ЕвроТехсервис

Автоматизация технологического процесса производства фосфорной кислоты. Нижний Тагил

к списку лекций

к списку предметов

Производство фосфорной кислоты.

Фосфорная кислота H 3 PO 4 является важнейшим промежуточным продуктом в производстве концентрированных фосфоросодержащих удобрений. Кроме того, фосфорная кислота используется в производстве различных технических солей, фосфорорганических соединений, в том числе инсектицидов, полупроводников, ионообменных смол, а также для создания защитных покрытий на металлах. Очищенная или так называемая пищевая фосфорная кислота используется в пищевой промышленности, для приготовления кормовых концентратов и фармацевтических препаратов.

Сырьё для производства фосфорной кислоты – см. сырьевая основа химической промышленности (лекция 1).

Фосфор извлекают из фосфатных руд их разложением. В настоящее время наибольшее распространение получило кислотное разложение руд, содержащих более 25 % Р2 О5. Фосфорная кислота образуется непосредственно при растворении руды, т.е. прямым извлечением соединений фосфора экстракцией. Отсюда название продукта - экстракционная фосфорная кислота (ЭФК). Из более бедных руд получают термическую фосфорную кислоту. Процесс основан на восстановлении фосфора из природных фосфатов коксом при высоких температурах и дальнейшем получении Н3 РО4 из фосфора.

Функциональная схема производства ЭФК.

Сложность состава исходного сырья, которое не может быть унифицировано, приводит к существованию ряда вариантов технологических схем его переработки. Одним из хорошо исследованных является сернокислотное разложение апатитового концентрата, получаемого обогащением хибинской апатито-нефелиновой руды и содержащего около 39% Р2 О5. Его разложение – гетерогенная реакция “жидкость – твердое тело”.

Выделение примесей облегчается переходом их в другую фазу. Кальциевая составляющая выпадает в осадок в виде гипса ( CaSO 4 ), вторая уходит в газовую фазу в виде фтороводорода HF. Функциональная схема производства ЭФК (рис. 1) включает разложение измельченного сырья в реакторе (экстракторе), фильтрацию твердого осадка, упаривание фосфорной кислоты до товарной концентрации и очистку отходящих газов. Твердый отход получил название “фосфогипс”. Образующийся фтороводород взаимодействует с пустой породой сырья

Поэтому при промывке отходящих газов водой оба летучих продукта улавливаются в виде кремнефтористоводородной кислоты H 2 SiF 4 .

Рисунок. 1. Функциональная схема производства экстракционной фосфорной кислоты.

1 – реактор разложения апатита (экстрактор); 2 – вакуум фильтр; 3 – сборник фильтратов;

4 – колона выпарки фосфорной кислоты; 5 – система очистки газов.

Сернокислотное разложение апатита.

На скорость превращения апатита по реакции (1) влияет отвод продуктов реакции – ионов Са 2+ и от поверхности частиц в раствор, и чем меньше концентрация Са 2+ в растворе, тем скорость растворения будет больше.

Одновременно с растворением апатита происходит образование твердого CaSO 4. который плохо растворим. Связывание Са 2+ в CaSO 4 должно увеличивать скорость растворения апатита. Казалось бы, увеличение концентрации серной кислоты, т.е. ионов - фактор благоприятный. Но вызывают не только осаждение Са 2+ в виде отдельной фазы в растворе, но и на поверхности частиц апатита. Образующаяся корка CaSO 4 сначала замедляет растворение, а затем блокирует поверхность, и растворение практически прекращается. Поэтому есть некоторая оптимальная концентрация CaSO 4. при которой степень извлечения фосфора из сырья будет максимальной. Таким образом, к концентрации Н2 SO 4 в реакторе предъявляются жесткие требования: строгое поддержание этой концентрации на оптимальном уровне во всем объеме реакционной зоны.

Реакционный узел представляет собой последовательность секций с интенсивным перемешиванием реагентов в каждой из них и перетоком между ними для организации движения реакционной массы по каскаду. Перемешивание должно предотвратить расслоение на твердую и жидкую фазы. В первых секциях происходит в основном растворение апатита. Остальные секции работают как дозреватели, в них формируются кристаллы CaSO 4. Между последней и первой секциями организован интенсивный рецикл (при кратности циркуляции 20 и более).

§ устранить локальное пересыщение в зоне ввода реагентов;

§ подать в первую секцию кристаллы CaSO 4 как центры кристаллизации, облегчающие связывание Ca 2+ в самом начале растворения;

§ создать однородные условия в секциях для растворения сырья и роста кристаллов.

Чтобы создать благоприятные условия сначала для растворения, когда необходимо иметь балансовую концентрацию . а затем для формирования кристаллов при небольшом избытке организуют распределенную подачу серной кислоты в одну из первых и в одну из последних секций каскада. Степень разложения апатита достигает 97 % и выше, образуются крупные кристаллы, облегчающие их отделение фильтрацией.

Образование продукционной фосфорной кислоты включает в себя отделение осадка CaSO 4 (фосфогипса) и концентрирование кислоты. В зависимости от условий разложения образуются кристаллы CaSO 4 × 2Н2 О (дигидрат) или CaSO 4 × 0,5Н2 О (полугидрат). В дигидратном процессе температура 343-353 К и концентрация фосфорной кислоты 25-35 %. В полугидратном процессе эти показатели составляют 358-378 К и 35 мас. %. Фосфогипс отделяют на вакуум-фильтре. Фильтрат направляют на выпаривание, где концентрация кислоты увеличивается до 52-54 %. Это и есть продукционная кислота. При выпаривании из кислоты удаляется 80-90 % фтора в виде HF. Отходящие из реактора и из узла выпаривания фторсодержащие газы в системах очистки поглощаются с образованием кремнефтористоводородной кислоты.

На одну тонну продукта образуется более 2,5 т трудно перерабатываемого CaSO 4. C ним теряется серная кислота, ее эффективная промышленная регенерация из фосфогипса до сих пор не разработана. Фосфогипс используется для производства гипсовых вяжущих добавок к цементу, строительных изделий, в сельском хозяйстве для гипсования солончаковых почв. Большая часть фосфогипса складируется в отвалы.

Экстракционная кислота используется для получения фосфорных удобрений. Для других целей используется концентрированная фосфорная кислота, которую получают электротермическим методом. Он основан на восстановлении фосфора из фосфатов в электродуговых печах с последующим окислением элементарного парообразного фосфора (Р4 ) до его оксида

к списку предметов

к списку лекций