Для разделения суспензий в производстве минеральных удоб­рений широкое распространение нашли процессы отстаивания и фильтрования, что обусловлено физико-механическими и гидрав­лическими свойствами разделяемых суспензий. В меньшей мере используют процессы разделения в гидроциклонах.

3.1. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА СУСПЕНЗИЙ

Суспензии, которые подвергаются разделению в различных производствах минеральных удобрений, — это, как правило, не­однородные системы с различной концентрацией твердых ча­стиц. Жидкая фаза суспензий чаще всего представляет собой растворы минеральных кислот с высоким содержанием раство­ренных солей, реже — это водные суспензии. Твердая фаза — частицы или агрегаты частиц, чаще неправильной формы. В сус­пензиях фосфогипса, например, твердая фаза может быть пред­ставлена кристаллами преимущественно моноклинной системы в пластинчатой, столбчатой, игольчатой и волокнистой формах.

В процессе разделения суспензий могут наблюдаться побоч­ные эффекты (забивка пор фильтровальных перегородок, ин­крустация коммуникаций и основного оборудования), являющие­ся следствием изменения температурных и концентрационных условий разделения. Эти эффекты влияют на производитель­ность оборудования. Поэтому при выборе и расчете оборудова­ния для разделения суспензий в производстве минеральных удобрений необходимо учитывать нестабильность свойств раз­деляемых суспензий. Некоторые свойства разделяемых суспен­зий проиллюстрированы ниже на примере свойств водных сус­пензий фосфогипса.

Как водные, так и фосфорнокислые суспензии фосфогипса используются в производстве экстракционной фосфорной кисло­ты, поэтому знание таких характеристик суспензий, как вяз­кость, плотность, скорость осаждения и др., имеет важное зна­чение для расчета процессов разделения и систем гидротран­спорта суспензий.

Анализ свойств и седиментации водных суспензий фосфогип­са, полученного в процессе сернокислотного разложения апати­тового концентрата [101], позволил установить некоторые рас­четные характеристики, необходимые для проектирования си­стем гидроудаления и отстаивания.

Концентрация фосфогипса в суспензиях определяется по соотношениям С»=100/(п„-М) [% (масс.)]; С0= Ю0/(яо+1) [% (об.)], (3.1)

где пм и n0 — соответственно массовые и объемные соотношения жидкости и фосфогипса в суспензии,

Плотность суспензии

рс= 100рфрж/[Смрж+рф(100 — См)], (3.2)

Результаты определения вязкости суспензий фосфогипса, по­лученные на вискозиметре ВЗ-4 )[ 101], приведены на рис. 3-1. Как видно из рисунка, в области концентраций твердой фазы в суспензиях См=0—25% изменение вязкости практически про - >llrj0 порционально изменению См. При боль­

ших концентрациях твердой фазы сус­пензия структурируется, и ее вязкость резко увеличивается. Для условий гид­ротранспорта фосфогипса рекомендует-

РИС. 3-1. Зависимость вязкости водных суспензий фосфогипса ц/чо от концентрации

ся готовить суспензию с концентрацией твердого не более 20—25% (масс.), или при лм^3—4.

Изучение скорости стесненного осаждения фосфогипса в вод­ной среде проведено при ^=20°С и пм=1—8 [101]. Изменение седиментационного объема суспензии V, или сдвига границы раздела между осадком и осветленной жидкостью, в зависимо­сти от времени представлено на рис. 3-2 и 3-3.

На рис. 3-2 графически изображены основные стадии процесса осажде­ния фосфогипса в водных суспензиях; индексы «н», «р», «осв», «ос» означают соответственно «неравновесное», «равновесное» состояния осадка, «осветлен­ную» жидкость над осадком и «осадок». На рис. 3-2, б представлены зави­симости V=f(т) для суспензий фосфогипса различного фракционного состава. Как и следовало ожидать, при одном и том же значении пм скорость осаж­дения растет с увеличением размера частиц фосфогипса. На рис. 3-3 приве­дены зависимости V=f(т) для суспензий фосфополугидрата различной кон­центрации.

Общей особенностью осаждения фосфогипса в водных сус­пензиях можно считать тот факт, что для начального периода осаждения характерен обратно пропорциональный характер за­висимости V от времени т, причем с увеличением концентрации твердой фазы в суспензии скорость осветления уменьшается.

На рис. 3-4 представлена зависимость начальной скорости осаждения фосфогипса ин от пм, которая позволяет определить он при любой концентрации твердой фазы в суспензии.

Исследования водных суспензий фосфогипса показали, что pH среды не оказывает существенного влияния на скорость осаждения и равновесный седиментационный объем [101].

На фильтрующие свойства фосфорнокислых суспензий поми­мо качества кристаллов сульфата кальция влияют: отношение жидкость — твердое (Ж: Т) в пульпе, вязкость жидкой фазы пульпы, толщина слоя образующегося осадка и разрежение.

РИС. 3-4. Зависимость начальной скорости осаждения v„ от п„

Установлено, что с повышением концентрации твердой фазы в пульпе время фильтрования возрастает [102]. Для дигидрат - ного процесса получения ЭФК рекомендуется соотношение Ж: Т поддерживать в пределах 2,4—2,8. Интенсивность нагруз­ки существенно не влияет на показатели фильтрования.

При повышении температуры пульпы и уменьшении концент­раций Р2О5 в жидкой фазе пульпы ее вязкость уменьшается и скорость фильтрования возрастает.

Поскольку осадок фосфогипса в обычных технологических условиях можно отнести к несжимаемым осадкам [103, 104], повышение разрежения при фильтровании увеличивает скорость этого процесса.

Скорость фильтрования фосфорнокислых суспензий, естест­венно, убывает с увеличением толщины осадка. Оптимальная толщина осадка 20—40 мм. Осадок должен иметь равномерную толщину, иначе жидкая фаза проходит через более тонкую часть так называемого пирога. Изменение толщины осадка и величины вакуума приводит к существенным изменениям в работе фильт­ра. Установлено, что с увеличением вакуума от 40 до 80 кПа при одновременном уменьшении толщины осадка от 60 до 20 мм, скорость фильтрации увеличивается с 1,5 до 7,2 м3/(м2-ч).

Общеизвестно, что большим количеством воды можно лучше промыть осадок. Расход свежей воды в процессе получения ЭФК определяется из материального баланса системы реак­тор— фильтр для условий получения фосфорной кислоты задан­ной концентрации. Исходя из этого, в производстве ЭФК более целесообразно использовать серную кислоту большей концент­рации, т. е. меньше вводить воды в систему с исходными реаген­тами. Тогда при заданной концентрации продукционной кислоты можно на промывку осадка подавать больше воды.

Анализ процесса отмывки осадка фосфогипса показал [105], что слой осадка неоднороден: в нем образуются крупные кана­лы, быстро промываемые простым вытеснением маточного раст­вора, и относительно мелкие капилляры, из которых Р2О5 вымывается медленно. На всех стадиях отмывки фосфогипса на наливных вакуум-фильтрах установлена большая концентрация Р2О5 в капиллярах и меньшая — в проточных каналах.

Важное значение имеет скорость движения рабочего органа фильтра. Чем быстрее вращается, например, карусельный ва­куум-фильтр, тем большая производительность может быть до­стигнута.

В последние годы появились карусельные фильтры площадью 160 м2, которые делают один оборот менее чем за 4 мин. Однако при чрезмерном увеличении частоты вращения снижается толщина осадка, появляются тре­щины, осадок стремится отделиться от стенок, образуются каналы, через которые проходит часть жидкости и воздуха, что приводит к уменьшению потока жидкости через основной слой осадка и снижению перепада давле­ний на разделяющей перегородке. Кроме того, с повышением частоты враще­ния через единицу объема осадка проходит меньшее количество промывно­го раствора в более короткий промежуток времени. Все, вместе взятое, при­водит к ухудшению условий промывки.

Сформулированы 1[105] следующие основные концепции про­ектирования и оптимизации системы разделения фосфорнокис­лых суспензий в производстве ЭФК: 1) определение рабочей по­верхности и частоты вращения фильтра; 2) выбор схемы отмыв­ки и размеров зон для всех стадий; 3) нахождение оптимальных температур суспензии и промывной воды.

Для оптимизации процесса фильтрования необходимо иметь математическое описание физических процессов, протекающих при разделении суспензий.