Производство фосфорной кислоты

3,188 - теплоемкость пульпы, кДж/(кг*К).

Теплопотери Qпот по практическим данным составляют ~ 1,8% от других статей расхода теплоты, т.е. 6533,9 МДж.

Общий расход теплоты из экстрактора составит:

Qрасх = 51693,4 + 897,0 + 310405,6 + 6533,9 = 369529,9 МДж/ч.

Зная общий расход, определяем теплоту, вносимую поступающей в экстрактор циркулирующей пульпой; она равна:

Qц.п = 369529,9 - 59852,6 = 309677,3 МДж.

Итак, в таблице 5 представлен часовой тепловой баланс отделения экстракции фосфорной кислоты [7]:

Таблица 5

Часовой тепловой баланс отделения ЭФК

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. 1).

Рис. 1. 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:

ѕ устранения локальных пересыщений в зоне ввода реагентов;

ѕ подачи в первую секцию кристаллов CaSO₄ как центров кристаллизации, облегчающих связывание Ca²⁺ в самом начале растворения;

ѕ 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. 2). 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. 2. 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., %)

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 процесса производства ЭФК

8.1 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].

8.2 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. 3. 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].

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.

8.4 Технологическая схема

Рис. 4. 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].

Заключение

В данной работе мы изучили различные способы получения экстракционной фосфорной кислоты. Составили характеристику исходного сырья и готовой продукции. Построили различные химико-технологические схемы получения экстракционной фосфорной кислоты, а именно химическую, функциональную, структурную, операторную и технологическую, что способствовало более наглядному изучению процесса производства.

В ходе работы над этим проектом мы определили особенности получения целевого продукта, основные этапы производства, массовое и процентное соотношение исходного сырья и конечных продуктов, составили материальный и тепловой баланс процесса производства.

В результате проведения расчетов и исследования технологии получения фосфорной кислоты, мы выяснили, что этот процесс, не смотря на возможность использования нескольких способов производства, не достаточно совершенен и требует большего внимания и дальнейшего усовершенствования.

Написание данной работы позволило нам не только ознакомиться с такой наукой как химическая технология, но и более подробно изучить сам процесс промышленного крупнотоннажного производства на конкретном примере.

Список использованной литературы

1. Букколини, Н. В. Фосфорная кислота [Электронный ресурс]: научная статья / H.В. Букколини. - Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4869.html.

2. Постников, Н.Н. Термическая фосфорная кислота. Химия и технология [Текст] / Н.Н. Постников. - М.: Химия, 1970. - 304 с.

3. Ортофосфорная кислота. Сферы применения [Электронный ресурс]: научная статья / 11 августа 2011. - Режим доступа: http://xn----7sbihstf4e.xn--p1ai/article/482.html.

4. Химическая технология [Текст]: курс лекций / Великий Новгород, 2007. - 201 с.

5. Соколов, Р.С. химическая технология [Текст]: в 2-х т. / Р. С. Соколов. - М.: Владос, 2000. - 368 с. - 1 т.

6. Копылев, Б.А. технология экстракционной фосфорной кислоты [Текст] / Б.А. Копылев. - 2-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1981. - 224 с.: ил.

7. Расчеты по технологии неорганических веществ [Текст] / под ред. М.Е. Позина - изд-е 2-е, перераб. - Л.: Химия, 1977. - 495 с.

8. Бесков, В. С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии [Текст] / В.С. Бесков, В.С. Сафронов. - М.: Химия, 1999. - 472 с.: ил. - ISBN 5-7245-1133-9

9. Мельников, Е.Я. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений [Текст] / Мельников, Е.Я., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. - М.: Химия, 1983. - 432 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru