Технология производства фофорной кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Характеристика основных аппаратов

Основными аппаратами в производстве экстракционной фосфорной кислоты являются  реактор и вакуум-фильтр.

На Российских заводах для производства ЭФК с содержанием 30–32% Р2О5 применяют экстракторы как средней (с рабочим объемом 85 м3), так и большой мощности (с рабочим объемом 440 и 730 м3). Рассмотрим строение экстрактора с рабочим объемом 730 м3 и карусельного вакуум-фильтра с поверхностью 80 м2 производительность одной технологической нитки при работе с пульпой (Ж: Т = (1,6 – 1,7):1) составляет 330 т Р2О5 в сутки или 37 т/ч апатитового концентрата.

Экстрактор представляет собой железобетонный прямоугольный аппарат с плоским дном с размерами 25,2х11,2х6,45 м, изнутри футерованный в два слоя кислотоупорным силикатным и углеродным кирпичом. Он разделен перегородками из кислотоупорного кирпича на 10 секций – отделений, из которых восемь – рабочих, девятая – карман для установки насосов, а десятая – распределительная емкость, откуда охлажденную в вакуум-испарителе пульпу направляют частично на фильтрацию (155–160 т/ч), а в основном – в первую секцию (рис. 3).

Рис. 3. Схема реактора разложения апатита (экстрактора).

Между одними рабочими секциями в перегородках имеются отверстия для перетока пульпы из предыдущего отделения в последующие, а другие – имеют меньшую высоту перегородок для перетока пульпы по верху. Вследствие этого пульпа передвигается по отделениям экстрактора по синусоиде. Каждая рабочая секция снабжена двухъярусной мешалкой (с шестью лопастями в каждом ярусе) высотой 5,4 и диаметром 1,5 м, изготовленной из нержавеющей стали. Гуммированный вал мешалки вращается со скоростью 70–72 об/мин. Иногда в каждой секции устанавливают по три лопастных или пропеллерных мешалки с удельной мощностью электродвигателя равной 0,81 кВт/м3 объема реактора. Первые четыре секции (по ходу пульпы) имеют объем 100 м3 каждая, а четыре последние – по 150 м3 Продолжительность пребывания пульпы в реакторе составляет 7–7,5 ч.

Отвешенный автоматическими весами апатитовый концентрат (35–38 т/ч) поступает в первое отделение экстрактора. Серную кислоту (33–35 т/ч в расчете на моногидрат) с концентрацией 92,5% (или 75%-ную H2SO4), разбавленную до 55–57%, охлажденную в графитовых холодильниках до 50–70°С, подают через распределительную коробку в первые три отделения экстрактора. Сюда направляют также раствор разбавления, содержащий 22–24%. Р2О5 (55–57 м3/ч) и имеющий плотность 1,24–1,26 г/см3. Его получают смешиванием части основного фильтрата (оборотного раствора) со вторым фильтратом. 

Отвод тепла реакции и поддержание оптимальных температур реакционной массы в экстракторе (в первом его отделении – 70–74°С, в восьмом – 68–72°С и в десятом – 65–69°С) осуществляется подачей в первые три секции охлажденных потоков серной кислоты (до 55–57°С), раствора разбавления (до 50–55°С) и в первую секцию – циркулирующей пульпы (до 65–70°С).

Последняя охлаждается в вакуум-испарителе при разрежении 570–630 мм. рт. ст. на 3–5°С и возвращается на экстракцию через десятую распределительную секцию экстрактора в количестве 1900–2000 т/ч (кратность циркуляции – 12–13). Циркуляция большого количества пульпы позволяет не только поддерживать оптимальный температурный режим в экстракторе, но в качестве затравки способствует также уменьшению пересыщения жидкой фазы сульфатом кальция и обеспечивает рациональное отношение SO3: CaO в растворе [6].

Между первой и последней секциями реактора (рис. 3) организован интенсивный рецикл (кратность циркуляции достигает 20 и более). Это необходимо для:

• устранения локальных пересыщений в зоне ввода реагентов;
• подачи в первую секцию кристаллов CaSO4 как центров кристаллизации, облегчающих связывание Ca2+ в самом начале растворения;
• а также  позволяет создать однородные условия в секциях для растворения и роста кристаллов (перемешивание в объеме всего реактора) [8].

 

 

Вакуум-фильтры применяют лотковые и ленточные. Лотковые (карусельные) фильтры состоят из 24 отдельных лотков длиной 1,9 м, шириной 0,9 м у внутреннего и 1,2 м у наружного концов и глубиной 0,2 м. На их днищах уложена фильтровальная ткань. Лотки установлены на каретках с колесиками, движущимися по круговым рельсам (рис. 4). С помощью двух шайб, образующих головку фильтра - подвижной (вращающейся вместе с лотками) и неподвижной - фильтраты отсасываются в соответствующие вакуум-сборники через эластичные шланги, соединяющие лотки с головкой фильтра. Обе шайбы головки имеют ряд отверстий. Подвижная шайба вращается по неподвижной, и отверстия одной поочередно совпадают с отверстиями другой. При этом происходит попеременное сообщение с соответствующими сепараторами (и вакуум-насосами), соединенными с отверстиями неподвижной шайбы. Так происходит последовательное отделение первого и других (промывочных) фильтратов. Таким образом цикл работы каждого лотка состоит фильтрования, обезвоживания осадка, промывки сульфата кальция и его выгрузки, а также промывки ткани. Фильтрующая поверхность лотков составляет от 80 до 160 м2.

Рис. 4. Схема карусельного вакуум-фильтра.

Благодаря тому, что отдельные лотки изолированы друг от друга, можно получить концентрированный основной фильтрат, что позволяет также производить многоступенчатую промывку минимальным количеством воды [6].

Ленточные фильтры представляют собой бесконечную перфорированную  ленту, на которой натянуто фильтрующее полотно. При движении ленты она сообщается последовательно с тремя вакуум-камерами, в которых собираются соответственно основной фильтрат (продукционная кислота), первый и второй промывные фильтраты  [5].

Фильтрацию пульпы проводят при разрежении 500–600 мм. рт. ст. на карусельном вакуум-фильтре с поверхностью фильтрации 80 м2, высотой 15,64 и диаметром 4,75 м, приводимом во вращение электродвигателем мощностью 5,5 кВт.

Получаемые фильтраты содержат (в мас. д., % Р2О5): первый (основной) – 30–32; второй – 18–20; третий – 8–10; четвертый – 4–6.

Образующийся слой фосфогипса, толщиной 50–60 мм, промывают в три стадии водой, нагретой до 60–70 °С. Расход воды на промывку осадка составляет 40–45 м /ч при степени отмывки из него фосфорной кислоты не менее 99%. Промытый фосфогипс содержит 40–42% влаги. Процентное содержание основных веществ в фосфогипсе показано в таблице 6.

Таблица 6

Состав фосфогипса (мас. д., %)

Наименование вещества	Мас.д., %	Наименование вещества	Мас.д., %
CaO	39,6	Al2O3	0,02
SO3	55,8	Калий	0,03
Р2О5	1,1	Натрий	0,1
Fe2O3	0,08

 

На 1 т Р2О5 образуется 5,8–6 т влажного фосфогипса. На производство 1 т Р2О5 необходимо 2,2 м2 реактора, 0,7 м2 производственных помещений, объемом 5,85 м3 [9].

.

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Модели ХТС
1. Химическая схема

Химические схемы разрабатываются на основе анализа возможных направлений синтеза с учетом свойств сырья, требований к качеству продукта, наличия энергетических ресурсов и т.п. Решающим критерием при выборе схемы является экономичность производства по тому или иному методу.

Фосфорная кислота может быть получена из фторапатита тремя возможными схемами: разложение сырья серной кислотой, разложение сырья азотной кислотой и электротермическим методом через пятиокись фосфора.

В данном случае наиболее экономичный метод – сернокислое разложение фосфата при избытке ионов кальция в растворе происходит с образованием фосфополугидрата и монокальцийфосфата (МКФ), т.е. химическая схема:

Са5(РО4)3F + 5Н2SО4 + 2,5 H2O = 3Н3РО4 +5СаSО4*0,5H2O +НF

Са5(РО4)3F + 7H3PO4 = 5Ca(H2PO4)2 + HF

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

5Ca(H2PO4)2 + H2SO4 + 0,5H2O = CaSO4*0,5H2O + 3H3PO4

Образующийся фтористый водород взаимодействует с H2SiO3

4HF + H2SiO3 = SiF4 + 3H2O.

При этом SiF4 частично выделяется в газовую фазу, а частично остается в растворе ЭФК в виде H2SiF6 [6].

 

 

 

 

2. Структурная схема

На основании выбранной химической схемы составляется принципиальная схема ХТП. Принципиальная схема выражает связь между основными химическими, физическими и механическими операциями, представленными в условном изображении. Принципиальная схема позволяет оценить целесообразность и экономичность ХТП.

При попадании в реактор из сырья сразу же выделяются примеси – Ca и F. Первая выпадает в осадок в виде гипса (CaSO4), вторая уходит в виде фтористого водорода HF.

Твердый отход получил название «фософгипс». При промывке отходящих газов водой фтористый водород улавливается в виде кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6.

Рис.  5. Структурная схема производства ЭФК:

1 – реактор разложения апатита (экстрактор); 2 – вакуум-фильтр; 3 –  сборник фильтратов;               4 – колонна выпарки фосфорной кислоты; 5 – системы очистки газов.

Структурная схема позволяет в первом приближении оценить целесообразность и экономичность выбранного ХТП [8].

 

 

 

 

3. Функциональная схема

Функциональная схема включает в себя разложение измельченного сырья в реакторе (экстракторе), фильтрацию твердого осадка, упаривание фосфорной кислоты до товарной концентрации и очистку отходящих газов.

             в атмосферу                                                                      в атмосферу

       H2SiF6                                                                                                                                                                                       H2SiF6                                                                                                        

                                            фосфогипс CaSO4

Апатит                                                                                                                                  H3PO4

Воздух

H2SO4  

                                      оборотная H3PO4

Рис. 6 . Функциональная схема производства ЭФК.

 

4. Операторная схема

 

H2SO4                                                                                                                                      CaSO4

 

         смешивание      разделение        оператор      изменение

                                                                   хим               агр.сост.

                                                            превращения                                              теплообменник

                                                                                                                                

                                                                                                         

                                                                                                                                  разделение

 

                                                                                                            H3PO4      газы на обработку

Рис.  7. Операторная схема производства ЭФК.

 

5. Технологическая схема

 

Рис. 8 . Технологическая схема производства ЭФК дигидратным или                           полудигидратным методом:

1 – бункер сырья; 2 – ленточный  дозатор; 3 – смеситель; 4, 10, 12 – сборники;                                     5 – экстрактор; 6 – мешалки; 7 – перегородка; 8, 9 – погружные насосы; 11 – сепараторы;               13 – подвижная головка вакуум-фильтра; 14 – питающий лоток; 15 – абсорбер фтористых газов;    16 – вакуум-испаритель [9].