166286 (Получение экстракционной фосфорной кислоты), страница 3

Фтор-ионы, в отличие от всегда присутствующих в кислоте кремнефторид-ионов, способствуют оводнению полугидрата. В то же время гидратация полугидрата протекает быстрее, если он получен из фосфорита, содержащего небольшие количества фтористых соединений (~0,3%) и окислов трехвалентных металлов (~0,8%); фтор в этом случае, вероятно, связан в несиликатный комплексный ион. В присутствии серной кислоты концентрация фтор-ионов увеличивается за счет распада кремнефторид-ионов, и при избытке полуторных окислов гидратация ускоряется тем в большей степени, чем больше содержание серной кислоты в растворе. Она ускоряется также при добавлении к фосфату или в пульпу активного кремнезема при одновременном добавлении ионов калия или натрия.

Перекристаллизация полугидрата ускоряется в присутствии минеральных кислот - серной, азотной, соляной и их натриевых солей, сульфатов лития, аммония, хлорида железа и других. При этом в кислых средах процесс протекает активнее, чем в нейтральных и щелочных, а технический фосфополугидрат, получаемый в производстве фосфорной кислоты, оводняется значительно медленнее, чем искусственно приготовленный «чистый» полугидрат. Гидратация тонкодисперсного полугидрата происходит интенсивнее, чем крупнокристаллического, при сопоставимых содержаниях в осадке фосфорной кислоты [4].

Скорость гидратации полугидрата зависит и от многих других факторов - содержащий в осадке воднонераcтворимой Р₂О₅, захваченной Р₂О₅ в присутствии в растворе привнесенных из апатитового концентрата соединений стронция и церия. При содержании последних в растворе в количестве 3,8-7,0% SrO или 1,8-2,8% Се₂О₃ гидратация замедляется в ~20 раз по сравнению с чистыми растворами, но полностью завершается в течение не более 6-7 ч. Большая скорость превращения полугидрата в дигидрат наблюдается при 50-60°С и содержании в растворе 5-8% H₂SO₄ вследствие, по-видимому, максимальной скорости растворения и растворимости кристаллогидратов в этих условиях.

При дигидратно-полугидратном способе перекристаллизацию дигидрата в полугидрат рассматривают в качестве одного из путей перевода действующих систем с дигидратного на полугидратный режим. В статических условиях (добавлением в экстрактор с дигидратной пульпой упаренной фосфорной кислоты при одновременном повышении температуры до 95-98°С) при содержании в кислоте 38-42% Р₂О₅, 2% SO₃ и 98°С дигидрат полностью переходит в полугидрат за 1,5-4 ч. При непрерывном ведении процесса с подачей сырья и отводом полугидратной пульпы на фильтрование время перекристаллизации сокращается в ~1,5-2 раза.

Процесс может быть проведен следующим образом. Природный фосфат разлагают смесью серной и фосфорной кислот при 50-70°С с получением кислоты концентрацией до 39% Р₂О₅. Из полученной пульпы отделяют (без промывки гипса) декантацией продукционную кислоту (33-38% Р₂О₅). Отстоявшуюся гипсовую суспензию смешивают в дегидраторе с концентрированной серной кислотой или смесью ее с фосфорной кислотой. В жидкой фазе суспензии содержится 20-30% Р₂О₅ и 10-20% H₂SO₄. При этом температура повышается до 75-85°С, что способствует быстрой перекристаллизации дигидрата в полугидрат, протекающей со скоростью, значительно превышающей скорость обратного перехода. В этих условиях промытый полугидрат содержит всего ~0,2% общей Р₂О₅ и в том числе 0,01% водорастворимой, а также 0,1% F.

В 1985-190 гг. в НИУИФ проводились поисковые и полупромышленные (в опытном цехе Воскресенского филиала НИУИФ) испытания дигидратно-полугидратного процесса получения ЭФК из Кольского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау. Они показали возможность выпуска ЭФК концентрацией до 33% Р₂О₅ с одновременным увеличением выхода Р₂О₅ до 97-98% и получения полугидрата сульфата кальция в виде квалифицированного вяжущего. Однако внедрение процесса в промышленность тормозится отсутствием средств для капитальной реконструкции технологической системы.

Таким образом, наиболее перспективным для нашей промышленности является одностадийный полугидратный процесс, основные преимущества которого заключаются в возможности получения концентрированной фосфорной кислоты (35-37% Р₂О₅ против 26-30% Р₂О₅ в дигидратном процессе) и увеличение эффективности стадии фильтрации пульпы в 1,5-2 раза по сравнению с дигидратным способом. Применение в качестве исходного фосфатного сырья Кольского апатитового концентрата и полугидратной технологии представляется наиболее благоприятной также потому, что входящие в состав апатита минералы, содержащие редкоземельные элементы и стронций, существенно замедляют процесс перекристаллизации полугидрата сульфата кальция в дигидрат.

2.1. Характеристика исходного сырья

Сырьем для получения фосфорной кислоты являются ортофосфаты – соли ортофосфорной кислоты.

Содержащийся в ортофосфатах ион РО₄^3- имеет структуру тетраэдра, расстояние Р-О составляет 1,54-1,60Å. Известны однозамещенные (например, КН₃РО₄, Са(Н₃РО₄)₂ и др.), двузамещенные (например, (NH₄)₂НРО₄, NH₄NаНРО₄ и т.д.) и трехзамещенные (например, Са₃(РО₄)₂, NH₄MgPO₄ и т.д.) ортофосфаты. При прокаливании кислых ортофосфатов в зависимости от условий нагревания образуются кольцевые мета- или цепные полифосфаты. Однозамещениые ортофосфаты растворимы в воде, из двузамещенных и трехзамещенных растворимы только соли щелочных металлов и аммония. В водных растворах ортофосфаты щелочных металлов гидролизуются. Большинство ортофосфатов, кроме ортофосфатов Bi, Sn, Ti, Zr, Hf, Th, растворимы в сильных кислотах.

Растворимые в воде ортофосфаты получают добавлением необходимых количеств Н₃РО₄ к растворам гидроокисей или карбонатов, нерастворимые ортофосфаты получают с помощью реакции обмена. Ортофосфаты Ca, NH₄⁺ используются в производстве фосфорных удобрений, эмалей, матовых стекол, в фармацевтической промышленности, в производстве огнестойких материалов.

2.2. Характеристика готового продукта

Ортофосфорная кислота (Н₃РО₄) – бесцветные кристаллы, плотность 1,87, температура плавления 42,35С, теплота образования Н⁰₂₉₈= -309,4 ккал/моль.

Безводная Н₃РО₄ склонна к переохлаждению. При нормальной температуре инертна и ниже 350С не восстанавливается углеродом и водородом. При повышенных температурax реагирует с большинством металлов и их окислов, действуя даже на кварц, золото и т.д. С водой Н₃РО₄ смешивается во всех отношениях. Кипение растворов Н₃РО₄ сопровождается разложением и образованием азеотропной смеси, содержащей 91,1-92,1%Р₂О₅ (чистая Н₃РО₄ содержит 72,4% Р₂О₅). Для Н₃РО₄ окислительные и восстановительные свойства не характерны. При обычной температуре в водных растворах Н₃РО₄ взаимодействует лишь с щелочами. При повышенных температурax и пониженных давлениях Н₃РО₄ реагирует со спиртами с образованием эфиров. Однако чаще всего эфиры Н₃РО₄ получают взаимодействием спиртов ROH с РОС1₃ или РС1₅.

Фосфорная кислота - важный полупродукт для производства удобрений, технических. реактивов, например, фосфатов аммония, натрия, кальция и т.д. Н₃РО₄ применяют в синтезе ряда органических продуктов, в производстве активированного угля, для создания на металлах защитных покрытий. Очищенная, или так называемая пищевая Н₃РО₄, применяется в производстве безалкогольных напитков, фармацевтических препаратов, для приготовления кормовых концентратов и т.д.

2.3 Модели ХТС

2.3.1 Химическая модель

Разложение фосфата при избытке ионов кальция в растворе происходит с образованием фосфополугидрата и монокальцийфосфата (МКФ):

Са₅(РО₄)₃F + 5H₂SO₄ + 2,5H₂O 3H₃PO₄ + 5CaSO₄0,5H₂O + HF

Са₅(РО₄)₃F + 7H₃PO₄ 5Ca(H₂PO₄)₂ + HF

Далее, при снижении содержания ионов кальция в фосфорной пульпе, идет взаимодействие МКФ с черной кислотой с перекристаллизацией крупнокристаллических форм полугидрата сульфата кальция:

5Ca(H₂PO₄)₂ + H₂SO₄ + 0,5H₂O CaSO₄0,5H₂O + 3H₃PO₄

2.3.2 Функциональная модель

2.3.3 Структурная модель

2.3.4 Операторная модель

2.3.5 Технологическая схема

1 – ленточный конвейер; 2 – бункер; 3 – элеватор; 4 – весовой дозатор;

5 – экстракторы с мешалками; 6,7 – напорные баки; 8 – щелевой расходомер;

9 – карусельный вакуум-фильтр

В полугидратном процессе фосфатное сырье, фосфорная кислота и ретурная пульпа попадают в первый из двух каскадно расположенных реакторов 5 первой монокальцийфосфатной стадии процесса. В двух реакторах этой стадии при температуре 90-95С в течение 1,2-1,7 ч фосфат разлагается 3,5-4,0 кратным (в расчете на образование Са(Н₃РО₄)₂) избытком фосфорной кислоты. По истечении указанного времени на выходе из второго реактора коэффициент разложения фосфата достигает 98-99%.

В последующих трех реакторах 5 происходит экстракция фосфорной кислоты при взаимодействии вводимой в третий реактор серной кислоты и находящегося в пульпе монокальцийфосфата в присутствии второго фильтрата, поступающего с фильтра. Процесс идет очень быстро при температуре 95-100С и при отсутствии в жидкой фазе свободной серной кислоты. Применение определенных способов подачи реагентов, способствующих минимизации возникающих в объеме реакционной пульпы градиентов температуры и концентраций, обеспечивает также минимальные значения величин пресыщения жидкой фазы по сульфату кальция. Такие меры позволяют выделять полугидрат в виде изометричных, близких к сферической форме кристаллов, сросшихся в агрегата диаметром до 100 мкм.

Пульпа, содержащая в жидкой фазе 45-50% Р₂О₅, делится на два потока: один (2/3 пульпы) возвращают в экстрактор, а второй (1/3 пульпы) направляют на разделение на карусельном вакуум-фильтре 9. Продукционную кислоту частично возвращают в процесс, осадок фосфополугидрата промывают водой противотоком.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены методы получения экстракционной фосфорной кислоты. Наиболее перспективным является полугидратный способ получения фосфорной кислоты, так как дает возможность получения концентрированной фосфорной кислоты (35-37% Р₂О₅) и увеличение эффективности стадии фильтрации пульпы в 1,5-2 раза по сравнению с дигидратным способом.

В работе представлена характеристика исходного сырья и готовой продукции. Построены химическая, функциональная, структурная, операторная, технологическая модели ХТС по получению фосфорной кислоты.

Список использованной литературы

1. Кислотные методы переработки фосфатного сырья / Е.Л. Яхонтова, И.А. Петропавловский, В.Ф. Кармышов, И.А. Спиридонова. – М.: Химия, 1988. – 288 с.

2. Шуб Б.И. Перспективы развития полугидратного процесса получения экстракционной фосфорной кислоты / Б.И. Шуб, Э.В. Хлебодарова // Химическая промышленность. – 1999. - №11. – С.41-43.

3. Большая советская энциклопедия / под ред. А.Н. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1976. – Т.23.

4. Копылев В.Н. Технология экстракционной фосфорной кислоты / В.Н. Копылев. – М.: Химия, 1981. – 224 с.