Технология получения фосфорной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Западно-Казахстанский государственный университет им. Махамбета Утемисова

Естественно-географический факультет

Кафедра химии

Курсовая работа

Технология получения фосфорной кислоты

Выполнил:

студент 3-го курса

по специальности 5В072000 ХТНВ

Кенжегарина Г.С.

Проверил:

Кубашева Р.Н.

Уральск-2014 год

Содержание

химический фосфорный кислота

Введение

1. Общие сведения о фосфорной кислоте

1.1 Физические свойства

1.2 Химические свойства

2. Методы синтеза фосфорной кислоты

3. Технологическая схема производства

3.1 Характеристика исходного сырья

3.2 Характеристика готового продукта

3.3 Модели ХТС

3.4 Технологическая схема

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Актуальность: Фосфорная кислота является важным сырьем химической промышленности, в том числе основным полупродуктом в производстве фосфорных и сложных концентрированных удобрений, кормовых фосфатов. Фосфорная кислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питания растений. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор «элементом мысли». Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным, еще они содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различных сельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ее структурированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости других содержащихся в почве веществ и подавлению некоторых образующихся вредных органических веществ. Немало ортофосфорной кислоты потребляет пищевая промышленность. Дело в том, что на вкус разбавленная ортофосфорная кислота очень приятна и небольшие ее добавки в мармелады, лимонады и сиропы заметно улучшают их вкусовые качества. Интересны и другие применения ортофосфорной кислоты в промышленности.

Цель: изучить свойства и основные промышленные способы получения фосфорной кислоты

В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Изучить физические и химические свойства фосфорной кислоты.

2. Рассмотреть основные промышленные способы получения, изучить физико-химические основы синтеза (оптимальные условия, катализаторы и т.д.), изобразить технологические схемы производств.

Метод исследования: теоретический.

Предмет исследования: общие сведения, методы синтеза, физико-химические основы синтеза, технологическая схема производства.

Объект исследования: фосфорная кислота.

1. Общие сведения о фосфорной кислоте

Кислота (ортофосфорная кислота) H₃PO₄, молярная масса 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,5762 нм, b = 0,4831 нм, с =1,1569 нм, = 95,31°, пространств, гр. Р21/с); расплывается на воздухе; т. пл. 42,50 °С; плотность 1,88 г/см³; -1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению; при 15 °C образует густую маслянистую жидкость, при -121 °C - стеклообразную массу. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H₃PO₄·0,5H₂O- бесцветные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,7922 нм, b = 1,2987 нм, с = 0,7470 нм, = 109,9°; пространств, гр. Р21/a). Молекула безводной H₃PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄. В безводной фосфорная кислота 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 фосфорная кислота, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфат-анионов с молекулами воды, а не с другими фосфат-анионами. В растворах фосфорная кислота имеет место обмен атомами кислорода между группами PO₄ и водой. H₃PO₄ - сильная кислота, K₁ 7,1·10^-3 (рК_а 2,12), K₂ 6,2·10^-8 (рК_а 7,20), K₃ 5,0·10^-13 (рК_а 12,32); значения K₁ и K₂ зависят от температуры. Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична. В таблице приведены свойства растворов фосфорной кислоты 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). От других фосфорных кислот H₃PO₄ можно отличить по реакции с AgNO₃ - выпадает желтый осадок Ag₃PO₄. Остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки.

1.1 Физические свойства

Фосфорная кислота формула (H₃PO₄) - это трёхосновная кислородосодержащая кислота. Фосфор (P) - открыт алхимиком Х. Брандом в 1669 году. В свободном состоянии в природе не встречается.

Электронная конфигурация 1S²2S²2P⁶3S²3P^3. Структурная формула молекулы фосфорной кислоты выглядит следующим образом. В чистом виде H₃PO₄ - твёрдое вещество белого цвета (t_пл. = 42^оС), с Н₂О смешивается в любых соотношениях. В водных растворах она диссоциирует в 3 стадии. По первой стадии H₃PO₄ диссоциирует как кислота средней силы:

Н₃РО_{4 --} Н₂РО₄^? + Н⁺ K_{1 дисс.} = 7,6 • 10^-3

По двум последующим стадиям - как слабая:

Н₂РО₄^? -- Н⁺ + НРО₄^2? K_{2 дисс.} = 7,6 • 10^-8

НРО₄^2? -- Н⁺ + РО₄^3? K_{3 дисс.} = 7,6 • 10^-13

В целом фосфорную кислоту относят к слабым электролитам и в ионных уравнениях реакций, протекающих в водных растворах, ее записывают в молекулярном виде. Растворы кислоты кислы на вкус, окрашивают индикатор лакмус в красный цвет, при попадании на кожу вызывают химические ожоги, разъедают текстильные ткани.

Белый фосфор. Получается при конденсации паров. Состоит из молекул P₄. Мягкое, бесцветное вещество, ядовит, имеет чесночный запах, t°пл. = 44°С, t°кип.= 280°С, растворим в сероуглероде (CS₂), летуч. Очень реакционноспособен, окисляется на воздухе (при этом самовоспламеняется), в темноте светится.

Красный фосфор. Без запаха, цвет красно-бурый, не ядовит. Атомная кристаллическая решётка очень сложная, обычно аморфен. Нерастворим в воде и в органических растворителях. Устойчив. В темноте не светится. Физические свойства зависят от способа получения.

Чёрный фосфор - полимерное вещество с металлическим блеском, похож на графит, без запаха, жирный на ощупь. Нерастворим в воде и в органических растворителях. Атомная кристаллическая решётка, полупроводник. t°кип.= 453°С (возгонка), t°пл.= 1000°C (при p=1,8 * 10⁹ Па), устойчив.

1.2 Химические свойства

При комнатной температуре довольно инертна, при нагревании проявляет свойства кислот, относится к кислотам средней силы.

Диссоциация в водном растворе:

Н₃РО₄ = Н₂РО₄^- + Н⁺

Н₂РО₄^- = НРО₄^2- + Н⁺

НРО₄^2- = РО₄^3-+ Н⁺

Суммарное уравнение:

Н₃РО₄ = РО₄^3- + 3Н⁺.

Свойства кислоты

Реагирует с металлами, стоящими в ряду напряжений металлов до водорода:

3Zn + 2H₃PO₄ = Zn₃(PO₄)₂ + 3H₂.

С оксидами металлов:

3CaO + 2H₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O.

С основаниями:

3Ca(OН)₂ + 2H₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6Н₂О;

Ca(OН)₂ + H₃PO₄ = CaНPO₄ + 2Н₂О;

Ca(OН)₂ + 2H₃PO₄ = Ca(Н₂PO₄)₂ + 2Н₂О.

Не проявляет ни окислительных, ни восстановительных свойств.

Взаимодействие с основаниями с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):

H₂SO₄ + 2NaOH > Na₂SO₄ + 2H₂O.

Взаимодействие с основными оксидами:

H₂SO₄ + Na₂O > Na₂SO₄ + 2H₂O.

Взаимодействие с солями:

а) менее летучие кислоты вытесняют более летучие из их солей:

H₂SO₄ + NaCI > NaHSO₄

б) более сильные кислоты вытесняют менее сильные из растворов их солей:

3HCI + Na₃PO₄ > 3NaCI + H₃PO₄.

Взаимодействие с металлами различных кислот протекает согласно положению металлов в ряду напряжений, который характеризует окислительно-восстановительную способность электрохимической системы «металл - ион металла».

Li К Ca Мg Al Ti Cr Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Au

Исходя из этого, все металлы удобно разделить на три условные группы:

Активные	Средней активности	Малоактивные
Li К Ca Мg Al	Ti Cr Zn Fe Ni Sn Pb	Cu Ag Au

Взаимодействие металлов с хлороводородной кислотой

Активные	Средней активности	Малоактивные
Реагируют	Реагируют (пассивируется Pb)	Не реагируют

Например:

Zn +2HCI > ZnCI₂ + H₂

Щелочные и щелочноземельные металлы с растворами кислот взаимодействуют в две стадии:

Na + HCI № NaCI + H₂

1).2Na + 2H₂O > 2NaОН + H₂

2). NaОН + HCI> NaCI + H₂O.

Взаимодействие металлов с разбавленной серной кислотой

Активные	Средней актив.	Малоактивные
Реагируют	Реагируют (пассивируется Pb)	Не реагируют

Например:

Zn + H₂SO₄ > ZnSO₄ + H₂

Малоактивные металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода, из разбавленного раствора кислоты его не вытесняют:

Cu + H₂SO₄ №

Взаимодействие металлов с концентрированной серной кислотой

Активные	Средней активности	Малоактивные
Реагируют	Реагируют (пассивируются Al, Fe)	Реагируют Сu, Hg не реагируют Ag, Au, Pt

В результате взаимодействия образуются сульфат металла, вода и один из продуктов окисления серной кислоты:

S, H₂S, SO₂ S , H₂S, SO₂ SO₂

Например:

Zn + 2H₂SO_4(К) > ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O,

4Zn + 5H₂SO_4(К) > 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O,

3Zn + 4H₂SO_4(К) > 3ZnSO₄ + S + 4H₂O,

2H₂SO_4(к) + Сu > Сu SO₄ + SO₂ + 2H₂O.

Холодная концентрированная серная кислота пассивирует Al, Fe; при нагревании пассивирующие пленки растворяются, и взаимодействие с кислотой протекает интенсивно.

Взаимодействие металлов с разбавленной азотной кислотой

Активные	Средней активности	Малоактивные
Реагируют	Реагируют (пассивируется Ti)	Реагируют Сu, Hg Ag, не реагируют Au, Pt

В результате взаимодействия образуются нитрат металла, вода и один из продуктов окисления азотной кислоты

NH₃, NH₄NO₃ N₂ или N₂O NO

Например:

10HNO₃ + 4Mg > 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Взаимодействие металлов с концентрированной азотной кислотой

Активные	Средней активности	Малоактивные
Реагируют	Реагируют (пассивируются Ti, Al, Cr, Fe)	Реагируют Сu, Hg Ag, не реагируют Au, Pt

В результате взаимодействия образуются нитрат металла, вода и NO₂ (газ бурого цвета). При взаимодействии с кислотой активных металлов возможно выделение N₂O.

Например:

4HNO₃ + Сu > Сu (NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

10HNO₃ + 4Са > 4Са (NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O.

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется.

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует следующие металлы Fe, Cr, Al, Ti, но при нагревании взаимодействие этих металлов с кислотой протекает энергично.

Взаимодействие с неметаллами азотной и концентрированной серной кислот:

3P + 5HNO₃ + 2H₂O > 3H₃PO₄ + 5NO,

C + 2H₂SO_4(к) > CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O.

При нагревании некоторые кислоты разлагаются:

H₂SiO₃ H₂O + SiO₂

2. Методы синтеза фосфорной кислоты

В промышленности фосфорная кислота получают термическим и экстракционным способами.

Экстракционный метод производства фосфорной кислоты основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислотой. Процесс состоит из двух стадий: разложения фосфатов и фильтрования образовавшейся фосфорной кислоты и промывки сульфата кальция водой. Сернокислотное разложение фосфата кальция представляет гетерогенный необратимый процесс, протекающий в системе «твердое тело - жидкость» и описываемый уравнением:

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + nH3PO4 + 5mH2O = (n + 3)Н3РО4 + 5CaSO4 · mH2O + HF

Для удобства записи и упрощения расчетов формула двойной соли фторапатита 3Са3(РО4)2·СаF2 записывается в виде Ca5(PO4)3F. Часть образовавшейся фосфорной кислоты возвращается в процесс. Фактически фосфат разлагается смесью серной и фосфорной кислот. В зависимости от концентрации фосфорной кислоты в системе и температуры образующийся сульфат кальция может осаждаться в виде ангидрита (m = 0), полу гидрата (m = 0,5) и дигидрата (m = 2).

В соответствии с этим различают три варианта экстракционного метода производства фосфорной кислоты: ангидридный, полугидратный и дигидратный. В табл. 1. приведены условия разложения фторапатита для каждого из вариантов этого процесса.

Условия разложения фторапатита

Тип процесса	Температура, °С	Концентрация Р2О5 в жидкой фазе, %	Теплота реакции, кДж/моль
Дигидратный	70-80	25-32	384,4
Полугидратный	95-100	38-48	371,0

Температурный режим зависит от варианта экстракционного процесса. В дигидратном методе гидратированный сульфат кальция осаждается в форме дигидрата при 70-80°С и концентрации кислоты в реакционной смеси 20 -32% Р2О5, в полугидратном методе - в форме полугидрата при 90 - 100°С и концентрации кислоты 35-42% Р2О5. Высокая степень разложения фосфатов, равная 0,99 дол. ед., достигается всего за 1-1,5 часа. Практически процесс экстракции продолжается до 4--8 часов. Это необходимо для образования крупных кристаллов сульфата кальция, которые легко фильтруются и промываются для извлечения фосфорной кислоты небольшим количеством воды. Образование крупных кристаллов способствует также перемешивание системы, незначительный избыток серной кислоты, снижающий степень пресыщения раствора и постоянство температуры процесса. Принципиальные схемы производства экстракционной фосфорной кислоты дигидратным и полугидратным методами идентичны. Однако полугидратный метод позволяет получать более концентрированную кислоту; снизить потери сырья и обеспечить более высокие интенсивность и производительность аппаратуры. Принципиальная схема производства экстракционной фосфорной кислоты одностадийным полугидратным методом приведена на рис. 1. На рис. 2 представлена технологическая схема того же процесса.



Рис. 1. Принципиальная схема производства экстракционной фосфорной кислоты

Смесь серной кислоты и оборотного раствора фосфорной кислоты из сборника 2 и фосфат из бункера 1 подают в многосекционный экстрактор 3. По мере движения пульпы в экстракторе образуется фосфорная кислота и завершается процесс кристаллизации сульфата кальция. Из последней секции экстрактора пульпа поступает на трехсекционный вакуум-фильтр 4. Основной фильтрат Ф-1 из первой секции фильтра отводится как продукционная фосфорная кислота, причем часть ее добавляется к оборотному раствору, направляемому в сборник кислоты 2. Осадок кальция на фильтре промывается противотоком горячей водой, при этом промывной раствор Ф-3 используется для первой промывке во второй секции фильтра. Фильтрат первой промывки Ф-2 направляется в виде оборотного раствора в сборник 2. Образовавшаяся фосфорная кислота (Ф-1) подогревается в подогревателе 5 паром и поступает в концентратор 6, где упаривается до заданной концентрации за счет прямого контакта с топочными газами и направляется на склад. Выделяющиеся из концентратора газы проходят промывной скруббер 7, в котором улавливаются соединения фтора и выбрасываются в атмосферу. Газы, выделяющиеся из экстрактора и содержащие фтористый водород и тетрафторсилан, поступают на абсорбцию в абсорбер, орошаемой водой или разбавленной кремнефтористоводородной кислотой. Основные аппараты в производстве экстракционной кислоты - экстрактор и вакуум-фильтр. Экстрактор - это железобетонный аппарат прямоугольного сечения, разделенный на 10 секций с мешалками, в котором пульпа последовательно перетекает из одной секции в другую. В другом варианте экстрактор составляют два сблокированных стальных цилиндра со многими мешалками. При рабочем объеме экстрактора 730 м3 производительность его равна 340 т/сутки РгО5 при интенсивности около 25 кг/м3-ч. Вакуум-фильтры применяют лотковые и ленточные. Лотковые (карусельные) фильтры состоят из 24 лотков (нутч-филътров), каждый их которых при работе фильтра последовательно проходят зоны фильтрации, пульпы, обезвоживания осадка, промывки сульфата кальция и его выгрузки. Фильтрующая поверхность их составляет от 80 до 160 м. Ленточные фильтры представляют бесконечную перфорированную ленту, на которую 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.

Рис. 2. Технологическая схема производства экстракционной фосфорной кислоты полугидратным методом: 1 - бункер фосфата, 2 - сборник серной кислоты, 3 - экстрактор, 4 - вакуум-фильтр, 5 - подогреватель фосфорной кислоты, 6 - концентратор, 7 - промывной скруббер, 8 - сборник промывной жидкости

Действующие установки по производству фосфорной кислоты полугидратным методом имеют производительность до 350 тыс. тонн в год и характеризуются параметрами:

-- температура процесса 80-100 °С,

-- отношение жидкой фазы к твердой 2,5:1,

-- исходная концентрация серной кислоты 0,75 масс. долей,

-- степень экстракции 0,98 дол. ед.,

-- концентрация продукционной фосфорной кислоты 0,45 дол. ед. по Р2О5

Всем вариантам экстракционного метода производства фосфорной кислоты свойственны общие недостатки:

-- необходимость упаривания полученной фосфорной кислоты до концентрации, необходимой в производстве минеральных удобрений,

-- сильная коррозия аппаратуры на стадии концентрирования,

-- отложение кристаллов сульфата кальция и геля кремниевой кислоты на стенках аппаратуры.

Производство фосфорной кислоты термическим методом

Термический метод производства фосфорной кислоты основан на восстановлении фосфатов до элементарного фосфора, его последующем окислении до оксида фосфора (V) и гидратации оксида до фосфорной кислоты:

Ca5(PO4)3F> Рn > Р2О5 > Н3РО4.

1. Получение фосфора. Восстановление фосфора из природных фосфатов представляет собой сложный многостадийный гетерогенный процесс, протекающий через стадии:

-- нагревание компонентов шихты,

-- поступление в расплав фосфата кальция и оксида кремния,

-- диссоциация трикалъцийфосфата,

-- диффузия продуктов диссоциации к поверхности частиц углерода,

-- взаимодействие трикальцийфосфата с углеродом и образование фосфора, оксида углерода (II) и оксида кальция,

-- удаление оксида кальция из зоны реакции в виде силикатов кальция.

В отсутствии флюсов реакция восстановления протекает при 1400°С в течение 20 минут. Для снижения температуры процесса и смещения равновесия реакции вправо в систему вводят оксид кремния, оксид алюминия или алюмосиликаты, связывающие образующийся оксид кальция в виде легко удаляемого шлака:

2Ca5(PO4)3F + 15С + 6SiO2 -ЗР2 + 15СО + 3(3CaO·2SiO2) + CaF2 + DН

DН = 1730 кДж.

В присутствии флюсов реакция восстановления протекает с достаточно высокой скоростью при 1100 - 1300°С. Протекает в диффузионной области и ускоряется факторами, усиливающими диффузию в твердой фазе и в расплаве: повышением дисперсности компонентов шихты, образованием легкоплавких полиэвтектических систем и т.п. Для повышения подвижности расплава и облегчения выгрузки шлаков процесс восстановления ведут на практике при 1500°С.

2. Сжигание фосфора - гетерогенный экзотермический процесс, протекает по уравнению:

Р4 жидк. + 5О2 газ = Р4О10 тв - DН

DН = 753кДж

Степень окисления фосфора зависит от температуры в зоне горения и от скорости диффузии кислорода к поверхности жидкого фосфора. Чтобы обеспечить полноту сгорания и исключить возможность образования низших оксидов фосфора, процесс ведут при температуре 1000 - 1400°С и двукратном избытке воздуха.

3. Гидратация оксида фосфора (V) протекает через ряд стадии. На первой стадии процесса, вследствие высокой температуры в системе, взаимодействие паров оксида фосфора с водой дает метафосфорную кислоту.

Р4Н10 + 2Н2О = 4НРО3 - DН.

При понижении температуры метафосфорная кислота через полифосфорные кислоты превращается в фосфорную (ортофосфорную) кислоту:

НРОз + Н2О = Н3РО4 - DН.

Процесс гидратации димера оксида фосфора (V) является экзотермическим и сопровождается выделением значительного количества тепла, что учитывается при организации этой стадии технологического процесса.

Технологический процесс производства фосфорной кислоты электротермическим методом может строиться по двум вариантам:

-- по одноступенчатой схеме, без предварительной конденсации паров фосфора, с непосредственным сжиганием выходящего из стадии восстановления фосфорсодержащего газа;

-- по двухступенчатой схеме, с предварительной конденсацией паров фосфора и последующей переработкой его в фосфорную кислоту (рис. 3):



Рис. 3. Технологические схемы производства фосфорной кислоты термическим методом: -- двухступенчатая, одноступенчатая

При окислении фосфора и гидратации оксида фосфора (V) выделяется большое количество тепла, которое для поддержания оптимального теплового режима процесса должно отводиться из системы. Наиболее распространены циркуляционно-испарительные схемы, в которых охлаждение газов происходит за счет теплообмена с циркулирующей фосфорной кислотой и в результате испарения из нее воды. Подобная технологическая схема установки производительностью 60 тыс. тонн в год 100% -ной кислоты или 2,5 т/час по сжигаемому фосфору, приведена на рис. 4. В трехфазную электропечь РКЗ-72 Ф (руднотермическая, круглая, закрытая, мощностью 72 MB. А, фосфорная) с самоспекающимися анодами 1 поступает из бункера 2 шихта, состоящая из фосфата, оксида кремния (кварцита) и кокса. Выходящий из печи газ, содержащий 6--10% фосфора, проходит через газоотсекатель 3 в электрофильтр 4, где из него извлекается пыль. Очищенный газ направляется в конденсаторы - промыватели - горячий 5 и холодный 6, охлаждаемые разбрызгиваемой в них водой, которая циркулирует по замкнутому контуру. Сконденсировавшийся жидкий фосфор собирается в сборниках 7 и 8, откуда поступает в отстойник 9. Степень конденсации фосфора из газа достигает 0,995. Выходящий из конденсаторов газ, содержащий до 85% об. оксида углерода используется в качестве топлива или сжигается. Шлаки, скапливающиеся в нижней части печи 1, непрерывно скачиваются и используются в производстве цемента и других строительных материалов. Из отстойника 9 расплавленный фосфор подается в башню сгорания 10, где распыляется форсунками в токе воздуха. В башню для охлаждения подается циркуляционная фосфорная кислота, охлаждаемая предварительно в холодильнике 11, часть ее в виде 75%-ной фосфорной кислоты, отводится в качестве продукционной и поступает на склад. Для пополнения в систему вводится необходимое количество воды. Из башни сгорания газ при температуре 100 °С поступает в башню гидратации-охлаждения 12, орошаемую фосфорной кислотой, где заканчивается процесс гидратации. За счет орошения температура фосфорной кислоты на выходе снижается до 40-45°С. Циркулирующая в башне гидратации кислота охлаждается в холодильнике 13. Из башни гидратации 12 газ направляется в электрофильтр 14. Сконденсировавшаяся в нем из тумана фосфорная кислота поступает в сборник 15, а отходящие газы выбрасываются в атмосферу.

Рис. 4. Технологическая схема производства термической фосфорной кислоты двухстадийным методом: 1 - электропечь, 2 - бункер шихты, 3 - газоотсекатель, 4, 14 - электрофильтры, 5 -горячий конденсатор, 6 - холодный конденсатор, 7, 8 - сборник жидкого фосфора, 9 -отстойник жидкого фосфора, 10 - башня сгорания, 11, 13 - холодильники, 12 - башня гидратации, 15 - сборник фосфорной кислоты

Расход циркулирующей фосфорной кислоты на охлаждение процессов сгорания и гидратации составляет: в башне сгорания 500-750 м3/час, в башне гидратации 150м3/час. Основными аппаратами в производстве термической фосфорной кислоты являются башня сгорания (сжигания) и башня гидратации. Башня сгорания полая, имеет коническую форму, диаметр около 4 м и высота около 14 м. Крышка башни охлаждается водой и имеет форсунку для распыления фосфора. Башня гидратации выполнена в виде цилиндра высотой 15 м и диаметром 3 м и содержит насадку из колец Рашига и три яруса форсунок для распыления кислоты. По сравнению с электротермический методом производства фосфорной кислоты, экстракционным метод имеет следующие преимущества:

-- возможность получения кислоты высокой концентрации, включая полифосфорные кислоты концентрацией до 115% Р2О5;

-- высокая чистота продукта;

-- возможность использования фосфатного сырья с низкой концентрацией фосфора без предварительного обогащения. Представляет интерес, пока еще теоретический, проблема получения оксида фосфора (V) непосредственно из фосфатов термической диссоциацией трикалийфосфата:

Са3(РО4)2 ® ЗСаО + Р2О5 + DН

по аналогии с промышленным процессом диссоциации карбоната кальция:

СаСОз ® СаО + СО2+DН, где DН = 178 кДж.

Однако практическая реализация этого метода ограничена чрезвычайно высоким для практического использования значением теплового эффекта и связано с необходимостью обеспечения высоких температур и большой затратой энергии.

Выделяющиеся из концентратора газы проходят промывной скруббер 7, в котором улавливаются соединения фтора и выбрасываются в атмосферу. Газы, выделяющиеся из экстрактора и содержащие фтористый водород и тетрафторсилан, поступают на абсорбцию в абсорбер, орошаемой водой или разбавленной кремнефтористоводородной кислотой. Основные аппараты в производстве экстракционной кислоты - экстрактор и вакуум-фильтр. Экстрактор - это железобетонный аппарат прямоугольного сечения, разделенный на 10 секций с мешалками, в котором пульпа последовательно перетекает из одной секции в другую. В другом варианте экстрактор составляют два сблокированных стальных цилиндра со многими мешалками. При рабочем объеме экстрактора 730 м3 производительность его равна 340 т/сутки РгО5 при интенсивности около 25 кг/м3-ч.

3. Технологическая схема производства

3.1 Характеристика исходного сырья

Сырьем для получения фосфорной кислоты являются ортофосфаты - соли ортофосфорной кислоты. Содержащийся в ортофосфатах ион РО43- имеет структуру тетраэдра, расстояние Р-О составляет 1,54-1,60Е. 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.

3.2 Характеристика готового продукта

Ортофосфорная кислота (Н3РО4) - бесцветные кристаллы, плотность 1,87, температура плавления 42,35°С, теплота образования DН0298= -309,4 ккал/моль.

Безводная Н3РО4 склонна к переохлаждению. При нормальной температуре инертна и ниже 350°С 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.

3.3 Модели ХТС

Химическая модель

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

Са5(РО4)3F + 5H2SO4 + 2,5H2O ® 3H3PO4 + 5CaSO4Ч0,5H2O + 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 ® CaSO4Ч0,5H2O + 3H3PO4

3.4 Технологическая схема

Рис. 5. 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 90-95°С 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 95-100°С 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

И в заключении хотелось бы сказать биологическое значение фосфора. Фосфор является составной частью тканей организмов человека, животных и растений. В организме человека большая часть фосфора связана с кальцием. Для построения скелета ребенку требуется столько же фосфора, сколько и кальция. Кроме костей, фосфор содержится в нервной и мозговой тканях, крови, молоке. В растениях, как и у животных, фосфор входит в состав белков. 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, технологическая модели ХТС по получению фосфорной кислоты. Технологическая часть включает физико-химические основы процесса, основные реакции, физические, химические и термические условия, сопровождающие процесс получения фосфорной кислоты; представлена сравнительная характеристика процессов ее получения, достоинства и недостатки.

Список использованной литературы

1. Копылев Б.А. и др. Технология экстракционной фосфорной кислоты М.: Химия, 1989. -460 с.

2. http://vsuet.ru/school-y-chemist/methodical/kisloti.htm.

3. С.И. Вольфкович, В.В. Егоров, Д.А. Эпштейн. Общая химическая технология. Том 2, - Ленинград «Государственное научно-техническое издательство химической литературы»,1953.

4. Воскресенский, С.К. Производство фосфорной кислоты концентрацией 32% Р₂О₅ разложением апатита серной кислотой с кристаллизацией гипса / под ред. С. К Воскресенского. - М.: НИУИФ, 1962. - 163 с.

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

Размещено на Allbest.ru

...