Минеральные удобрения классифицируют по трем главным признакам: агрохимическому назначению, составу, свойствам и способам получения.
По агрохимическому назначению удобрения разделяют на прямые, являющиеся источником питательных элементов для растений, и косвенные, служащие для мобилизации питательных веществ почвы путем улучшения ее физических, химических и биологических свойств. К косвенным удобрениям принадлежат, например, известковые удобрения, применяемые для нейтрализации кислых почв, структурообразующие удобрения, способствующие агрегированию почвенных частиц тяжелых и суглинистых почв и др.
Прямые минеральные удобрения могут содержать один или несколько разных питательных элементов. По количеству питательных элементов удобрения подразделяются на простые (односторонние, одинарные) и комплексные.
В простые удобрения входит только один из трех главных питательных элементов: азот, фосфор или калий. Соответственно, простые удобрения делят на азотные, фосфорные и калийные.
Комплексные удобрения содержат два или три главных питательных элементов. По числу главных питательных элементов комплексные удобрения называются двойными (например, типа NP или PK) и тройными (NPK); последние называют также полными. Удобрения, содержащие значительные количества питательных элементов и мало балластных веществ, называются концентрированными.
Комплексные удобрения, кроме того, разделяются на смешанные и сложные. Смешанными называются механические смеси удобрений, состоящие из разнородных частиц, получаемые простым тукосмешением. Если же удобрение, содержащее несколько питательных элементов, получается в результате химической реакции в заводской аппаратуре, оно называется сложным.
Удобрения, предназначенные для питания растений элементами, стимулирующими рост растений и требующимися в весьма малых количествах, называются микроудобрениями, а содержащиеся в них питательные элементы – микроэлементами. Такие удобрения вносят в почву в количествах, измеряемых долями килограмма или килограммами на гектар. К ним относятся соли, содержащие бор, марганец, медь, цинк и другие элементы.
По агрегатному состоянию удобрения разделяются на твердые и жидкие (например, аммиак, водные растворы и суспензии).
2. Руководствуясь физико-химическими основами процессов получения простого и двойного суперфосфатов, обоснуйте выбор технологического режима. Приведите функциональные схемы производств.
Сущность производства простого суперфосфата состоит в превращении природного фтор-апатита, нерастворимого в воде и почвенных растворах, в растворимые соединения, преимущественно в монокальцийфосфат Ca(H 2 PO 4) 2 . Процесс разложения может быть представлен следующим суммарным уравнением:
Практически в процессе производства простого суперфосфата разложение протекает в две стадии. На первой стадии около 70% апатита реагирует с серной кислотой. При этом образуются фосфорная кислота и полугидрат сульфатакальция:
Выкристаллизовавшиеся микрокристаллы сульфата кальция образуют структурную сетку, удерживающую большое количество жидкой фазы, и суперфосфатная масса затвердевает. Первая стадия процесса разложения начинается сразу после смешения реагентов и заканчивается в течение 20 – 40 мин в суперфосфатных камерах.
После полного израсходования серной кислоты начинается вторая стадия разложения, в которой оставшийся апатит (30%) разлагается фосфорной кислотой:
Основные процессы проходят на первых трех стадиях: смешение сырья, образование и затвердевания суперфосфатной пульпы, дозревания суперфосфата на складе.
Простой гранулированный суперфосфат – дешевое фосфорное удобрение. Однако он имеет существенный недостаток – низкое содержание основного компонента (19 – 21% усвояемого) и высокую долю балласта – сульфата кальция. Его производят, как правило, в районах потребления удобрений, так как экономичнее доставлять концентрированное фосфатное сырье к суперфосфатным заводам, чем перевозить на дальние расстояния низкоконцентрированный простой суперфосфат.
Получить концентрированное фосфорное удобрение можно, заменив серную кислоту при разложении фосфатного сырья на фосфорную. На этом принципе основано производство двойного суперфосфата.
Двойного суперфосфата – концентрированное фосфорное удобрение, получаемое разложением природных фосфатов фосфорной кислотой. Он содержит 42 – 50% усвояемого, в том числе в водорастворимой форме 27 – 42% , т. е. в 2 – 3 раза больше, чем простой. По внешнему виду и фазовому составу двойной суперфосфат похож на простой суперфосфат. Однако он почти не содержит балласта – сульфата кальция.
Двойной суперфосфат можно получать по технологической схеме, аналогичной схеме получения простого суперфосфата. Такой метод получения двойного суперфосфата носит название камерного. Его недостатками являются длительное складное дозревание продукта, сопровождающееся неорганиванными выделениями вредных фтористых соединений в атмосферу, и необходимость применения концентрированной фосфорной кислоты.
Более прогрессивным является поточный метод производства двойного суперфосфата. В нем используют более дешевую неупаренную фосфорную кислоту. Метод является полностью непрерывным (отсуствует стадия длительного складского дозревания продукта).
Простой и двойной суперфосфаты содержат в легко усваиваемой растениями форме. Однако в последние годы больше внимания стало уделяться выпуску удобрений с регулируемам сроком действия, в частности долговременно действующих. Для получения таких удобрений можно покрыть гранулы суперфосфата оболочкой, регулирующей высвобождение питательных веществ. Другой путь – смешение двойного суперфосфата с фосфоритной мукой. Это удобрение содержит 37 – 38% , в том числе около половины – в быстродйствующей водорастворимой форме и около половины – в медленнодействующей. Применение такого удобрения удлиняет срок его эффективного действия в почве.
3. Почему технологический процесс получения простого суперфосфата включает стадию хранения (дозревания) на складе?
Образующийся монокальцийфосфат в отличие от сульфата кальция не сразу выпадают в осадок. Он постепенно насыщает раствор фосфорной кислоты и начинает выкристаллизовываться в виде, когда раствор становится насыщенным. Реакция начинается в суперфосфатных камерах и длится еще в течение 5 – 20 сут хранения суперфосфата на складе. После дозревания на складе разложение фторапатита считают практически законченным, хотя в суперфосфате еще остается небольшое количество неразложившегося фосфата и свободной фосфорной кислоты.
4. Приведите функциональную схему получения комплексных NPK – удобрений.
5. Руководствуясь физико – химическими основами получения аммиачной селитры, обоснуйте выбор технологического режима и конструкции аппарата ИТН (использование теплоты нейтрализации.). Приведите функциональную схему производства аммиачной селитры.
В основе процесса производства аммиачной селитры лежит гетерогенная реакция взаимодействия газообразного аммиака с раствором азотной кислоты:
Химическая реакция протекает с большой скоростью; в промышленном реакторе она лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного торможения процесса большое значение имеет перемешивание реагентов.
Реакцию проводят в непрерывно действующем аппарате ИТН (использование теплоты нейтрализаuии). Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из реакционной и сепарационной зон. В реакционной зоне имеется стакан 1,в нижней части которого находятся отверстия для циркуляции раствора. Несколько выше отверстий внутри стакана размещен барботер 2 для подачи газообразного аммиака,
над ним барботер 3 для подачи азотной кислоты. Реакционная парожидкостная смесь выходит из верхней части реакционного стакана. Часть раствора выводится из аппарата ИТН и поступает в донейтрализатор, а остальная часть (циркуляционная) вновь идет
вниз. Выделившийся из паражидкостной смеси соковый пар отмывается на колпачковых тарелках 6 от брызг раствора аммиачной селитры и паров азотной кислоты 20%-ным раствором селитры, а затем конденсатом сокового пара. Теплота реакции используется для частичного испарения воды из реакционной смеси (отсюда и название аппарата
ИТН). Разница в температурах в различных частях аппарата приводит к более интенсивной циркуляции реакционной смеси.
Технологический процесс производства аммиачной селитры включает кроме стадии нейтрализации азотной кислоты аммиаком также стадии упаривания раствора селитры, гранулирования сплава селитры, охлаждения гранул, обработки гранул поверхностно-активными веществами, упаковки, хранения и погрузки селитры, очистки газовых выбросов и сточных вод.
6. Какие меры принимают для снижения слёживаемости удобрений?
Эффективным средством для уменьшения слеживания является обработка поверхности гранул поверхностно – активными веществами. В последние годы стали распространенными способы создания вокруг гранул различных оболочек, которые, с одной стороны, предохраняют удобрение от слеживания, с другой стороны, позволяют регулировать во времени процесс растворения питательных веществ в почвенных водах, т. е. создавать долговременно действующие удобрения.
7. Из каких стадий состоит процесс получения карбамида? Приведите функциональную схему производства карбамида.
Карбамид (мочевина) среди азотных удобрений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры. Рост производства карбамида обусловлен широкой сферой его применения в сельском хозяйстве. Он обладает большей устойчивостью к выщелачиванию по сравнению с другими азотными удобрениями, т. е. менее подвержен вымыванию из почвы, менее гигроскопичен, может применяться не только как удобрение, но и в качестве добавки к корму крупного рогатого скота. Карбамид, кроме того, широко используется для получения сложных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия, а также для получения пластмасс, клеев, лаков и покрытий.
Карбамид - белое кристаллическое вещество, содержащее 46,6 мас. % азота. Его поучения основано на реакции взаимодействия аммиака с диоксидом углирода:
Таким образом, сырьем для производства карбамида служит аммиак и диоксид углерода, получаемый в качестве побочного продукта при производстве технологического газа для синтеза аммиака. Поэтому производство карбамида на химических заводах обычно комбинируют с производством аммиака.
Реакция – суммарная; она протекает в две стадии. На первой стадии протекает синтез карбамида:
На второй стадии происходит эндотермический процесс отщепления воды от молекулы карбамида, в результате которого и происходит образование карбамида:
Реакция образования карбамата аммония – обратимая экзотермическая реакция, протекает с уменьшением объема. Для смещения равновесия в сторону продукта ее необходимо проводить при повышенном давлении. Для того чтобы процесс протекает с достаточно высокой скоростью, необходимо повышенные температуры. Повышение давления компенсирует отрицательное влияние высоких температур на смещение равновесии реакции в обратную сторону. На практике синтез карбамида протекает при температурах 150 – 190 0 С и давлении 15 – 20 Мпа. В этих условиях реакция протекает с высокой скоростью и практически до конца.
Разложение карбамада аммония – обратимая эндотермическая реакция, интенсивно протекающая в жидкой фазе. Для того чтобы в реакторе не происходило кристаллизации твердых продуктов, процесс необходимо вести при температурах не ниже 98 0 С. Более высокие температуры смещают равновесие реакции вправо и повышают ее скорость. Максимальная степень превращения карбамада в карбамид достикается при температуре 220 0 С. Для смещения равновесия этой реакции применяют также введение избытка аммиака, который, связывая реакционную воду, удаляет ее из сферы реакции. Однако добавить полного превращения карбамада в карбамид все же не удается. Реакционная смесь помимо продуктов реакции (карбамида и воды) содержит также карбонат аммония и продукты его разложения – аммиак и CO 2 .
8. Каковы основные источники загрязнения ОС при производстве минеральных удобрений? Как уменьшить газовые выбросы и вредные выбросы со сточными водами в производстве фосфорных удобрений, аммиачной селитры, карбамида?
При производстве фосфорных удобрений велика опасность загрязнения атмосферы фтористыми газами. Улавливание соединений фтора важно не только с точки зрения ООС, но также и потому, что фтор является ценным сырьем для получения фреонов, фторопластов, фторкаучуков и т. д. Для поглощения фтористых газов используют абсорбцию водой с образованием кремнефтористоводородной кислоты. Соединения фтора могут попасть и в сточные воды на стадиях промывки удобрений, газоочистки. Целесообразно для уменьшения количества таких сточных вод создавать в процессах замкнутые водооборотные циклы. Для очистки сточных вод от фтористых соединений могут быть применены методы ионного обмена, осаждения с гидроксидами железа и алюминия, сорбция на оксиде алюминия и др.
Сточные воды производства азотных удобрений, содержащие аммиачную селитру и карбамид, направляют на биологическую очистку, предварительно смешивая их с другими сточными водами в таких соотношениях, чтобы концентрация карбамида не превышала 700 мг/л, а аммиака -65 – 70 мг/л.
Важной задачей в производстве минеральных удобрений является очистка отходящих газов от пыли. Особенно велика возможность загрязнения атмосферы пылью удобрений на стадии грануляции. Поэтому газ, выходящий из грануляционных башен, обязательно подвергается пылеочистке сухими и мокрыми методами.
Благодаря этому производить такие удобрения – очень , тем более, что организовать производство минеральных удобрений может каждый, ничего сложного в этом нет.
Любое помещение для химического производства должно быть оснащено качественной вентиляцией, водопроводом и канализацией.
Площадь помещения зависит от оборудования, которое будет использоваться, и, соответственно, от удобрений, которые будут изготавливаться. В большинстве случаев достаточно 100-200 квадратных метров .
Какие бывают удобрения
Удобрения традиционно классифицируются по форме, количеству питательных веществ и их видам, по растворимости в воде и множеству других критериев.
По форме удобрения подразделяются на порошковые и гранулированные . Удобрения, которые содержат питательные вещества, непосредственно усваиваемые растениями, называют прямыми, тогда как удобрения, применяющиеся для мобилизации имеющихся в почве питательных веществ – косвенными. Прямые удобрения могут содержать как одно, так и несколько питательных веществ.
Наиболее распространенными питательными веществами являются азот, калий и фосфор. Основные минеральные удобрения называют именно по содержанию в них этих веществ, при этом удобрения, которые содержат все три этих элемента, называются полными, а те, что содержат лишь одно – простыми или односторонними.
Что выгоднее
Поскольку гранулированные удобнее использовать, и они лучше хранятся, их производство является более рентабельным . При этом комплексные полные удобрения пользуются большим спросом, чем простые.
Одним из лучших вариантов является гранулированный карбамид. Именно его мы возьмем для дальнейших расчетов.
Оборудование
Для организации производства карбамида потребуются:
- гранулятор;
- грануляционная башня;
- подающий насос;
- вентилятор;
- выпариватель;
- погрузчик.
Приобретать оборудование можно как по отдельности, так и в виде комплексной технологической линии. Наилучшим выбором станет оборудование отечественного производства .
Его стоимость значительно ниже, чем у аналогов от европейских производителей, а запчасти в случае выхода агрегатов из строя достать намного легче, причем это займет намного меньше времени, что позволить снизить издержки.
Технология производства удобрений
Технология производства для каждого удобрения своя , отличная от других. Так, для производства карбамида необходимы диоксид углерода и аммиак, которые преобразуются в удобрение в две стадии.
Первая стадия представляет собой преобразование исходного сырья в карбамат, а вторая – дегидратацию карбамата для получения кристаллов карбамида. Кристаллы направляются в грануляционную башню, где происходит гранулирование.
Кому продать
Найти покупателя на минеральные удобрения несложно – достаточно провести переговоры с близлежащими фермами, аграрными хозяйствами, садовыми товариществами и прочими крупными потребителями.
Кроме того, можно приобрести оборудование для фасовки и наладить поставку своих удобрений в розничные магазины.
Затраты и прибыль
Стоимость в среднем составит от 15 до 20 миллионов рублей, закупка сырья (100 тонн) – 500 тысяч рублей. Средняя рентабельность производства – 60%. При производстве 50-ти тонн карбамида в месяц чистая прибыль составит 400-450 тыс. рублей в месяц .
Как видите, удобрений не сложно, но могут потребоваться достаточно крупные финансовые вложения. Кроме того, изготовление некоторых видов удобрений потребует получения разрешительных документов, поскольку в производстве могут использоваться ядовитые вещества.
Во многих странах сельскохозяйственная отрасль испытывает недостаток земельных ресурсов – из-за огромных темпов роста аграрной промышленности и истощения земледельческих угодий. Поддерживать плодородие почв естественным способом удается далеко не всегда – для накопления питательных веществ земля нуждается в длительном отдыхе. Решением проблемы является искусственное удобрение грунтов химическими элементами, необходимыми для полноценного развития растений. В нашей стране этот метод применяется с конца XIX века, когда производство минеральных удобрений в России (подкормок на основе фосфора) приобрело промышленные масштабы.
До развития химической промышленности фермеры использовали навоз, золу, компост и другую органику, на основе которой производятся современные . Внесение таких подкормок требовало значительных трудозатрат, а питание растений начиналось только после разложения органических веществ. Применение составов с быстроусвояемыми элементами сразу дало видимый результат – урожайность сельскохозяйственных культур существенно повысилась. Положительный эффект от химических подкормок подвигнул ученых на активные исследования, которые выявили основные вещества для полноценного развития растений – азот, калий и фосфор. В итоге производство минеральных удобрений в России (и в других странах мира) сосредоточилось именно в этих направлениях.
Мировая роль России в производстве химических подкормок
На сегмент минеральных удобрений приходится существенная доля отечественного химического комплекса. Градация объемов выпуска основных видов подкормок не меняется уже много лет и выглядит следующим образом: азотные удобрения – 49%, калиевые – 33%, фосфатные – 18%. Примерно третья часть от всех выпускаемых подкормок идет на экспорт, что составляет около 7% мирового рынка. Даже в условиях кризиса наша страна сохраняет стабильные позиции, что объясняется не только большими запасами природного сырья, но и современной производственно-технологической базой. В настоящий момент Россия входит в тройку мировых экспортеров и удовлетворяет спрос многих стран на азотные, калийные и . Среди основных потребителей отечественных подкормок традиционно выделяется Китай и латиноамериканские страны.
Крупнейшие отечественные производители удобрений
- Азот. Центры производства азотных удобрений – это Ставропольский край и Тульская область. В этих регионах находятся два крупных предприятия – «Невинномысский Азот» и НАК «Азот», основным продуктом которых являются .
- Калий . Центр производства калийных удобрений – Урал. Здесь также лидируют две компании – «Уралкалий» (г. Березники) и «Сильвинит» (г. Соликамск). Выпуск калийных удобрений именно на Урале неслучаен – заводы сосредоточены вокруг Верхнекамского месторождения калийсодержащих руд, что существенно удешевляет конечную стоимость подкормок.
- Фосфор . Удобрения на основе фосфора выпускают около 15 российских химических заводов. Наиболее крупные – «Воскресенские минеральные удобрения» и «Акрон» – находятся в Великом Новгороде. Нужно отметить, что эти предприятия являются наиболее рентабельными – их промышленный потенциал задействован на 80%, тогда как другие компании работают лишь вполовину имеющихся мощностей.
Несмотря на общую стабильность, производство минеральных удобрений в России не избежало негативного влияния кризиса, особенно в калийном секторе. Проблемы связаны с падающим спросом внутри страны – из-за снижения покупательской способности крупных агропромышленных комплексов. Ситуацию спасает экспортная ориентация калийной подотрасли – до 90% продукции активно раскупается другими странами. Кроме того, предприятия поддерживаются государством – правительство РФ имеет оптимистичный настрой, ведь развитие мировой экономики стимулирует рост земледелия и поддерживает стабильный спрос на минеральные удобрения. В такой ситуации наша страна с богатыми рудными/газовыми месторождения и отлаженным производством имеет все шансы стать мировым лидером по объемам выпуска и реализации химических подкормок.
Самое главное в бизнесе по производству удобрений - это постоянное внедрение инноваций. Зачастую бывает мало просто освоить их производство, нужно постоянно разрабатывать новые возможности упрощения технологического процесса, разрабатывать проектно-конструкторскую документацию, осваивать новые виды продукции, быть в курсе новостей в данной области и так далее. Это - достаточно динамичная отрасль. Разработка новых схем получения неорганических удобрений - также может стать одним из направлений деятельности.
Основной потребитель минеральных удобрений - это представители сельскохозяйственной отрасли. Ее сейчас невозможно представить без применения минеральных удобрений в том или ином количестве, таким образом, отрасль их производства всегда будет востребована. Однако, несмотря на это, на рынке уже имеется большое количество их производителей, поэтому конкуренцию могут выдержать лишь те, кто основывает и внедряет инновации.
Производство удобрений - состав
Неорганические удобрения могут быть простыми. В их состав входит только один питательный элемент, а побочными в таком случае могут являться кальций, магний, торф, сера, прочие микроэлементы, которые могут оказаться полезными. В свою очередь они могут быть или же азотными. Второй тип удобрений - это комплексные, в основу которых заложено использование двух или трех основных элементов. Они также подразделяются на виды - сложносмешанные, смешанные, сложные.
Оборудование для производства удобрений
Завод по производству удобрений должен иметь необходимое оборудование для совершения своей деятельности. Получение разрешений в данной сфере деятельности обязательно. Также важно соблюдать е только нормы пожаробезопасности или производства химической продукции, но также и экологические. Очень важно заранее выбрать поставщиков качественного оборудования для производства минеральных удобрений. Здесь можно выбрать как российские машиностроительные заводы, так и зарубежные. Зачастую в поставке европейского оборудования нет особой необходимости, поскольку отечественные производители также предлагают достаточно неплохие по качеству конструкции, которые порой даже бывают более адаптированы к местному производству.
По виду производства удобрения могут быть простые, полные и специфические. В зависимости от того, какой вид удобрений вы будете производить, зависит комплектация поставляемого оборудования. Конечно, его состав может варьироваться в зависимости, к примеру, от того, какие вещества вы будете добавлять в качестве побочных и так далее. Самое главное здесь - создать все условия, соответствующие принятым стандартам для получения качественного продукта. Порой поставляемые машины могут быть ориентированы на какой-либо из распространенных видов определенных удобрений. Здесь уже все зависит напрямую от вашего выбора специфики производства и метода получения удобрений - здесь может быть применен гидролиз, гидролиз минеральных добавок или опила, другие методы, которые в вашем случае станут ключевым моментом в производстве.
Производство удобрений - документы и разрешения
Что касается разрешений, здесь может действовать стандартная схема - получение соответствующих бумаг в администрации вашего города или другого населенного пункта, разрешение службы пожарной безопасности, разрешение экологических служб, санитарных, в некоторых случаях даже карантинных, порой может потребоваться разрешение на эксплуатацию отдельных видов оборудования и так далее. Применяемые к данному производству стандарты могут варьироваться в зависимости от содержащихся в минеральных удобрениях веществ, здесь очень важно помнить об этом моменте. К примеру, производства карбамида «А» регулирует ГОСТ-2081-92Е.
Что касается такого вопроса, как и применяемые к нему требования, здесь могут быть использованы стандарты ВСН 514-89, которые регламентируют проектирование заводов по производству удобрений с использованием блоков. Там же написаны требования и к самой технологии производства минеральных удобрений. Документ основан на ГОСТ 21.401-88 о технологии производства и требованиям к проектированию, СНиП 3.01.01.85 об организации строительного производства, СНиП 3.05.05.84 - о технологическом оборудовании и трубопроводной системе. К проектированию завода стоит отнестись достаточно ответственно, в противном случае вы можете попросту не получить соответствующего разрешения служб по регулированию экологический ситуации в вашем населенном пункте, кроме того, противоречие этим стандартам может привести к тому. что вы не получите и разрешение службы пожарной безопасности.