплав аммиачной селитры (АС). Производство ПАС целесообразно организовать на существующих агрегатах получения АС при их минимальной реконструкции. На основе приведенного цикла научно-исследовательских работ предложено математическое описание процесса гранулирования ПАС в башне и проверена его адекватность ходу реального процесса.

Простейшие взрывчатые вещества на основе гранулированной аммиачной селитры (АС) и дизельного топлива нашли, благодаря своей дешевизне и высокой эффективности, широкое применение. Обычно они содержат около 6% жидкого топлива и 94% нитрата аммония. Для достижения наибольшей эффективности действия таких взрывчатых веществ необходимо во всей массе гранулы создать хороший контакт между частицами аммиачной селитры и органической добавкой.

Существуют промышленные способы получения пористой аммиачной селитры (ПАС), а также способы, описанные в ряде патентов, которые можно подразделить на следующие основные группы (табл. 1):

1. Получение ПАС с помощью порообразующих и поверхностно-активных веществ:

Сущность этой группы способов заключается в том, что, распределяясь равномерно в объеме плава или раствора нитрата аммония, порообра-зующие вещества выделяют в результате химического взаимодействия газообразные продукты (чаще всего СОг и NH3), которые создают тупиковые и сквозные поры при последующей кристаллизации и сушке продукта, в результате чего в частицах продукта образуются пустоты и капилляры, повышающие его сорбционные свойства.

2. Получение ПАС путем высушивания ее гранул или кристаллов:

Этот способ основан на том, что в гранулах или кристаллах АС в

процессе их сушки протекает процесс порообразования. Влага удаляется различными способами: в аппаратах, работающих при разрежении, во вращающихся последовательно включенных барабанах или в аппаратах с псев-доожиженным слоем. Порообразующим веществом в данном случае является вода.

3. Получение ПАС путем термообработки ее гранул: Термические способы основаны на свойствах кристаллической решетки нитрата аммония претерпевать полиморфные превращения при определенных температурах, протекающие с изменением объема кристаллов. При определенных условиях гранулы несколько увеличиваются в объеме и становятся менее плотными и более пористыми [1]. По сравнению с выпускаемой пористой аммиачной селитрой [2] пористая аммиачная селитра повышенной прочности (прочность ~ 10 Н/гранулу) более экономична и безопасна с технологической точки зрения [3].

Производство ПАС повышенной прочности целесообразно организовать на существующих агрегатах производства АС при их минимальной

реконструкции. Технология производства заключается в смешении расплава АС с компонентами комплексной добавки. При введении компонентов добавки меняется кинетика кристаллизации капель расплава, которая определяет структуру и параметры качества гранул: прочность, устойчивость к термическим циклам нагрев<->охлаждение -20 <-> 60°С, слеживаемость и т.д. Появление пористой структуры в грануле меняет ее теплофизические параметры и прежде всего теплопроводность, что необходимо учитывать при математическом описании процесса и его расчете [2, 4].

Табл. 1. Технологии производства ПАС, достоинства и недостатки

ДсЛЯЕ

Г глее лег кя ггр »се едш а Догтшкльа НцОСТоО-'Н Ерсмьшлекном ПрСКЗЕЕДГт Г КПП!

Бшек-г даЕиа: г z~i-.rr.il ь'лжг-кз! г.югг э&изэзд =-* ЛЬсстсса к-ггец?:к: ■ссггзззс-я гоиг-г. ^ г <

Бььекзй згаьг. с: з Ш УХ.1 -онтлл зке а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

с-тт.-л И?. !Х иЛ'>У-. г:

.-грес гсскто-ржзкал 5 дс г гзгг

Г^ЬГ-Г-ЕЗ СВОЗ. го эг-т

Гз. г; иг-т. 1: -с 1&кк»г„ Г^сгГ-ГлГХГ. - "СГЗЗЗХ -,Ц Гггсгсгз сс груаия ЗЪСС Г г ^ггх-.г; рггж; Г: :г.; а удлг&л Г' *

ИЖЭГгХБУК* ГЗС,!5Г-ЙГ:ЗГ,

кгк: в~ слгьзесйй :

Ш " IV г Мг.^ гдах-т

-xr.iu.z-:.: г:15£э::к;-;к5:-:гГг::-:

гс1~~г..г:зсг. ~

Г^г'-'лкуе-;с ч ПгС

КаС: .х-акз

гг Пгс

ХЬ-туч-ка ПА? ; г.:;: гиэк НьПрьдГ.йгЕг Кг

При введении добавок для получения ПАС необходимым требованием является проведение исследования скоростей зарождения и роста центров кристаллизации и полиморфных превращений в кристаллической фазе. Исследование скоростей зарождения и роста кристаллов проводили кристаллизацией в капиллярах [4], а скоростей зарождения и роста центров полиморфных превращений методами волюмометрии и дифференциального термического анализа (ДТА). Адекватность математического описания процесса с полученными кинетическими параметрами на практике подтверждали сравнением результатов расчета кристаллизации капель расплава ПАС с

данными, полученными методом скоростного термического анализа (СТА) [4, 5].

Структурирующие компоненты комплексной добавки подбирались так, чтобы увеличивать скорость зарождения центров кристаллизации и сохранять или уменьшать линейную скорость их роста. При этом размер кристаллического зерна уменьшается и увеличивается его полидисперсность, создавая кристаллический каркас повышенной прочности. С другой стороны, они должны уменьшать скорость зарождения центров полиморфных превращений (особенно чтобы они не успели начаться за время

пребывания той или иной структуры в метастабильном состоянии. Это влечет за собой увеличение статической прочности гранул и их устойчивости к термическим циклам нагрев<-»охлаждение в окрестности равновесной температуры полиморфного превращения.

Адекватность предложенного математического описания [4] ходу реального процесса оценивали путем сравнения результатов расчета процесса кристаллизации капель расплава ПАС с экспериментальными данными скоростного термического анализа (СТА) [5], наблюдением за процессом кристаллизации капель расплавов ПАС в жидком хладоагенте (гексане), «витанием» капли расплава ПАС в пленочном режиме кипения на паровой «подушке» фреона-11 (при температуре не ниже температуры Лейденфро-ста).

Сравнение данных СТА кристаллизации капель расплава ПАС (с добавкой на основе магнезиальной составляющей) и расчета по предложенному [4] математическому описанию показывают, что без предварительного определения скоростей зарождения и роста центров кристаллизации и полиморфных превращений в кристаллической фазе нельзя делать вывод о допустимости игнорирования кинетики превращений в расчетах. Меньшее время, необходимое для полной кристаллизации капель расплава ПАС, в экспериментах с использованием СТА по сравнению с расчетным, объясняется отводом тепла по термопарам и погрешностью оценки коэффициента теплопроводности пористой кристаллической фазы АС.

Введение модификаторов, влияющих на скорости зарождения и роста кристаллов в расплаве, изменяет вид температурных полей в фазах. Из-за малой скорости зарождения центров кристаллизации капли первоначально переохлаждаются. Затем, когда появляются первые центры кристаллизации, из-за высокой линейной скорости роста и теплоты превращения происходит "разогрев" кристаллизующейся капли расплава.

Анализ термограмм СТА и размеров усадочной полости показал, что при кристаллизации капель расплава ПАС наиболее вероятен последовательный механизм [4] превращения. Поскольку переохлаждение расплава быстро снимается, вероятность перехода последовательного превращения в объемное незначительна. Во всех рассмотренных случаях отмечено удовлетворительное согласование расчета по математическому описанию и эксперимента. Подходы к формулированию и решению изложены в [4].

Введение модификаторов, влияющих на скорости зарождения и роста центров фазовых и полиморфных превращений в кристаллической фазе,

изменяет вид температурных полей в фазах и динамику кристаллизации и полиморфных превращений у ПАС с предложенными добавками. Ранее при расчете кристаллизации АС и др. продуктов на ее основе влияние кинетических параметров игнорировали [1].

Предлагаемая математическая модель [4], адекватно описывает процесс гранулирования кристаллизацией капель расплавов АС, в том числе и ПАС в башнях. Так как переносимый к межфазной границе с жидкой фазой конвективный поток тепла невелик, то игнорирование движения жидкой фазы к межфазной границе в кристаллизующейся капле за счет разности плотностей фаз вносит малую погрешность в расчеты. Недопустимо игнорирование в расчетах образования и динамики усадочной полости, как это делалось в [1] и делается до сих пор, несмотря на появление работ [4, 5], и визуально фиксируемое наличие усадочных полостей в гранулах. Совершенно недопустим расчет процесса гранулирования капель расплавов АС, в том числе и ПАС в башнях по формулам «внешней» задачи [5].

Проанализировано влияние технологических параметров (удельного расхода хладоагента, размера капель расплава, их полидисперсности, влажности расплава, температуры охлаждающей среды и введения модификаторов) на температурные поля в фазах, динамику кристаллизации и полиморфных превращений. Разумный, с точки зрения энергозатрат на подачу и очистку воздуха, удельный расход хладоагента равен С ~ 6 (кг/ч хл.)/(кг/ч продукта - ПАС на основе магнезиальной или сульфатно-фосфатной добавок). В осенне-зимний период удельный расход хладоагента может быть снижен на ~ 20%, что обеспечивает существенную экономию электроэнергии.

После падения на "дно" башни гранулы попадают в охладитель с псевдоожиженным слоем продукта. Температура по высоте слоя меняется на 20-50°С [1]. При этом гранулы циклически (за время 10 - 40 сек) попадают в верхний - "горячий" и нижний - "холодный" участки слоя, что позитивно сказывается на их пористости и негативно на статической прочности.

Проведенный цикл НИР, созданное и проверенное на адекватность ходу реального процесса математическое описание позволили нам приступить к разработке инженерных решений и подготовке исходных данных на проектирование реконструкции промышленных агрегатов производства АС на выпуск под «заказ» ПАС повышенной статической прочности и устойчивости к термическим циклам нагрев<-юхлаждение -20°С<->60°С без остановки производства аммиачной селитры и с возможностью в течение одной смены переналадки его на выпуск ПАС, повышенного качества.

Библиографические ссылки

1. Технология аммиачной селитры. / В.М. Олевский [и др.]; М.: Химия, 1978. 312 с.

2. Технические условия ТУ 2143-635-00209023-99 [Нормативный документ].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Генералов М.Б. Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 357 с.

4. Таран A.JI. Теория и практика процессов гранулирования расплавов и порошков: Дисс. докт. техн. наук. М.: МИТХТ, 2001.

5. Казакова Е.А., Таран А.Л., Таран A.B. Методы экспериментального и теоретического анализа процесса кристаллизации и охлаждения гранул в потоке хладоагента. // ТОХТ, 1984. Т. 18. №1. С. 13-19.

УДК 542.65+548.5

А. Л. Таран, Н. В. Конохова

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА NS-СОДЕРЖАЩЕГО МИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ В ГРАНУЛЯЦИОННЫХ БАШНЯХ

The production of complex fertilizer (NS-or ASN) with concentration of sulfur 5-8%, on an industrial scale could be organized in the plants for the production of agricultural ammonium nitrate, in the apparatus of the large unit power with their minimal reconstruction and with possibility of rapid return to production of ammonium nitrate.

Выпуск комплексного удобрения (NS- или ASN) с содержанием серы 5-8%, в промышленном масштабе можно организовать на предприятиях по производству сельскохозяйственной селитры, в агрегатах большой единичной мощности при их минимальной переналадке с возможностью быстрого возврата к производству аммиачной селитры.

Технология производства NS - минерального удобрения заключается в смешении расплава аммиачной селитры с сульфатом аммония. Просто смешать две эти соли невозможно. Сульфат аммония почти не гигроскопичен. Нитрат умеренно гигроскопичен. Сульфат выпускается в кристаллическом виде, а нитрат виде гранул. Но при их смешении образуется двойная соль, быстро адсорбирующая влагу из воздуха. Решить эту проблему удалось лишь некоторым крупным зарубежным компаниям - мировым лидерам в производстве удобрений. На сегодняшний день запатентовано много предложений производства сульфат-нитрат аммония, NS-удобрения: кристаллизация, гранулирование (в барабанном грануляторе - сушилке), приллинг. Но при этом много претензий к качеству получаемого продукта:

- продукт пылит, вследствие сегрегации компонентов;

- не устойчив при хранении (слеживается, адсорбирует влагу);

- легко разрушается (теряет статическую прочность).

Для получения NS - удобрений высокого качества (удовлетворяющего требованиям Еврокомиссии) была проведена НИР по получению образцов удобрения методом смешения расплава аммиачной селитры (-80%) с сульфатом аммония (20%) и предложенными нами микродобавками. Определена оптимальная температура расплава, продолжительность смешения