Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРОСОДЕРЖАЩЕГО СЛОЖНОГО УДОБРЕНИЯ

Изобретение относится к способу получения сложных минеральных удобрений, содержащих азот, фосфор и серу (NPS) или азот, фосфор, серу и калий (NPSK), широко используемых в сельском хозяйстве.

Уровень техники

В настоящее время возросла потребность в серосодержащих удобрениях в связи с тем, что за последние годы было значительно снижено применение таких удобрений. Поэтому во всем мире возрос спрос на серосодержащие удобрения, так как снижение урожайности на многих видах почв под определенные культуры вызвано именно отсутствием серы в них.

Достаточно широко известны способы получения удобрений, содержащих серу, в виде сульфатных солей, например сульфоаммофос, который получают путем нейтрализации серной и фосфорной кислоты аммиаком, гранулированием и сушкой готового продукта (Промышленность удобрений и серной кислоты, НИУИФ-Москва, вып. 2, 1968 г.); патент РФ №2177465, кл. C05B 11/08. 2001 г.; патент РФ №2126374, кл. C01G 1/06, 1992 г.; патент РФ №2334732, кл. C05G 1/06. По способу, защищенному, например, патентом РФ №2334732, возможно получить широкую номенклатуру марок удобрений с заданным количеством необходимых компонентов. Данные удобрения содержат серу, но только в виде сульфата. При использовании таких удобрений часть серы вымывается из почвы за счет выщелачивания.

В связи с этим особый интерес вызывают удобрения, которые в своем составе содержат серу в элементном виде.

Способы производства удобрений с использованием элементной серы достаточно широко известны. Известные способы предусматривают введение в процесс как твердой, так и жидкой (расплавленной) серы.

Так, например, известен способ получения удобрений путем покрытия гранул фосфатов аммония плавленой серой. В результате контактирования гранулы покрываются пленкой серы, а затем сушатся (Патент США №3333939). Однако такой способ не позволяет получить удобрение с равномерным распределением серы в гранулах готового продукта.

В патенте США №5653782 описан способ получения серосодержащих удобрений с использованием элементной серы, в котором частицы удобрения нагревают до температуры выше точки плавления серы и смешивают с серой. Сера плавится за счет тепла нагретых частиц, и на частицах образуется достаточно гомогенное покрытие. Недостаток способа связан с измельчением твердой серы, что ведет к излишней запыленности процесса и риску взрывоопасности.

В евразийском патенте №007775, кл. C05B 7/00, C05G 3/00, приоритет от 12.11.2003 г., описан способ получения серосодержащих аммонийфосфатных удобрений с использованием элементной серы, который проводят по двум вариантам.

По первому варианту проводят смешение аммиака, фосфорной кислоты и воды в реакторном устройстве, то есть проводят процесс нейтрализации, и одновременно с этими компонентами вводят жидкую серу. Жидкую серу применяют в этом варианте проведения способа в виде расплава, при этом температуру смеси поддерживают выше точки плавления серы, полученную пульпу подают в гранулятор.

По второму варианту фосфорную кислоту смешивают с аммиаком в реакторном устройстве, в результате чего образуется аммонийнофосфатная пульпа, которая затем вводится в гранулирующее устройство, а элементную серу в виде взвеси воды и частиц серы вводят в гранулирующее устройство.

В результате получают гранулы, включающие фосфат аммония и элементную серу. Содержание количества серы от общего веса удобрения колеблется от 2 до 18%.

Проведение процесса по первому варианту имеет тот недостаток, что практически плохо осуществим контроль процесса в реакторе-нейтрализаторе, что при малейших изменениях технологических параметров приводит к неравномерному распределению серы, высаживанию ее в виде комков и, следовательно, забивке коммуникаций технологического оборудования.

При проведении процесса по второму варианту сера может подаваться или вместе с пульпой, или параллельными потоками. В обоих случаях смешение неравномерное.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения аммонийнофосфатных удобрений с элементной серой, описанный в патенте США №5571303, включающий нейтрализацию фосфорной кислоты аммиаком с получением пульпы, которую затем смешивают с жидкой серой. Полученную смесь перемешивают. Перед гранулированием ее выдерживают при температуре 120-150°C. Применяющийся при этом смеситель конкретно не обозначен, но это смесительное устройство должно быть способно осуществлять перепад давления по меньшей мере 200 кПа. Исходя из условий работы смесителя и свойств получаемой пульпы специалистами была определена скорость введения жидкой серы в пульпу. В данном способе она составляет более 20 м/сек.

Условия проведения данного способа направлены на то, чтобы избежать образования твердого фосфата аммония. По мнению авторов наличие твердого фосфата аммония не позволяет получить гранулы с равномерным распределением серы, то есть не гарантирует необходимое качество готового продукта. Поэтому в процесс вводят большое количество воды, что, безусловно, усложняет и удорожает процесс.

Предлагаемое изобретение решает задачу получения гранулированных сложных удобрений, содержащих азот, фосфор и серу (NPS) или азот, фосфор, калий и серу (NPKS) с использованием элементной серы.

Технический результат заключается в том, что распределение серы в грануле равномерно. Это позволяет применять его для получения большого ассортимента удобрений, включая удобрения, содержащие серу как в связанном виде, так и в элементном виде. Кроме того, процесс технологически значительно проще и, следовательно, экономичнее.

Указанный технический результат достигается в предложенном способе получения серосодержащего удобрения, включающем нейтрализацию фосфорной кислоты аммиаком с получением пульпы, введение и смешение жидкой серы с полученной пульпой, перемешивание смеси и последующее гранулирование, в котором жидкую серу вводят в пульпу при скорости 2,5-4,5 м/с, а соотношение скорости введения серы и скорости перемешивания смеси поддерживают в интервале 1:3-10.

Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости, с целью влияния на размер капель серы, целесообразно жидкую серу вводить в пульпу совместно с поверхностно-активным веществом (ПАВ), в количестве 0,1-0,3% от количества жидкой серы.

Растущий в мире спрос на серосодержащие удобрения вызывает необходимость получения широкого ассортимента удобрений, в которых сера находилась бы как в водорастворимой форме - сульфатные соли, так и в форме, которая бы задерживалась в почве (элементная). Данный способ дает возможность получать при необходимости такие удобрения. Сульфатную серу вводят либо в виде серной кислоты, либо в виде сульфата аммония, подавая их на стадию нейтрализации.

Для ускорения затвердевания мелких частиц серы жидкую серу возможно вводить в пульпу совместно с воздухом.

Скорость введения серы в узел смешения ее и пульпы, полученной на стадии нейтрализации, играет определяющую роль в последующем равномерном распределении серы в гранулах готового продукта.

При введении жидкой серы скорость должна быть такой, чтобы сохранить поток до достижения им перемешивающего устройства. Затем поток серы должен быть измельчен и смешан с пульпой. При этом, в отличие от способа-прототипа, наличие твердой фазы в пульпе (частицы фосфата аммония) играет положительную роль по равномерному распределению серы, поскольку эти частицы обволакиваются серой, становясь ее носителями в пульпе. Перевод серы из жидкости в твердое состояние также способствует равномерному распределению ее в жидкости без слипания.

Нами установлено, что для достижения вышеописанного эффекта скорость подачи жидкой серы колеблется в диапазоне 2,5-4,5 м/с. При снижении скорости менее 2,5 м/с уменьшается пробег струи в пульпе и происходит ее преждевременное охлаждение. При увеличении ее более 4,5 м/с жидкая струя серы пробивает слой жидкости и налипает на стенки аппарата.

Однако поддерживание одного технологического параметра, а именно скорости введения жидкой серы, не позволит достигнуть равномерного распределения серы в продукте. Только сочетание определенной скорости подачи серы и скорости перемешивания смеси приводит к достижению поставленной цели, поэтому необходимо поддерживать определенное соотношение скорости введения серы и скорости перемешивания смеси.

Установлено, что это соотношение целесообразно поддерживать в пределах 1:(3-10).

Чем меньше скорость введения серы, тем больше должна быть скорость перемешивания. Однако соотношение скоростей не может быть меньше 1:3, так как в этом случае сера застывает раньше, чем произойдет ее диспергирование. При соотношении 1:10 значительно увеличивается мощность перемешивающего устройства, а эффект равномерного распределения серы в продукте остается постоянным, то есть происходит излишняя затрата энергии.

В производственном процессе согласно изобретению возможно получить широкий ассортимент удобрений, содержащих серу, а именно NPS и NPKS. При этом продукт может содержать серу в виде только элементной, а также в виде растворимых сульфатных солей и элементной серы в любом необходимом соотношении между ними.

Способ проиллюстрирован в нижеследующих примерах.

Пример 1.

В реактор подают 39,48 т/ч фосфорной кислоты с концентрацией 36,5% P₂O₅ и 3,84 т/ч аммиака. В результате получают пульпу фосфатов аммония 33,7 т/ч. Полученную пульпу вводят в перемешивающее устройство, куда одновременно со скоростью 4 м/с подают 2,84 т/ч жидкой серы и 4 кг/ч лапрола. Смесь перемешивают со скоростью 13 м/с. Соотношение скорости введения серы и перемешивания смеси составляет 1:3,25.

Далее смесь через форсунку подают в барабанный гранулятор-сушилку. В результате получают готовый гранулированный продукт в количестве 30 т/ч с соотношением питательных веществ NPS 10:46:10,4 соответственно.

Гранулированный продукт анализировали на равномерность распределения элементной серы. Отклонения в 4-5 пробах составляет ±0,20-0,25% абс., что соответствует вероятности 95%, то есть равномерность распределения элементной серы в продукте удовлетворительная.

Пример 2.

В реактор подают 34,1 т/ч фосфорной кислоты, 4,04 т/ч серной кислоты, а также 4,61 т/ч аммиака. Полученную пульпу в количестве 31,8 т/ч вводят в перемешивающее устройство, куда одновременно вводят 1,5 т/ч жидкой серы и 3 кг/ч ПАВ (например, лапрол). Скорость подачи серы 4 м/с.

Скорость перемешивания смеси составляет 13 м/с. Соотношение скорости подачи жидкой серы и перемешивания смеси - 1:3,25. Полученную смесь через форсунку подают в БГС, где получают удобрение NPS с соотношением компонентов 12:40:10, причем S сульфатная - 5%, S элементная - 5%.

Равномерность распределения серы в грануле - 96%.

Пример 3.

В реактор подают 34,02 т/ч фосфорной кислоты и 5,1 т/ч сульфата аммония + 3,3 т/ч NH₃, далее аналогично примеру 1.

В результате получают NPS удобрение с соотношением компонентов 12:40:10, причем S сульфатная - 5%, S элементная - 5%.

Равномерность распределения серы в грануле составляет 95,7%.

Пример 4.

В реактор подают 26,2 т/ч фосфорной кислоты и 4,2 т/ч серной кислоты + 3,9 т/ч NH₃.

В полученную пульпу в количестве 24,55 т/ч добавляют хлористый калий 5,24 т/ч и подают серу со скоростью 4 м/с. Смесь перемешивают со скоростью 13 м/с. Соотношение скорости введения серы и перемешивания смеси составляет 1:3,25. Далее процесс ведут аналогично примеру 1.

В результате получают NPKS удобрения с соотношением компонентов 10:30:10:10. При этом S сульфатная - 4%, S элементная - 6%. Равномерность распределения серы составляет 96,3%.

Пример 5.

Процесс ведут аналогично примеру 1, только жидкую серу в пульпу вводят распылением сжатым воздухом.

Равномерность распределения серы соответствует 97%. Результаты других опытов приведены в нижеследующей таблице.

Как видно из таблицы, при параметрах ниже рекомендуемого диапазона равномерность распределения элементной серы в продукте не достаточная для получения качественного продукта. При параметрах, превосходящих рекомендуемый диапазон, качество продукта удовлетворительное, но затраты энергии увеличены.