Виробництво екстракційної фосфорної кислоти

Виробництво екстракційної фосфорної кислоти (ЕФК) є одним з найбільш великотоннажних серед виробництв основної хімічної промисловості. Основна частка виробленої фосфорної кислоти припадає на дигідратний метод, що дозволяє отримувати, в залежності від якості перероблюваної сировини, кислоту з вмістом 22−32% Р₂О_5. Дигідратний спосіб відрізняється порівняно м’яким температурно-концентраційним технологічним режимом, простий і дає вихід Р₂О₅ в продукційну кислоту. У той же час відносно низька концентрація одержуваної кислоти вимагає подальшої її упарки до вмісту Р₂О₅ близько 40−50%_.

Дигідратний метод належить до найбільш розроблених в промисловій практиці. Його вдосконалення йде в основному по шляху прийняття нових апаратурних рішень, спрямованих на інтенсифікацію процесу, оптимізацію і стабілізацію температурного режиму. Прагнення отримувати більш концентровану ЕФК вже в технологічному циклі її виробництва, тобто без спеціального упарювання, виразилося в розробці та промисловій реалізації напівгідратного процесу. Прямий напівгідратний процес у традиційному варіанті характеризується технічними складнощами, пов’язаними з підвищеною температурою, виділенням фтористих газів, а також більш низьким виходом Р₂О₅ в кислоту, ніж у дигідратному методі. Ця обставина, що впливає на високу інтенсивність процесу і порівняно низькі капітальні вкладення, дещо загальмувала поширення напівгідратного методу. На практиці напівгідратним методом отримують кислоту з вмістом Р₂О₅ від 36 до 45%.

Напівгідратний процес більш чутливий до відхилень технологічного режиму, тому що здійснюється в більш вузьких, ніж дигідратний процес, інтервалах температури і концентрацій Р₂О_5, СаО, SО₃ в рідкій фазі. Тому дуже важливою умовою стабільної та ефективної роботи напівгідратних систем є оснащення їх надійною системою контролю і автоматичного регулювання, застосування АСУТП.

Обидва процеси протікають з виділенням твердих фаз — дигідрату і напівгідрату сульфату кальцію в метастабільних станах, але різко відрізняються за своєю розчинністю, стійкістю, розмірами і формою кристалів.

Успішне здійснення процесу напівгідратним методом можливо при виділенні достатньо стабільних кристалів напівгідрату, забезпечуючи максимально повне відділення фосфорної кислоти від осаду і не гідратуючи в процесі промивки водою на фільтрі і при подальшому транспортуванні і зберіганні.

Температурні умови процесу залежать від концентрації одержуваної кислоти і в області метастабільного існування напівгідрату в системі CaSO₄ — Н₃РО₄ — Н₂О укладені у відносно невеликих межах. При концентрації кислоти від 35 до 50% Р₂О₅ верхній діапазон температур змінюється від 10 до 90єС. Нижній діапазон, починаючи з 70 °C, не представляє практичного інтересу, особливо при утриманні в кислоті більше 37−40% Р₂О₅ внаслідок малої швидкості реакції і труднощів, пов’язаних з відділенням осаду від кислоти великої в’язкості.

При низькій розчинності і повільному розчиненні напівгідрату останній довго дегідратуєтся і при 115−125єС в концентрованій фосфорній кислоті.

Присутність у розчині 0,5−0,6% фтористих і кремнефтористих сполук призводить до різкого зменшення розмірів кристалів і уповільнення фільтрування в 2 рази. Збільшення вмісту фтористих сполук до 1% уповільнює фільтрування в 5 разів. Поява кристалів напівгідрату голчастої форми викликано гальмуванням росту граней призми при швидкому зростанні вершинних граней внаслідок вибіркової адсорбції домішок на гранях зростаючого кристала. Але спільна присутність в розчині домішок сполук алюмінію та іонів фтору викликає (при вмісті до 2% А1₂О₃ і 0,4−0,5% F) утворення більш ізометричних кристалів з?? кращими фільтрувальними властивостями, ніж за відсутності домішок. Повне перетворення напівгідрату в гіпс в розчинах, що містять 10−18% Р₂О_5, завершується протягом однієї години. При вмісті в кислоті 25% P₂O₅ фазовий перехід закінчується протягом двох годин.

Швидкість гідратації напівгідрату в значній мірі залежить і від умов його отримання. Чим вищою є концентрація фосфорної кислоти, в якій відбувалося виділення напівгідрату, тим повільніше відбувається його оводнення у розведених розчинах.