MAŁOTONAŻOWA PRODUKCJA CHEMIKALIÓW NIEORGANICZNYCH – ZARZĄDZANIE JAKOŚCIĄ I PROCESEM

ĆWICZENIE 3

PROCES OTRZYMYWANIA PŁYNNEGO KONCENTRATU MIKROELEMENTOWEGO

09.04.2015

Piątek TP, 7:30

1. Przebieg procesu i obserwacje dla otrzymywania porcji koncentratu o objętości roboczej reaktora

W reaktorze o objętości roboczej 1l umieszczono wodę (o temp. 20, 7) i rozpoczęto mieszanie z prędkością $80\ \frac{\text{obr}}{\min}$. Rozpoczęto dodawanie naważek substratów; po dodaniu kwasu fosforowego i wodorotlenku potasu temperatura wzrosła do 24, 6, a pH wyniosło 1. Dodanie wody amoniakalnej spowodował wzrost temperatury do 27, 1, a dodatek kwasu borowego jej spadek do 25, 6 . Po dodaniu siarczanu cynku temperatura wynosiła 26, 2, a po wprowadzeniu kwasu cytrynowego pH wyniosło 6, a temperatura 26. Dodatek siarczanu żelaza spowodował zabarwienie roztworu na żółto i spadek temperatury do 25, 2. Rozpoczęto ogrzewanie roztworu i po osiągnięciu 41, 9 w reaktorze wprowadzono azotan amonu i mocznik. Jako produkt otrzymano klarowny, żółtawy roztwór o pH=6 oraz temperaturze 44, 4.

1. Normatyw dla otrzymywania porcji koncentratu o objętości roboczej reaktora

Objętość robocza reaktora – V_r = 1 dm³

Gęstość otrzymanego nawozu $d_{n} = 1,1\ \frac{g}{\text{cm}^{3}}$

Masa otrzymanego nawozu – m = d_n • V_r = 1000 • 1, 1 = 1100g

L.p.	Surowiec	Masa na 1000kg produktu	Masa na 1100g produktu	Rzeczywiste masy na 1100g produktu
1	Woda technologiczna	833, 289 kg	916, 715 g	916 g
2	Kwas fosforowy (85%)	73, 30 kg	80, 640 g	80, 640 g
3	Wodorotlenek potasu	23, 82 kg	26, 266 g	26, 266 g
4	Woda amoniakalna	24, 32 kg	26, 755 g	26, 662 g
5	Kwas borowy	0, 19 kg	0, 209 g	0, 205 g
6	Molebdenian amonu	0, 031 kg	0, 034 g	0, 033 g
7	Ergon B	6, 67 kg	7, 338 g	7, 603 g
8	Siarczan miedzi	0, 13 kg	−	−
9	Siarczan cynku	0, 15 kg	0, 165 g	0, 151 g
10	Kwas cytrynowy	0, 33 kg	0, 363 g	0, 373 g
11	Siarczan manganu	0, 10 kg	0, 110 g	0, 121 g
12	Siarczan żelaza	0, 10 kg	0, 110 g	0, 115 g
13	Siarczan magnezu	0, 21 kg	0, 231 g	0, 236 g
14	Azotan amonu	20, 95 kg	23, 048 g	23, 068 g
15	Mocznik	16, 43 kg	18, 075 g	18, 072 g
Suma	1000 kg	1100, 000 g	1099, 545 g

Otrzymywany nawóz nie zawiera jednego składnika – siarczanu miedzi.

Według normatywu, masa nawozu bez dodatku siarczanu miedzi wyniesie 999,87 kg.

mocznik − produkt ∖ n  16, 43 kg − 999, 87 kg ∖ nm_CO(NH2)2 −  1100 g 

1. Projekt reaktora i mieszadła dla zdolności produkcyjnej ZP=1500 $\frac{\mathbf{\text{kg}}}{\mathbf{h}}$

W poniższej tabeli przedstawiono ilości składników potrzebne do otrzymywania $1500\frac{\text{kg}}{h}.$

L.p.	Surowiec	$$\text{Masa\ }\left\lbrack \frac{\text{kg\ surowca}}{1000kg\ produktu} \right\rbrack$$	$$\text{Masa\ \ }\left\lbrack \frac{\text{kg\ surowca}}{1500kg\ produktu} \right\rbrack$$
1	Woda technologiczna	512, 000	768, 000
2	Kwas fosforowy (85%)	65, 000	97, 500
3	Wodorotlenek potasu	31, 600	47, 400
4	Woda amoniakalna	24, 300	36, 450
5	Kwas borowy	1, 140	1, 710
6	Molibdenian amonu	0, 093	0, 139
7	Ergon B	20, 000	30, 000
8	Siarczan miedzi	0, 393	0, 590
9	Siarczan cynku	0, 220	0, 330
10	Kwas cytrynowy	3, 000	4, 500
11	Siarczan manganu	0, 308	0, 462
12	Siarczan zelaza	0, 996	1, 494
13	Chlorek magnezu	0, 517	0, 776
14	Chlorek potasu	53, 000	79, 500
15	Azotan amonu	166, 000	249, 000
16	Mocznik	122, 000	183, 000
	Suma	1000, 567 ≈ 1000	1500, 850

Masa surowca potrzebna do otrzymania 1500 kg produktu została obliczona proporcją, np. dla mocznika:

  mocznik − produkt ∖ n  122 kg − 1000 kg ∖ nm_CO(NH2)2 −  1500 kg 

$$m_{CO({\text{NH}_{2})}_{2}} = \frac{1500kg \bullet 122kg}{1000kg} = 183\ kg$$

Projekt reaktora dla ZP=$1500\frac{\text{kg}}{h}$

Proponuję reaktor cylindryczny, z dnem eliptycznym oraz płaszczem grzejnym. Wyposażony będzie w mieszadło wirnikowe, stalowe, otwarte.

$$ZP = 1500\frac{\text{kg}}{h}$$

Gęstość nawozu – $d = 1100\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$

$$\dot{V} = \frac{\text{ZP}}{d} = \frac{1500}{1100} = 1,364\ \frac{m^{3}}{h}$$

Zakładam czas przebywania w reaktorze – τ = 1, 5h

Objętość robocza reaktora - V_r:

$V_{r} = \dot{V} \bullet \tau = 1,364 \bullet 1,5 = 2,046\ m^{3}$

Współczynnik wypełnienia reaktora przyjmuję jako równy α = 0, 75.

Objętość całkowita reaktora V_c:

$V_{C} = \frac{V_{r}}{\alpha} = \frac{2,046}{0,75 = 2,728\ m^{3}}$
Przyjęto: V_c = 2, 7 m³

D = H_r

$$V_{r} = \frac{\pi \bullet D^{2}}{4} \bullet H_{r} = \frac{\pi \bullet D^{3}}{4}\ \rightarrow D = \sqrt[3]{\frac{4 \bullet V_{r}}{\pi}}$$

$$D = \sqrt[3]{\frac{4 \bullet 2,046}{3,14}} = 1,376\ m$$

Przyjęto D=1, 4 m

Wysokość robocza H_r :  

$$H_{r} = \frac{4 \bullet V_{r}}{\pi \bullet D^{2}} = \frac{4 \bullet 2,046}{3,14 \bullet {1,4}^{2}} = 1,330\ \ m\ $$

Objętość całkowita H_r:

$$H_{c} = \frac{4 \bullet V_{c}}{\pi \bullet D^{2}} = \frac{4 \bullet 2,7}{3,14 \bullet {1,4}^{2}} = 1,755\ \ m\ $$

Wysokość dna H_d:

H_d = 0, 25 • D = 0, 25 • 1, 4 = 0, 35 m

Szerokość przegrody a:

a = 0, 1 • D = 0, 1 • 1, 4 = 0, 14 m 

Projekt mieszadła

Liczba łopatek – 6

Średnica mieszadła $d_{m} = \frac{D}{3,2} = \frac{1,4}{3,2} = 0,4375\ m$

Długość łopatki $\ a = \frac{d_{m}}{4} = \frac{0,4375}{4} = 0,1094\ m$

Szerokość łopatki $b = \frac{d_{m}}{5} = \frac{0,4375}{5} = 0,0875\ m$

Wysokość nad dnem h = d_m = 0, 4375 

Liczba obrotów mieszadła $n = 100\ \frac{\text{obr}}{\min}$

1. Schemat ideowy instalacji wytwarzania płynnego koncentratu mikroelementowego 12-4-6 0,1 MgO; 0,02 B; 0,01 Cu; 0,02 Fe; 0,01 Mn; 0,005 Mo; 0,005 Zn

1. Wnioski
   Nawozy płynne stanowią ważne źródło mikroelementów dla roślin, które wchodzą m.in. w skład enzymów roślinnych. Zapotrzebowanie organizmów na mikroelementy zależy od wielu czynników, przykładowo od rodzaju rośliny i stadium rozwoju, warunków atmosferycznych czy rodzaju i stanu gleby. Ważne jest zatem, by mikroelementy były pobierane tak, by podczas całego cyklu rozwoju potrzeby roślin były zaspokojone. Z tego powodu nie stosuje się jedynie roztworów soli mikroelementów, które mogą być nieprzyswajalne przez roślinę, tylko ich kompleksy – chelaty, a dzięki temu metale mogą być uwalniane stopniowo.

W otrzymywanym podczas ćwiczenia koncentracie mikroelementowym ważnymi parametrami były pH roztworu i temperatura, której odpowiednia wysokość miała zapobiec zestaleniu produktu. Podczas dodawania niektórych substratów samoistnie podwyższała się temperatura, co świadczy o egzotermiczności tych reakcji. Jest to korzystny efekt, gdyż zmniejsza to zapotrzebowanie procesu na energię.

Schemat ideowy procesu nie jest skomplikowany, gdyż nie obejmuje on różnorodnych operacji ani procesów jednostkowych, jednak instalacja przedstawiona na schemacie technologiczno-aparaturowym jest „niewygodna”. Wynika to z konieczności oddzielnego magazynowania każdego z surowców i konieczności doprowadzenia ich do reaktora. W celu uproszczenia transportu wszystkie składniki stałe są doprowadzane wspólnym podajnikiem do reaktora. Aby uniknąć zestalenia produktu w reaktorze, powinien on być ogrzewany przez płaszcz grzejny sprężoną parą wodną. Proces nie wymaga stosowania szczególnego reaktora, więc może być mieszalnik cylindryczny z dnem eliptycznym, wyposażony w mieszadło wirnikowe. Substratami są również kwasy, więc reaktor powinien być wykonany ze stali nierdzewnej, przykładowo z stali 1H 18N 9T.