Теоретичні основи виробництва фосфорної кислоти

Технічно фосфорну кислоту вперше отримали понад 100 років тому розкладанням низькоякісних фосфоритів, що містять у значній кількості сполуки тривалентних металів, розведеною (5−10%) сірчаною кислотою, в якій сполуки заліза і особливо алюмінію переходять в розчин в незначній мірі.

Суттєвим кроком вперед у виробництві фосфорної кислоти був перехід до установок безперервної дії і розведення 75 і 93%-ої H ₂SO₄ не водою або слабкими промивними водами, а розчином фосфорної кислоти, тобто проведення процесу із застосуванням розчину розведення. У цих умовах виділяються ромбічні кристали гіпсу, які добре фільтруються і відмиваються.

B даний час дигідратним способом виробляють фосфорну кислоту з вмістом 20−25% Р₂О₅ (звичайно з низькосортної сировини — бідних фосфоритів) і 30−32% Р₂О₅ (з високоякісної сировини — апатитового концентрату та ін.).

Практичне значення мають температури вище 60 °C. При більш низьких температурах гідратація напівгідрату йде повільно. При 65−70 ° С в розчинах, що містять до 32−33% P₂О_5, напівгідрат швидко перетворюється в гіпс.

Якщо, наприклад, при 80 °C у розчинах, які містять 10−25% Р₂О_5, перетворення напівгідрату в гіпс відбувається протягом 1−5 год, то при концентрації 32% Р₂О_5, протягом значно більш тривалого часу у твердій фазі знаходиться напівгідрат, а потім з’являється навіть ангідрид. Тому отримання такої кислоти дигідратним способом можливо при температурі трохи нижче 80 °C. Крім того, при вмісті в кислоті більше 32−33% Р₂О₅ зменшуються розміри виділяються кристалів гіпсу. Це ускладнює фільтрування кислоти і відмивання осаду.

Великі ізометричні й однорідні кристали дигідрату утворюються при незначному (20−40%) пересичені розчини. При коливанні температури виділяються неоднорідні за розмірами кристали. Утворення більш великих кристалів сприяє підтриманню в розчині невеликого надлишку сульфат-іонів (плюсовий режим).

У вітчизняній промисловості ведуться лабораторні дослідження екстракції фосфорної кислоти з фосфоритів Вятського родовища та ін.

Фосфорити Каратау, в тому числі і флотаційний їх концентрат, містять значну кількість нерозчинного залишку і сполук магнію. При повному переході останніх у кислоту у вигляді сульфату магнію концентрація сульфатів у рідкій фазі пульпи буде більше, ніж це необхідно для виділення кристалів сульфату кальцію оптимальних розмірів і форми. Регулювання концентрації сульфат-іонів можна шляхом розподілу подачі сірчаної кислоти по різних точках системи.

У 1969р. був введений в експлуатацію перший великий завод з екстракції фосфорної кислоти з фосфоритів Каратау. Спочатку технологічний режим був встановлений в розрахунку на переробку флотаційного концентрату.

З флотаційного концентрату Каратау, що містить 28% Р₂О₅ і ~ 2% MgO виходить кислота складу: Р₂О₅ — 23−25%; SO₃ — 3,8−4%; Fe₂O₃ — 1,4−1,5%; MgO — 1,5−1,9%; F — 1,6−1,8%. Незважаючи на істотні удосконалення, виробництво фосфорної кислоти з рядових фосфоритів Каратау — важкий процес, що ускладнюється інтенсивною інкрустацією трубопроводів подачі пульпи на карусельний вакуум-фільтр, робочих органів фільтра — фільтрувальних сіток, барометричних труб і комунікацій першого і другого фільтратів, а також сховищ фосфорної кислоти. Це призводить до необхідності зупинки системи для чищення (виробленої в основному вручну) на 12 год і більше через кожні 7−10 діб роботи, і щодо короткочасного терміну міжремонтний експлуатації обладнання .

В даний час накопичилися численні і всебічні дані про властивості модифікованих фосфорнокислих розчинів і поведінку в них кристалогідратів сульфату кальцію, а також відомості про селективне розчинення складових частин фосфатної сировини.