Характеристика исходного сырья

2.1. Характеристика исходного сырья

Сырьем для получения фосфорной кислоты являются ортофосфаты – соли ортофосфорной кислоты.

Содержащийся в ортофосфатах ион РО₄^3- имеет структуру тетраэдра, расстояние Р-О составляет 1,54-1,60Å. 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.

2.2. 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.

2.3 Модели ХТС

 

2.3.1 Химическая модель

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

Са₅(РО₄)₃F + 5H₂SO₄ + 2,5H₂O ® 3H₃PO₄ + 5CaSO₄×0,5H₂O + 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 ® CaSO₄×0,5H₂O + 3H₃PO₄

2.3.2 Функциональная модель

 

2.3.3 Структурная модель

2.3.4 Операторная модель

2.3.5 Технологическая схема

 

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

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, функциональная, структурная, операторная, технологическая модели ХТС по получению фосфорной кислоты.

Список использованной литературы

1.         Кислотные методы переработки фосфатного сырья / Е.Л. Яхонтова, И.А. Петропавловский, В.Ф. Кармышов, И.А. Спиридонова. – М.: Химия, 1988. – 288 с.

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

3.         Большая советская энциклопедия / под ред. А.Н. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1976. – Т.23.

4.         Копылев В.Н. Технология экстракционной фосфорной кислоты / В.Н. Копылев. – М.: Химия, 1981. – 224 с.