Производство нитрата аммония (лекция 16)

Свойства нитрата аммония
Нитрат аммония NH4NO3 (техническое название – аммиачная или аммонийная селитра) предтавляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6°С.
Он содержит 35% азота в аммонийной и нитратной формах и является безбалластным азотным удобрением. Твердый нитрат аммония в области температур от 169,6 °С до –50 °С существует в виде пяти полиморфных модификаций, различающихся кристаллической структурой, плотностью кристаллов и объемом кристаллической решетки.

Кристаллографические характеристики модификаций нитрата аммония

Влияние температуры на растворимость NH4NO3

Зависимость гигроскопичности аммонийной селитры от температуры

Отрицательными свойствами аммонийной селитры являются низкая термическая устойчивость, пожаро- и взрывоопасность. При нагревании выше 110 °С аммонийная селитра медленно разлагается на аммиак и азотную кислоту по реакции
NH4NO3 = NH3 + HNO3 + 144,9 кДж.
При 165°С потеря массы селитры не превышает 6 %/сут. При этом аммиак удаляется в газовую фазу, а азотная кислота накапливается в твердой и жидкой фазе и разлагается с выделением NO2, который вступает во взаимодействие с NH4NO3 по реакции
NH4NO3 + 2NO2 = N2 + 2HNO3 + H2O + 232 кДж.
Эта реакция сильно экзотермична и приводит к образованию новых порций азотной кислоты и к разогреву массы. Таким образом, азотная кислота является катализатором разложения NH4NO3, поэтому нельзя допускать ее накопления в массе селитры. При нагревании селитры до температуры 200–270°С протекает слабоэкзотермическая реакция
NH4NO3 = N2O + 2H2O + 36,8 кДж.
При резком повышении температуры, а также под воздействием детонаторов происходит взрывное разложение селитры по уравнению
NH4NO3 = N2 + 0,5O2 + 2H2O +118 кДж.
Таким образом, аммонийная селитра является слабым взрывчатым веществом и на ее основе производят взрывчатые вещества – аммониты и аммонолы, представляющие собой смеси селитры с органическими веществами или с порошкообразным алюминием.

Способы получения нитрата аммония
Основным способом получения нитрата аммония является нейтрализация азотной кислоты аммиаком по реакции
HNO3 + NH3 = NH4NO3 + 144,9 кДж.
Сырьем для получения аммонийной селитры является азотнаякислота 47–60%-ной концентрации и аммиак или аммиаксодержащие газы. В результате нейтрализации образуются водные растворы нитрата аммония, которые для получения твердого продукта подвергаются выпарке.

Зависимость теплоты нейтрализации от концентрации азотной кислоты

Зависимость концентрации растворов NH4NO3 от концентрации азотной кислоты и температуры
1 –70°С; 2 – 20°С; 3 – без использования теплоты реакции

Технология производства аммиачной селитры
Возможны следующие принципиально различные схемы получения аммиачной селитры с использованием тепла нейтрализации:
установки, работающие при атмосферном давлении (избыточное давление сокового пара 0,015 - 0,02 МПа);
установки с вакуум-испарителем;
установки, работающие под давлением, с однократным использованием тепла сокового пара;
установки, работающие под давлением, с двукратным использованием тепла сокового пара (получение концентрированного плава).

Получение аммиачной селитры по этому методу состоит из следующих основных стадий:
получение раствора аммиачной селитры нейтрализацией азотной кислоты аммиаком;
выпаривание раствора аммиачной селитры до состояния плава;
кристаллизация соли из плава;
сушка и охлаждение соли;
упаковка.

Принципиальная схема производства нитрата аммония

Технологическая схема нейтрализации азотной кислоты с двукратным использованием теплоты нейтрализации
1 – напорный бак азотной кислоты; 2 – подогреватель аммиака; 3 – сепаратор; 4 – аппарат ИТН; 5 – промыватель сокового пара; 6 – вакуум-выпарной аппарат; 7 – донейтрализатор

Агрегат по производству аммиачной селитры АС-72
1 – подогреватель азотной кислоты; 2 – подогреватель аммиака; 3 – аппарат ИТН; 4 – подогреватель воздуха; 5, 7 – донейтрализатор; 6 – комбинированный выпарной аппарат; 8 – фильтр плава; 9 – бак плава; 10 – погружной насос; 11 – насос; 12 – сборник раствора NH4NO3; 13 – напорный бак плава; 14, 15 – грануляторы; 16 – хвостовой вентилятор; 17 – промывные скрубберы; 18 – грануляционная башня; 19 – кондиционер гранул;20 – транспортер; 21 – элеватор; 22 – охладитель гранул; 23 – подогреватели воздуха; 24 – вентиляторы; 25 – дренажный сборник плава; 26 – насос; 27 – воздуходувка; 28 – буферная емкость

Модернизированный агрегат по производству аммиачной селитрАгрегат АС-72М
Основные отличия модернизированного агрегата заключаются в следующем:
для кондиционирования применена магнезиальная добавка, что исключило потребление серной и фосфорной кислот, а также необходимость обработки гранул ПАВ;
установлен скруббер-нейтрализатор 8 для улавливания, не прореагировавшего аммиака в донейтрализаторах 4 и 5;
установлен скруббер 7 с фильтрующей насадкой для промывки паровоздушной смеси из выпарного аппарата;
промывной скруббер 18 грануляционной башни оснащен элементами для фильтрующей очистки выхлопных газов;
в схеме КИПиА усовершенствованы блокировки, обеспечивающие защиту процесса от повышений температуры в аппаратах ИТН, выпарном аппарате, баках и насосах для перекачивания плава селитры за счет дублирования приборов измерения температур и измерения рН растворов и плава.

Технологическая схема производства АС-72М
1 - подогреватель аммиака; 2 - подогреватель кислоты; 3 - аппарат ИТН; 4 - донейтрализатор; 1 - выпарной аппарат; 6 - гидрозатвор-донейтрализатор; 7 - сборник плава; 8 - напорный бак; 9 - виброакустический гранулятор; 10 - грануляционная башня; 11 - транспортер; 12 - охладитель гранул; 13 - подогреватель воздуха; 14 - промывной скруббер

Аппарат с использованием теплоты нейтрализации (ИТН)
1 – реакционный стакан; 2 – барботер аммиака; 3 - барботер азотной кислоты; 4 – диффузор; 5 – завихритель; 6 – колпачковая тарелка; 7 – брызгоотбойник; 8 - промыватель