Статья: Изучение научно-производственных принципов химической технологии экстракционной фосфорной кислоты в лабораторных условиях

1

Изучение научно-производственных принципов химической технологии экстракционной фосфорной кислоты в лабораторных условиях

В современных условиях глобальной конкуренции на все более интегрирующихся мировых рынках, развитие химической промышленности Казахстана имеет особенное значение. Оно предусматривает ускоренное создание новой, современной технологии и химической отрасли, освоение производства конкурентоспособных видов продукции и выход в фазу устойчивого социально-экономического развития химической промышленности и сопутствующих ей отраслей. Химическая промышленность является крупным поставщиком сырья, полупродуктов, материалов для многих отраслей национальной экономики.

В Плане действий по развитию химической промышленности Республики Казахстан на 2009-2015 годы предусмотрены реконструкция, модернизация и расширение мощностей действующих предприятий, а также строительство новых производств.

Одним из ведущих направлений химической промышленности Казахстана является фосфорная промышленность (производство фосфорсодержащих продуктов путем освоения богатейших запасов фосфоритов Южного и Западного Казахстана), поскольку эта отрасль служит основой для развития сельского хозяйства.

Продукция отечественной фосфорной промышленности представлена желтым фосфором, термической и экстракционной фосфорной кислотой, минеральными удобрениями и др.

Основными промышленными способами производства фосфорной кислоты в мире являются термический и экстракционный. Следует отметить, что сегодня за рубежом и на территории СНГ наблюдается спад производства термической фосфорной кислоты и рост производства очищенной экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК). Термический способ позволяет получать наиболее чистый продукт, но представляется весьма энергоемким, дорогостоящим и экологически опасным. Экстракционный способ получения фосфорной кислоты имеет преимущества: низкая себестоимость и энергоемкость, высокая технологичность и возможность получения кислоты любого качества. ЭФК, получаемая сернокислотным разложением фосфатного сырья, является основным сырьем в производстве высококачественных фосфорных и сложных удобрений, очищенной фосфорной кислоты и кормовых фосфатов. В настоящее время ее мировое производство составляет 48,1 млн. т в пересчете на Р₂О₅. Многообразное использование фосфорной кислоты практически во всех сферах нашей жизни дает право назвать производство фосфорной кислоты крупнотоннажным производством. Данная научная работа имеет теоретическое и практическое значение с точки зрения проблем и задачи переработки фосфатного сырья в целевой продукт - фосфорную кислоту с соблюдением условий оптимальных технологических режимов выхода.

Целью проекта является получение сведений о важнейших физико-химических свойствах фосфорной кислоты и ее применении, сырье, экстракционном способе получения и его использования. Важной задачей является исследование научно-производственных принципов химической технологии ЭФК в лабораторных условиях. Расчетная часть включает задание на материальный баланс процесса получения ЭФК сернокислотным разложением; провести экстракцию и фильтрование полученной суспензии в лабораторных условиях.

Научная новизна. Практическое изучение научно-промышленных принципов синтеза ЭФК в условиях модернизации производства.

Общие сведения о фосфорной кислоте

Ортофосфорная кислота H₃PO₄, молярная масса 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии; расплывается на воздухе; температура плавления 42,5 ⁰С; плотность 1,88 г./см³; -1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению; при 15 ⁰C образует густую

маслянистую жидкость, при -121 ⁰C - стеклообразную массу.

Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата

H₃PO₄·0,5H₂O - бесцветные кристаллы моноклинной сингонии. Молекула безводной H₃PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄. В безводной фосфорной кислоте образуются водородные связи типа P - О - H… O = P (расстояние между атомами О 0,253 нм), которые удерживают структуры PO₄ в виде слоев, параллельных одной из плоскостей кристалла. Водородные связи сохраняются и в концентрированных (70-80%) растворах фосфорной кислоты, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфатанионов с молекулами воды, а не с другими фосфат-анионами. В растворах фосфорная кислота имеет место обмен атомами кислорода между группами PO₄ и водой.

H₃PO₄ - слабая трехосновная кислота, K₁ 7,1·10^-3 (рКа 2,12), K₂ 6,2·10^-8 (рКа 7,20), K₃ 5,0·10^-13 (рКа 12,32); значения K1 и K2 зависят от температуры. Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична.

Фосфорная кислота при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом

образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагревании выше 80 ⁰C реагирует даже с неактивными оксидами, кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах фосфорная кислота - слабый окислитель для металлов. При действии на металлическую поверхность раствором фосфорной кислоты с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование). Фосфорная кислота при нагревании теряет воду с образованием последовательно пиро- и метафосфорных кислот:

фосфорный кислота экстракционный лабораторный

Фосфолеум (жидкий фосфорный ангидрид, суперфосфорная кислота) включает кислоты, содержащие от 72,4 до 88,6% P₂O₅, и представляет собой равновесную систему, состоящую из орто-, пиро-, триполи-, тетраполи- и других фосфорных кислот. При разбавлении суперфосфорной кислоты водой выделяется значительное количество тепла, и полифосфорные кислоты быстро переходят в ортофосфорную.

От других фосфорных кислот H₃PO₄ можно отличить по реакции с AgNO₃ - выпадает желтый осадок Ag₃PO₄. Остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки [1-2].

Фосфорная кислота - важный полупродукт для производства удобрений, технических реактивов, 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.

Получение экстракционной фосфорной кислоты

Более экономичный экстракционный метод получения фосфорной кислоты основан на разложении природных фосфатов кислотами (в основном серной, в меньшей степени азотной и незначительно соляной). Фосфорнокислые растворы, полученные разложением азотной кислотой, перерабатывают в комплексные удобрения, разложением соляной кислотой - в преципитат.

Сернокислотное разложение фосфатного сырья (апатитового или фосфоритового концентрата) - хорошо исследованный метод получения ЭФК, применяемой для производства концентрированных фосфорных и комплексных удобрений. Суть метода - извлечение (экстрагирование) P₄O₁₀ (обычно P₂O₅) в виде H₃PO₄. По этому методу природные фосфаты обрабатывают H₂SO₄ с последующим фильтрованием полученной пульпы для отделения фосфорной кислоты от осадка сульфата кальция. Часть выделенного основного фильтрата, а также весь фильтрат, полученный при промывке осадка на фильтре, возвращают в процесс экстрагирования (раствор разбавления) для обеспечения достаточной подвижности пульпы при ее перемешивании и транспортировке. Массовое соотношение между жидкой и твердой фазами от 1,7:1 до 3,0:1.

Природные фосфаты разлагаются по схеме (гетерогенная химическая реакция «жидкость - твердое тело»):

Ca₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ > 5CaSO₄(тв)v + 3Н₃РО₄ + HF

В случае смешения фосфата с серной кислотой средних концентраций образуется густая малоподвижная пульпа, не поддающаяся разделению. Поэтому разложение фосфата проводят в присутствии некоторого количества циркулирующей продукционной фосфорной кислоты и возвращаемых в процесс промывных растворов. В результате этого вначале фосфат реагирует в той или иной степени с фосфорной кислотой, содержащейся в растворе разбавления:

Ca₃F(PO₄)₃ + nH₃PO₄>5 Ca(H₂PO₄)₂+ (n-7) H₃PO₄+ HF

Затем образовавшийся Ca(H₂PO₄)₂ взаимодействует с серной кислотой в присутствии фосфорной кислоты:

Ca(H₂PO₄)₂ + H₂SO₄ + mH₃PO₄ > CaSO₄+ (m+2) H₃PO₄

Разложению кислотами подвергаются также сопутствующие примеси: кальцит, доломит, сидерит, нефелин, глауконит, каолин и другие минералы.

Разложение примесей:

CaCO3*MgCO3 +2H2SO4+(n-2) H2O>CaSO4* nH2O+MgSO4+2CO2

K2O*Na2O*Al2O3*2SiO2+5H2SO4> Na2SO4+K2SO4+Al2 (SO4) 3+2SiO2+5H2O

SiO2+4HF> SiF4+2H2O

SiF4+2HF>H2SiF6

Это приводит к увеличению расхода используемой кислоты, а также снижает извлечение P₂O₅ в целевой продукт вследствие образования нерастворимых фосфатов железа FeH₃(PO₄)₂ ·2,5H₂O при концентрациях P₂O₅ выше 40% и FePO₄ · 2H₂O - при более низких концентрациях. Выделяющийся при разложении карбонатов СО₂ образует в экстракторах стойкую пену; растворимые фосфаты Mg, Fe и Al снижают активность фосфорной кислоты, а также уменьшают содержание усвояемых форм P₂O₅ в удобрениях при последующей переработке фосфорной кислоты.

С учетом влияния примесей определены требования к фосфатному сырью, согласно которым природные фосфаты с повышенным содержанием Fe, Al, Mg, карбонатов и органических веществ непригодны для производства фосфорной кислоты.

При разложении фосфатов серной кислотой наряду с фосфорной кислотой образуется практически нерастворимый сульфат кальция.

Сульфат кальция может быть выделен в форме дигидрата CaSO₄·2H₂O (гипса), полугидрата (гемигидрата) CaSO₄·0,5H₂O или водного CaSO₄ (ангидрита).

В зависимости от этого процесс можно вести дигидратным, полугидратным (гемигидратным) или ангидритным способами при разных температурах с получением фосфорной кислоты различной концентрации. Количество воды, вводимой в систему определяется не только степенью окисления выделившегося сульфата кальция, сколько отмывкой кислоты из осадка и необходимостью создания текучести пульпы и концентрации кислоты [1-4].

На процесс получения ЭФК влияют:

1. Активность жидкой фазы (H2SO4). По мере расхода H2SO4 концентрация иона Н⁺ уменьшается, снижается активность жидкой фазы, скорость разложения снижается.

2. С повышением t за счет реакции, наблюдается увеличение скорости разложения.

3. Примеси оказывают отрицательное влияние.

4. Скорость перемешивания до определенного предела влияет на смешивания Т-Ж.

5. Состав и тонкость помола сырья.

На рисунке 1 представлена функциональная схема производства ЭФК.

Рис. 1 Функциональная схема производства ЭФК

1 - реактор разложения природных фосфатов (экстрактор); 2 - вакуум фильтр; 3 - сборник фильтратов; 4 - колона выпарки фосфорной кислоты; 5 - система очистки газов

Получение ЭФК дигидратным способом

Схемы дигидратного процесса различаются применением или отсутствием циркуляции пульпы, распределением реагентов между реакторами, способами охлаждения пульпы, методами разделения твердой и жидкой фаз и промывки фосфогипса.

Основная цель процесса - ведение без резких колебаний концентраций, температуры и образование более крупных кристаллов сульфата кальция, поэтому создают условия:

• чем больше продолжительность взаимодействия реагентов, тем крупнее и однороднее получаются кристаллы (ф=4-6 ч);

• для увеличения скорости кристаллизации процесс проводят в присутствии большого количества растущих кристаллов сульфата кальция (затравка);

• оптимальная концентрация серной кислоты в жидкой фазе при осаждении сульфата кальция поддерживается 1-1,8% (в пересчете на SO3);

• для выращивания крупных кристаллов гипса в экстракторах 0 поддерживают температуру 70-75 С.

На рисунке 2 приведена технологическая схема получения фосфорной кислоты (28-32% Р2О5) из апатитового или (20-22% Р2О5) фосфоритового концентрата.

По схеме в первый реактор экстрактора 3 из бункера 1 дозатором 2 непрерывно вводят фосфат. В этот же реактор погружными насосами 5 вводят оборотную фосфорную кислоту из барометрического сборника 16 и циркуляционную суспензию после вакуум-испарительной установки 8 (кратность циркуляции (8ч12):1) и серную кислоту из сборника 4. Серную кислоту возможно частично или полностью вводить во второй реактор. Соотношение Ж:Т в суспензии в экстракторе поддерживают равным (1,7ч2,5):1. Из первого реактора суспензия протекает во второй, откуда основная часть ее погружным насосом 7 подается в вакуум-испаритель 8, представляющий собой резервуар, в котором вакуум - насосом поддерживают пониженное давление.