Технологія переробки шламів у виробництві кальцієвої селітри

Технологія переробки шламів у виробництві кальцієвої селітри

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка: 101 с., рис., табл., 28 джерел

Об’єкт дослідження - технологія переробки шламів у виробництві кальцієвої селітри.

Мета роботи - дослідити можливі технології переробки шламів виробництва кальцієвої селітри, зокрема як мінерального добрива Пояснювальна записка складається з шести розділів.

У першому розділі магістерської роботи розглянуті технології виробництва кальцієвої селітри в Україні та в світі, чинники які впливають на якість продукції, шляхи поліпшення та зниження витрат на виробництво, приведені можливі варіанти утилізації шламу та проблеми використання й утилізації відходів промисловості в цілому.

У розділі об’єкти і методи дослідження, наведені: характеристика шламу та методики проведення експериментів та аналітичних визначень, характеристики лабораторного обладнання та приладів.

Результати досліджень кінетики сушки та питомої витрати повітря і тепла по І- х діаграмі наведені в третьому розділі.

У четвертому розділі розроблена математична модель руху дисперсної фази на лопатці барабанної сушарки.

У п’ятому розділі дані практичні рекомендації, стосовно створення технології переробки шламу Са(NO₃)₂ шляхом надання йому товарного вигляду, з проектована і розрахована барабанна сушарка.

У шостому розділі розглянута охорона праці в лабораторії і виконаний розрахунок повітрообміну в приміщенні дослідної лабораторії, а також розрахунок часу евакуації з дослідницької лабораторії

КАЛЬЦІЄВА СЕЛІТРА, МІНЕРАЛЬНІ ДОБРИВА, ШЛАМ, Сушка, Переробка, МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ, БАРАБАННА СУШАРКА.

ВСТУП

Актуальність роботи. В Україні спостерігається тенденція до розширення використання кальцієвої селітри. Це викликано широким застосуванням кальцієвої селітри в народному господарстві. Зокрема використанням гранульованої селітри та її розчинів в овочівництві, як рідкого лужного добрива та компоненту живильних розчинів. При переробці природної кальцієвмісної сировини у виробництві накопичується значна кількість відходів у вигляді вологого шламу. Ці відходи містять значну кількість Ca(NO₃)₂, що є передумовою їх можливого використовування як дешевого мінерального добрива з лужною реакцією.

Мета і задачі дослідження. Дослідити можливі технології переробки шламів виробництва кальцієвої селітри, зокрема як мінерального добрива.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

. Вивчити технологію виробництва кальцієвої селітри в умовах ДП «Екоантилід» м. Дніпродзержинськ та виявити стадії утворення шламів;

. Визначити кінетику сушки шламу;

. Розробити математичну модель руху дисперсної фази на лопатці барабанної сушарки

. Підібрати необхідний апарат та виконати його розрахунок.

Наукова новизна отриманих результатів

При проведенні досліджень були розроблені нові підходи стосовно технології переробки шламу:

          Досліджено процес сушки шламу при різних температурах;

         Виконано розрахунок барабанної сушарки для висушування шламу кальцієвої селітри.

Практична цінність отриманих результатів

Встановлено стадії та технологічні умови утворення шламу у виробництві кальцієвої селітри.

На основі аналізу компонентів складу шламу та його фізико-хімічних властивостей показана можливість застосування шламу, як лужного азотного добрива.

Показана можливість зменшення його кількості та надання йому товарного вигляду шляхом висушування подрібнення та класифікації.

1. СТАН ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА КАЛЬЦІЄВОЇ СЕЛІТРИ В УКРАЇНІ ТА В СВІТІ

Застосування мінеральних добрив - один із головних важелів підвищення врожайності в сільському господарстві. Під впливом добрив сільськогосподарські культури набувають підвищеної стійкості до несприятливих умов погоди (заморозки, засуха), краще протистоять нападам шкідників та менше вражаються хворобами. Дія добрив на врожай залежить не тільки від їх кількості і якості, але й від способу застосування. Більшість мінеральних добрив містять елементи живлення рослин у легкодоступному для них стані.

Одним із універсальних та низьких за вартістю азотних добрив є кальцієва селітра.

Дослідження систем, що містить кальцієву селітру та розробка способів її отримання велись з 30-х років минулого сторіччя. Результати досліджень були систематизовані та опубліковані Мініовичем М.А., Позіним М.Е., Кльовке В.А., Прянішніковим Д.Н. та багатьма іншими.

Вказують [1-4], що кальцієва селітра - Ca(NO₃)₂ - є універсальним фізиологічно лужним добривом, придатним для всіх ґрунтів нечорноземної смуги з недостатнім вмістом кальцію.

Кальцієва селітра, як добриво, володіє цілим рядом специфічних переваг [3], найважливішими з яких є:

- з кальцієвої селітри у ґрунт вводиться вапно у розчинній формі, тому кальцієва селітра корисна для ґрунтів, бідних на вапно, наприклад, піщаних;

завдяки гігроскопічності кальцієва селітра корисна для сухих ґрунтів, особливо під час засухи;

кальцієва селітра, на відміну від того, що відбувається при надлишку нітрату натрію, не деформує комків глинистого ґрунту, завдяки чому ґрунт не робиться липким і підтримує вільний газообмін.

Наразі кальцієва селітра застосовується не тільки як мінеральне добриво, але й як промислова сіль. Наприклад, як добавка до будівельних розчинів для покращення їх міцності [5] та підвищення водозахисних властивостей [6], в стоматології, як матеріал для вирощування кристалів у виробництві пломб [5], як компонент водовмісних та водоемульсійних вибухових речовин і ін.

На основі аналізу опублікованих даних зроблено огляд існуючих способів виробництва кальцій нітрату .

Відомий спосіб одержання нітрату кальцію із вапняку. За цим способом вапняк попередньо випалюють до оксиду кальцію з перетворенням останнього в вапняне молоко. Потім нейтралізують вапняне молоком 47- 48%-вою азотною кислотою та донейтралізовують надлишок кислоти вапняним молоком, випарюють, гранулюють, сушать [7]. Необхідність випалу спричинена наявністю в складі природного вапняку домішок, які призводять до стійкого піноутворення в процесі розкладення вапняку, що ускладнює проведення процесу.

Недоліком способу є висока енергоємність через наявність стадії випалу вапняку. Крім того, для одержання концентрованих розчинів нітрату кальцію потрібно випаровувати велику кількість води, що значно збільшує собівартість продукту.

Відомий також спосіб одержання нітрату кальцію, що не включає попередню стадію випалу вапняку. Вапняком заповнюють високі реактори, зверху вапняк зрошують 40-48%-вою азотною кислотою. Розкладають вапняк з невеликим надлишком азотної кислоти (1,5-1,9%), з подальшою донейтралізацією аміаком і одержанням розчину, який містить 43-49% нітрату кальцію та до 3% нітрату амонію. Потім розчин випарюють, гранулюють та сушать [8].

В цьому способі одержання нітрату кальцію фактично спільно одержують розчин нітрату кальцію з невеликою кількістю нітрату амонію. Недоліком процесу є утворення стійкої піни, яку важко усунути використовуючи в процесі вапняк осадочного походження, що має у своєму складі органічні домішки. Утворення стійкої піни значно збільшує час проведення процесу, призводить до необхідності збільшення габаритів реактора та примушує встановлювати додаткове технологічне обладнання для боротьби з піною. Недоліком процесу також є підвищені енерговитрати через наявність стадій процесу, спрямованих на одержання твердого продукту.

Винайдений спосіб спільного одержання розчину нітрату кальцію та нітрату амонію з вапняку та азотної кислоти шляхом використання сукупності таких прийомів, як ведення процесу в реакторі з механічним піногасником та мішалкою, зміни послідовності введення реагентів в реактор, використання в процесі визначеного надлишку азотної кислоти, що дають змогу усунути піноутворення, щоб зменшити час ведення процесу, надати можливість зменшити габарити обладнання та його кількість. Крім того, реалізація вищеозначеної сукупності прийомів дозволяє економити енергоресурси, одержуючи продукт у вигляді концентрованого розчину. Одержаний продукт можна використати і як рідке кальційвміщуюче концентроване добриво з підвищеним вмістом азоту, і як дешевий бінарний окислювач - компонент рідких водомістких вибухових речовин [9].

.1 Особливості технології одержання кальцієвої селітри на ДП «Екоантилід»

Виробництво призначено для випуску гранульованої кальцієвої селітри, яка застосовується в якості сировини для виробництва реактивів, як добавка в бетон для промислового будівництва, для приготування розсолу в промисловій холодильній техніці та інших технічних цілей.

Виробництво гранульованої кальцієвої селітри введено в експлуатацію в 1994 році. Проектна потужність виробництва - 25 000 т / рік гранульованої кальцієвої селітри;

годинна потужність - 3,125 т /год;

режим роботи - безперервний;

число робочих годин у році - 8000.

Виробництво кальцієвої селітри складається з:

одного технологічного потоку розвантаження карбаміду і приготування розчинів;

двох технологічних потоків грануляції, затарка готового продукту, очищення вихлопних газів.

Метод виробництва - отримання робочих розчинів нітрату кальцію з карбамідом або аміачною селітрою з подальшою грануляцією та сушінням готового продукту в барабанних грануляторах - сушарках.

Готовий продукт - селітра кальцієва гранульована ТУ У6-13441912.004-99. Зовнішній вигляд - гранули сферичної форми білого, світло - сірого або світло-бежевого кольору.

Таблиця 1.1 - Фізико-хімічні властивості кальцієвої селітри

.1.1 Метод виробництва і технологічні особливості процесу

Гранульована кальцієва селітра виходить методом гранулювання та сушіння попередньо приготованих розчинів нітрату кальцію з карбамідом або аміачною селітрою в барабанних грануляторах - сушарках з рециркуляцією частини гранульованого продукту ( ретур ).

Рецептура гранульованої кальцієвої селітри, що представляє собою Ca(NO₃)₂ з добавкою карбаміду або аміачної селітри , розроблена

ДП «Екоантилід». При розробці рецептури були враховані вимоги пред'явлені до КС споживачами.

Низький вміст вологи в готовому продукті (не більше 2,0%) забезпечує відсутність злежуваності і 100% розсипчастість після 1 року зберігання гранульованої КС на складі. В основу процесу виробництва покладений метод, що дозволяє отримувати розчини заданого складу, що забезпечує керовану кристалізацію, і грануляцію безводної солі.

Опис технологічної схеми виробництва.

Процес отримання гранульованої КС складається з наступних стадій:

а) прийом, розвантаження, зберігання карбаміду чи аміачної селітри в корп. 1152 і передача його з транспортної галереї в основний виробничий корп.1150;

б) підготовка робочих розчинів КС, включаючи дозування компонентів;

в) грануляція і сушка КС, передача його в корп. 1151;

г) уловлювання пилу з відхідних газів в електрофільтрах;

д) упаковка готового продукту в поліетиленові і паперові мішки, складування і відправлення його споживачеві в вагонах;

1.2 Чинники які впливають на якість продукції. Шляхи її поліпшення та зниження витрат на виробництво

Зниження енерго-матеріальних витрат на виробництво кальцієвої селітри й підвищення її якості в умовах КП «Екоантилід» стає може бути здійснене як за рахунок підвищення концентрації потоків (розчинів Са(NO₃)₂ , HNO₃, транспортного, після упарювання), так і шляхом модернізації технології, зокрема, створення вузла донейтралізації залишкового гідроксиду кальцію азотною кислотою й наступної нейтралізації надлишкової кислоти аміаком, поліпшенням роботи вузлів нейтралізації, фільтрування, випарювання та гранулювання. При цьому можливо відмовитися від застосування покупної аміачної селітри та зменшити витрати енергії.

Технологія виробництва кальцієвої селітри на КП «Екоантилід» включає стадії розчинення здрібненого вапна в розчині кальцієвої селітри, додавання аміачної селітри й одержання гранульованої кальцієвої селітри в БГС (барабан гранулятор-сушарка).

При цьому спостерігаються випадки збільшення рН розчинів після нейтралізації, їхнє помутніння, що може бути внаслідок неповної нейтралізації гідроксидів кальцію азотною кислотою.

Нітрат амонію для поліпшення умов грануляції вводять шляхом розчинення покупної гранульованої аміачної селітри в розчинах кальцієвої селітри безпосередньо перед гранулюванням. Це створює певні складності при придбанні, транспортуванні, зберіганні й розчиненні гранульованої аміачної селітри, обумовлені як її властивостями, так і діючими вимогами при використанні її. Крім того наявність недонейтралізованих гідроксидів кальцію, введення додаткових домішок з аміачною селітрою можуть призвести до зниження привабливості виробленої кальцієвої селітри з боку деяких споживачів.

У такий спосіб буде доцільним зробити додаткову обробку отриманих за існуючою технологією розчинів кальцієвої селітри азотною кислотою й аміаком. При цьому підвищення концентрації азотної кислоти в розчині, збільшення часу нейтралізації гідроксидів призведе до істотного зниження їхньої концентрації. А нейтралізація надлишкової азотної кислоти аміаком дозволить створити необхідну концентрацію нітрату амонію в розчинах перед гранулюванням.

В умовах КП «Екоантилід» організація такого процесу доцільна як через наявність власної азотної кислоти, так і через можливість використання аміаку з мережі низького тиску ВАТ «ДніпроАзот».

Вдосконалення процесу фільтрування в напрямку збільшення його швидкості та зменшення розмірів відфільтрованих частинок також суттєво сприяє поліпшенню якості продукту та зменшенню енерговитрат, зокрема через зменшення твердих відкладень на теплообмінних поверхнях випарних апаратів.

Найближчим до вище зазначеного способу є спосіб виробництва гранульованої кальцієвої селітри, що включає обробку вапняного молока азотною кислотою, відділення нерозчинних домішок від отриманого розчину фільтруванням, концентрування отриманого розчину кальцієвої селітри упарюванням, введення нітрату амонію додаванням гранульованої аміачної селітри в упарений розчин та гранулювання в барабанному грануляторі-сушарці.

Задача розробки удосконаленого способу виробництва гранульованої кальцієвої селітри з нітратом амонію може бути вирішена шляхом зміни послідовності технологічних операцій та технологічних параметрів процесу таким чином, щоб забезпечити виробництво гранульованого продукту з мінімальним вмістом домішок, досягти найглибшого перетворення кальцієвмісної сировини, знизити енерговитрати та запобігти забрудненню конденсату сокової пари.

Поставлена задача вирішується тим, що в способі виробництва кальцієвої селітри, що включає обробку кальційвмісної сировини азотною кислотою, відділення нерозчинних домішок від отриманого розчину, концентрування розчину, введення нітрату амонію та гранулювання, як сировину використовують негашене вапно, яке суспендують циркулюючим розчином кальцієвої селітри, обробку кальційвмісної сировини розчином азотної кислоти здійснюють у два ступені: на першому обробляють суспензію до рН 7 - 9, а на другому очищений та концентрований розчин кальцієвої селітри до концентрації в ньому 0,5 - 8,0 % НNO₃, введення нітрату амонію здійснюють нейтралізацією азотної кислоти, що знаходиться в розчині, газоподібним аміаком, а гранулювання ведуть у барабанному грануляторі-сушарці за кратності ретуру 1,5 - 9,0 до вологості гранул не більше 2 %.

Використання в якості сировини негашеного вапна пов'язане з витратами на випалювання вапняку, але суттєво знижує вміст домішок, зокрема органічних, які містяться в природних вапняках і які призводять до додаткових витрат на гасіння піноутворення при обробці розчином азотної кислоти та відділенні домішок від отриманого розчину, а також забруднюють кінцевий продукт. Подача негашеного вапна, суспензованного циркулюючим розчином кальцієвої селітри, не спричиняє місцевого перегріву реакційної суміші за рахунок тепла нейтралізації та розкладання азотної кислоти з виділенням оксидів азоту. До того ж у розчині кальцієвої селітри вміст суспензованного вапна вищий чим у вапняному молоці. Так у водній суспензії вміст суспензованного вапна становить 150 г/дм³, у суспензії розчину кальцієвої селітри - 200 г/дм³, окрім того співвідношення вапно : вода у водній суспензії дорівнює 1 : 5,67, а у суспензії розчину кальцієвої селітри зростає до 1:2,5.

Обробка суспензії на першому ступені розчином азотної кислоти без її надлишку скорочує час проведення процесу, не призводить до виділення оксидів азоту, а також створює кращі (в корозійному відношенні) умови для подальших операцій фільтрування та випарювання.

Застосування додаткової обробки очищеного та концентрованого розчину кальцієвої селітри надлишком азотної кислоти веде до повної нейтралізації кальційвмісної сировини, й також покращує якість кінцевого продукту. Крім того при нейтралізації надлишку азотної кислоти аміаком вводиться необхідна кількість нітрату амонію, який не піддається впливу високих температур стадії випарювання і не призводить до забруднення конденсату сокової пари. Відмова від застосування гранульованої аміачної селітри покращує умови виробництва та запобігає можливому попаданню домішок , а також скорочує витрати тепла на розчинення твердого нітрату амонію [10].

Якість мінеральних добрив безпосередньо пов’язана з чистотою вихідної сировини, напівфабрикатів, та продуктів. На прикладі виробництва кальцієвої селітри можна спостерігати небажану присутність різних домішок, які негативно впливають на процес (за присутності силікатів та нітрату натрію виникають труднощі в кристалізації кальцієвої селітри та в інших процесах), а підвищення вмісту нерозчинних домішок в готовому продукті також призводить до зниження якості та конкурентноспроможності певного виробника [11].

На прикладі ДП «Екоантилід», можна спостерігати, що нерозчинні домішки регламентуються як в кінцевому продукті (не більше 0,5%), так і в сировині, матеріалах, напівпродуктах. Для того, щоб знизити вміст зважених часток, необхідно вивчити їх фізико-хімічні властивості.

Розглянувши та дослідивши різні дисперсні системи, які містять зважені частки можна сказати, що їх наявність в розчині утворює системи де дисперсійне середовище рідке, а дисперсна фаза тверда. З курсу колоїдної хімії нам відомо, що таку систему називають суспензією, вона не досить стійка, так як її частки під дією сили тяжіння осідають [12].

Отже в залежності від характеру суспензії, застосовують різні способи видалення або зниження вмісту зважених часток в розчинах, до них належать відстоювання, центрифугування, фільтрування, флотація, додавання коагулянтів, та ін.

 Найпоширенішим методом видалення зважених часток з високими ступенями очистки є фільтрування.

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем (суспензії) за допомогою перегородок, які затримують одну (тверду) фазу цих систем і пропускають іншу (рідку). На практиці очищення доводиться мати справу з розділенням суспензій на рідку фазу і вологий осад. Апарат в якому здійснюється цей процес, називають фільтром. Фільтр у найпростішому вигляді являє собою посудину, розділену фільтрувальною перегородкою. По різні боки перегородки створюють різницю тисків, під дією якої здійснюється транспортування рідини через перегородку і затримання на ній осаду. Цей процес розділення суспензії називають фільтруванням із затриманням осаду. У випадку, якщо тверді часточки проникають у пори фільтрувальної перегородки, затримуючись у них і не утворюючи осаду, процес називають фільтруванням із закупорюванням пор.

В технології неорганічних речовин застосовують: барабанні, вакуум- фільтри, дискові, стрічкові, карусельні, листові, патроні, фільтрпреси типу ФПАКМ, нутч-фільтри. В кожному фільтрі є фільтруючі перегородки від них залежить продуктивність фільтрування, чистота фільтрату, термін служби перегородки, та економічність процесу фільтрування. Фільтруючі перегородки повинні бути:

         стійкими до середовища;

         мати механічну міцність;

         теплостійкість;

         стійкість до стирання;

         здатність приймати форму опорної конструкції;

         ущільнюючі властивості;

         мати низький гідравлічний опір;

         мати малу адгезію до осаду;

         добре затримувати тверді частки.

Для розділення нейтральних суспензій при температурі до 100ºС використовують бавовняні тканини (міткаль, діагональ, бельтинг); такі тканини у кислотному або лужному середовищі досить швидко руйнується.

Застосовують шерстяні, скляні, перхлорвінілові, поліамідні і лавсанові тканини.

В процесі фільтрації велику роль відіграють температура, тиск, швидкість. Наприклад такий важливий показник як температура змінює в’язкість речовини, що розділяється

Для розділення суспензій фільтруванням у промисловості використовують велику кількість різних конструкцій фільтрів періодичної та безперервної дії, з використанням вакууму або тиску: нутч - фільтри періодичної дії, що працюють під вакуумом, та фільтри, що працюють під тиском, автоматизовані фільтрпреси з горизонтальними камерами (ФПАКМ), кожен вид фільтрування має безліч модифікацій [13].

В виробництві кальцієвої селітри, для очищення від нерозчинних та механічних домішок застосовують фільтрпреси. В умовах ДП «Екоантилід» застосовують автоматичний фільтрпрес фірми «Д. Діффенбах С.п.А» камерного типу з вертикально розташованими фільтруючими плитами призначеними для фільтрування під тиском розчинів кальцієвої селітри, сушки і автоматичної загрузки шламу [14].

Флотація ґрунтується на різній змочуваності мінералів водою. Суть процесу полягає у специфічній взаємодії завислих речовин з бульбашками тонкодиспергованого у воді (розчині) повітря з подальшим утворенням на поверхні води шару піни з речовинами, які вилучають. Оптимальні розміри часток- 10^-1 - 10^-3 мм. Тонко дисперсні часточки розміром менш як 5 - 10 мкм флотуються дуже важко і погіршують вилучення великих часточок. Для того щоб поліпшити флотованість дрібних часток, їх попередньо укрупнюють, наприклад коагуляцією або флокуляцією. У разі флотаційного очищення поверхневий натяг оброблюваного розчину не має перевищувати 60-65 МН/м а розмір бульбашок повітря-15-30 мкм [15].

Флотацією можна очищувати розчини від твердих завислих часток, нафтопродуктів, масел та інших емульгованих рідких речовин, а також від деяких іонів розчинених речовин. В останньому випадку реагенти, що їх добавляють, мають утворювати поверхнево-активні комплекси або тверді осади з іонами, які вилучають [16].

Для прискорення флотації твердих часток крізь рідинну суспензію пропускають дрібні бульбашки повітря. Піднімаючись у гору, бульбашки захоплюють із собою гідрофобні (не змочувані) тверді часточки. У результаті підіймання бульбашок на поверхні води утворюється шар піни, заповнений твердими часточками. Для створення сприятливих умов флотації в очищувану рідинну суспензію вводять різні реагенти. Введення останніх сприяє додатковому забрудненню розчину, що є негативним наслідком способу флотації [15].

Для збільшення стійкості повітряних бульбашок і утворення стабільної піни на поверхні рідини, що очищається, в суспензію додають піноутворювачі - поверхнево-активні речовини, які знижують поверхневий натяг рідини й утворюють абсорбційні плівки на поверхні бульбашок. Як піноутворювачі застосовують деякі фракції кам’яновугільної смоли, соснову олію, деревний дьоготь тощо [16].

Для регулювання дії поверхнево-активних речовин використовують регулятори флотації: посилюють взаємодію поверхнево-активних речовин з мінералом, що флотується - активатори і депресори або подавлювачі, що подавляють цю дію. Застосування цих реагентів дозволяє поліпшити флотування одного із мінералів і погіршити флотування інших, щоб покращити розділення. З такою ж метою застосовуються регулятори середовища, які впливають на склад і властивості рідкої фази. За допомогою декількох послідовно використаних реагентів можна здійснити селективну флотацію тобто послідовне виділення із суміші декількох мінералів концентратів кожного із них [17].

Існує кілька способів насичення розчину бульбашками повітря: флотація з виділенням повітря з розчину - вакуумні, напірні й ерліфтні установки; флотація з механічним диспергуванням повітря - імпелерні, безнапірні та пневматичні установки; флотація з подаванням повітря крізь пористі матеріали, електрофлотація.

В імпелерних флотаторах повітря диспергується турбіною насосного типу; в напірних - повітря розчиняється у воді під тиском з наступним його виділенням у вигляді дрібних бульбашок після зниження тиску до атмосферного. У флотоустановках з пористими диспергаторами повітря диспергується за допомогою пористих або перфорованих пластин чи труб.

Окрім пінної є також іонна флотація - перспективний метод для застосування в хімічній промисловості, полягає в осадженні із розчинів іонів корисних речовин спеціальними реагентами в дрібнодисперсні осади, які потім виділяють флотацією [15] .

Існує декілька типів флотореагентів, які відрізняються властивостями і принципом дії: збирачі, регулятори, піноутворювачі.

Коагулянти, коагулюючи агенти (від латинського coagulo -викликають звертання, згущення), речовини, введення яких в рідке середовище, яке містить дрібні часточки будь-якого тіла, викликає коагуляцію, тобто злипання цих часточок. Під дією коагулянтів утворюються великі скупчення часточок, що злиплися і випадають в вигляді пластівців - осад (коагулят). Ефективним коагулянтом для систем з водою дисперсійним середовищем являються солі полівалентних металів (алюмінію, заліза та ін.). В ролі коагулянту використовують також водорозчинні органічні високомолекулярні сполуки (полімери), особливо поліелектроліти. На відміну від неорганічних коагулянтів, їх деколи називають флокулянтами. Коагулянти застосовують для виділення цінних промислових продуктів із відходів виробництва в різноманітних технологічних процесах, а також при очистці води від природних і побутових забруднень.

Є декілька типів коагулянтів: органічні, дестабілізуючі, але коагулянти полімерного типу виявились більш економічними в широкому діапазоні процесів, включаючи осадження, флотацію і фільтрацію. Для даних процесів полімерні коагулянти довели свою здатність стабільно забезпечувати якість очищеної рідини, відповідно встановленими стандартами, при оптимальній надійності, ефективності і економічності [16].

В технології мінеральних речовин флотацію застосовують в виробництві фосфорних добрив: флотацію застосовують для збагачення апатитно - нефелінових руд. Руду, що піддають флотації, попередньо подрібнюють і мутять у воді. Через отриману таким чином пульпу пропускають повітря. Погано змочувані водою гідрофобні мінерали апатитової руди прилипають до бульбашок повітря і виноситься на поверхню пульпи в вигляді піни, яку потім видаляють. Також метод флотації застосовують в переробці сильвінітових руд. Видалення хлористого калію із сильвінітової руди відбувається в дві стадії. Спочатку із сильвініту виділяють флотацією глиняні домішки, що виходять з піною, а потім проводять основну стадію флотації, в процесі якої мінерал сільвін (КСІ) виділяється в пінний продукт (концентрат), а галіт (NаСІ) залишається в флотаційних хвостах [18].

Широко застосовуються флотаційні способи для очищення природних і стічних вод від твердих зважених часток [16]. У виробництві кальцієвої селітри флотація не застосовується, але це може бути досить перспективною інновацією на стадії очищення розчину нітрату кальцію від нерозчинних часток та залишків оксидів кальцію, що не прореагували, після чого очищений розчин буде краще кристалізуватися і поліпшаться агрохімічні властивості.

.3 Шляхи утилізації шламів та відходів промисловості

Одним з найважливіших напрямків ресурсозберігаючої діяльності є використання відходів, раціональне застосування вторинних ресурсів, що дозволяє вирішувати цілий ряд економічних та екологічних проблем, у тому числі, розширювати сировинну базу економіки, збільшувати обсяг випуску продукції, знижувати собівартість господарювання, запобігати забрудненню навколишнього середовища.

До останнього часу процес відтворення вторинних ресурсів розглядався лише як доповнення загального процесу використання матеріальних ресурсів, в якості однієї з окремих характеристик цього процесу. З цієї точки зору будь-який процес корисного застосування відходів безумовно є фактом раціонального використання загального ресурсного потенціалу, що призводить до економії повноцінної сировини і розширюваної сировинної бази. Разом з тим поняття раціонального використання вторинних ресурсів має включати й інший аспект: підвищення ефективності їх застосування (віддачі).

Слід здійснювати комплексний підхід до раціонального використання вторинної сировини, тобто повинні проводитися заходи:

науково-технічного характеру (використання передової техніки і технології зі збору та переробки вторинної сировини);

економічного характеру (планування утворення, збору, використання та реалізації відходів, встановлення цін на ці ресурси і продукти їх переробки, матеріальне стимулювання їх раціонального застосування, комплексний облік і аналіз результатів роботи із вторинною сировиною);

правового характеру (використання директивних вказівок та інструкцій в роботі з вторинною сировиною, підбір і розстановка кадрів, розширення та впорядкування договірних відносин між постачальниками та споживачами відходів, претензійно позовна робота);

екологічного характеру (організація використання вторинної сировини з урахуванням аспектів захисту навколишнього середовища та здоров'я людини, тобто з урахуванням незабрудненого середовища відходами).

Визначення поняття "утилізація" до теперішнього часу остаточно не встановлено по ряду наступних, на наш погляд, особливостей:

утилізація (використання - в дослівному перекладі з англійської мови) є видом діяльності, що мають місце в побуті, на виробництві та в сільському господарстві, а також у будь-яких біологічно функціональних системах і організмах;

утилізація є останньою стадією (етапом; серед видів робіт) життєвого циклу будь-якого об'єкта, що не відповідає встановленим вимогам (бракованого, пошкодженого або застарілого вироби);.

утилізація є технологічним процесом, пов'язаним з: перетворенням речовин, матеріалів, енергії; похованням відходів (у надрах, воді); видаленням відходів (у майбутньому) за межі планети. Основні методи утилізації наведені в таблиці 1.2.

Разом з тим, утилізація має місце в діяльності будь-яких підприємств, фірм, муніципалітетів, регіонів, країн, оскільки її ефективність визначає успіхи чи невдачі в охороні навколишнього середовища та забезпечення безпеки громадян [19,20,21].

Хімічні відходи, на відміну від металургійних, дуже різноманітні й розглянути шляхи їх утилізації в повному обсязі неможливо. Серед них є багато небезпечних і навіть отруйних відходів - вони повинні бути знешкодженні або захоронені.

Таблиця 1.2 - Основні методи утилізації та ліквідації відходів й галузі їх використання

Але серед хімічних відходів є наприклад, багатотоннажні, величезні обсяги яких створюють ті ж проблеми, що й металургійні з вугільними. До таких відходів відносяться відходи содового або фосфорного виробництва («білі моря»), відходи виробництва глинозему («червоні моря»), відходи сірчанокислотного виробництва («піритні недогарки»). Велику проблему становлять відпрацьовані травильні розчини, гальваношлами, нафтошлами та інші [22]. Одним із подібних хімічних відходів є шлам виробництва кальцієвої селітри ДП «Екоантилід».

ДП "Донецький ПромбудНДІпроект" розробив спосіб утилізації шламу, який утворився після стадії фільтрації. Залишковий шлам після вилучення селітри доцільно використовувати в якості одного із компонентів при отриманні гідравлічного витяжного типу цементу марки М200. Такий цемент використовується в кладочних і штукатурних розчинах [23].

Іншим компонентом сировинної суміші може бути великотоннажний відхід - карбонатний шлам, який утворився при водопідготовці [24]. Однак, при такій утилізації, цінність шламу як джерела Ca(NO₃)₂ втрачається.

Одним із відомих методів утилізації відходів хімічних виробництв є отримання кальцієвої селітри з вапняного шламу. При виробництві сульфату амонію з гіпсу як відхід утворюються величезні кількості вапняного шламу, що містить (у перерахунку на суху речовину) до 90 % вуглекислого кальцію. При роботі заводу сульфату амонію на фосфогіпсі вміст СаСО₃ знижується до 70%, що не виключає і в цьому випадку можливості переробки шламу на кальцієву селітру. Застосовуючи цей шлам для виробництва кальцієвої селітри, зводять до нуля первісну вартість кальцію в продукті. Дрібнокристалічний стан вуглекислого кальцію в шламі дозволяє застосувати для нейтралізації мішалки замість дорогої і громіздкої установки з гранітних башт, необхідних при роботі на шматковому вапняку. Ведучи процес нейтралізації шламу в надлишку останнього, ми отримуємо нейтральний розчин, що робить непотрібною установку подальшої донейтралізації. Разом з виключенням зі схеми заводу складу та розмельного відділення для вапняку, спрощення апаратури значно здешевлюється будівництво заводу і знижується собівартість кінцевого продукту [25].

Висновки

Способи утилізації, які були розглянуті, показують доцільність напрямку можливого використання шламу з виробництва кальцієвої селітри, перш за все, як азотного добрива з лужним ефектом. Для надання такому добриву товарної форми доцільно його (шлам) висушувати, гранулювати або вилучати водорозчинні сполуки.

2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

.1 Характеристика шламу

Кальцієва селітра - азотнокислий кальцій, одержують на ДП «Екоантилід» м. Дніпродзержинська з 1981 р. випуск продукції супроводжується утворенням відходу на стадії фільтрації розчину нітрату кальцію - шламу. За зовнішнім виглядом шлам представлений однорідною гомогенною масою сіро-жовтого кольору, пастоподібного стану без ознак розшарування і виділення води. рН становить 8,5 - 9,5; насипна щільність 1,445 кг/м³, вологість 37- 45%.

.2 Методики та засоби вимірювання параметрів та аналітичного контролю

Мета досліджень - оцінити можливі методи утилізації шламу, для переробки його в мінеральне добриво.

Експерименти проводились з реальним шламом, який відбирали на ДП «Екоантилід».

Для дослідження процесу кінетики сушки зібрали установку зображену на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 - Експериментальна установка для дослідження процесу кінетики сушки шламу.

Установка складається з сушильної шафи,зверху якої прикріплені ваги, до яких в свою чергу прикріплена сталева балка, до якої прикріплена нитка (шпагат), яка опускається в шафу. До нитки прикріплений гачок з дроту, на який підвішується шлам у вигляді кулі різного діаметру.

Фіксується початковий час відліку та маса кулі, показники записуємо через кожні 30 хвилин, експеримент продовжуємо до того часу поки маса кулі не стане постійною.

кальцієвий селітра шлам кінетика

3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

.1 Кінетика сушки шламу

Результати дослідження процесу кінетики сушки шламу при різних температурах наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 - Кінетика сушки

1.       Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 10 мм при 120°С

0,978-0,575=0,403 або

,978-0,897=0,081

,403-0,081=0,322

,897-0,817=0,08

,322-0,08=0,242

,817-0,737=0,08

,242-0,08=0,162

,737-0,655=0,082

,162-0,089=0,08

,655 - 0,581=0,074

,008 - 0,074=0,006

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 20 мм при 120°С

,172 - 3,702=2,47 або

,172 -5,925=0,247

,47 - 0,247=2,223

,685 - 5,436=0,249

,983 - 0,249=1,734

,436 - 5,191=0,245

,734 - 0,245=1,489

,9       19 - 4,947=0,244

,489 - 0,244=1,245

,947 - 4,712=0,235

,245 - 0,235=1,01

,712 - 4,630=0,082

,01 - 0,082=0,982

,630 - 4,421=0,209

,928 - 0,209=0,719

,421 - 3,968=0,453

,719 - 0,453=0,266

,968 - 3,728=0,24

,266 - 0,24=0,026

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 30 мм при120°С

24,523 - 14,812=9,711 або

,523 - 24,012=0,511

,711- 0,511=9,2

,012 -23,501=0,511

,2 - 0,511=8,689

,501 - 22,988=0,513

,689 - 0,513=8,176

,9888-22,474=0,514

,176-0,514=7,662

22,474 - 21,963=0,511

,662 - 0,511=7,151

,963 - 21,448=0,515

,151 - 0,515=6,636

,448 - 20,937=0,511

,636 - 0,511=6,125

,937 - 20,437=0,5

,125 - 0,5=6,625

,437 - 19,925=0,512

,625 - 0,512=5,113

,925 - 19,412=0,513

,113 - 0,513=4,6

,412 - 18,896=0,516

,6 - 0,516=4,084

,896 - 18,386=0,51

,084 - 0,51=3,574

,386 - 17,875=0,511

,574 - 0,511=3,063

,875 - 17,363=0,512

,063 - 0,512=2,551

,363 - 16,853=0,51

,551 - 0,51=2,041

,853 - 15,827=0,512

,827 - 0,512=1,015

,827 - 15,316=0,511

,015 - 0,511=0,304

,316 - 14,923=0,393

,504 - 0,393=0,111

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 40 мм при 120°С

48,655 - 29,015=19,64 або

,655 - 47,870=0,785

,64 - 0,785=18,855

,870 - 47,091=0,779

,076 - 0,779=18,076

,091 - 46,303=0,788

,076 - 0,788=17,288

,303 - 45,518=0,785

,288 - 0,785=16,503

,518 - 44,738=0,78

,503 - 0,78=15,723

,738 -43,956=0,782

,723 - 0,782=14,941

,956 - 43,173=0,7831

,941 - 0,783=14,158

,173 - 42,386=0,787

,158 - 0,787=13,371

,386 - 41,609=0,777

,371 - 0,777=12,594

,609 - 40,824=0,785

,594 - 0,785=11,809

,824 - 40,043=0,781

,809 - 0,781=11,028

,043 - 39,257=0,786

,028 - 0,786=10,242

,257 - 38,473=0,784

,242 -784=9,458

,473 - 37,688=0,785

,458 - 0,785=8,673

,688 - 36,903=0,785

,673 - 0,785=7,888

,903 - 36,119=0,784

,888 - 0,784=7,104

,119 - 35,352=0,767

,104 - 0,767=6,337

,352 - 34,578=0,774

,337 - 0,774=5,563

,578 - 33,793=0,785

,563 - 0,785=4,778

,793 - 33,004=0,789

,778 - 0,789=3,989

,004 - 32,218=0,786

,989 - 0,786=3,203

,218 - 31,453=0,765

,203 - 0,765=2,438

,453 - 30,668=0,785

,438 - 0,785=1,653

,668 - 29,891=0,777

,653 - 0,777=0,876

,891 - 29,116=0,775

,876 - 0,775=0,101

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 50 мм при 120°С

,604 - 60,122=41,482 або

,604 - 100,308=1,296

,482 - 1,296=40,186

,308 - 99,018=1,29

,186 - 1,29=38,896

,018 - 97,733=1,285

,896 - 1,285=37,611

,733 - 96,437=1,296

,611 - 1,296=36,315

,437 - 95,142=1,295

,315 - 1,295=35,02

,142 - 93,843=1,299

,02 - 1,299=33,721

,843 - 95,557=1,286

,721 - 1,286=32,435

,557 - 91,252=1,305

,435 - 1,305=31,130

,252 - 89,972=1,28

,130 - 1,28=29,85

,972 - 88,697=1,275

,85 - 1,275=28,575

,697 - 87,412=1,85

,575 - 1,285=27,29

,412 - 86,112=1,3

,29 - 1,3=25,99

,112 - 84,826=1,286

,99 - 1,286=24,704

,826 - 83,530=1,296

,704 - 1,296=23,408

,530 - 82,240=1,29

,408 - 1,29=22,18

,240 - 80,943=1,297

,118 - 1,297=20,821

,943 - 79,648=1,295

,821 - 1,295=19,526

,648 - 78,352=1,296

,526 - 1,296=18,23

,352 - 77,063=1,289

,23 - 1,289=16,941

,063 - 75,764=1,299

,941 - 1,2999=15,642

,764 - 74,468=1,296

,642 - 1,296=14,346

,468 - 73,172=1,296

,346 - 1,296=13,05

,172 - 71,884=1,288

,05 - 1,288=11,762

71,881 -70,598=1,286

,762 - 1,286=10,476

,586 - 69,310=1,288

,476 - 1,288=9,188

,310 - 68,013=1,297

,188 - 1,297=7,891

,013 - 66,713=1,3

,891 - 1,3=6,591

,713 - 65,423=1,29

,591 - 1,29=5,301

,423 - 64,125=1,298

,301 - 1,298=4,003

,125 - 62,525=1,6

,003 - 1,6=2,403

,525 - 61,236=1,289

,403 - 1,289=1,14

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 10 мм при150°С

,912 - 0,556=0,356 або

,912 - 0,794=0,118

,356 - 0,118=0,238

,794 - 0,678=0,116

,238 - 0,116=0,122

,678 - 0,559=0,119

,112 - 0,119=0,003

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 20 мм при150°С

6,325 - 3,741=2,584 або

,325 - 5,895=0,43

,584 - 0,43=2,154

,895 - 5,467=0,428

,154 - 0,428=1,726

,467 - 5,037=0,43

,726 - 0,43=1,296

,037 - 4,607=0,43

,29 - 0,43=0,866

,607 - 4,176=0,431

,866 - 0,431=0,435

,176 - 3,746=0,43

,435 - 0,43=0,005

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 30 мм при150°С

,315 - 24,354=0,961

,572 - 0,961=9,611

,354 - 23,394=0,96

,611 - 0,96=8,651

,394 - 22,435=0,959

,651 - 0,959=7,692

,435 - 21,47=0,965

,692 - 0,965=6,727

,47 - 20,51=0,96

,727 - 0,96=5,767

,51 - 19,549=0961

,767 - 0,961=4,806

,549 - 18,59=0,959

,806 - 0,959=3,847

,59 - 17,629=0,961

,847 - 0,961=2,886

,629 - 16,667=0,962

,886 - 0,962=1,924

,667 - 15,705=0,962

,924 - 0,962=0,962

,705 - 14,745=0,96

,962 - 0,96=0,002

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 40 мм при150°С

,167 - 28,237=20,93 або

,167 -47,936=1,231

,93 - 1,231=19,699

,936 - 46,703=1,233

,699 - 1,233=18,466

,703 - 45,473=1,23

,466 - 1,23=17,236

,473 - 44,244=1,229

,236 - 1,229=16,007

,244 - 43,012=1,232

,007 - 1,232=14,775

,012 - 41,778=1,234

,775 - 1,234=13,541

,778 - 40,548=1,23

,541 - 1,23=12,311

,548 - 39,318=1,23

,311 - 1,23=11,081

,318 - 38,09=1,228

,081 - 1,228=9,853

,09 - 36,858=1,232

,853 - 1,232=8,621

,858 - 35,628=1,23

,621 - 1,23=7,391

,628 - 34,935=1,233

,391 - 1,233=6,158

,395 - 33,166=1,229

,158 - 1,229=4,929

,166 - 31,936=1,23

,929 - 1,23=3,699

,936 - 30,704=1,232

,699 - 1,232=2,467

,704 - 29,471=1,233

,467 - 1,233=1,234

,471 - 28,241=1,23

,234 - 1,23=0,004

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 50 мм при150°С

,333 - 59,998=42,335 або

,33 - 100,495=1,838

,335 -1,838=40,497

,495 - 98,645=1,85

,497 - 1,85=38,647

,645 - 96,815=1,83

,647 - 1,83=36,817

,815 - 94,985=1,83

,817 - 1,83=34,987

,985 - 93,135=1,85

,987 - 1,85=33,137

,135 - 91,275=1,86

,137 - 1,86=31,277

,275 -89,445=1,83

,277 -1,83=29,447

,445 - 87,605=1,84

,447 - 1,84=27,607

,605 - 85,795=1,81

,607 - 1,81=25,797

,795 - 83,965=1,83

,797 - 1,83=23,967

,965 - 82,105=1,86

,967 - 1,86=22,107

,105 - 80,265=1,84

,107 - 1,84=20,267

,265 - 78,445=1,82

,267 - 1,82=18,446

,445 - 76,595=1,85

,446 - 1,85=16,596

,595 - 74,745=1,85

,596 - 1,85=14,746

,745 - 72,905=1,84

,746 - 1,84=12,906

,905 - 71,085=1,82

,906 - 1,82=11,086

,085 - 69,245=1,84

,086 - 1,84=9,246

,245 - 97,405=1,84

,246 - 1,84=7,406

,405 - 65,595=1,81

,406 - 1,81=5,596

,595 - 63,755=1,84

,596 - 1,84=3,756

,755 - 92,915=1,84

,756 - 1,84=1,916

,915 - 60,095=1,82

,916 - 1,82=0,096

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 10 мм при180°C

,953 - 0,562=0,391 або

,953 - 0,562=0,391

,391 - 0,391=0

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 20 мм при 180°С

,022 - 3,633=2,389 або

,022 - 5,226=0,796

,387 - 0,796=1,591

,226 - 4,432=0,794

,591 - 0,794=0,797

,432 - 3,638=0,794

,797 - 0,794=0,003

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 30 мм при180°С

,876 - 14,715=10,161 або

,876 - 23,183=1,693

,161 - 1,693=8,468

,183 - 21,491=1,692

,468 - 1,692=6,776

,491 - 19,797=1,694

- 1,694=5,082

,797 - 18,104=1,693

,082 - 1,693=3,389

,104 - 16,409=1,695

,389 - 1,695=1,694

,409 - 14,719=1,690

,694 -1,690=0,004

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 40 мм при180°С

,352 - 29,321=19,031 або

,352 - 46,238=2,114

,031 - 2,114=16,917

,238 - 44,123=2,115

,917 - 2,115=14,802

,132 - 42,007=2,116

,802 - 2,116=12,686

,007 - 39,893=2,114

,686 - 2,114=10,572

,893 - 37,777=2,116

,572 - 2,116=8,456

,777 - 35,663=2,114

,456 - 2,114=6,342

,663 - 33,55=2,113

,342 - 2,113=4,229

,55 - 31,436=2,114

,229 - 2,114=2,115

Розрахунок втрати вологи через кожні 30 хвилин у пробі діаметром 50 мм при180°С

,898 - 60,078=41,82 або

,898 - 98,682=3,216

,82 - 3,216=38,604

,682 - 95,467=3,215

,604 - 3,215=35,389

,467 - 92,25=3,217

,389 - 3,217=32,172

,25 - 89,037=3,213

,172 -3,213=28,959

,037 - 85,822=3,215

,959 - 3,215=25,744

,82 - 82,606=3,216

,744 - 3,216=22,528

,606 - 79,391=3,215

,528 - 3,215=19,313

,391 - 76,175=3,216

,313 - 3,216=16,097

,175 - 72,961=3,214

,097 - 3,214=12,883

,961 - 69,746=3,215

,883 - 3,215=9,668

,746 - 66,531=3,215

,668 - 3,215=6,453

,531 - 63,316=3,215

,453 - 3,215=3,238

,316 - 60,103=3,213

,238 - 3,213=0,025

З приведених розрахунків будуємо графіки залежності зміни вологи у матеріалі(шлам) від часу (рисунки 3.1-3.3).