Производство ортофосфорной кислоты экстракционным способом, производительностью 70 т/сут

Получение фосфора
Трехкомпонентная шихта, состоящая из фосфорита, флюса (кремнезема) и восстановителя (кокса), используется для производства фосфора. Эта шихта перерабатывается в электрических рудно-термических печах. Люминофорная печь - это химический реактор, в котором происходят процессы плавления и химическое взаимодействие. По высоте реакционное пространство печи можно условно разделить на четыре зоны: верхняя - зона нагрева шихты и реакции в твердой фазе; внизу - зона плавления минерала, растворения в расплаве твердых компонентов с высокой температурой плавления и образования жидкой фазы фосфатно-кремнеземная; еще ниже находится углеродная зона, где в присутствии SiO2 протекает основная химическая реакция восстановления фосфата кальция; а в самом низу - зона шлака и феррофосфора.
В общем, восстановление фосфата кальция до фосфора углеродом в присутствии кремнезема можно представить следующей реакцией:
Са₃(РО₄)₂ + 5С + nSiО₂ = 3СаО * nSiО₂ + 5 СО +Р₂ (1)
Эта эндотермическая реакция, идущая с большим поглощением теплоты, осуществляется при 1400 –1600⁰С.
Состав шихты рассчитывается по уравнению:
2Са₅F(РО₄)₂ + 15С + 6SiО₂ = 3Са₃Si₂О₇ + 15СО + 3Р₂+ СаF₂ (2)
Сам механизм процесса восстановления фосфатов, который проходит в несколько этапов, очень сложен. При нагревании начинки из нее удаляются летучие компоненты - влага и углекислый газ, выделяющиеся из содержащихся в фосфоритах карбонатов. При температуре от 900 до 10 000 ° C происходит полиморфное превращение фосфата кальция и кремнезема. Это облегчает диффузионные процессы в шихте и начинает довольно медленное восстановление твердого фосфорита углеродом. При дальнейшем повышении температуры заряд плавится, и восстановление резко ускоряется. Большая часть P2O5 восстанавливается твердым углеродом из жидкого силикатно-фосфатного расплава [10].
При высоких температурах P2O5 нестабилен и диссоциирует на кислород и низшие оксиды фосфора (PO, P2O4 P2O3), наиболее стабильным из которых является оксид фосфора PO. Кислород связан с твердым углеродом в СО, что способствует диссоциации. Оксид фосфора восстанавливается углеродом до элементарного фосфора, который удаляется в газовой фазе. Расплав, стекающий на дно печи, обедняется P2O5 и превращается в силикатный жидкий шлак.
Таким образом, добавление флюса SiO₂ к шихте обеспечивает образование полиэвтектических расплавов и перевод P₂O₅ в жидкую фазу, что приводит к интенсивной реакции из-за ускорения диффузионных процессов. Кроме того, важнейшая роль кремнезема в рассматриваемом процессе сводится к связыванию тугоплавкого оксида кальция, образовавшегося при восстановлении Ca₃(PO₄)₂, с силикатами кальция с относительно низкой температурой плавления, которые легко удаляются из печи в виде жидкого шлака.
Схема восстановления состоит из следующих процессов:
1. нагрев сырья (шихты) и удаление из него влаги;
2. поступление в расплав фосфата кальция и кремнезема;
3. разложение Ca3 (PO4) 2 на более простые частицы и ионы;
4. их диффузия на поверхность углерода;
5. диффузия силикатных частиц на поверхность углерода;
6. реакция с углеродом с образованием P2, CO и CaO
7. удаление СаО в виде силикатов кальция из зоны реакции [14].
Восстановление фосфора из фосфата кальция сопровождается вторичными процессами из-за наличия примесей в шихте: разложением карбонатов и сульфатов, образованием сероводорода из сульфидов и сульфатов и т. Д. Наличие влаги в сырье приводит к образованию фосфина PH3 в верхней зоне печи; потере фосфора. В результате восстановления соединений железа и алюминия, содержащихся в сырье, которые представляют собой флюсы, и обменных процессов, происходящих в печи, образуются фосфиды железа FeP и Fe₂P.
Fе₂О₃ +3С =2Fе +3СО
2Fе +Р₂ =2FеР
4Fе +Р₂ = 2FеР (3)
Выгружаемая из печи смесь фосфидов железа, называемая феррофосфором, содержит 15-28% R. Он выводится из печи в виде расплава.
Для сублимации фосфора используются трехфазные электропечи с погруженными в шихту угольными или графитовыми электродами. Нагревание происходит от пламени электрической дуги, возникающей между электродами, и за счет сопротивления самого заряда. Печи изготовлены из огнеупорного кирпича с внешней стальной оболочкой, обеспечивающей герметичность. Пол и стены реакционной зоны выполнены из угольных блоков.
Полноту восстановления фосфора из фосфата оценивают по коэффициенту восстановления фосфора, который представляет собой отношение количества фосфора, покидающего печь с газами в форме феррофосфора, к количеству фосфора в шихте. Коэффициент восстановления фосфора в электропечах обычно составляет 0,96-0,97. Чем меньше железа в партии, тем выше коэффициент сублимации, который представляет собой отношение количества фосфора, остающегося в газе, к его количеству в партии. Коэффициент возгонки фосфора в электропечах обычно близок к 0,95.
Фосфорные печи имеют мощность 48-80 МВ * А. Производительность самых крупных печей составляет 5 т / ч чистого фосфора при расходе электроэнергии 15000 кВт * ч / т. Диаметр печи -10,2 м, высота -6,6 м. Выход фосфора 86%. На 1 тонну фосфора расходуется 10,5 т фосфорита, 2,8 т кварца, 1,5 т кокса, масса электрода 35 кг, электроэнергии 50 000 МДж. Образуются побочные продукты: феррофосфор 0,3 т, шлак 10 т, газ 3000 м3. Фосфор хранится в стальных емкостях, оборудованных спиралями для нагрева горячей воды. Фосфор транспортируется в железнодорожных цистернах с паровой рубашкой [13,14].