Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор
1.1. Общие свойства фосфора и его соединений 10
1.2. Характеристика главных фосфоритовых руд 11
1.3. Характеристика фосфоритов Таджикистана 15
1.4. Способы переработки фосфоритных руд и получения минеральных фосфорсодержащих удобрений 20
ГЛАВА II. Экспериментальная часть. механическая переработка фосфоритов
2.1. Краткая геологическая характеристика, гранулометрический, минералогический и химический составы фосфоритного сырья каратагской группы 30
2.2. Определение основных параметров фосфоритной полидисперсной суспензии 34
2.3. Седиментационный анализ дисперсных частиц муки каратагских фосфоритов 36
2.4. Седиментация фосфоритной полидисперсной суспензии в вертикальном реакторе без перемешивания 44
2.5. Моделирование процесса перемешивания фосфоритной суспензии в вертикальном реакторе 50
2.6. Моделирование процесса седиментации фосфоритной суспензии при непрерывном перемешивании в вертикальном реакторе, расчеты оптимальных технологических параметров перемешивания и разделения суспензии на две фракции 58
2.7. Выгрузка осадков твердых частиц фосфорита в процессе непрерывного перемешивания и кинетика процесса 70
ГЛАВА III. Физико-химические основы кислотного разложения концентрата фосфоритной муки
3.1. Сернокислотное разложение концентрата фосфоритной муки 78
3.2. Азотнокислотное разложение концентрата фосфоритной муки 82
3.3. Рентгенофазовый анализ исходного фосфоритного сырья и результатов серно- и азотнокислотного разложения концентрата фосфоритной муки 83
3.4. Получение полиаммофосфатов кальция из концентрата фосфоритной муки 85
3.5. Принципиальная технологическая схема комплексной переработки фосфоритов Таджикистана 89
ГЛАВА IV. Агрохимическая оценка эффективности фосфоритной муки на хлопчатнике
3.1. Использование фосфоритной муки для повышения содержания подвижного фосфора и усвояемого калия в почве 94
3.2. Влияние фосфоритной муки на всходы, проростки и урожайность хлопчатника 96
Заключение.. 100
Список использованной литературы
- Характеристика главных фосфоритовых руд
- Определение основных параметров фосфоритной полидисперсной суспензии
- Азотнокислотное разложение концентрата фосфоритной муки
- Влияние фосфоритной муки на всходы, проростки и урожайность хлопчатника
Введение к работе
Актуальность темы: Систематическая интенсификация сельского хозяйства невозможна без увеличения производства и применения фосфорсодержащих удобрений. Однако, ресурсы богатых фосфатных руд, используемых в настоящее время в химической промышленности, ограничены и не в полной мере обеспечивают сырьевые потребности, а существующие производственные процессы протекают нестабильно и требуют больших энергетических и сырьевых затрат. Учитывая быстрый рост народонаселения Земли, возможное истощение крупных месторождений богатого фосфатного сырья, наметившийся его дефицит, прогнозируется применение в перспективе более низкосортных фосфоритов. Поэтому, проблема широкого использования бедных фосфоритов становится весьма актуальной в глобальном масштабе, и особенно, в странах СНГ.
В последнее время в Таджикистане с повышением цен на
энергоносители и минеральные удобрения произошло резкое снижение
объемов их применения, что привело к значительному спаду валового
производства и урожайности сельскохозяйственных культур. В республике
применяется в основном азотные удобрения, а применение фосфорных и
калийных удобрений сократилось ещ в большей степени. В связи с этим,
внимание исследователей обращено на возможность применения местных
фосфоритов в качестве фосфорных удобрений, т.к. Каратагские фосфориты
являются сравнительно более концентрированными и значатся в числе
перспективных. Принято специальное постановление Правительства
Республики Таджикистан от 14.08.97, № 338, о необходимости проведении
исследований по изучению эффективности применения местных
фосфоритов.
Цель работы - изучение физико-химических и технологических основ комплексной переработки фосфоритов Таджикистана, получения на их основе фосфорных удобрений.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
определение гранулометрического, химико - минералогического составов и технологических свойств фосфоритной руды;
установление закономерностей седиментации, разделения фосфоритной суспензии на две фракций и выгрузки осадков в процессе перемешивания в жидкости в вертикальном реакторе, разработка методики
выгрузки осадков суспензии по математической модели и определение оптимальных технологических параметров реактора;
- изучение физико-химических и технологических аспектов кислотного
разложения фосфоритов, получения из них минеральных удобрений, в том
числе аммонийзамещенных фосфорных удобрений;
- разработка принципиальной технологической схемы комплексной
переработки фосфоритов Таджикистана;
- агрохимическая оценка свойств получаемого фосфоритного
концентрата.
Наиболее существенные результаты, представленные к защите и научная новизна диссертационной работы:
определен химический, минералогический и гранулометрический составы фосфоритов Каратага;
на основе моделей, рассчитанных по методам физико-химической гидродинамики, экспериментально определены седиментационные характеристики дисперсного состава фосфоритной муки в вертикальной емкости с перемешиванием в потоке жидкости, оптимальные значения технологических параметров реактора для процессов седиментации, разделения на две фракции и выгрузки осадков фосфоритной суспензии;
установлены оптимальные физико-химические и технологические параметры сернокислотного и возможность азотнокислотного разложений фосфоритов для получения фосфорсодержащих минеральных удобрений, разработаны технологии получения фосфорсодержащих, в том числе аммонийзамещенных фосфорных удобрений из фосфоритной муки.
разработана принципиальная технологическая схема комплексной переработки фосфоритов Таджикистана.
Практическая ценность исследования состоит в том, что на основе
предложенных способов и разработанной технологии можно переработать
фосфоритные руды Таджикистана с целью получения минеральных
удобрений. Принцип моделирования перемешивания полидисперсной
фосфоритной суспензии, разделения и выгрузки осадка при непрерывном перемешивании в вертикальном реакторе могут быть использованы для описания турбулентного движения потока частиц, их сепарации в других гетерогенных системах твердое вещество - жидкость. Экономический эффект от внедрения технологии переработки фосфоритных руд Таджикистана для получения фосфоритной муки, как минеральное удобрение, составляет 1500тыс. сомони в год. Новизна технологических решений подтверждена и
рекомендована к внедрению актом комиссии ГНУ «Научно-
исследовательский институт промышленности» Министерства
промышленности и новых технологий Республики Таджикистан от 15 октября 2015г., патентами РТ TJ №№ 281, 629, 630 и 631.
На защиту выносятся:
- результаты физико-химических исследований состава и свойств
фосфоритной муки;
- результаты седиментационного анализа полидиперсной фосфоритной
суспензии в вертикальном реакторе с перемешиванием в потоке жидкости,
моделирования процессов разделения ее на две фракции и выгрузки осадков
при непрерывном перемешивании в нем;
- результаты физико-химических исследований процесса кислотного
разложения концентрата фосфоритной муки и получения из них
минеральных удобрений.
Личный вклад соискателя. Автором диссертационной работы
сформулированы цели и задачи исследования, разработан принцип
моделирования процессов седиментации фосфоритной суспензии в жидкости
в вертикальном реакторе, принято непосредственное участие в
экспериментах по кислотному разложению и получению фосфорсодержащих минеральных удобрений, проведены расчетные работы и интерпретация полученных данных, сформулированы выводы. Все экспериментальные данные, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и
обсуждались на: I Республиканской научно-практической конференции
горно-металлургического института Таджикистана (Чкаловск, 2007),
Республиканской научной конференции «Химия: исследование,
преподавание, технология», посвященной «Году образования и технических
знаний» (Душанбе, 2010), IV международной научно-практической
конференции «Перспективы развития науки и образования» (Душанбе, 2010),
Республиканской научной конференции: «Проблемы современной
координационной химии» (Душанбе, 2011), V Международной научно-
практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в Высших учебных заведениях стран СНГ» (Душанбе, 2011) , Республиканской конференции «Координационная химия и е значение в развитии народного хозяйства» с международным участием (Душанбе, 2011), традиционных
апрельских конференциях преподавательского состава и студентов ТНУ (Душанбе, 2009, 2010, 2011, 2015), II Республиканской научно-практической конференции (с международным участием) «Координационные соединения в растворах и твердом состоянии: синтез, исследование и применение» (Душанбе, 2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в
том числе 4 патента, 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях,
определенных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации, 7
тезисов докладов международных и республиканских научных
конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 142 наименования, изложена на 123 страницах, включает 21 рисунка, 20 таблиц, приложения 1,2.
Работа выполнена в лаборатории «Физическая химия гомогенных
равновесий» им. Х.М. Якубова отдела «Физической химии» НИИ
Таджикского национального университета.
Характеристика главных фосфоритовых руд
С каждым годом сельское хозяйство Таджикистана требует все большего количества минеральных удобрений, в особенности фосфорных, которые, как известно, ввозятся в республику за многие сотни километров. Вместе с тем, на территории страны несколько месторождений фосфоритов, которые в результате детального изучения и разработки рентабельных способов переработки сырья могли бы послужить базой обеспечения сельского хозяйства дешевыми минеральными удобрениями не только в стране, но и за е пределами.
Потенциал фосфоритов в Республике Таджикистан рассредоточен в трх местах, Зеравшан-Гиссар, Центральный и Южный Таджикистан. Первые сведения о наличие фосфоритов на территории Таджикистана относятся к 20-м годам прошлого столетия, когда на территории Туркестана начали работать экспедиции Геологического комитета СССР. Этому предшествовало детальное и продолжительное изучение геологии Туркестана. Здесь следует отметить работы А. Д. Архангельского [26], который положил начало подразделению палеогеновых отложений (1916 г.), а наличие «темных фосфоритных желваков в свите темных глин» палеогена Гиссарского хребта впервые было отмечено М. С. Швецовым [27]. В 1929 году поисковой партией Научно-исследовательского института по удобрениям под руководством Б. М. Здорика [28] изучались верхне-меловые и палеогеновые отложения Прикафирниганских хребтов к югу от Гиссарской долины (Баба-Таг, Карши-Тау, Северный и Южный Ранган, Кара-Тау и др.). В результате исследований выяснилось, что открытые М. С. Швецовым фосфориты являются стратиграфически выдержанными. Б. М. Здориком же был указан ряд пунктов, где по предварительным данным можно было рассчитывать на фосфориты промышленной концентрации, а в 1931 году им были открыты Каратагские фосфориты в отложениях палеогена. Одновременно в 1931 году по заданию Научно-исследовательского института промышленности Таджикистана и «Средазразведки» (в 1932 году) Б. М. Здорик производил поисковые работы и дал положительную оценку перспективности этих фосфоритов [28], указав на легкую их обогатимость путем промывки и дробления.
Касаясь вопроса о генезисе каратагских фосфоритов, он считал, что их образование связано с резкой сменой физико-географических условий морского бассейна. Кроме того, Б. М. Здориком были обнаружены и исследованы залежи фосфоритов в сузакском ярусе палеогена в Курган-Тюбинском районе. Исследование фосфоритных руд в Таджикистане продолжались, результаты работ были опубликованы в статьях Б. М. Здорика [28, 29], А. А. Шугина [30] и Г. И. Бушинского [31, 32]. Например, А. А. Шугин писал: «Каратагское месторождение фосфоритов представляет ценный объект для постановки предварительной и детальной разведки, которая должна окончательно выявить народнохозяйственное значение этого месторождения. Очень многое сделала для изучения геологии (в том числе для изучения фосфоритовых месторождений Средней Азии) организованная в начале 30-х годов Таджикско - Памирская экспедиция при Совнаркоме Союза ССР.
Осенью 1932 г. район Каратагских фосфоритов посетила специально созданная комиссия Академии наук СССР, возглавляемая академиком А. Е. Ферсманом, которая также положительно оценила эти руды. В том же году начались разведка каратагских фосфоритов и поисковые работы по южному склону Гиссарского хребта, в результате чего было выяснено геологическое строение фосфоритовых слоев, выделен один промышленный фосфоритовый пласт, изучены условия его залегания, дана качественная и количественная характеристики фосфоритов. Детальное описание фосфоритовой пачки южного склона Гиссарского хребта — строение, фациальное изменение, генезис палеогеновых отложений даны в работе Б. А. Петрушевского и Н. С. Зайцева [33].
В этой работе, изучая сделанные в различных местах разрезы и сопоставляя их с разрезами соседних районов, исследователи четко определили границу между верхним мелом и палеогеном. В результате микроскопического и макроскопического изучения фосфатизированных пород они пришли к выводу, что фосфориты приурочены к совершенно определенным породам, т.е. к карбонатнотонкообломочным, изменения которых, даже незначительные, приводят к заметному обеднению фосфоритами. Однако, химические анализы, произведенные этими исследователями, показали, что фосфоритизация палеогеновых отложений Гиссарского хребта ничтожна, и лишь изредка достигает промышленных концентраций. Б. А. Петрушевским и Н. С. Зайцевым была отвергнута биолитовая гипотеза образования фосфоритов этого района. Они при этом исходили из того, что фосфоритовая толща нижнего и начала среднего эоцена имеет весьма постепенный, литолого-палеонтологический переход, исключающий всякую возможность резких изменений режима бассейна. Изучая литолого-стратиграфическое положение руды, они пришли к выводу, что каратагские «фосфориты представляют собой химический осадок, выпадавший в неглубоком теплом море нормальной солености, с нормальным газовым режимом, насыщенным карбонатными и кремнистыми солями при спокойном состоянии воды у дна бассейна, при незначительном привносе тонкого и однородного пластического материала». Таким образом, Каратагская группа фосфоритов в настоящее время является одним из наиболее детально изученных в геологическом отношении в Таджикистане. Фосфоритные руды Каратага по содержанию фосфорного ангидрида - Р2О5 относятся к числу низкосортных, однако, ввиду своей незначительности по запасам они не смогли стать базой производства фосфоритовых удобрений.
В 1932 г. впервые были произведены опыты по переработке этих фосфоритных руд на опытном заводе НИУ г. Москвы [5], которые показали, что выход концентратов при методе сухого рассева до 50 % с содержанием в них Р2О5 в величину 20,88 %, а при мокром рассеве выход повышался до 56,2 %, а содержание Р2О5 - до 22,95 %. В 1936 году Научным институтом по удобрениям и инсектофунгицидам (НИУИФ) производились работы по добыче ( 66,9 т) и переработке фосфоритов Каратага (уч. Каратаг). Содержание Р2О5 в полученной фосфоритной муке находилось в пределах 21,2- 22,41 %. В 195354гг. [5] (Гридасов, 1955) в фосфоритах Каратагской группы (уч. Каратаг, Б.Яхдон, Камбар) и Ходжачильдир в полевых условиях было произведена обработка (грохочение и промывка) фосфоритного сырья, и выход концентрата (%) и содержание Р2О5 (%) по фракциям крупности составляли соответственно: +10мм (4,5; 10,38); -3мм+1мм (22,93; 18,91); -1мм (61,8; 10,81), а среднее содержание Р2О5 в руде равнялось величине 12,98 %.
Фосфориты Исфаринского района, которые также находятся в сузакском ярусе палеогеновых отложений и имеют большое сходство с каратагскими фосфоритами описаны в работе К. С. Андрианова [34]. Исфаринские и Зиддинские фосфориты имеют трудности в географическом и экономическом промышленном освоении площади, небольшую мощность фосфоритовых пластов и низкий процент ангидрида фосфора в руде. Месторождение Рават состоит из трх фосфоритовых пластов, которые протягиваются на значительное расстояние. Содержание ангидрида фосфора в указанных фосфоритах составляет 6,2 %.
Определение основных параметров фосфоритной полидисперсной суспензии
В системах с размером частиц от 1 до 100 мкм широко используется седиментационный метод анализа [99, 101-104], основанный на определении скорости осаждения (или всплывания) частиц в жидкой среде. Изучение процесса седиментации твердых частиц фосфорита в области минимальных размеров фракций позволяет определить такие параметры дисперсной системы, как минимальный размер (максимальный размер известен по результатам просеивания через фильтр) частиц, степень полидисперсности, которые с учетом совокупности всего диапазона фракций полидисперсной системы необходимы в дальнейшем для определения характера распределения концентраций частиц в вертикальном реакторе промывки, перемешивания и разделения суспензии по фракциям.
При движении частицы под действием седиментационной силы с определенной скоростью появляется сила трения, направленная противоположно скорости движения частицы. Эта сила определяется с помощью уравнения [112]: где: - коэффициент сопротивления среды, s - площедь поперечного сечения частицы, м2, ра- плотность дисперсионной среды, кг/м3, Wос - скорость осаждения частицы, м/с2.
Различные режимы обтекания частицы зависят от параметров частицы и среды, а также е скорости движения. Если плотность дисперсионной среды меньше плотности частиц дисперсной фазы, то происходит осаждение частиц. При этом, образуются два слоя - жидкость и осадок. Обычно это происходит в суспензиях [101-106,108-110]. Коэффициент сопротивления ї7 в каждом режиме имеет определенную зависимость от числа Рейнольдса: где: i- диаметр частицы,м; ju - динамическая вязкость среды, Па.с. Коэффициент сопротивления среды движению частиц [101,110,122] в зависимости от критерия Рейнольдса вычисляется при ламинарном режиме (область действия закона Стокса), т.е. когда Re 2 по формуле: Re при переходном режиме, когда Re = 2-500 согласно соотношению:
В уравнениях (2.5) и (2.6) приняты следующие обозначения: г-радиус частицы; ju - коэффициент вязкости (для воды 1,1410"3Нс/м2); р - плотность частиц (для фосфоритной муки 2800кг/м3); р0 - плотность жидкости (для воды 1000 кг/м3); g - ускорение свободного падения, м/с2. Высоту, пройденную частицей за время t (с), выразим через Я (м). С учетом уравнений (2.5) и (2.6) скорость осаждения и радиус частиц определяются как: иь=! (2.7) (2.8) Уравнение (2.7) лежит в основе седиментационного анализа [97] размеров грубодисперсных частиц и этот метод, будучи одним из видов дисперсионного анализа, имеет огромное практическое значение, поскольку дисперсность определяет производственные показатели многих промышленных и природных материалов.
При испытаниях процесса осаждения и измерениях скорости осаждения частиц в жидкости применяются седиментометры. Наиболее простым и точным является седиментометр Н.А. Фигуровского, который был использован в данной работе. Последовательность выполнения судиментационного анализа следующая: 1. Определяется масса чашечки в воде. 2. С этой целью на крючок коромысла весов подвешивается чашка и опускается в не замоченную суспензию. Это выполняется при закрытом арретире и неприкосновения чашки к стенкам сосуда. Арретир приводится в положение «открыто», в этом случае наблюдается отклонение нижней контрольной стрелки в левую сторону. Пользуясь поворотом рычага можно добиться совмещения стрелки с риской шкалы.
Расчеты по результатам седиментационного анализа [94- 96] произведены с учетом двух постоянных величин: массы пустой чашечки m = 20 г и высоты расположения дна чашечки от поверхности суспензии Н=0,1 м. Несмотря на свои положительные стороны, при построении кривой распределения частиц в суспензиях в зависимости от их размеров, точность метода графического дифференцирования недостаточна, поэтому для улучшения точности результатов воспользовались аналитическим методом Н.Н. Цюрупы [103]. В этом методе (вне зависимости от используемой в эксперименте техники) для определения кривой накопления осадка применяется уравнение половина осадка. Это исходит из того, что при t = to по уравнению (2.9) получаем Q = Qm/2. С учетом величины tm вычисляется радиус наиболее крупных частиц rmax. Общая масса частиц, оседавшая к произвольному моменту времени tx: Q = Q0 + q, (2.10) где: Qo, q - количество полностью осевшей фракции и частично осевшей фракции (в % по массе) в момент времени tx (рис. 2.1) [103] только из нижних слоев суспензии. Скорость осаждения данной фракции выражается как dQ/dt при tx и доля частично осевших частиц для этого момента времени выглядит как (dQ/dt) tx.
Последнее уравнение есть уравнение касательной линии к точке М1 на кинетической кривой седиментации; отрезок OL1 представляет собой Qo, т.е. означает долю фракции осевших частиц с радиусом rx к моменту времени tx. Таким же образом, можно рассуждать и о касательных, проводимых к произвольной точке на кривой седиментации в любом моменте времени.
Применение уравнения Стокса для седиментации в условиях гравитации (табл. 2.3) позволяет легко вычислять размер целиком осевших частиц в произвольный момент времени ti. Точки на кривой соответствуют долям (%) в общей массе полностью осажденной к выбранному времени той фракции, у которой радиусы частиц равны или больше ГІ. Q выражается в процентах, Р и Р - масса полностью выпавших частиц и выпавших за время t. По итогам эксперимента результаты вычисления получают в единицах массы: Q = 100P/PK (2щ Наибольший радиус гтах вычисляется вслед за определением времени полного осаждения первой фракции tm, применяя уравнение Стокса. Значения Qm и t0 определяют по линейному уравнению
Азотнокислотное разложение концентрата фосфоритной муки
Определение и расчеты технологических параметров реактора для разделения фосфоритной суспензии и образования осадка фракции твердых частиц размеров более 180 мкм на днище реактора [96,115-117,118] осуществлены следующим образом.
Минимально допустимый уровень интенсивности перемешивания в системе жидкость - твердая фаза [114] соответствует условиям, когда возможен подъем твердых частиц с днища аппарата или предотвращается образование осадка. Для частиц, не обладающих склонностью к слипанию, эти два случая практически совпадают.
Отрыв частиц с днища может происходить только в том случае, если подъемная сила ґпод, приложенная к лежащей на дне частицы при воздействии на нее потока жидкости, превышает силу тяжести [114]: где К,- объем частицы, м3; д - ускорение свободного падения, м/сек2. Поскольку вертикальная составляющая средней скорости потока вблизи днища обращается в нуль, источником возникновения подъемной силы могут служить только горизонтальная составляющая скорости потока или турбулентные пульсации давления вблизи днища. Вопрос о том, какой из этих факторов имеет решающее значение, пока не может считаться окончательно выясненным даже для наиболее простых случаев одномерного течения в плоских каналах [114], и основой методики расчета переноса взвешенных частиц потоками в трубах и каналах служат эмпирические формулы. Для водных суспензий широкое распространение получила, например формула Шамова, которая в несколько преобразованном виде представляется как соотношение между «незаиливающей» скоростью потока инз (скорость, при которой обеспечивается подъем частиц) и скоростью осаждения частиц: инз = 5f3w0CH0 22, (2.23) где: WQC - скорость осаждения частиц, м/с; Н- глубина (высота) потока жидкости, м. Для аппаратов без отражательных перегородок условие незаиливания днища на радиусе г можно записать в следующем виде: uHZ(r) S,3w0cH0 22 (2.24) При соотношении радиусов реактора и мешалки GD 1,5 осадок дольше всего задерживается в периферийной части днища, и с учетом уравнения профиля скорости для этой зоны (2.17) и формулы (2.23) определено минимальное значение окружной скорости лопастей мешалки, достаточное для полного подъема частиц с днища:
Уравнение (2.25) находится в хорошем соответствии с опытными данными [126] и область его применения ограничена суспензиями, в которых жидкость по физическим свойствам близка к воде, а частицы не имеют склонности к слипанию. Расчеты по уравнению (2.25), а также имеющиеся экспериментальные и эксплуатационные данные показывают, что мощность, необходимая для предотвращения образования осадка на днище реактора, обычно понижается с увеличением диаметра мешалки и уменьшением ее коэффициента сопротивления дм. Такой характер зависимости сохраняется только до GD ъ 1,8- 2.0. При дальнейшем увеличении диаметра мешалки и снижения ее угловой скорости наблюдается оседание частиц в центральной части днища реактора. Уменьшение высоты установки мешалки над днищем способствует подъему частиц. Чрезмерное приближение мешалки к днищу приводит к увеличению мощности. Поэтому, высота размещения мешалки над днищем в большинстве случаев выбирается для GD 1,5 в пределах (0,51,0)dм.
Скорость осаждения частиц woc, необходимая для расчетов по уравнению (2.23) может быть вычислена по известным уравнениям, в частности для крупных частиц неправильной формы:
В таблице 2.6 приведены значения скорости стесненного осаждения частиц фосфорита характерных размеров на высоте 0,202 м реактора, вычисленные по формуле (2.26). Таблица 2.6 Значения скоростей стесненного осаждения частиц фосфорита Диаметр частиц, 10-6 м 63 100 140 180 250 Скорость осаждения, м/сек 0,0383 0,0483 0,0571 0,0648 0,0764 Время осаждения, сек 5,2 4,1 3,5 3,1 2,6 Применительно к реакторам без внутренних устройств, закономерности распределения частиц по высоте целесообразно рассматривать [114] только для периферийной зоны. При невысоких значениях концентрации суспензии (объемное содержание частиц до 20 %) и отсутствии значительной радиальной неоднородности процесс переноса частиц в осевом направлении можно описать уравнением [110]: x(woc - w2) + D2 = 0, (2.27) где: x = концентрация частиц, г/л; w2 - скорость восходящего потока в периферийной зоне, м/с; D2 - осредненное значение коэффициента турбулентной диффузии в осевом направлении для периферийной зона, м2/с, h текущая высота от дна реактора.
При граничном условии x = x0 и h=0 решение уравнения (2.27) имеет вид: (2.28) где: z = h/H,PeM- модифицированный критерий Пекле, определяемый по уравнению: Рем = (woc - w2)H/D2 (2.29) Соотношение между средним значением и локальной концентрацией на высоте h: _х_ _ PeMexy(-PeMz ) х l-exp(-Pff4] , С2-30) где: хср = заданное среднее значение концентрации в полном объеме реактора. Уравнения (2.28) и (2.30) позволяют проводить расчеты распределения концентраций взвешенных частиц в реакторах с мешалками различных конструкций. Пределы их использования соответствуют области применимости методов расчета параметров турбулентного переноса [114].
Среднее значение коэффициента турбулентной диффузии D2, используемое при расчетах, находится по уравнениям (2.29) и (2.30). Скорость восходящего потока жидкости w2 определяется как: W2 = qfbz(_R2 - 7"m)] (231) Значение циркуляционного расхода q вычисляется по уравнению (2.21). Следует отметить, что в большинстве случаев скорость циркуляционного потока в периферийной зоне реакторов без перегородок (внутренних устройств) существенно меньше скорости осаждения частиц и наличие восходящего потока может не учитываться.
Влияние фосфоритной муки на всходы, проростки и урожайность хлопчатника
При переработке апатитового концентрата на 1 т суперфосфата расходуют около 350 кг серной кислоты [69] в пересчете на моногидрат или 1,83 т серной кислоты на 1 т усвояемой Р2О5 в суперфосфате. Таким образом, в нашем случае, при содержании 16 % усвояемого Р2О5 на одну тонну суперфосфата расходуется 293 кг серной кислоты. Полученные данные показывают, что сернокислотное разложение концентрата фосфоритов Таджикистана допустимо.
Разложение фосфатов азотной кислотой считается сложным процессом [65,119]. При разложении фосфоритов процесс разложения протекает по следующему уравнению: Ca3(PO4)2 +6HNO3 = 2H3PO4 + 3Ca(NO3)2 (3.2) В результате переработки фосфоритов азотной кислотой получается жидкая и твердая фаза [89]. Жидкая фаза содержит фосфорную кислоту, нитрат кальция и другие нитраты, образующиеся при растворении оксидов металлов, содержащихся в фосфоритном сырье, а так же в качестве примесей Fe2O3, Al2O3 др. Твердая фаза представляет собой шлам, содержащий неразложившийся фосфорит и нерастворимые примеси. Таким образом, раствор, это азотнокислотная вытяжка, сложная, трудноанализируемая многокомпонентная система. Для контроля процесса разложения фосфоритов азотной кислотой достаточно знать [89] содержание в вытяжке свободной азотной и фосфорной кислот. Для установления степени разложения фосфорита определяется содержание Р2О5 в растворе и твердой фазе (нерастворимый Р2О5). В дальнейшем азотнокислотная вытяжка перерабатывается в сложные азотно-фосфорно-калийные удобрения, которые содержат фосфаты, нитраты и другие соединения кальция, аммония, калия, магния.
Для получения информации о возможностях азотнокислотного разложения фосфорита, наряду с сернокислотным, была поставлена задача проведения эксперимента с анализом вытяжки на содержание общего и усвояемого Р2О5 и рентгенофазового анализа ее твердого осадка после упаривания.
Стехиометрический расчет объема азотной кислоты проводили в соответствии с формулой (3.2) по содержанию СаО в концентрате фосфорита [70]. Требуемое количество азотной кислоты рассчитано по формуле: o2)/(MCa4po -wHMOa -рНКОэ 00), где: m - ортофосфата кальция, г; М СацроА} и MWJV03 молярные массы ортофосфата кальция и азотной кислоты, г/моль; са2(рол)2 содержание основного вещества в ортофосфате кальция; v%VOg- содержание азотной кислоты (%), определяемое по плотности раствора НЖзрШОз, г/см3; кНМОэ - норма азотной кислоты от стехиометрического количества.
Для испытания брали навески по 25 г фосфоритной муки фракции 0,16 мм в трехкратной повторности, использовали 60 % азотную кислоту в объеме ПО % от стехиометрического расчета. Продолжительность перемешивания 60 мин., при термостатированной температуре 50 оС.
По результатам эксперимента установлено, что в пульпе содержание общего Р2О5 составило 23,1, а усвояемого Р2О5 - 21,72 %. Эти данные, а так же результаты рентгенофазового анализ (РФА), проведенного в последствие, показали, что азотнокислотное разложение фосфоритного концентрата произошло полностью и указанный процесс может быть применен параллельно с сернокислотным для переработки фосфоритного сырья.
Уникальную возможность качественной и количественной оценки структуры и состава сложных веществ по их кристаллическим фазам дают дифракционные методы [81]. Поэтому, достоверность выводов, сделанных на основании данных по химическому и минералогическому анализам, а также результатов кислотного разложения концентратов муки фосфоритной руды Каратаг были проверены рентгенофазовым анализом. Штрих – диаграммы получены на приборе Дрон-2 CuK и приведены на рисунке 3.3.1 а, б, в. Результаты проведенных анализов показали, что оксиды кремния в фосфоритах содержатся в виде кварца, оксиды кальция - минерала кальцита, а Р2О5 - апатита. Кроме того, проведен РФА твердых фаз после серно- и азотнокислотного разложений концентратов фосфоритной муки (рис. 3.3 б, в.).