Введение к работе
Актуальность темы. Технология плазменно - азотнокислотной переработки нефелинового сырья (ПАП НС) является принципиально новой в утилизации отходов производства фосфорных удобрений и соответствует предъявляемым в химической промышленности современным требованиям, таким как обеспечение экологической чистоты производства, ресурсосбережения, компактности и высокой производительности оборудования. В основу предлагаемой технологии положены процессы разложения исходного сырья разбавленной азотной кислотой с последующей термообработкой полученных нитратов в плазме. Азотнокислотное разложение :ырья позволяет выделить двуокись кремния в виде аморфного кремнезема і получить нерастворимой остаток, в состав которого входят титано-іагнетит, сфен, эгирин, полевые шпаты и другие минералы. Полученный іаствор нитратов после предварительного упаривания подвергается ермообработке в системе плазмохимических реакторов, В процессе азделения продукционной смеси получаются мелкодисперсные спеки и егеиернруется затраченная на разложение азотная кислота. Спеки по звестным технологиям могут быть переработаны в глинозем, селитры, юсфорные и фосфорно-калнйные удобрения.
На этапе исследования и последующего проектирования установки АП НС возникают такие задачи, как снижение энергоемкости, металло-лкости и повышение производительности установки и т. д. Решить эти ідачи возможно на основе детального сравнительного анализа энерготех-)ЛогичесКих и конструкционных показателей работы установки в целом. втоматнзация технологических расчетов поможет выбрать не только оп-імальньїй режим ведения процесса, но и подобрать оптимальную конфигу-цию самой технологической схемы.
Технологическая схема ПАП НС рредставляет собой сложную мико-технологическую систему (ХТС), которая включает в себя большое
лкчество стадий н нестандартных аппаратов, а также имеет крупные
технологические рециклы, позволяющие обеспечить экологическую чистоту производства. Все это усложняет задачу моделирования технологической схемы, поэтому для ее решения требуется разработка и создание специальных алгоритмов и программ.
Наиболее энергоемким и дорогостоящим аппаратом в ПАП НС является плазмохимический реактор. Этот аппарат во многом определяет режим работы и производительность установки в целом. Аналогичные реакторы могут быть использованы для таких процессов, как сжигание промышленных отходов, уничтожение отравляющих веществ и т. д.. Поэтому актуальна задача моделирования плазмохимических процессов в реакторе с целью определения его оптимальных конструкционных и технологических параметров.
Цель работы. Разработка математических моделей для создания алгоритмов и программ расчета основных процессов и аппаратов, входящих в ХТС ПАП НС и автоматизации расчетов всего производства. Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета плазмохимичес-кого реактора (ПХР). Создание системы автоматизированных технологических расчетов возможных ХТС ПАП НС. Проведение термодинамического анализа синтеза веществ из азотнокислых солей при их термообработке в воздушной низкотемпературной плазме с целью определения оптимальных условий работы реактора. Определение кинетических параметров термического разложения азотнокислых солей с целью использования этих зависимостей в расчете ПХР.
Научная новизна На основе декомпозиции всей технологической схемы ПАП НС на ряд отдельных стадий и создания для каждой стадии соответствующего математического описания получена математическая модель ХТС ПАП НС. С помощью составленной модели разработана система автоматизированных технологических расчетов энерго-материального баланса ПАП НС и выбора оптимального режима работы установки в случае переработки различных видов нефелинового сырья.
Разработана математическая модель и составлена на ее основе универсальная программа расчета ПХР для произвольного набора химических реакций. В разработанном модуле допускается учет полидисперсности распыляемого раствора, особенностей кинетики топохимических реакций и возможное изменение формы реактора с цилиндрической на коническую.
С помощью специальной методики термического анализа при высоких скоростях нагрева исследуемых образцов материалов, аналогичных темпам нагрева в ПХР, было изучено термическое разложение азотнокислых солей, и установлены кинетические параметры процесса. Показана применимость полученных параметров для моделирования динамики переработки сырья в плазменном потоке.
Проведен термодинамический анализ образования веществ из ра-створов, полученных при азогнокислотном разложении "хвостов" апатитовой флотации (ХАФ) и нефелинового концентрата (НК), на основе которого определены оптимальные условия термообработки растворов нитратов.
Практическая ценность. Созданный программный комплекс позволяет рассчитывать различные варианты работы ПАП НС и находить оптимальные режимы работы установки при использовании различных видов нефелинового сырья. Полученные результаты технологических расчетов 5ыли использованы при выполнении проекта опытно-промышленной уста-ювки ПАП НС в городе Апатиты и проверены в работе на опытной хтановке "Глинозем". Показано, что термообработку растворов нитратов, юлученных при азотно-кислотном разложении нефелинового сырья, ;елесообразно проводить при двух температурах 400 С и 900 С. В ходе асчетов химического равновесия определен состав получаемых веществ в ІХР, появление которых в продуктах термообработки подтверждено дан-ыми рентгеновского анализа. С помощью разработанной математической одели реактора и созданной на ее основе программы рассчитан опытно-ромышленный ПХР. Полученные результаты обыли учтены при его
эоектировании. Программа может использоваться в расчетах ПХР для
о - .
4 термообработки широкого класса веществ. Определенные кинетические параметры разложения нитратов позволяют более точно описать кинетику химических превращений в ПХР.
Публикации и апробация работы По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи, получено 4 авторских свидетельства
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения, содержит 19 рисунков 5 таблиц. Объем диссертации составляет 130стр. машинописного текста. Список используемой литературы включает 88 наименований. Описание технологии плазменно-азотнокислотной переработки нефелинового сырья.