Основные способы и технологии получения минеральных удобрений

Вариант 1

1. Природные и искусственные источники тепловой энергии.

2. Роль футеровки технологических агрегатов и материалы, используемые для нее.

3. Продукты доменной плавки, их характеристика и области применения.

4. Признаки классификации строительных материалов и их основные виды.

 5Основные способы и технологии получения минеральных удобрений.

1Природные и искусственные источники тепловой энергии.

Тепловая энергия широко применяется для выработки электроэнергии и непосредственно в технологических процессах (нагревание, сушка, плавление, выпаривание), для отопления и других коммунально-бытовых нужд.

К недостаткам тепловой энергии относится невозможность подачи ее на дальние расстояния из-за значительных потерь в окружающую среду.

В качестве теплоносителей используют пар, горячую воду, топочные газы, металлические расплавы.

Все источники энергии по степени их воспроизводимости делят на невозобновляемые (горючие полезные ископаемые, ядерное топливо) и возобновляемые (энергия воды, ветра, солнца, морских приливов, геотермальных источников). В настоящее время подавляющая часть энергии вырабатывается из невозобновляемых источников, запасы которых ограничены. Перед человечеством встает проблема обеспечения своей жизнедеятельности дешевой энергией, источники которой должны быть неисчерпаемы. Решение этой проблемы в ближайшей перспективе видится в освоении процесса управляемого ядерного синтеза.

2 Роль футеровки технологических агрегатов и материалы, используемые для нее.

Футеровка, т.е. облицовка внутренней поверхности технологических агрегатов, изготавливается из материалов, обладающих специфическими свойствами, например из огнеупорных, химически стойких и теплоизоляционных.

При работе агрегатов при температуре до 1000ºС в качестве футеровки используют резину, пластмассы, смолы, теплостойкий кирпич, бетон, керамику, каменное литье.

Особую группу футеровочных материалов составляют огнеупоры, которыми называют строительные материалы, используемые для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять действию высоких температур, а также физическим и физико-химическим процессам протекающих в этих агрегатах.

Основные характеристики этих материалов – огнеупорность, химический состав, термостойкость, пористость и газопроницаемость, механическая стойкость и теплопроводность.

Огнеупорность выражает способность материалов выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь. По этому признаку изделия разделяют на три группы с температурой плавления 1580–1770ºС (нормальные), 1770–2000ºС (высокоогнеупорные) и более 2000ºС (высшая огнеупорность).

Химический состав огнеупоров должен соответствовать характеру протекающего в данном агрегате процесса и составу образующегося шлака – кислого или основного, иначе шлак взаимодействует с огнеупорами и быстро разъедает кладку. Кислыми шлаками (основность менее единицы) быстро разрушаются основные огнеупоры, а основными (СаО/SiO2>1) – кислая кладка.

Термостойкость огнеупоров выражает их способность выдерживать резкие колебания температур без растрескивания и разрушения, которая измеряется числом водяных теплосмен, т.е. количеством раз возможного нагрева торцов кирпича до 850ºС и их охлаждения проточной водой до растрескивания изделия. Термостойкость динаса составляет 1–3, шамота 10–25, хромомагнезита 5–12.

Расход огнеупорных материалов зависит от вида процесса, например, при доменной плавке составляет 4 кг на 1 т чугуна, но может быть в несколько раз большим при получении одной тонны стали.

3Продукты доменной плавки, их характеристика и области применения.

Материалы, поступающие в доменную печь (топливо, рудная часть, флюсы, воздух), претерпевают физические и химические изменения в соответствии с температурными законами. В печи происходит горение топлива (кокса), восстановление оксидов железа и др. эл-ов, науглероживание железа и образование жидкого чугуна, формирование и плавление шлака, разложение карбонатов, удаление влаги и др. процессы.

С оксидами железа в доменной печи полностью восстанавливаются оксиды никеля, свинца, меди, цинка, фосфора за счет твердого углерода и частично – оксиды кремния, марганца, хрома, ванадия, титана и др. На качество чугуна влияют фосфор и сера. Фосфор придает выплавляемой из чугуна стали хладноломкость (пониженную прочность при отрицательных температурах). Сера дает стали красноломкость (пониженные механические свойства при повышенных температурах).

Восстановление рудной части заканчивается образованием железной губки, которая при контакте с коксом науглероживается, образуя железо-углеродный сплав (чугун), который формируется на уровне распара и каплями стекает по кускам кокса, растворяя углерод. Чугун, содержащий 4,3 % С, плавится при температуре 1130С.

Невосстановленная часть доменной шихты, представленная преимущественно кислыми (SiO2, Al2O3) и основными (CaO, MgO) оксидами пустой породы и золы кокса, составляет шлак.

Чугун содержит более 90% Fe, 4,0–4,5% C, некоторое количество кремния, марганца, фосфора и серы. По назначению чугуны разделяются на передельные, предназначенные для переработки в сталь, и литейные – для производства отливок. Литейный чугун выпускается нескольких марок: ЛК0, ЛК1, ЛК2, ЛК3 (от 1,75 до 3,75%). Чем выше содержание кремния в чугуне, тем больше в нем графита и тем легче он обрабатывается резцом. При высоком содержании кремния (2,5-3,5%) углерод в большом количестве выделяется в свободном состоянии в виде графита и излом чугуна приобретает серый цвет – серый чугун применяется преимущественно в машиностроении, т.к. хорошо обрабатывается (изготовление неответственных частей машин, станков, двигателей). Большое количество марганца, входящего в состав чугуна, способствует образованию карбида железа. Чугун с высоким содержанием марганца обладает большой твердостью и хрупкостью, в изломе имеет светлый блестящий вид. Он называется белым и применяется для передела на сталь, в небольшом количестве для производства ковкого чугуна.

При производстве чугуна образуется большое количество шлака – около 60% его веса. Состав шлака зависит от состава шихты и марки чугуна. Основными компонентами шлакаявляются, %: 35–45 CaO, 32–40 SiO2, 10–20 Al2O3, 6–8 MgO, 0,5–1,0 FeO. Выход шлака составляет 0,5–1,0 от массы чугуна. Шлак, как побочный продукт, является дешевым и в то же время высококачественным строительным материалом. Применяется для изготовления цемента, бетона, кирпича, идет на грунтовку дорог.

Доменный передел имеет значительное количество точек пылевыделения, воздействие которых стремятся уменьшить.

Очищенный от пыли колошниковый газ, используется как топливо в доменных воздухонагревателях, в коксохимии, прокатных цехах и на заводских электростанциях.

4 Признаки классификации строительных материалов и их основные виды

Строительными называют материалы, из к-ых возводят здания и сооружения различного назначения, изготавливают отдельные детали и конструкции.

Классификация по производственному назначению, виду исходного сырья, показателям качества. Наиболее общей - классификацию по генезису (происхождению): природные и искусственные строительные материалы.

Природные (естественные) получают непосредственно из земных недр или из возобновляемых источников растительного и животного происхождения. Обработкой им придают необходимые форму и размер, воздействуя на них физическими методами. Из природных особенно широко применяют каменные материалы и изделия, лесоматериалы, а также некоторые др. продукты растительного (солома, камыш, торф и др.) и животного (шерсть) происхождения.

Искусственные производят из природного сырья, побочных продуктов промышленности, с/х, используя физические и химические методы их переработки.

По химическому составу: неорганические и органические. Наиболее распространена первая группа.

Искусственные по температуре их осуществления классифицируют на безобжиговые и обжиговые.

Безобжиговые- отсутствуют процессы плавления и спекания отдельных составляющих смеси. К наиболее распространенным безобжиговым неорганическим материалам относятся бетон и железобетон, строительные растворы, к органическим – асфальты, битумы.

Обжиговые строительные материалы синтезируют из неорганических веществ при температурах сжигания исходных сырьевых смесей или образования расплавов, при охлаждении и застывании которых образуется упрочняющая связка. Из этого класса материалов наиболее известны керамика, стекло, изделия из шлаковых расплавов.

Основные способы и технологии получения минеральных удобрений

Удобрениями называют в-ва, вносимые в почву для повышения урожайности, качества, устойчивости к болезням c/х культур.

Минеральные удобрения по типам содержащихся питательных в-в для раст. классиф. на фосфорные, азотные и калийные.

Фосфорные удобрения представлены двойным суперфосфатом, получаемым хим. путем, а также пр-вом фосфоритовой муки и термофосфатов.

Сырьем для производства фосфорных удобрений служат природные аппатитовые и фосфоритовые руды. Современные методы переработки природных фосфатов в удобрении разделяют на несколько групп:

мех. измельчение фосфоритов с получением фосфоритовой муки, используемой в качестве удобрений;

термическое производство путем сжигания или плавления при 1200–18000С природных фосфатов с различными добавками;

хим. способы пр-ва с обработкой фосфоритов минер. кислотами, когда получают двойной суперфосфат – основ фосфорное удобрение.

Двойной суперфосфат – концентрированное фосфорное удобрение, содержащее 42–50% усвояемого Р2О5, в т.ч. 37–42% – водорастворяемого. В гранулированном виде он хорошо растворяется и дает повышенный агрохимический эффект.

Помимо фосфорных удобрений, выпускаются кормовые фосфаты (преципитаты), применяемые как добавки в корм животных при недостатке в их рационе фосфора и кальция. Такие добавки отличаются от удобрений отсутствием вредных примесей железа, мышьяка и тяжелых цветных металлов.

В азотных удобрениях азот находится в NН4 – аммиачной или NO3 – нитратной формах, иногда – в обеих (нитрат аммония NН4 NO3). Наиболее распространен нитрат аммония (аммиачная селитра), содержащий до 35% азота и карбамид (мочевина) – наиболее концентрированное по азоту (до 46,6%) удобрение. Используют также сульфат аммония (NH4)2SO4. Эти удобрения выпускают в тв. гранулированном виде, но в связи со значительным ростом производства аммиака увеличивается объем выпуска жид. азотных удобрений.

Изготовляют аммиачную селитру на заводах, получающих аммиак и азотную кислоту. Пр-во селитры включает несколько стадий. Нейтрализация разбавленной (46–60%) азотной кислоты газообразным аммиаком:

HNO3 + NH3 = NH4NO3 + 144,9 кДж.

Затем делают упарку р-ра нитрата аммония до расплава, содержащего до 99,8% этого в-ва. После этого его подвергают гранулированию, к-ое производят в грануляционных башнях длиной, где в-во в каплевидном состоянии подают вниз. Перевод в-ва в каплевидное состояние достигается при помощи вращающегося разбрызгивателя. При падении капли охлаждаются потоком поступающего снизу воздуха и превращаются в гранулы диаметром 2,5 мм.

Карбамид получают из аммиака и углекислого газа.

2NH3 + CO2 = CO(NH2)2 + H2O + 119,1 кДж.

Реакцию проводят в колоннах синтеза или давлении 18–20 МПа и t 180–200°С в течение 30–40 мин. Расплав, содержащий 29–31% карбамида, упаривают в двухстадийных аппаратах под давлением 30–40 кПа а температуре 130°С. После упаривания 99,7–99,8% жидкий карбамид поступает в грануляционную башню, где, подобно аммиачной селитре, распыляется, гранулируется и охлаждается. Полученный продукт рассеивают в виде гранул диаметром 1–4 мм, упаковывают и отправляют на склад.

Сульфат аммония – низкоконцентрированное азотное удобрение, в промышленных условиях образуется при нейтрализации серной кислоты газообразным аммиаком

2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4 + 274 кДж.

Сульфат аммония выпускают как побочный продукт при очистке коксового газа от аммиака серной кислотой.

Калийные удобрения готовят из природных минералов, содержащих соли калия. Основным калийным удобрением является KCl, к-ый применяют в качестве удобрения для всех почв и культур.

Комплексные удобрения (сложные и смешанные) имеют ряд преимуществ перед простыми. Они позволяют распределять полезные эл-ты в почве более равномерно, и на их внесение в почву затрачивается меньше времени и труда, чем при раздельном применении простых удобрений.

Промышленность выпускает большое число марок комплексных удобрений, отличающихся содержанием и соотношением питательных эл-ов.

Ведущее место в ассортименте комплексных удобрений занимает аммофос, получаемый на основе фосфорной кислоты. Достаточно распространены также сложные удобрения на основе фосфорной и азотной кислот (нитроаммофос NH4H2PO4 + NH4NO3) и нитроаммофоска – то же плюс хлористый калий, а также нитрофос и нитрофоска, получаемые на основе фосфатов и азотной кислоты.