Производство ортофосфорной кислоты
Ортофосфорная кислота: определение и формула
Знакомство с химическим продуктом логично начинать с его формулы. Она выглядит так:
H3PO4 (P2O5·3H2O)
Физически ортофосфорная кислота — это гигроскопичные бесцветные кристаллы с температурой плавления 42,4ºС. При нагревании подвергается дегидратации (выпаривание воды) с повышением содержания P2O5 от 73% до 85%.
Применение ортофосфорной кислоты
Фосфорную кислоту с содержанием P2O5 73%-85% называют полифосфатной (суперфосфатной) кислотой: вещество, ценное для производства высококонцентрированных жидких и твердых фосфатных удобрений. На эти цели расходуется около 90% добываемой продукции. К примеру, это могут быть: фосфаты кальция, калия, аммония, смешанные удобрения в различном виде и кормовые фосфаты.
Помимо этого, ортофосфорная кислота находит применение в процессе производства огнезащитных материалов. В качестве катализатора она применяется при производстве различных химических соединений. Слабый раствор фосфорной кислоты (пищевая ОФК) применяют в пищевой промышленности для улучшения вкуса (добавка Е338). Применяют её и для фосфатирования поверхности металлоизделий, при покраске текстильных волокон, в производстве стекла, медикаментов.
- Производство фосфатных и сложных удобрений;
- Пищевая промышленность, как добавка Е 338
- Деревообрабатывающая промышленность;
- Производство строительных материалов:
- Фармацевтическая промышленность;
- Авиационная отрасль и бытовая химия;
- Металлопрокатная промышленность;
- Медицина – стоматологическое дело;
- Нефтяная промышленность;
- Производство противопожарных изделий.
Производство ортофосфорной кислоты
Существует два способа промышленного получения ОФК.
Термический способ производства ортофосфорной кислоты
Эта технология содержит 4 этапа при получения ортофосфорной (фосфорной) кислоты:
1. Высокотемпературное восстановление (отделение) фосфора в электрических печах в присутствии углерода и кремнезема:Са3(РО4)2 + 5С + 2SiO2 = P2 + 5CO + Ca3Si2O7, где Р2 — выделенный фосфор.
2. Окисление фосфора в печи (сжигание с подачей сжатого воздуха) до фосфорного ангидрида:
2Р2 + 5О2 = 2Р2О5.
3. Гидратация ангидрида водой (в башне гидратации) с получением ОФК в виде газовой фазы (туман):
Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4.
4. Конденсация охлаждением (в теплообменнике) Н3РО4 в жидкую фазу ОФК. В качестве хладагента применяют воду или оборотную (возвратную, не расходуемую) фосфорную кислоту. Практикуют комбинированные системы конденсации: теплообменные, циркуляционные и испарительные.
Полученную ортофосфорную кислоту перекачивают погружными насосами.
Термический способ позволяет перерабатывать даже бедное сырьё с низким содержанием фосфатов и получить на выходе ОФК высокой чистоты. Но способ энергозатратный, поэтому сейчас применяется редко.
1. Высокотемпературное восстановление (отделение) фосфора в электрических печах в присутствии углерода и кремнезема:Са3(РО4)2 + 5С + 2SiO2 = P2 + 5CO + Ca3Si2O7, где Р2 — выделенный фосфор.
2. Окисление фосфора в печи (сжигание с подачей сжатого воздуха) до фосфорного ангидрида:
2Р2 + 5О2 = 2Р2О5.
3. Гидратация ангидрида водой (в башне гидратации) с получением ОФК в виде газовой фазы (туман):
Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4.
4. Конденсация охлаждением (в теплообменнике) Н3РО4 в жидкую фазу ОФК. В качестве хладагента применяют воду или оборотную (возвратную, не расходуемую) фосфорную кислоту. Практикуют комбинированные системы конденсации: теплообменные, циркуляционные и испарительные.
Полученную ортофосфорную кислоту перекачивают погружными насосами.
Термический способ позволяет перерабатывать даже бедное сырьё с низким содержанием фосфатов и получить на выходе ОФК высокой чистоты. Но способ энергозатратный, поэтому сейчас применяется редко.
Экстракционный способ производства ортофосфорной кислоты
Этот способ основан на вытеснении ортофосфорной кислоты из фосфатов сильными кислотами и не требует предварительного выделения фосфора из сырья. В качестве сильной кислоты чаще всего применяется серная кислота H2SO4. Процесс производства экстракционной ортофосфорной кислоты (ЭОФК) происходит в баковом экстракторе по следующей упрощенной формуле:Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 = 5CaSO4 + 3Н3РО4 + HF, где:
Ca5F(PO4) — загружаемое подготовленное сырье.
Н3РО4 — ЭОФК (основной продукт).
CaSO4 — сульфат кальция, фосфогипс (сопутствующий продукт).
HF — фтористый водород.Фтористый водород взаимодействует с H2SiO3 (присутствует в растворе как примесь сырья):4HF + H2SiO3 = SiF4 + 3H2OЧасть SiF4 улетучивается в газовую среду, а часть остается в растворе ЭОФК в более сложном виде H2SiF6.Основной процесс происходит в баках экстракции, куда подаются дозированные сырье, серная кислота и оборотная часть ЭОФК для разбавления концентрата-пульпы (в смешанном растворе серной и фосфорной кислот процесс идет активнее, повышается % выхода ЭОФК). Дозирование имеет важное значение для активности химических процессов, повышения выхода ЭОФК. Для измельченного сырья применяют весовые дозаторы, для серной кислоты — щелевые.В первом баке достигается однородность пульпы и изотермичность процесса, а во втором — дозревание пульпы до свойств, перспективных для последующей фильтрации ЭОФК и отделения примесей на лотках карусельной фильтрации.Для оводнения сульфата кальция, поддержания необходимой текучести пульпы и вывода остаточного ЭОФК из нерастворимого осадка в систему подается вода.
Полученная ЭОФК имеет низкую концентрацию и небольшое количество примесей сырья, её необходимо упаривать. Из-за более низкой себестоимости экстракционный способ рентабельнее термического. Недостаток способа — наличие небольшого количества примесей гипса, соединений фтора, окислов железа и алюминия.
Ca5F(PO4) — загружаемое подготовленное сырье.
Н3РО4 — ЭОФК (основной продукт).
CaSO4 — сульфат кальция, фосфогипс (сопутствующий продукт).
HF — фтористый водород.Фтористый водород взаимодействует с H2SiO3 (присутствует в растворе как примесь сырья):4HF + H2SiO3 = SiF4 + 3H2OЧасть SiF4 улетучивается в газовую среду, а часть остается в растворе ЭОФК в более сложном виде H2SiF6.Основной процесс происходит в баках экстракции, куда подаются дозированные сырье, серная кислота и оборотная часть ЭОФК для разбавления концентрата-пульпы (в смешанном растворе серной и фосфорной кислот процесс идет активнее, повышается % выхода ЭОФК). Дозирование имеет важное значение для активности химических процессов, повышения выхода ЭОФК. Для измельченного сырья применяют весовые дозаторы, для серной кислоты — щелевые.В первом баке достигается однородность пульпы и изотермичность процесса, а во втором — дозревание пульпы до свойств, перспективных для последующей фильтрации ЭОФК и отделения примесей на лотках карусельной фильтрации.Для оводнения сульфата кальция, поддержания необходимой текучести пульпы и вывода остаточного ЭОФК из нерастворимого осадка в систему подается вода.
Полученная ЭОФК имеет низкую концентрацию и небольшое количество примесей сырья, её необходимо упаривать. Из-за более низкой себестоимости экстракционный способ рентабельнее термического. Недостаток способа — наличие небольшого количества примесей гипса, соединений фтора, окислов железа и алюминия.
Минеральных ресурсов меньше — новых технологий больше!
В связи с уменьшением ресурсов качественных фосфатных залежей разрабатываются новые технологии производства ОФК, направленные на увеличение выхода полезного продукта. Представляем одну из них:
Суть её в работе двух разделительных реакторов, соединенных последовательно. Основная часть примесей отделяется в первом реакторе, и полученная ЭОФК концентрацией 21% P2O5 поступает во второй реактор, обогащая находящийся там раствор. На выходе — ЭОФК с содержанием P2O5 30%. Т.е. эта технология позволяет повысить выход полезного продукта на 9%.
Где купить ортофосфорную кислоту
