В производстве минеральных удобрений до недавнего време­ни применяли аммонизаторы емкостного типа с перемешиваю­щими устройствами.

Для получения пульп фосфатов аммония с рН=4,5—5,5 из кислоты с содержанием Р205 от 20 до 40% устанавливают два последовательно соеди­ненных одинаковых по объему реактора с мешалками лопастного типа, вра­щающимися с окружной скоростью 4—6 м/с. Кислоту подают в первый по ходу пульпы реактор, а аммиак — в оба через погружные барботеры. От ра­боты с одним реактором отказались, поскольку это приводит к перегреву и интенсивному кипению пульпы и не позволяет достичь требуемой степени аммонизации. Для охлаждения реакторов предусмотрены рубашки.

За счет тепла реакции происходит частичная упарка пульпы. Поэтому аммонизация концентрированных свыше 43% Р2О5 кислот в таких реакторах невозможна из-за потери текучести пульпы. К другим недостаткам таких реакторов относятся большая металлоемкость, малая интенсивность, забива­ние барботеров аммиака, приводящее к неравномерной его подаче, проскоку, а также к гидроударам.

Аммонизацию концентрированных кислот необходимо вести под давлением. Разработана конструкция автоклава, состоящего из цилиндрического корпуса, разделенного перегородками на секции, в каждой из которых расположены мешалки с диффузо­рами (рис. 2-27) [81].

Аппарат герметизирован, что позволяет повысить давление и температуру аммонизации, предотвратить испарение воды. Аммиак вводят через барботер. Непрореагировавшая его часть засасывается из газового пространства пре­дыдущей секции через патрубок в диффузор мешалки следующей секции.

где он смешивается с пульпой. Это несколько снижает расход аммиака, однако потери его на выходе из аппарата при уменьшении давления неиз­бежны, поэтому следует предусматривать отделение аммиака от пульпы перед подачей ее на гранулирование.

Усложнение схемы аммонизации под давлением является одним из ее недостатков, к другим следует отнести значительный расход энергии на1 пере­мешивание в автоклавах, необходимость полной герметизации, в особенности в узлах входа в реактор вращающихся валов, промышленная эксплуатация сальниковых уплотнений которых не показала должной надежности.

Режим работы последовательно соединенных реакторов или секций приближается к режиму идеального вытеснения. Тот же режим перемешивания достигнут в однокорпусном U-образ - ном реакторе, применяемом в производстве нитрофоски.

Аппарат (рис. 2-28) представляет собой две вертикальные трубы диа­метром 0,8 и высотой 2,6 м, нижние части которых соединены между собой коленом [82]. В каждой трубе расположены консольные валы с двухъярус­ными пропеллерными мешалками, вращающимися с частотой 3,5 с-1 таким образом, что по одной из труб жидкость идет вниз, а по другой — вверх, Аппарат снабжен рубашкой.

В одной технологической линии устанавливают каскад из 20 реакторов, в которые последовательно подают апатит, кислоты, хлорид калия, аммиак и другие компоненты, а при необходимости воду или пар. Последовательное соединение реакторов позволяет постепенно вводить реагенты, что улучшает условия проведения химического взаимодействия, однако необходимость об­служивания 40 перемешивающих устройств затрудняет эксплуатацию этих реакторов.

Введение механической энергии для перемешивания продук­тов реакции кислоты с твердой фазой вполне оправданно, по­скольку выделяющегося тепла недостаточно для этого. В систе-

ме газ — жидкость, особенно при высокой скороети взаимодей­ствия, применение перемешивающих устройств — не лучший спо­соб интенсификации процесса.

Ведение процесса в ограниченном объеме приводит к обра­зованию в зоне взаимодействия реагентов парожидкостной эмульсии. Вследствие разности плотностей возникает подъемная сила, в результате чего тепло химической реакции используется не только для нагрева пульпы и испарения воды, но и для соз­дания активного гидродинамического режима, обеспечивающего обновление поверхности массообмена, т. е. интенсификацию процесса. Поэтому для аммонизации кислот применяют безме- шальные аппараты. К реакторам такого типа относятся аппара­ты ИТН (с использованием тепла нейтрализации) и САИ (ско­ростной аммонизатор-испаритель) [77, 83].

Аппарат САИ (рис. 2-29) состоит из реакционной трубы, снабженной патрубками для ввода кислоты и аммиака, и внутренней насадкой типа трубы Вентури. Реакционная труба тангенциально входит в сепаратор, где происходит отделение паров воды, отсасываемых через верхний патрубок. Ниже уровня пульпы расположен патрубок для отвода части ее. Остальная пульпа стекает по циркуляционной трубе, куда вводят сначала фосфорную кислоту, а затем аммиак. Многократная циркуляция пульпы позволяет по­степенно аммонизировать ее до высоких значений pH, что предотвращает бурное кипение, гидроудары и потери аммиака.

Основные показатели работы типового САИ на кислоте из фосфоритов Каратау приведены ниже:

Производительность по кислоте, т/ч.... 100—120

Концентрация кислоты, % P2Os.......................................... 19—24

Количество испаренной влаги, т............................ 6—7

Кратность циркуляции................................................... 20—30

Кислотность пульпы, pH............................................... 4,6—5,3

Время пребывания в реакторе, с................................... 300—360

Потери аммиака, % (от вводимого) .... 0,3

При концентрации Р2О5 в кислоте менее 18% тепла аммонизации недо­статочно для прогрева пульпы до температуры кипения, и наблюдаются гидроудары. Это объясняется [77] тем, что взаимодействие аммиака с кис­лотой происходит по поверхности газовых пузырьков, в объеме которых поглощаемый аммиак замещается испаренной водой. Попадая в область низких температур, за счет конденсации пара пузырьки «охлопываются», т. е. происходит гидроудар. Устранение этого эффекта возможно путем подогрева кислоты или увеличения ее концентрации.

Аммонизация в САИ очень концентрированных (свыше 43% Р2О5) кислот затруднена из-за большого испарения воды и поте­ри текучести пульпы. Эти кислоты нейтрализуют под давлени­ем с использованием тепла реакции и дроссель-эффекта для испарения воды после реакции. Такой процесс осуществляют в безмешальных аппаратах различных конструкций [80].

Один из них представляет собой горизонтально или вертикально уста­новленную трубу с патрубками для ввода кислоты и аммиака. Эксперимен­тально установлено, что аммиак следует вводить по трубе, не нарушающей течения кислоты и соосной с истекающей струей газа, поэтому аммиачное сопло устанавливают с торца аппарата и располагают по его оси.

Интересные данные по гидродинамике горизонтального труб­чатого реактора описаны в работе [3]. При небольших нагруз­ках по аммиаку [до 2 кг/(м2-с)] и кислоте [до 10 кг/(м2-с)] и их молярном соотношении 2 наблюдается турбулизация жидкой фазы по всему объему реактора. В его нижней части имеется неравномерный пенный слой жидкости, в верхней — турбулизи - рованная пленка, в средней — газовый поток со взвешенными частицами жидкости. Повышение молярного соотношения ком­понентов увеличивает турбулизацию кислоты.

Снижение молярного соотношения за счет увеличения расхо­да кислоты в 2,5 раза приводит к расслоению жидкой и газо­образной фаз. Турбулизация жидкости происходит только на границе раздела фаз и сопровождается вспениванием, что ухуд­шает массообмен. Однако же при #=1,05 и той же нагрузке по кислоте [24 кг/(м2-с)] происходит турбулизация жидкой фазы на большую глубину, вследствие чего жидкостный и газовый по­токи движутся параллельно, причем последний занимает сред­нюю часть аппарата и содержит большое количество частиц диспергированной жидкости.

Интенсивность массообмена определяется равномерностью распределения и дисперсностью частиц жидкости и характери­зуется отношением фактической температуры в зоне реакции к расчетной, вычисленной из теплового эффекта аммонизации. Чем больше эта величина, тем ближе к оптимальным режим работы и конструкция трубчатого реактора.

Показано [3], что при обеспечении оптимального гидродина­мического режима протяженность реакционной зоны трубчатого реактора, считая от места ввода аммиака, равна 5—6 его диа­метрам. Однако опыт эксплуатации этих аппаратов, в том числе и за рубежом, показывает, что надежное осуществление реакции аммонизации с учетом возможных колебаний расходов и кон­центраций реагентов достигается при длине реакционной зоны, составляющей 20—30 диаметров.

Трубчатый реактор устойчиво работает на концентрирован­ных кислотах (47—52% Р2О5) при аммонизации до молярного соотношения аммиака и кислоты 1 и выше. Давление в реакторе 0,15—0,25 МПа, температура 130—155 °С, а при использовании полифосфорных кислот — до 360 °С. Энергия реакции расходу­ется на перемешивание в аппарате, а при выходе из него — на диспергирование жидкости и испарение воды. Следовательно, исключается не только перемешивающее устройство, но и насос для подачи и разбрызгивания пульпы в гранулятор. Для улуч­шения перемешивания в реакторе может быть установлена турбулизирующая насадка, а корпус его изогнут. Это позволяет уменьшить длину аппарата, но при этом возрастает опасность зарастания сечения инкрустациями. Известны также двухсту­пенчатые реакторы с частичным сбросом давления и отводом

Реактор	Время пре­бывания, с	Металло­ емкость, т	Производительность по пульпе кг/с кг/(м8*с)	Эффектив­ ность, кг/кДж
Двухступенча­ тый	7200	100	8,3—14,9	0,15	0,04
Автоклав	2500	11	5,6—6,9	0,44	0,09
САИ	300	5	28—30	21,4	1,21
Трубчатый	20	0,2	4,2-4,5	60	0,32

пара между ступенями для снижения влажности пульпы, посту­пающей на сушку [84].

Особенностью работы скоростных реакторов является их ма­лая инерционность. Главным образом это касается трубчатых реакторов, где время пребывания уменьшено даже по сравнению с САИ в 10—15 раз. Это увеличивает чувствительность аппара­та к изменению расходов реагентов и их концентраций. Ис­пользование скоростных реакторов требует точной дозировки и контроля состава реагентов.

Показатели работы реакторов различных типов сведены в табл. 2,3, из которой видно, что скоростные аппараты обладают меньшими металлоемкостью, энергоемкостью и лучше использу­ют тепло реакции (эффективность аппаратов выражена в кг питательных веществ на кДж). Для аммонизации слабых кислот предпочтение следует отдать САИ. Для кислот концентрацией свыше 40—43% Р2О5 перспективным является трубчатый реак­тор, имеющий высокие удельные показатели.

Для САИ, работающего в режиме газлифтного аппарата, интенсивность массообмена определяется скоростью движения паровой фазы, образующейся при кипении жидкости. Экспери­ментально показано [77], что максимальный коэффициент мас - соотдачи, например, в процессе аммонизации фосфорной кислоты наблюдается при удельном расходе пара qu=7,2—7,8 кг/(м2-с). При изменении этой величины уменьшается поверхность меж­фазового контакта в результате снижения скорости турбулент­ной диффузии или доли жидкой фазы в реакционном объеме за счет перехода от снарядного к стержневому режиму движе­ния.

Задаваясь удельным расходом пара и определяя из теплового баланса количество пара Qu, найдем диаметр реакционной камеры и циркуляционной трубы:

Z)P= У<?п/0/785<7п. (2.35)

В этой же работе [77] предложено высоту реакционной камеры рассчитывать по объемному коэффициенту массопередачи:

Kv=G, JV рДХ, (2.36)

где Gum —расход аммиака; Ур —объем реакционной камеры; АХ — движу­щая сила процесса массопередачи.

Поскольку кратность циркуляции жидкости в САИ не менее 10, его мож­но считать реактором идеального смешения. Тогда

ДХ=[(С'-С) — (C"-C)]/2,31g[(C'-C)/(C"-C)], (2.37)

где С', С” — концентрации аммиака в парогазовой смеси на входе и выходе из аппарата; С—равновесная концентрация аммиака над насыщенным рас­твором фосфата аммония.

Обычно Kv= (3,5—4,5)-104 ч~‘ при удельном расходе аммиака q&„= =4—7,5 кг/(м2-с). Скорость истечения аммиака из отверстий форсунки: для газа 50—100 м/с, для жидкости 1—5 м/с.

Из соотношения скоростей пара на входе и по оси ов*/нос=10—20 се­паратора определяют о0е. Для пенообразующих и инкрустирующих жидкос­тей рекомендуется большая величина. Экспериментально определено (рп — плотность пара):

Ов*=<7п°-67/0,41рп

при <7п=3,6-10,1 кг/(мг-с).

По Рос и расходу пара находят диаметр сепаратора, а по допустимой напряженности по пару — его высоту. Запас на вспенивание жидкости — 30%.

В трубчатом реакторе пара образуется меньше, чем в САИ, и интенсивность массообмена определяется начальной турбули - зацией потока от струи аммиака, истекающего в аппарат. Так же как расход пара в САИ, в трубчатом реакторе скорость истечения газа должна быть достаточной для перемешивания, но исключающей проскок аммиака по длине аппарата. Эффек­тивность перемешивания зависит также от соотношения диамет­ров сопла для ввода аммиака и реактора. После начала реакции дальнейшая турбулизация потока идет за счет пузырь­ков пара.

Расчет трубчатого реактора начинают с диаметра сопла для ввода ам­миака (dBM) по заданным расходу и скорости (80—100 м/с). Диаметр реак­ционной камеры, где обеспечивается перемешивание истекающей струей, Эр— (2—2,5) d ам.

В это пространство кислота должна войти равномерно распределенным ламинарным потоком, чтобы образующиеся пузырьки пара не смешивались с холодной кислотой во избежание гидроударов. Скорость кислоты, обеспе­чивающая такой режим в кольцевом зазоре (рис. 2-30), равна 0,4—0,5 м/с. По ней и рассчитывают диаметр головной части аппарата, равный обычно диаметру реакционной камеры. Для расчета ее объема можно, как и для САИ, применять объемный коэффициент массопередачи или величину ему обратную — время реакции (для аммонизации фосфорной кислоты — 0,1 с). В прямоточном реакторе с учетом неидеальности смешения условное время пребывания по жидкости (т. е. считая, что жидкость занимает весь объем реактора) принимают равным 15—20 с.

РИС. (7 —к

Особое место занимает расчет сопла реактора, обеспечивающего задан­ное давление в нем. Давление аммонизации фосфорной кислоты определяют С помощью номограммы. На рис. 2-31, а нанесены изотермы кипения рас­творов моноаммонийфосфата различного состава при постоянном давлении {250 кПа). Зная из материального баланса относительные молярные доли фосфатов аммония и воды, находят температуру кипения раствора U. Если точка выше наклонной прямой, то это значит, что раствор содержит взвесь и температура кипения пульпы определяется точкой пересечения вертикали с наклонной прямой.

Задаваясь температурой пульпы <п, из графика на рис. 2-37, б по tt находят давление в реакторе. Выбор ia обусловлен необходимостью получе­ния орто - или полиформ фосфатов аммония различной степени конверсии. Как видно из номограммы, высоких температур в режиме кипения, даже при давлении, можно достичь далеко не при любом составе пульпы. Последний зависит от концентрации исходной кислоты и степени ее нейтрализации.

Исходя из выбранной температуры определяют: количество тепла реак­ции, пошедшего на испарение, и объем паровой фазы при рабочем давлении, что необходимо для расчета истинного времени пребывания в реакторе; либо количество тепла, которое следует подвести извне для достижения этой тем­пературы. Пульпа, выходя из реактора через сопло, дросселируется, вскипа­ет с образованием дополнительного количества паровой фазы, по объему которой рассчитывают сечение сопла, обеспечивающее нужное давление в реакторе. _JLi