РАСЧЕТЫ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ И АЗОТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ

Известия ТулГУ. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч.2
УДК 661.525.502
РАСЧЕТЫ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ И АЗОТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ
CAN С СОЛЯМИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Д.А. Савенков, А.В. Янков, В. Т. Леонов
Для улучшения физико–механических свойств кальций–аммонийной селитры
(CAN) вводятся соли серной кислоты. Произведены математические расчеты содержания азота и серы в CAN. Получены зависимости, позволяющие получать удобрения
на основе аммонийной селитры с содержанием азота 27 ÷ 33,5 % и серы
2 ÷ 6 %.
Ключевые слова: кальций аммонийная селитра – CAN, сера, азот, добавки,
расчет, математические зависимости.
В конце XX столетия в качестве добавки производства аммонийной
селитры применялся сульфат аммония. Введение сульфатсодержащей добавки увеличивает прочность гранул удобрения, значительно улучшает
условия труда из-за снижения фракции менее 1 мм. Исследователям удалось в крупных промышленных масштабах выполнить испытания, позволившие определить условия, при которых добавка сульфата аммония
наиболее эффективно препятствует рекристаллизации гранул аммонийной
селитры [1].
Найдено, что в присутствии десятых долей процента сульфата аммония прочность гранул аммонийной селитры остается такой же, какой
была до хранения, или даже незначительно возрастает. Например, после
шестимесячного хранения аммонийной селитры продукт имел 100% – ую
рассыпчатость и содержал только небольшое количество рекристаллизованных гранул.
Установлено, что применение сульфата аммония позволяет также
предотвращать пыление аммонийной селитры. Известно, что на тех производствах аммонийной селитры, где прекратили использование добавок
ДЛМ, в галереях резко повысилось содержание в воздухе пыли аммонийной селитры. После добавления к аммонийной селитре сульфата аммония
пыление в галереях готового продукта почти не наблюдается [2].
Несмотря на многообразие неорганических добавок, предлагаемых
вводить в аммонийную селитру для улучшения ее физико-механических
характеристик, в частности, уменьшения слеживаемости и увеличения
прочности гранул до недавнего времени широко использовались добавки
сульфата аммония (или эквивалентное количество серной кислоты) и 35%–
ый раствор нитрата магния (продукт взаимодействия азотной кислоты и
оксида магния). В Новомосковской акционерной компании «Азот» ЕвроХима на базе цеха сложных удобрений смонтировано производство по выпуску аммонийной селитры с добавкой доломита (кальций–аммонийной
44
Химия
селитры (CAN). Введение доломита позволило улучшить физико–
механические показатели удобрения, в том числе улучшить и стабилизировать фракционный состав селитры.
Научные исследования ведутся по двум направлениям: 1 – получение стабилизированной аммонийной селитры, когда содержание азота в
продукте равно 33,5 %; 2 – получение аммонийной селитры с содержанием
27  1 % азота.
В процессе работы был произведен расчет зависимости доли азота
от количества добавки сульфата аммония. Вывод формулы зависимости
доли азота в смеси аммонийная селитра и доломит от доли доломита в
смеси [3].
Аммонийная селитра (NH4NO3) – АС; доломит (СaCO3 · MgCO3) –
Д; масса азота – mN; масса аммонийной селитры – mAC; масса доломита –
mД; атомная масса азота – АN; молекулярная масса аммонийной селитры –
МАС.
Доля азота в смеси аммонийная селитра и доломит ( DN см . ):
mN
.
(1)
DN см. 
m AC  mд
Доля азота в аммонийной селитре ( DN АС ):
2 АN
.
М АС
Количество азота (mN), содержащееся в (mАС ) количестве аммонийной селитры:
2 АN
.
(2)
m N  m AC
М АС
Определим количество доломита (mд) в смеси аммонийная селитра
и доломит в зависимости от доли доломита (Dд) в смеси:
mд
.
(3)
Dд 
m АС  mд
Выражаем из формулы (3) mД:
(m АС  mд ) Dд  mд ,
m АС  Dд  mд  Dд  mд ,
m АС  Dд  mд  mд  Dд ,
m АС  Dд  mд (1  Dд ) ,
m D
mд  AC д .
(4)
(1  Dд )
Подставив формулу (2) и формулу (4) в формулу (1), получаем:
DN АС 
45
Известия ТулГУ. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч.2
2 АN
2 АN
m AC
М АС
М АС
(5)
D N см. 

(1  Dд ) ,
m AC  Dд m AC (1  Dд )  m AC  Dд
m AC 
1  Dд
и окончательно получаем:
2 АN
(6)
DNсм. 
(1  Dд ) .
М АС
На рис. 1 представлен график зависимости содержания доли азота
от доли доломита в смеси аммонийная селитра (с содержанием основного
вещества в сырье 98% + 0,2% воды) и доломит.
m AC
Рис. 1. График зависимости содержания доли азота от доли доломита
в смеси аммонийная селитра (с содержанием основного вещества
в сырье 98% + 0,2 % воды) и доломит
Вывод формулы зависимости доли азота в смеси аммонийная селитра и сульфат аммония от доли сульфата аммония в смеси, т.е.:
Доля азота = F(доля сульфата аммония в смеси).
Аммонийная селитра (NH4NO3) – АС; сульфат аммония
[(NH4)2 SO4]– –СА; масса азота – mN; масса аммонийной селитры – mAC;
масса сульфата аммония – mСА; атомная масса азота – АN; молекулярная
масса аммонийной селитры – МАС; молекулярная масса сульфата аммония
– МCA; доля азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония –
DNсм..
Доля азота в чистой аммонийной селитре ( DN АС ):
2 АN
.
М АС
Доля азота в чистом сульфате аммония ( DN CA ):
DN АС 
46
(7)
Химия
2 АN
.
(8)
М CA
Количество азота (m1N), содержащееся в (mАС) количестве аммонийной селитры:
2 АN
.
(9)
m1N  m AC
М AC
Количество азота (m2N), содержащееся в (mАС) массе сульфата аммония:
2 АN
.
(10)
m2 N  mCA
М CA
Доля азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония
(DNсм.):
m  m2 N
.
(11)
DN см.  1N
m АС  mCA
Доля сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата
аммония (DCA):
mСА
.
(12)
DСА 
m АС  mCA
Выражаем из (12.) mCA:
(m АС  mСА ) DСА  mСА ,
m АС  DСА  mСА  DСА  mСА ,
m АС  mCA  DСА  m AC  DCA ,
mCA (1  DCA )  m AC  DCA ,
m D
(13)
mCA  AC CA .
1  DCA
Подставляем значения (9), (10) и (12) в выражение (11), получаем:
2 АN
2 АN
2 АN
2 АN
m AC
 mСА
m AC
 mСА
М АС
М СА
М АС
М СА
D N см. 

(1  DСА ) 
mСА DСА
m AC (1  DСА )  m AC DСА
m AC 
1  DСА
D NCA 
 1
1 mCA
 2 АN 

 М АС M CA m AC

(1  DCA ).

В последнем преобразовании (14) соотношение
mсм.
и в результате получаем:
mсм.
47
(14)
mCA
домножим на
m AC
Известия ТулГУ. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч.2
mCA mсм. DCA
.
(15)

m AC mсм. D AC
Из (14) и (15) получаем:
 1
1 DCA 
(1  DCA ) .
(16)
DNсм.  2 АN 

М
M
D
CA AC 
 АС
Далее, так как DCA  DAC  1 , имеем:
(17)
DAC 1  DCA .
Из (16) и (17) выражение выглядит следующим образом:
 1
 1  DCA DCA 
DCA 
1
(1  DCA )  2 АN 
 ,
DNсм.  2 АN 


М
M
(
1

D
)
М
М
CA
СА 
АС
СА 
 АС

и окончательно получаем:
 1  DCA DCA 
 .
(18)
DNсм.  2 АN 

М
М
АС
СА 

Применение в качестве добавки сальфата аммония имеет зависимость отличную от других добавок, не содержащих азот, так как наличие
аммонийного азота приводит к увеличению количества добавки
На рис. 2 представлен график зависимости доли азота в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония. Горизонтальными линиями обозначены значения азота, требуемые производителями продукции растениеводства.
Рис. 2. График зависимости содержания азота от доли сульфата
аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония
В последнее время сельскохозяйственные потребители проявляют
большое внимание к содержанию серы в минеральных удобрениях. По
требованиям сельскохозяйственных производителей содержание серы
должно быть 4 ÷ 2 %. Сера играет большую роль в нормальном росте и
развитии растений, недостаточное содержание ее в почве приводит к
48
Химия
уменьшению урожайности и ухудшению качества продукции растениеводства. По своему потреблению растениями она стоит в одном ряду с азотом
фосфором и калием, вынос с урожаем зерновых с гектара пашни составляет до 100 кг.
Нами рассмотрен ряд серосодержащих солей, в качестве последних
выступают: сульфат аммония – (NH4)2SO4; полугидрат сульфата кальция –
CaSO4  0,5H2O; гипс – CaSO4  2H2O; сульфат калия – К2SO4; сульфат
магния – MgSO4 7H2O; полигалит – К2SO4  MgSO4  2 CaSO4 2H2O. Ряд
составлен по уменьшению массы сульфата [4].
Количественное содержание серы в удобрении будет зависеть от ее
содержания в применяемой соли. Расчеты зависимости доли серы от доли i
соли в смеси аммонийной селитры и i – той соли идентичны и выражаются следующим образом:
Доля серы = F(доля i – й соли в смеси)
.
(19)
Пример: расчет зависимости доли серы от доли сульфата аммония в
смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония в смеси, т.е.:
Доля серы = F(доля сульфата аммония в смеси)
Доля серы в чистом сульфате аммония (DSCA):
А
.
(20)
DSCA  S
М CA
Количество серы (mS), содержащееся в смеси аммонийной селитры
и сульфата аммония:
А
.
(21)
mS  mCA S
M CA
Доля серы (DSсм.) в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония
с учетом (21):
А
mCA S
mS
M CA
DScм. 

.
(22)
m AC  mCA m AC  mCA
Доля сульфата аммония в смеси аммонийной селитры и сульфата
аммония (DCA):
DСА 
Выражаем из (23) mCA:
mСА
m АС  mCA
.
(m АС  mСА ) DСА  mСА ,
mАС  DСА  mСА  DСА  mСА ,
mАС  mCA  DСА  mAC  DCA ,
mCA (1  DCA )  m AC  DCA ,
49
(23)
Известия ТулГУ. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч.2
m AC  DCA
.
(24)
1  DCA
Значения из (24) подставляем в (22) и получаем:
А
АS m AC DCA
А
mСА S
m AC S DCA
М АС
М CA (1  DCA )
М CA
(1  DCA )




m AC DCA m AC (1  DCA )  m AC DCA (1  DCA )
m AC  mCA
m AC 
(1  DCA )
mCA 
DSсм.
АS
DCA
М CA
А

 S DCA ,
m AC  m AC DCA  m AC DCA М CA
окончательно получаем:
А
(25)
DSсм.  S DCA ,
М CA
где DSсм – доля серы в смеси аммонийной селитры и сульфата;
DСА – доля сульфата аммония в смеси;
AS – атомная масса серы;
МСА – молекулярная масса сульфата аммония.
Расчет был выполнен в среде математического пакета Mathcad. На
рис.3 представлен график зависимости доли серы в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония от доли сульфата аммония. По требованиям заказчика этот показатель установлен в пределах 2  4 % S в продукте.
m AC
Рис. 3. График зависимости доли серы от доли сульфата аммония
в смеси аммонийной селитры и сульфата аммония
Аналогично получены зависимости для смесей: аммонийная селитра – полугидрат сульфата кальция – CaSO4  0,5H2O, аммонийная селитра –
гипс – CaSO4  2H2O; аммонийная селитра – сульфат калия – К2SO4; аммонийная селитра – сульфат магния – MgSO4 7 H2O; аммонийная селитра –
полигалит – К2SO4  MgSO4  2 CaSO4 2H2O.
50
Химия
Список литературы
1. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений: учебник для
вузов. 6-е изд., перераб. Л.: Химия, 1989. 352 с.
2. Миниович М.А. Производство аммиачной селитры. М.: Химия,
1973. 240 с.
3. Нахождение содержания азота в смеси аммонийной селитры с
различными веществами / Д.А. Савенков [и др.] // Тезисы докладов XV
научно техн. конф. молодых учѐных, аспирантов, студентов. Новомосковск: ГОУ ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделеева», Новомосковский институт
(филиал), 2013. С. 45.
4. Расчеты содержания серы в удобрениях на основе аммонийной
селитры / А.В. Янков [и др.] // Тезисы докладов XXIX научн. конф. проф.преп. состава и сотр. НИ РХТУ им. Д.И.Менделеева. Новомосковск: ГОУ
ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделеева», Новомосковский институт (филиал),
2013. С. 29.
Савенков Дмитрий Александрович, главный специалист, Россия, г. Москва,
Минерально-химическая компания ЕвроХим, аспирант,
Янков Александр Викторович, канд. техн. наук., доц., Россия, Новомосковск,
НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Леонов Валентин Тимофеевич, д-р. техн. наук., проф., Россия, Новомосковск,
НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
CALCULATIONS SULFUR AND NITROGEN CONTENT UPON RECEIPT CAN WITH
SULFURIC ACID SALTS
D.A. Savenkov,A.V. Yankov, V.T. Leonov
To improve the physical and mechanical properties of calcium ammonium nitrate
(CAN) salts of sulfuric acid are introduced. Produced math content of nitrogen and sulfur in
the CAN. The dependencies that allow better based fertilizer ammonium nitrate with a nitrogen content of 27 ÷ 33,5% and sulfur 2 ÷ 6%.
Key words: calcium ammonium nitrate - CAN, sulfur, nitrogen, additives, calculation, mathematical relationships.
Savenkov Dmitry Aleksandrovich, Chief Specialist, Russia, Moscow, Mineral and
Chemical Company Eurochem, graduate student,
Yankov Alexander Viktorovich, PhD. tehn. Sciences., Assoc., Russia, Novomoskovsk,
The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian ChemicalTechnological University,
Leonov Valentin Timofeevich, D . tehn. Sciences., prof., Russia, Novomoskovsk, The
Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological
University
51