166286 (Получение экстракционной фосфорной кислоты), страница 2

Фосфорная кислота, полученная из чилисайского флотационного концентрата, характеризуется пониженной концентрацией Р₂О₅ (20-22%); кроме того, для экстракции необходима повышенная норма серной кислоты (103-105% от стехиометрической, считая на СаО в сырье). С увеличением нормы серной кислоты от 100 до 105-106% (от стехиометрии) степень извлечения Р₂О₅ увеличивается на 2-3% (от 96 до 98,5%). Это объясняется тем, что образующиеся при разложении фосфаты железа в присутствии серной кислоты (2,5-3,5% SO₃) остаются в жидкой Фазе длительное время в пересыщенном состоянии. В этих Условиях в кислоту переводит 80-85% Fe₂O₃, содержащейся в сырье. При недостаточном содержании SO₃ (до 2%) Увеличивается количество фосфатов железа в фосфогипс, что приводит к уменьшению степени извлечения Р₂О₅ в раствор.

Оптимальными условиями процесса являются (помимо указанной выше концентрации и нормы серной кислоты температура пульпы в экстракторе 80-82°С, продолжительность обработки пульпы 6 ч, массовое отношение Ж:Т в пульпе 2:1, расход воды для промывки фосфогипса 1000кг на 1 т сухого осадка при температуре ее 80-80°С. При этом коэффициент разложения концентрата составляет 95-97%, коэффициенты отмывки Р₂О₅ из фосфогипса - 98 и выхода Р₂О₅ в кислоту – 94-95%.

Получаемая кислота плотностью 1300 кг/м³ содержит в %: Р₂О₅ – 21- 22; SO₃ - 2,5-3,5; СаО - 0,4; MgO - 0,7; Fe₂O₃ - 0,9; Al₂O₃ -1,2 и F-1,2.

В общем цикле переработки природных фосфатов в удобрения или технические соли производство экстракционной фосфорной кислоты является промежуточным технологическим процессом. Недостаток его - образование кислоты невысокой концентрации и необходимость ее упаривания, а также трудности, возникающие при переработке бедных видов сырья.

В настоящее время накопились многочисленные и всесторонние данные о свойствах модифицированных фосфорнокислых растворов и поведении в них кристаллогидратов сульфата кальция, а также сведения о селективном растворении составных частей фосфатного сырья. Они послужили основанием различных предложенных способов экстракции фосфорной кислоты из апатитового концентрата и фосфоритов Каратау в сочетании с последующим ее использованием, или с предварительным обезмагниванием бедных доломитизированных фосфоритов для кислотной переработки.

В настоящее время существует два способа получения фосфорной кислоты: полугидратный и дигидратный способы.

Полугидратным методом получают кислоту, содержащую 35-48% Р₂О₅. Это позволяет увеличить мощность действующих цехов в 1,3-1,5 раза и несколько уменьшить количество отхода - сульфатного остатка.

В значительной мере успехи, достигнутые в области изучения и освоения полугидратного метода, основаны на технических усовершенствованиях и достижениях производства экстракционной фосфорной кислоты дигидратным методом.

Оба процесса протекают с выделением твердых фаз - дигидрата и полугидрата сульфата кальция в метастабильном состоянии, но резко отличающихся по своей растворимости, устойчивости, размерам и форме кристаллов.

Успешное осуществление процесса полугидратным методом возможно при выделении достаточно стабильных кристаллов полугидрата, обеспечивающих максимально полное отделение фосфорной кислоты от осадка и не гидратирующихся в процессе промывки водой на фильтре и при дальнейшей транспортировке и хранении.

Температурные условия процесса зависят от концентрации получаемой кислоты и в области метастабильното существования полугидрата в системе CaSO₄Н₃РО₄Н₂О заключены в относительно небольших пределах. При концентрации кислоты от 35 до 50% Р₂О₅ верхний диапазон температур изменяется от 10 до 90С. Нижний диапазон, начиная с 70°С, не представляет практического интереса, особенно при содержании в кислоте более 37-40% Р₂О₅ вследствие малой скорости реакции и затруднений, связанных с отделением осадка от кис лоты большой вязкости.

При малой растворимости и медленном растворении полугидрата последний долго дегидратируется и при 115-125С в концентрированной фосфорной кислоте.

Присутствие в растворе 0,5-0,6% фтористых и кремнефтористых соединений приводит к резкому уменьшению размеров кристаллов и замедлению фильтрования в 2 раза. Увеличение содержания фтористых соединений до 1% замедляет фильтрование в 5 раз. Появление кристаллов полугидрата игольчатой формы вызвано торможением роста граней призмы при быстром росте вершинных граней вследствие избирательной адсорбции примеси на гранях растущего кристалла. Но совместное присутствие в растворе примесей соединений алюминия и ионов фтора вызывает (при содержании до 2% А1₂О₃ и 0,4-0,5% F) образование, более изометричных кристаллов с лучшими фильтрующимися свойствами, чем в отсутствие примесей. Полное превращение полугидрата в гипс в растворах, содержащих 10-18% Р₂О₅, завершается в течение 1 ч. При содержании в кислоте 25% P₂O₅ фазовый переход заканчивается в течение 1,5-2 ч [3].

Скорость гидратации полугидрата в значительной степени зависит и от условий его получения. Чем выше концентрация фосфорной кислоты, в которой происходило выделение полугидрата, тем медленнее происходит его оводнение в разбавленных растворах.

В России освоено и налажено в промышленных масштабах производство полугидратным методом фосфорной кислоты концентрации 45-48 и 35-38% Р₂О₅. Кислоту концентрации 45-48% Р₂О₅ в небольших масштабах производят по способу, разработанному в НТИ им. Ленсовета совместно с Винницким химическим комбинатом и ЛенНИИГипрохимом. В основе способа получения 35-38%-ной кислоты на типовых промышленных установках лежат разработки, проведенные в НИУИФе, ЛенНИИГипрохиме, Воскресенском ПО «Минудобрение», на Красноуральском медеплавильном комбинате и др.

По способу, предложенному в ВИУИФе, апатитовый концентрат разлагают смесью 92-93%-ной H₂SO₄ и оборотной концентрированной фосфорной кислоты при 94-95°С с получением кислоты, содержащей 43-48% Р₂О₅ и 0,7-1,3% SO₃. Процесс протекает при интенсивном выделении фторсодержащих газообразных соединений (более 50% от общего содержания в сырье) и степени разложения апатита, равной 97,5%).

В настоящее время фосфорную кислоту концентрации 35-37% Р₂О₅ из апатитового концентрата полугидратным методом по способу НИУИФа и Воскресенского ПО «Минудобрения» получают на ряде предприятий. Для предварительного смешения серной и фосфорной кислот применяют высокоскоростной смеситель конструкции Воскресенского ПО «Минудобрения» и НИИХиммаша. Он представляет собой аппарат типа «труба в трубе», выполненный из нержавеющей стали. Во внутреннюю трубу сверху подают разбавленную охлажденную серную кислоту с температурой не более 60°С, которая распределяется форсункой, помещенной на конце трубы. В наружную трубу тангенциально подводят оборотную фосфорную кислоту. Кислоты смешиваются на выходе из трубы над поверхностью пульпы; в экстракторе.

Процесс ведут преимущественно с применением цилиндрических, реакторов. Прямоугольные железобетонные экстракторы с рабочим объемом 740 м³ с годовой производительностью 140 тыс.т Р₂О₅ представляют большие затруднения в эксплуатации. Экстрактор разделен внутри перегородками на восемь рабочих секций и две дополнительных, изнутри покрыт антикоррозионной защитой. Крышка экстрактора защищена листом из нержавеющей стали.

В зоне газовой фазы все секции сообщаются между собой. Над перегородками между нечетными и четными секциями устанавливается специальное устройство в виде вала с лопастью, при вращении которого снимаются отложения геля кремниевой кислоты, образующегося в результате интенсивного выделения фторсодержащих газов в узлах между крышкой экстрактора и перегородками. С первой по четвертую и в восьмой секциях установлены турбинные мешалки с интенсивной циркуляцией, в пятой, шестой и седьмой секциях - винтовые мешалки.

Выделяющиеся в экстракторе фторсодержащие газы и водяные пары протягиваются вентилятором из четвертой секции экстрактора в абсорбционную систему.

Образующуюся пульту из девятой секции отводят погружными насосами в вакуум-испарительную установку. Охлажденная на 3-5°С пульпа из испарителя по барометрическому трубопроводу перетекает в распределительную десятую секцию экстрактора. Основное количество -охлажденной пульпы из десятой секции поступает в первую секцию экстрактора, а остальное - на фильтр.

Водяные пары и фторсодержащие газы, выделяющиеся при кипении пульпы в вакуум-испарителе, проходят ловушку-брызгоуловитель, орошаемый водой при помощи форсунки, газоход (для предотвращения зарастания осадком), абсорбционную башню, циклон-сепаратор, поверхностные конденсаторы, а затем вакуум-насосом несконденсировавшиеся пары и газы выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу.

Фильтрование пульпы с четырехкратной промывкой осадка - производится на карусельном вакуум-фильтре с поверхностью 80 м². Осадок промывают водой с температурой не менее 80°С в количестве ~ 700кг на 1000 кг апатита.

Промытый и подсушенный-воздухом фосфополугидрат выгружают в бункер, откуда вывозят самосвалами в отвал.

Получаемая фосфорная кислота содержит 36,5-37% Р₂О₅.

В ЛТИ им. Ленсовета (кафедра технологии неорганических веществ), начиная с 50-х гг., были выполнены многочисленные и многосторонние исследования, в результате которых были получены новые данные и расширены, имеющиеся сведения о скорости растворения фосфатов в кислотах, растворимости, пересыщении и кристаллизации твердых фаз в образующихся системах и др. Полученные данные послужили основанием для выбора оптимальных режимов и технологических условий производства фосфорной кислоты,, содержащей 45-48% P₂O₅, полугидратным способом.

Отличительная черта этого способа (ЛТИ им. Ленсовета, Винницкого химического комбината и ЛеиНИИГипрохима), используемого уже в течение более 10 лет, - практически полное разложение апатита в избытке фосфорной кислоты при одновременном удалении из реакционной массы кремнефтористых соединений и обработке полученной монокальций фосфатной пульпы серной кислотой. Процесс осуществляется в каскаде из 4-5 экстракторов с фильтрованием пульпы на ленточных вакуум-фильтрах.

Апатитовый концентрат разлагают в 3,5-4-кратном избытке фосфорной кислоты в расчете на образование Са(Н₂РО₄)₂ при 90-95°С в течение 1,2-1,7 ч. Разложение апатита избытком концентрированной фосфорной кислоты протекает с достаточной скоростью уже при 60-70°С. С повышением температуры до 90-95 °С увеличивается концентрация СаО в жидкой фазе пульпы от 2,5-2,7 до 4,3% и отношение Ж:Т в пульпе, а также уменьшается вязкость раствора и пульпы. Соотношение между фосфорной кислотой, поступающей с первым фильтратом и циркулирующей пульпой, зависит от отношения Ж:Т в пульте. При Ж:Т = 3:1 с пульпой вводится в ~2,5 раза больше кислоты, чем с первым фильтратом.

В фосфорной кислоте, применяемой для разложения апатита, должно находиться не более 0,4% свободной H₂SO₄. В присутствии больших количеств свободной серной кислоты уменьшается степень разложения апатита и выделяющийся при этой стадии сульфат кальция плохо фильтруется.

В производстве в России и за рубежом по прежнему доминирующее положение занимает дигидратный процесс. В 70-80-е годы основным направлением совершенствования этого процесса является укрупнение единичных мощностей от 55 до 300 тыс.т. Р₂О₅ в год с одновременной модернизацией и разработкой более совершенного технологического оборудования. К ним относится: повышение надежности узла дозирования фосфатного сырья за счет использования стабилизаторов истечения, предварительное смешение фосфатного сырья с пульпой в скоростных пленочных смесителях; создание режимов с двухзонным сульфатным режимом и интенсивной внешней и внутренней циркуляцией пульпы; улучшение конструкции перемешивающих устройств; усовершенствование методов охлаждения пульпы за счет использования вакуум-испарителя и аппаратов воздушного охлаждения пенного типа; разработка аппаратуры с безопасной циркуляцией жидкости для очистки фторсодержащих газов; модернизация конструкции карусельных вакуум-фильтров.

Однако, не смотря на развитие техники производства ЭФК не удалось существенно интенсифицировать дигидратный процесс – концентрация продукционной кислоты не превышает 28 % Р₂О₅, а удельный расход фосфогипса находится на уровне 700-800 кг/(м²ч), аналитический (теоретический) выход Р₂О₅ составляет 96%.

Поэтому в мировой практике начали внедрятся в промышленность полугидратные, полугидратно-гидратные и дигидратно-полугидратные способы получения ЭФК. Комбинированные методы предпочтительнее дигидратного вследствие значительного увеличения выхода Р₂О₅ в кислоту, повышения концентрации ЭФК до 33-35% Р₂О₅ и получения сульфата кальция, пригодного для дальнейшей переработки.

Сложность стабилизации полугидрата и зависимость ее как от постоянных, так и переменных (случайных) параметров обусловливает затруднения в регулировании промышленного процесса производства кислоты в полугидратном режиме, особенно на установках большой мощности. Это вызвало интерес к двустадийным способам получения фосфорной кислоты, позволяющим повысить на 2,0-2,5% (абс.) степень извлечения Р₂О₅, получить концентрированную кислоту (до 55%) и использовать сульфат кальция без дополнительной очистки для производства строительных материалов.

На первой стадии процесс ведут с выделением в твердую фазу полугидрата или дигидрата, а во второй стадии перекристаллизовывают полугидрат в дигидрат или дигидрат в полугидрат.

При полугидратно-дигидратном способе на первой стадии выделяется относительно устойчивый полугидрат, не оводняющийся в процессе экстракции. Во второй стадии полугидрат, не отделенный или после отделения от жидкой фазы, перекристаллйзовывают в дигидрат с выделением крупных, хорошо образованных и быстро фильтрующихся кристаллов.

Преимущества указанного способа - максимальная (до 98,5%) степень извлечения из сырья фосфорной кислоты в раствор при минимальном расходе серной кислоты и получение гипса высокого качества, содержащего не больше 0,3% общей Р₂О₅. По этому способу работают некоторые заводы в Японии и в других странах с максимальной суточной мощностью 200 т (60- 65 тыс.т в 1 год) Р₂О₅ (кислота содержит 30-32% P₂O₅).

Для выделения негидратирующегося при экстракции полугидрата процесс проводят при повышенных температурах (90-95°С).