Лекция 2. Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве экстракционной фосфорной кислоты

Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве экстракционной фосфорной кислоты.

H₃PO₄ – сильная кислота

2 метода:

термический метод

экстракционный метод

Термический метод основан на термическом сжигании фосфора в среде кислорода.

1 стадия. P + O₂ → P₂O₅ (2.1)

реакция сжигания, сильно экзотермическая

2 стадия. P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ (2.2)

Продукционная ортофосфорная кислота имеет концентрацию 85-86% масс. по P₂O₅ , практически без примесей.

Экстракционный метод основан на сернокислотном разложении апатитового концентрата.

Са₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ + 10H₂O → 3H₃PO₄ + 5CaSO₄∙2H₂O + HF (1.1)

Продукционная ЭФК с концентрацией 40% масс. по P₂O₅ (наличие примесей).

В зависимости от чистоты продукта различается область применения:

Чистая ортофосфорная кислота используется при фосфотировании Ме поверхностей (предварительная стадия перед окраской Ме поверхности), т. к. фосфорная кислота с добавками Zn или Mn образует на поверхности Ме защитную пленку.

В последнее время ортофосфорная кислота используется в парфюмерном пр-ве.

Область применения ЭФК:

Пр-во фосфорных и сложных концентрированных удобрений, а также получение фосфатов (кормовых), моющих и водоумягчающих средств.

Используется при крашении текстильных тканей, в реакциях органического синтеза (как катализатор).

По объему промышленного пр-ва в ассортиментной линейке занимает 3 место после серной и азотной кислот.

Некоторые характеристики водных растворов H₃PO₄ :

Таблица 2.1. Характеристики водных р-ров H₃PO₄ .

Давление атмосферное.

Конц. P2O5, % масс.	t затверд., °С	t кип., °С	Cp, кДж/(кг∙К)	ή (25°С), Па·с
	0,8	100,10	4,0737	0,0010
	-21,9	103,9	3,0271	0,0035
	-76,9	114,9	2,4995	0,0092

Как видно из табл. 2.1 с ростом концентрации изменяется t кип, t затверд,

С_р, ή.

Это объясняется строением водных растворов H₃PO₄ .

Согласно основным законам, установленная связь между C, t, P объясняется повышением (понижением) T фаз. превр. (кип., замерз.) за счет внутреннего строения р-ра и сил взаимодействия между растворенным в-вом и р-лем.

∆T = T_{кип. р-ра} - T_{кип. чист. р-ля} - температурная депрессия

Рис. 2.1. Зависимость температурной депрессии от концентрации.

∆Tдепр

∆Tкристалл

С точки зрения технико-экономических показателей, большое преимущество имеет экстракционный способ (по сравнению с термическим).

Сравнение по минимуму приведенных затрат:

З_прив = Сб + Е_н∙К_уд (2.3)

Сб - себестоимость продукции, руб/т

Е_н - нормативный коэффициент

К_уд – уд. Капитальные затраты, руб/т

Е_н = 1/Т_ок (2.4)

Т_ок – срок окупаемости

Сб = ∑Зi /П_R (2.5)

К_уд = стоим. оборуд./ П_R (2.6)

∑Зi – текущие затраты

∑Зi = З_сырье + З_матер. + З_энерг. + З_з.п. + З_ремонт

П_RЭФК > П_{Rортофосф. к-ты} (2.7)

При прочих равных условиях Сб_ЭФК < Сб_{ортофосф. к-ты}

Ц_ЭФК < Ц_{ортф. к-ты}

Условие (2.7) обусловлено народнохозяйственным спросом на рынке.

Сернокислотное разложение фосфатного сырья.

В основе лежит реакция (1.1).

Сырье- апатитовый концентрат

Источник- Карелия

Суть метода: извлечение (экстрагирование) H₂O₅ в виде H₃PO₄.

По этому методу природные фосфаты обрабатывают серной кислотой с последующим фильтрованием экстракционной пульпой с получением технической H₃PO₄ и осадка – ФГ.

Часть выделенного основного фильтрата, смешанного с промывочным раствором называют раствором разбавления, который возвращается в экстрактор для уменьшения вязкости реакционной пульпы в экстракторе.

Химическая схема процесса.

Классификация р-ции (1.1):

Гетерогенная (участники процесса находятся в разных фазах, а сам процесс протекает на границе раздела фаз).

Лимитирующей стадией является кристаллизация ФГ.

CaSO₄∙2H₂O_е ↔ Са_е²⁺ + SO₄^2- + 2H₂O (2.8) ∆H< 0;

Обоснование технологического режима ТР.

ТР – такая совокупность технологических параметров (T,P,C), которая обеспечивает оптимальные условия эксплуатации оборудования.

Выбор и обоснование ТР будем проводить на основании данных о химическом равновесии и химической кинетике процесса.