Конструкция и принцип работы двухступенчатого экстрактора

СОДЕРЖАНИЕ
Введение................................................................................................................3
2 Физико-химические основы экстракционного способа получения фосфорной кислоты.................................................................................................6
3 Технологическая схема получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратным способом.........................................................................................11
3.1 Конструкция и принцип работы двухступенчатого экстрактора...............14
4 Экология в производстве фосфорной кислоты................................................16
Заключение..........................................................................................................20
Список литературы................................................................................................22

ВВЕДЕНИЕ
Фосфорная кислота производится двумя способами [1]:

экстракционным (сернокислым) и термическим. Развитие термического способа тесно связано с развитием фосфорной промышленности. В разных странах в фосфорную кислоту перерабатывается от 70 до 90% получаемого фосфора.
Фосфорная кислота потребляется непосредственно и в виде разнообразных солей, которые широко применяются в сельском хозяйстве (удобрения, кормовые средства), в промышленности и других отраслях техники, коммунальном хозяйстве и в быту (технические соли).
Выпускаются следующие виды фосфорных кислот [1]:
ортофосфорная кислота техническая термическая техническая, получаемая сжиганием элементарного фосфора, выпускается двух сортов с содержанием не менее 73% H₃PO₄ (в кислоте второго сорта допускается присутствие взвешенных частиц);
фосфорная кислота пищевая с содержанием не менее 70% H₃PO₄;
фосфорная кислота реактивная выпускается трех сортов: химически чистая (не менее 87% H₃PO₄), чистая для анализа и чистая (не менее 85% H₃PO₄);
фосфорная кислота реактивной квалификации кристаллическая;
полифосфорная кислота, содержащая до 118% H₃PO₄ (суперфосфорная кислота или фосфолеум) получается преимущественно термическим способом и содержит смесь фосфорных кислот различной степени гидратации;
экстракционная техническая фосфорная кислота получается как полупродукт для производства удобрений сернокислотным («мокрым») способом в виде неупаренной (28 – 44% H₃PO₄) или концентрированной упаренной (70 – 75% H₃PO₄) кислоты;
в качестве реактивов выпускают так же пирофосфорную кислоту, в которой должно содержаться не менее 50% пироформы, и метафосфорную кислоту, содержащую не менее 60% метаформы. Реактивные сорта фосфорных кислот получают из термической фосфорной кислоты путем очистки ее химическим способом или кристаллизацией.
Как пишут авторы [1]: экстракционная и термическая фосфорные кислоты резко различают по качеству. Получаемая сернокислотным способом фосфорная кислота содержит до 15% примесей, а термическая кислота при существующем двухступенчатом способе производства – всего до 0,4% примесей.
Качество экстракционной кислоты зависит от состава исходного сырья, потому что в нее частично или полностью переходят примеси фосфатных руд, которые образуют с серной кислотой соединения, растворимые в фосфорной кислоте.
Термический способ дает возможность из любого вида сырья получать высококонцентрированную кислоту, содержащую 62-69% P₂O₅ (85-95% H₃PO₄) при незначительном количестве примесей, а так же полифосфорную кислоту, содержащую 77-86% P₂O₅ (106-118% H₃PO₄).
Рост масштабов производства фосфорной кислоты определяется как увеличением спроса со стороны традиционных потребителей, так и расширением области ее применения.
[2]: По масштабам применения фосфорной кислоты (экстракционной и термической суммарно) первое место занимает туковая промышленность, второе – солевые производства. Фосфорная кислота применяется в основном (около 85% производимого) для получения фосфорных и сложных удобрений, кормовых фосфатов, синтетических моющих и водоумягчающих средств. В металлообрабатывающей промышленности фосфорная кислота применяется в процессе фосфатирования поверхности металлов, а в текстильной – для обработки и крашения шерсти, натуральных и синтетических волокон. В технологии органических веществ фосфорную кислоту применяют в качестве катализатора. Фосфорную кислоту и ее производные применяют в процессе приготовления буровых суспензий при нефтедобыче, в производстве стекла, в фотографии (для приготовления светочувствительных эмульсий), в медицине (приготовление медикаментов, получение лекарственных средств, зубных цементов), в процессе обработки древесины (для придания огнестойкости). Производные фосфорной кислоты применяют также в пищевой промышленности (хлебопекарные порошки, приготовление плавленых сыров, в колбасном производстве и сахароварении).
В реферате будет рассмотрен экстракционный способ получения фосфорной кислоты, технологическая схема получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратным способом, конструкция и принцип работы реактора и экология в производстве фосфорной кислоты.

2. ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСТРАКЦИОННОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ.

Экстракционный метод получения фосфорной кислоты основан на разложении природных фосфатов серной кислотой по реакции [2]:
.
Одновременно происходит разложение и других примесей в исходном фосфатном сырье. К ним относятся: кальцит, доломит, сидерит, глауконит, силикаты железа и алюминия. Они также разлагаются серной кислотой по схеме [1]:
;
.
Диоксид кремния реагирует с HF, образуя SiF₄:
.
Часть тетрафторида кремния выделяется в газовую фазу, а другая часть образует гексафторкремниевую кислоту, остающуюся в растворе:
.
Разложение приводит к увеличению расхода серной кислоты, а так же снижает степень извлечения P₂O₅ в целевой продукт вследствие образования нерастворимых фосфатов железа при концентрациях P₂O₅ выше 40% и - при более низких концентрациях. Выделяющийся в процессе разложения карбонатов диоксид углерода образует в экстракторах стойкую пену. Растворимые фосфаты магния, железа и алюминия снижают активность исходной фосфорной кислоты, а так же уменьшают содержание усвояемых форм P₂O₅ в удобрениях при последующей переработке фосфорной кислоты.
С учетом влияния примесей фосфаты с повышенным содержанием соединений железа, алюминия, магния и карбонатов непригодны для производства фосфорной кислоты. Поэтому в процессах сернокислотного разложения обычно применяют руды или концентраты, характеризующиеся массовым отношением не более 0,08.
О сновой для выбора технологических параметров процессов сернокислотного разложения является выделение сульфата кальция в виде достаточно крупных, легко отделяемых и хорошо отмываемых от фосфорной кислоты кристаллов. В системе сульфат кальция может существовать в трех формах: одной безводной (ангидрита ) и двух кристаллогидратов (гемигидрата и дигидрата или гипса ). Температурные и концентрационные области кристаллизации приведенных форм определяются соотношениями давлений паров над раствором и давлений диссоциации обратимых реакций превращения гипса в геминидрат или ангидрит и гимигидрата в ангидрит. Из изотерм растворимости сульфата кальция при 80º С (рис. 3) видно, что с увеличением содержания фосфорной кислоты растворимость всех трех модификаций сначала возрастает, достигает максимума при 16-22% P₂O₅, а затем уменьшается. Минимальную растворимость при 80º С имеет ангидрит, являющийся равновесной твердой фазой. Метастабильный гипс в растворах, содержащих 33,3% P₂O₅ (точка А пересечения изотермы метастабильных кристаллогидратов), превращается непосредственно в ангидрит. В более концентрированных растворах сначала происходит конверсия гипса в менее растворимый гемигидрат, после чего последний дегидратируется до ангидрита.
Рис. 1. Изотермы растворимости сульфата кальция в фосфорной кислоте при 80º С [1]: А – ангидрит; П – полугидрат; Г – гипс.
Н а рис. 2 приведена политермическая диаграмма, характеризующая направление и последовательность фазовых превращений сульфата кальция в системе . Стабильными твердыми фазами в системе являются гипс (ниже кривой ab) и ангидрит (выше кривой ab). В области, расположенной над кривой cd, гемигидрат, который большей частью является первой кристаллизующейся фазой системы, переходит в ангидрит.
Рис. 2. Схема превращения кристаллогидратов сульфата кальция в растворах фосфорной кислоты [1]

В области между кривыми cd и ab стабильной формой также является ангидрит, но здесь гемигидрат переходит в ангидрит не непосредственно, а сначала оводняется до гипса. Кривая cd является множеством точек сосуществования этих метастабильных фаз при разных температурах. Аналогично кривая ab является множеством точек сосуществования стабильных гипса и ангидрита. Согласно правилу Оствальда, ниже линии ab стабильная фаза – гипс, и последовательность превращений должна быть такой, как показано на рис. 4. На практике образования ангидрита не наблюдается и гемигидрат переходит в гипс. Это объясняется кинетическими причинами, меняющими маршруты реакций, например, значительно более быстрым превращением ангидрит → гипс, чем гемигидрат → ангидрит, в данной области температур и концентраций P₂O₅. В других условиях скорость превращения ангидрита может быть меньшей. На скорость и маршрут взаимных переходов могут влиять и ионы примесей.

Следовательно, степень гидратации сульфата кальция, отделяемого в процессе экстракции, может не соответствовать стабильным формам и зависит от конкретных условий осуществления процесса. На рис. 3 приведена диаграмма, показывающая практическую степень гидратации сульфата кальция в зависимости от технологического режима процесса экстракции., и в первую очередь от температуры и концентрации фосфорной кислоты. Как видно из рисунка. в области ниже кривой 2 – сульфат кальция отделяется в виде гипса, выше кривой 1 – в виде ангидрита, а между этими линиями – в виде гемигидрата.

Рис. 3. Влияние температуры и содержания P₂O₅ в растворе на практическую гидратированность отделяемого осадка сульфата кальция[1]

В производственных условиях осадок загрязнен примесями P₄O₁₀ в виде неразложенных фосфатов, неотмытой H₃PO₄, сокристаллизованных фосфатов различных металлов и др. Поэтому образующиеся сульфаты кальция называют соответственно фосфогипс, фосфогемигидрат и фосфоангидрит. В зависимости от типа осаждаемого сульфата различают три способа получения экстракционной фосфорной кислоты: дигидратный, гемигидратный (полугидратный) и ангидритный, а также комбинированные: гемигидратно-дигидратный и дигидратно-гемигидратный. Наиболее распространен на практике дигидратный режим, который осуществляют при 65-80º С, получая при этом кислоту с содержанием до 30-32% P₂O₅.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ДИГИДРАТНЫМ СПОСОБОМ.

На рис. 4 приведена принципиальная схема получения фосфорной кислоты (28–32% P₂O₅) из апатитового концентрата. По этой схеме возможно получение фосфорной кислоты (20–22% P₂O₅) из фосфоритов.

Рис. 4. Схема получения экстракционной фосфорной кислоты дигидратным способом [7]: