Сернокислотное разложение апатитоваго концентрата в экстракторе

Введение

Фосфорная кислота является основным сырьем для производства фосфорных  удобрений, кормовых добавок, инсектицидов и других фосфорсодержащих продуктов. Общее мировое потребление фосфатного сырья в настоящее время составляет более 150 млн. т в год. Около 85% фосфатного сырья используется для производства минеральных удобрений. Технология фосфорсодержащих удобрений основана на разложении природных фосфатов кислотами. Наиболее рациональный способ получения  фосфорных удобрений-обработка фосфатов фосфорной кислотой, так как в этом случае получаются концентрированные удобрения. Следовательно, фосфорная кислота является основным исходным сырьем в производстве фосфорных удобрений.

В зависимости от способа получения, фосфорную кислоту делят на два  общих типа: 1. Экстракционная фосфорная  кислота (ЭФК), получаемая экстракционным способом; 2. Термическая фосфорная  кислота (ТФК), соответственно термическим. Их использование зависит от требований к качеству по степени очистки. Наиболее чистая – ТФК. Однако, за последние годы для получения чистых (пищевых) фосфатных продуктов, как в России, так и за рубежом, наблюдается тенденция снижения доли приходящейся на использование ТФК и возрастает степень использования очищенной ЭФК при производстве минеральных удобрений

Применяют ортофосфорную кислоту  довольно широко. Основным ее потребителем служит производство фосфорных и комбинированных удобрений: фосфорных солей аммония, натрия, кальция, марганца и алюминия, а также для органического синтеза, в производстве активированного угля и киноплёнки, для производства огнеупоров, огнеупорных связующих, керамики, стекла, удобрений, синтетических моющих средств, в медицине, в металлообрабатывающей промышленности для очистки и полировки металлов, в текстильной для выработки тканей с огнезащитной пропиткой, нефтяной, спичечной промышленности, для производства реактивной и пищевой фосфорной кислоты Фосфорные удобрения придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненно важных частей - семян и плодов. Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуя различные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессах обмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этого производные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор "элементом мысли". Весьма отрицательно (заболевание рахитом, малокровие, и др.) сказывается на состоянии организма понижение содержания в рационе питания соединений фосфора или введение их в неусвояемой форме.

Получение фосфорной кислоты  в последнее время превращается в важное звено всей отрасли, связанной  с производством удобрении. Известно, что ортофосфорная кислота при нагревании подвергается дегидратации, превращаюсь в пирофосфорную кислоту . Дальнейшая дегидратация может привести к образованию триполифосфорной и других полифосфорных вплоть до метафосфорной кислоты НРО3 и ее полимеров ()П. В производстве эту смесь называют суперфосфорной кислотой. Она содержит до 80% , что превращает ее в ценное сырье для получения высококонцентрированных фосфорных и сложных удобрений.

 

В экстракционном способе получения  фосфорной кислоты используются дигидратный и полудгатнный методы.

Температурный режим  зависит от варианта экстракционного  процесса. В дигидратном методе гидратированный сульфат кальция осаждается в форме дигидрата при 70 - 80°С и концентрации кислоты в реакционной смеси 20 -32% Р2О5, в полугидратном методе - в форме полугидрата при 90 - 100°С и концентрации кислоты 35 - 42% Р2О5.

 

В данной работе рассмотрен способ получение экстракционной фосфорной кислоты - сернокислотное разложение апатитового концентрата в полугидратном режиме с образованием фосфорной кислоты, полугидрата сульфата кальция и фторсодержащих газов.

 

      Основная часть

1. Основы производства и характеристика.

 

Метод производства экстракционной фосфорной кислоты - сернокислотное разложение апатитового концентрата  в полугидратном режиме с образованием фосфорной кислоты, полугидрата сульфата кальция и фторсодержащих газов, последующим разделением осадка фосфополугидрата и фосфорной кислоты на карусельном вакуум–фильтре. Образующийся осадок – фосфополугидрат - складируется на полигоне вторичных материалов и отходов.

Химическая формула –  Н₃РО₄. Молекулярный вес - 98.

  

 

Структурная формула:

 

                   О – Н 

О = Р         О – Н

           О – Н 

Кислота фосфорная экстракционная должна отвечать требованиям ТУ 2143-002-34179766-97 с изм. № 1,2,3:

 

 

Таблица 1 Физико-химические свойства производимой продукции

 

Наименование показателей	Н о р м ы
	Неупаренная	Неупаренная полугидратная	Упаренная	Упаренная осветленная
1	2	3	4	5
1. Содержание Н3РО4 в жидкой осветленной фазе в пересчете на Р2О5 в %, не менее (или пределы концентрации)	27,0	35,0 – 37,0	52,0	52,0
2. Содержание сульфатной  серы в пересчете на SO3, %, не более	2,5	2,0	4,0	3,5
3. Массовая доля фтора  (F), %, не более	2,0	1,9	не  нормируется	0,5
4. Массовая доля твердых  веществ, %, не более	1,5	1,5	5,0	0,6

Ортофосфорная (фосфорная) кислота  при нагревании до 204 °С теряет воду и переходит в

пирофосфорную кислоту:

2Н₃РО₄

Н₄Р₂О₇ + Н₂О­

При дальнейшем нагревании пирофосфорная  кислота переходит в метафосфорную  кислоту

Н₄Р₂О₇

2НРО₃ + Н₂О­

и, при полном обезвоживании:

2НРО₃

Р₂О₅ + Н₂О­

 

Ортофосфорная (фосфорная) кислота, содержащая 72,4 % Р₂О₅, кристаллизуется в виде бесцветных призматических кристаллов ромбической системы, плавящихся при 42,35 °С. С водой, фосфорная кислота смешивается в любых соотношениях.

Фосфорную кислоту производят в виде водных растворов разных концентраций.

Горячая экстракционная фосфорная  кислота оказывает сильное коppодиpующее действие на большинство металлов, сплавов и силикатно-керамических материалов. Коррозия усиливается при выпаривании растворов, содержащих (2-5) % серной кислоты. Интенсивность коррозии во многом зависит от характера примесей, которые попадают в кислоты из сырья, используемого при получении фосфорной кислоты.

.

 

 

1.2.Характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

СЛОВЕС. ТЕКСТ

Наименование  исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов		Государственный или отраслевой стандарт, СТП, технические условия, регламент или методика на подготовку сырья	Показатели  по стандарту, обязательные для проверки			Регламентируемые показатели
1		2	3			4
Отделение экстракции ЭФК
1. Кислота  серная  техническая		ГОСТ 2184-77 с изм.1-4	Массовая доля моногидрата (Н2SO4), % - не менее 92,5			1. Массовая доля моногидрата  (Н2SO4), % - не менее 92,5. 2. Массовая доля железа (Fе), %, не более – 0,02 (1 сорт); 0,1 – (2 сорт). 3. Массовая доля остатка  после прокаливания, %, не более – 0,05 (1 сорт) не нормируется (2 сорт) 4. Цвет в см3 раствора сравнения не более – 6 (1 сорт) не нормируется (2 сорт)
2. Концентрат апатитовый		ГОСТ 22275-90	1. Массовая доля оксида  фосфора (Р2О5),%, не менее 39,0 2. Массовая доля воды, %, 1,0 ± 0,5 3. Остаток на сите с  сеткой № 016 К (ГОСТ 6613), %, не более 13,5			1. Массовая доля оксида  фосфора (Р2О5),%, не менее – 39,0 2. Массовая доля воды, %, 1,0 ± 0,5 3. Остаток на сите с  сеткой  № 016К (ГОСТ 6613),%, не более 13,5 Примечание: 1. Массовая доля оксида  фосфора дана в пересчете на  сухое вещество. 2. Массовая доля полуторных  оксидов (FеО, Fе2О3, Аl2О3) не более 3,0 % гарантируется  поставщиком и определяется периодически один раз в месяц по требованию потребителя, а также в случае разногласий при оценке качества.
1	2			3	4
	-			-	3. Апатитовый концентрат, применяемый для производства  суперфосфата и нитрофоски, должен  содержать остаток на сите  с сеткой № 016К не более  11,5 %. По согласованию с потребителем допускается отгрузка апатитового  концентрата в период с мая  по сентябрь включительно с содержанием  массовой доли воды (1,5 ± 0,5) %.
3. Вода оборотная	Технологический регламент  033-ТР-001-2005 гидротехнических  сооружений			рН – 6,5-8,5	1. рН – 6,5-8,5 2. Массовая доля взвешенных  веществ, мг/л, не более 100
4. Сжатый воздух	Технологический регламент по МКС 1,2 ЦТГС			Давление воздуха, МПа, 0,4-0,6	Давление воздуха, МПа, 0,4-0,6
5. Сжатый воздух для  приборов КИПиА	Технологический регламент  по МКС 1,2 ЦТГС			-	1.Давление воздуха, МПа, 0,3-0,5 2. Точка «росы», °С, минус 40 (в зимний период); минус 18 (в летний период) 3. Температура, °С,  не более 60
6. Пар	Технологический регламент  котельной  цеха теплогазоснабжения (ЦТГС) № 033 – ТР-001-2000			Давление пара, МПа, 0,3-0,4	Давление пара, МПа, 0,3 - 0,4

 

 

1.3 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И СХЕМЫ

 

Технологический процесс производства экстракционной фосфорной кислоты полугидратным методом стадий:

4.1 Прием и подача апатитового концентрата в цех;

4.2 Подача  апатитового концентрата  и  серной кислоты в экстрактор;

4.3 Разложение  апатитового концентрата серной  кислотой с получением фосфорной  кислоты и полугидрата сульфата  кальция;  

4.4 Воздушное   охлаждение пульпы;

4.5 Фильтрация  пульпы  на  карусельном вакуум-фильтре;

4.6 Промывка  оборудования отделения фильтрации;

4.7 Удаление  фосфополугидрата;

4.8 Улавливание  фтористых соединений

В данной

1 ПРИЕМ  И ПОДАЧА АПАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА  В ЦЕХ

Для  хранения и транспортировки фосфорсодержащего  сырья, используемого для производства экстракционной фосфорной кислоты, служит отделение подготовки сырья, которое включает в себя восемь траншей  и двенадцать силосов.

Апатитовый  концентрат прибывает в минераловозах, зерновозах, которые устанавливаются под выгрузку на два железнодорожных пути. Одновременно выгрузка может производиться из шестнадцати вагонов в восемь прирельсовых траншей.

Разгрузка апатитового концентрата, предназначенного для ЭФК-3,4 производится в   траншеи 1-4, из которых он с помощью скреперной лебедки подается в приемные бункера  пневмокамерных  насосов (поз.К25-К32, поз.К41-К44). Этими насосами апатитовый  концентрат подается в силоса (поз.С9-С12).

Силос представляет собой цилиндрическую железобетонную емкость диаметром  11,5 м и высотой 27 м.

В нижней части силос снабжен двумя  разгрузочными бункерами. Из бункера  апатитовый концентрат попадает в камеру пневмокамерных насосов (поз.К33-К40, поз.К45-К48)                марок ТА-29А или К-1945

Принцип работы данного насоса следующий:

-  заполнение камеры апатитовым  концентратом;

-  прекращение подачи апатитового  концентрата;

-  вытеснение  апатитового концентрата  из камеры сжатым воздухом.

Далее циклы  повторяются.

Все операции работы пневмокамерного насоса производятся автоматически.

Емкость траншейного и силосного складов  составляет 30 - 32 тыс.т апатита, что обеспечивает запас около 8 суток.

Транспортировка апатитового концентрата осуществляется сжатым воздухом (пневмотранспорт) по стальным трубопроводам Ø 219×10 и Ø 250×10 мм. Повороты трассы выполнены из каменного литья.

Для компенсации    пиковых   расходов  сжатого воздуха и  колебаний давления в системе  воздухоснабжения в районе траншей апатита и силосов установлены воздухосборники (ресиверы) (поз.В25).

Во  время подачи апатитового концентрата  пневмотранспортом из силосов выбрасывается  запыленный воздух, требующий очистки  от пыли. Для предотвращения выброса  пыли и создания в них разряжения на крышке силосов на верхней отметке  силосов 9-12 установлены рукавные фильтры с импульсной регенерацией напорные ФРИН-С-15. Принцип действия фильтров – запыленный воздух очищается от пыли апатита в рукавных фильтроэлементах, состоящих из проволочной каркасной сетки, на которую надевается рукав из полиэстера. Загрязненный воздух поступает в фильтр в камеру «запыленного» воздуха, проходит через рукава, при этом частицы пыли задерживаются на их наружной поверхности, а очищенный воздух поступает в отсек чистого воздуха и через патрубок отводится из фильтра. К отсеку чистого воздуха подключен ресивер сжатого воздуха с электромагнитными клапанами. Воздух из ресивера через электромагнитные клапаны поступает в раздаточные трубы с отверстиями на каждый рукав. Очищенный от пыли воздух вентилятором (поз.В11) выбрасывается в атмосферу.

Из  силосов 9-12 апатитовый концентрат пневмокамерными насосами (поз.К33-К40, поз.К45-К48) подается в приемные бункера (поз. Е-5) ЭФК-3,4  емкостью 450 м³ каждый, предварительно пройдя разгрузитель (поз.ПТ-1).

Для очистки  запыленного воздуха  от приемных цеховых бункеров апатита (поз.Е-5) также установлены рукавные фильтры.  На ЭФК-4 установлен фильтр типа КФЕ-120 (поз.4Ф-3), а на ЭФК-3 – фильтр типа ФРИН-С-15 (поз.3Ф-3), которые устанавливаются над бункером       (поз.Е-5). Принцип действия обоих фильтров идентичен и описан выше. При фильтрации запыленного воздуха на поверхности рукавов нарастает слой пыли, увеличивающий гидравлическое сопротивление фильтра, т.е. перепад давления между чистой камерой и рукавной полостью (этот перепад давления задействован в системе регенерации как управляющий фактор). Дифманометр постоянно измеряет перепад давления, при достижении установленного значения (по заданному положению уставки на циферблате) выдается сигнал на  контроллер, который в соответствии со своей программой запускает работу импульсных клапанов. При срабатывании импульсного клапана сжатый воздух из данного клапанного блока выбрасывается в импульсные трубы и, далее, через сопла – внутрь рукавов. Воздействия импульса сжатого воздуха обеспечивает очистку от пыли данного ряда рукавов. 

 

 

4.2 ПОДАЧА АПАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА  И

СЕРНОЙ КИСЛОТЫ В ЭКСТРАКТОР