Сернокислотное разложение апатитоваго концентрата в экстракторе

 

Апатитовый  концентрат из расходного бункера (поз.Е-5) через течку (поз.ПТ-6) поступает на автоматические дозаторы, производительностью 125 тонн апатита в час (поз.ПТ-8/1,2). Апатитовый концентрат с дозаторов подается через вертикальную течку (поз.ПТ-7) на ленточный конвейер (поз.ПТ-9) в узел мокрого смешения (поз.Е-10), где происходит смешение апатита с пульпой. Пульпа  в узел мокрого смешения подается из первого реактора  (поз.Р-19/1) погружным насосом (поз.Н20), Q – 200 м³/ч.

Из  отделения приема и хранения сернокислотного  производства серная кислота массовой  долей не менее 92,5 % по трубопроводу (Ду-150 мм), оборудованному  расходомером-счетчиком РСЦ насосами подается в скоростные смесители (поз.Е-201/3,4), установленные в первом реакторе  (поз.Р19/1), где смешивается с оборотной фосфорной кислотой. Оборотная фосфорная кислота в смесители подается насосами (поз.Н37) из сборников (поз.Е36).

С целью создания оптимальных условий  разложения апатитового концентрата  и кристаллизации сульфата кальция  в реакторах (поз.Р19/1,2) организуется двухзонный сульфатный режим путем подачи (90 – 95) %  общего балансового количества серной кислоты в первый реактор экстрактора (поз.Р19/1) и остального количества во второй реактор экстрактора (поз. Р-19/2).

В первый реактор  (поз.Р19/1) при работе двух КВФ (поз.Ф27) серная кислота подается через два скоростных смесителя в равных количествах. При работе одного КВФ серная кислота подается через один скоростной смеситель.

Во  второй реактор  (поз.Р19/2) серная кислота подается в одну точку без смешения с оборотной фосфорной кислотой (в районе перетока из первого реактора во второй).

Кроме того в реактора (поз.Р19/1,2) предусмотрена подача пара через паровые барботеры для поддержания температурного режима в экстракторе (поз.Р19) в период длительных остановок и при пуске экстрактора после остановки.

 

4.3 РАЗЛОЖЕНИЕ АПАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА СЕРНОЙ

КИСЛОТОЙ С ПОЛУЧЕНИЕМ ФОСФОРНОЙ  КИСЛОТЫ И

ПОЛУГИДРАТА СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ

 

В процессе  разложения апатитового  концентрата серной кислотой фосфорная  кислота экстрагируется (извлекается) в раствор и образуется (при  рабочей температуре (90 - 92) °С и содержании Р₂О₅ в растворе (36,5 - 37,5) % малорастворимый полугидрат сульфата кальция в виде компактных изометрических  сростков кристаллов. Процесс суммарно описывается уравнением

Са₅F(РО₄)₃ + 5Н₂SO₄ + 2,5Н₂О → 3Н₃РО₄ + 5СаSO₄ × 0,5Н₂О + НF + 411,0 кДж/моль

Реакция протекает с выделением тепла (411 кДж/моль).

Карбонаты и силикаты кальция и магния разлагаются  с образованием соответствующих  сульфатов

 

СаМg(CО₃)₂ + 2Н₂SО₄ → СаSO₄ + МgSO₄ + 2Н₂О + 2СО₂

Мg₂SiО₄ + 2Н₂SO₄ → 2МgSO₄ + SiО₂ + 2Н₂О

Са₂SiO₄ + 2Н₂SO₄ → 2СаSO₄ + SiO₂ + 2Н₂О

 

Нефелин разлагается с образованием сульфатов  и диоксида кремния:

 

Nа₂О × К₂О × Аl₂О₃ × 2SiO₂ + 5 Н₂SO₄ → Nа₂SO₄ + К₂SO₄ + Аl₂(SO₄)₃ + 2SiO₂ + 5Н₂О

 

Выделившийся  диоксид кремния реагирует с  выделяющимся по основной реакции фторидом водорода с образованием кремнефтористоводородной кислоты:

 

6НF + SiO₂ → Н₂SiF₆ + 2Н₂О

 

Кремнефтористоводородная кислота при температуре (90 - 92) °С частично выделяется в газовую фазу в виде эквимолекулярной смеси 2HF + SiF₄; тетрафторид кремния образуется также при взаимодействии кремнефтористоводородной кислоты с диоксидом кремния (при избытке SiO₂):

2Н₂SiF₆ + SiO₂ → 3SiF₄ + 2Н₂О

 

Соединения  фтора, выделяющиеся в газовую фазу, абсорбируются водой с образованием раствора кремнефтористоводородной кислоты:

 

3SiF₄ + (n+2) Н₂О → 2Н₂SiF₆ + SiO₂ × n Н₂О

 

В условиях полугидратного процесса при разложении апатитового концентрата в газовую фазу выделяется  не более 18 % фтора от общего количества, введенного с сырьем.

Процесс разложения апатитового концентрата  в ЭФК-3,4 осуществляется в двухсекционном экстракторе (поз.Р-19) объемом ~ 900 м³.

Экстрактор, представляет собой две цилиндрические ёмкости (реактора), соединенные между  собой в верхней части перетоком диаметром 2,0 метра.

  В первом реакторе (поз.Р-19/1) установлена центральная секция (шахта циркулятора)  внешним диаметром 2,1 м. Толщина стенки, окружающей металлический стакан циркулятора ~ 480 мм, выполнена из углеграфитовых блоков. Кольцевая секция соединена со стенкой реактора радиальной перегородкой толщиной 400 мм, верхний край оголовка перегородки выше рабочего уровня пульпы  на 250 мм. В кольцевой секции установлено 6 мешалок (поз.Х-18/1-6), а в центральной секции циркулятор пульпы (поз.Х-18А). Забор пульпы осуществляется через два нижних переточных окна (суммарной площадью, с внутренней стороны центральной шахты – 1,6 м²), расположенных у радиальной перегородки. Рабочий уровень пульпы в реакторе составляет (750 - 900) мм от крышки.

Во  втором реакторе (поз.Р-19/2) установлена центральная секция и «глухая» перегородка толщиной 400 мм из углеграфитовых блоков. Центральная секция имеет неправильную кольцевую форму внешним диаметром 4,2 м и эллиптическим удлинением для размещения  насоса подачи пульпы (поз.Н25/а,б) на фильтрацию.

В кольцевой секции установлены 8 мешалок, и одна в центральной секции (поз.Х22/1-9). Пульпа поступает из кольцевой секции в центральную через нижнее переточное окно размером 1000×1000 мм, расположенное у глухой перегородки.                

Крышка  реакторов (поз.Р-19/1,2) выполнена из нержавеющей стали.

Использование циркулятора позволяет одновременно  решать две задачи – подачи пульпы на охлаждение в аппарат воздушного охлаждения (АВО) и создания во всем объеме реактора мощного циркуляционного контура (Q – 5000 м³/час)  с целью выравнивания концентрационных и температурных градиентов (гидродинамический режим близкий к реактору «идеального смешения»).

Устройство  в реакторе (поз.Р-19/2) центральной и кольцевой секции позволяет приблизить гидродинамический режим к модели реактора «идеального вытеснения». Пульпа в реакторе движется направленным потоком по кольцевому пространству  и через нижнее окно у радиальной перегородки поступает в центральную секцию, откуда производится подача пульпы насосами (поз.Н25/а,б) на фильтры.

 

4.4 ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПУЛЬПЫ

Процесс разложения апатитового концентрата  серной кислоты сопровождается выделением тепла. Оптимальной для условий  полугидратного процесса является температура пульпы в основной реакционной зоне (90 - 92) °С. В реакторе (поз.Р19/1) данная температура будет поддерживаться за счет охлаждения пульпы в аппарате воздушного охлаждения пенного типа (поз.Т21), вмонтированном непосредственно в крышку реактора. АВО представляет собой короб, выполненный из нержавеющей стали. Внутренний объем короба разделен на две части перегородкой, образующей рабочую зону охлаждения и зону подачи охлаждающего воздуха. В зоне охлаждения на расстоянии (250 - 350) мм выше рабочего уровня пульпы расположена горизонтальная решетка с площадью свободного сечения ~ 50 %. Охлаждающий воздух подается вентилятором (поз.В13) (ВМН-17, Q = 58000 м³/ч, Н = 920 мм водн.ст.) по газоходу в зону подвода воздуха АВО (поз.Т21) и далее подается под решетку охладителя, на которую по желобу направляется пульпа из центральной шахты реактора (поз.Р19/1) циркулятором (поз.Х18А). Нижние кромки стенок короба АВО (поз.Т21) находятся под уровнем пульпы (≥ 350мм), образуя гидрозатвор. После интенсивного контакта с пульпой охлаждающий воздух поступает под крышку реактора и удаляется через отсосы газа (поз.С17/1,2) в систему абсорбции.

Предусмотрено автоматическое регулирование температуры  пульпы в реакторе (поз.Р19/1) путем изменения количества воздуха, подаваемого на охлаждение.

  Регулировка расхода воздуха  может осуществляться автоматически.

УЛАВЛИВАНИЕ ФТОРИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

На  различных стадиях производства экстракционной фосфорной кислоты  в газовую фазу выделяются соединения фтора, в основном тетрафторид кремния и некоторое количество фтористого водорода. Поэтому отходящие газы перед выбросом в атмосферу необходимо очищать.

Соединения  фтора, выделяющиеся в газовую фазу, абсорбируются водой с образованием раствора кремнефтористоводородной кислоты:

 

3SiF₄ + (n + 2) H₂O →  2Н₂SiF₆ + SiO₂ × nH₂O

 

Для очистки газов, выделяющихся от экстрактора, устанавливаются две самостоятельных  системы абсорбции по одной от каждого реактора, рассчитанные на объемы газа 110 и 30 тыс. м³/ч. При этом система абсорбции от первого реактора (поз.Р19/1) усиливается промывкой газов в газоходах, полом абсорбере с помощью форсунок перед основной абсорбцией в трехступенчатом абсорбере пенном скоростном (АПС). От второго реактора (поз.Р19/2) устанавливается собственная система абсорбции.

 

4.8.1 Система  очистки газов от первого реактора (поз.Р-19/1)

 

Количество  отсасываемых газов, тыс. м³/ч 70 - 110

Температура газов, °С 70 - 75

Концентрация  фтора в газе, г/м³ ~ 4

Отсасываемые  от реактора (поз.Р19/1) газы последовательно проходят очистку от фтористых соединений и кремнегеля в наклонных газоходах, полом абсорбере (поз.С95), орошаемых с помощью форсунок и трехступенчатом абсорбере (поз.С59).

Первой  ступенью абсорбции является орошение газов из реактора (поз.Р19/1) в газоходе от газовой коробки к полому абсорберу и полом абсорбере. Подача абсорбционного раствора производится из циркуляционного сборника 1-ой ступени абсорбции (поз.Е68/2)  насосами (поз.Н69/4,5,6) (2 в работе и 1 резервный). С помощью форсунок производительностью 100 м³/ч орошаются два газохода от конусовидных отсосов (поз.С17/1,2) к полому абсорберу и полый абсорбер (поз.С95). В газоходах установлено по одной форсунке в полом абсорбере (поз.С95) две форсунки.

Второй  ступенью абсорбции является орошение газов в газоходе от полого абсорбера  к абсорберу АПС (поз.С59) и перед нижней тарелкой при помощи форсунок, а также контакт газа на нижней тарелке АПС с абсорбционным раствором, содержащим слабую H₂SiF₆, подача которого производится из сборника (поз.Е68-1) насосами (поз.Н69/1,2,3) (2 в работе, 1 в резерве, требуемая суммарная производительность – 400 м³/ч). Данные насосы обеспечивают также подачу раствора слабой КФВК в цикл фильтрации. Кроме того осуществляется подача раствора на подпитку сборника (поз.Е68/2).

Третьей ступенью абсорбции является контакт  газа и абсорбционного раствора на верхней и средней тарелке  абсорбера АПС (поз.С59). На верхнюю тарелку подается оборотная вода в количестве (17 – 28) м³/ч. Предусмотрен внешний переток абсорбционной жидкости с верхней тарелки на среднюю. Вывод раствора из нижней части абсорбера производится в сборник (поз.Е68/2) самотеком.

Абсорбер  пенный скоростной (АПС) (поз.С59) представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат диаметром 4,2 м, высотой 15,0 м, разделенный тремя горизонтальными перегородками (тарелками) на три секции.

В нижней части абсорбера находится  газораспределительная камера, на боковой  поверхности которой расположен штуцер ввода фторсодержащих газов.

В нижней части газораспределительной  камеры имеется штуцер для слива  орошающей жидкости.

В центре каждой тарелки имеется отверстие  для прохода газов, над которым  смонтирован контактный патрубок (рабочая  зона) с сепаратором в верхней  части. Сепаратор представляет собой  центробежный завихритель с радиально расположенными лопатками.

Работа  контактного устройства представляется следующим образом: нижняя часть  контактного устройства образует со стенкой абсорбера кольцевую  ванну, из которой раствор орошения через отверстия диаметром (100 - 150) мм поступает в центральную полую часть устройства, по которой снизу вверх двигается газовый поток с расчетной скоростью до 18 м/с. Вследствие  высокой скорости газового потока происходит интенсивное разбрызгивание раствора орошения и его перемешивание с газом. Таким образом, обеспечивается эффективный контакт фаз: газа и жидкости. Далее газожидкостная смесь выбрасывается в сепарационное пространство абсорбера. Вследствие высоких окружных скоростей капли жидкости отбрасываются к стенкам аппарата, а очищенный газ протягивается наверх за счет  разрежения, создаваемого вентилятором (поз.В64) и далее через выхлопной газоход (поз. 101) и высотную трубу выбрасывается в атмосферу.  

Таким образом, каждая ступень АПС работает с внутренней циркуляцией жидкости в режиме  прямотока.  В целом  абсорбер работает в режиме противотока.

Плотность орошения в контактном патрубке поддерживается в пределах (150 – 250) м³/(м²·ч).

4.8.2. Система  очистки газов от второго реактора (поз.Р19/2)

Количество  отсасываемых газов, тыс. м³/ч    20 - 30

температура газов, °С                                       50 - 60

концентрация  фтора в газе,  г/м³                        ~ 3