Общие сведения о фосфорной кислоте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения о фосфорной кислоте

2. Получение экстракционной фосфорной кислоты

3. Аппаратурное оформление процесса

Заключение

Литература

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.

Известны два основных способа промышленного производства фосфорной кислоты: экстракционный и термический.

1. Общие сведения о фосфорной кислоте

фосфорный кислота сульфат кальций

Кислота (ортофосфорная кислота) H₃PO₄, молярная масса 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,5762 нм, b = 0,4831 нм, с =1,1569 нм, Я = 95,31°, пространств, гр. Р21/с); расплывается на воздухе; т. пл. 42,50 С; плотность 1,88 г/см³; ДH⁰_обр - 1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению; при 15 ⁰C образует густую маслянистую жидкость, при -121 ⁰C- стеклообразную массу.

Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H₃PO₄·0,5H₂O - бесцветные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,7922 нм, b = 1,2987 нм, с = 0,7470 нм, Я = 109,9°; пространств, гр. Р21/a). Молекула безводной H₃PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄. В безводной фосфорная кислота образуются водородные связи типа P -- О -- H ... O = P (расстояние между атомами О 0,253 нм), которые удерживают структуры PO₄ в виде слоев, параллельных одной из плоскостей кристалла. Водородные связи сохраняются и в концентрированных (70-80%) растворах фосфорная кислота, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфат - анионов с молекулами воды, а не с другими фосфат - анионами. В растворах фосфорная кислота имеет место обмен атомами кислорода между группами PO₄ и водой.

Фосфорная кислота при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагревании выше 80 ⁰C реагирует даже с неактивными оксидами, кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах фосфорная кислота- слабый окислитель для металлов. При действии на металлическую поверхность раствором фосфорной кислоты с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование). Фосфорная кислота при нагревании теряет воду с образованием последовательно пиро- и метафосфорных кислот:

2H₃PO₄ = H₂O + H₄P₂O₇ + 71,17 кДж

H₄P₂O₇ = H₂O + 2HPO₃ + 100,46 кДж/моль

Фосфолеум (жидкий фосфорный ангидрид, суперфосфорная кислота) включает кислоты, содержащие от 72,4 до 88,6% P₂O₅, и представляет собой равновесную систему, состоящую из орто-, пиро-, Триполи-, тетраполи- и др. фосфорных кислот. При разбавлении суперфосфорной кислоты водой выделяется значит. кол-во тепла, и полифосфорные кислоты быстро переходят в ортофосфорную.

2. Получение экстракционной фосфорной кислоты

Фосфорную кислоту в лабораторных условиях легко получить окислением фосфора 32%-ным раствором азотной кислоты:

3P + 65HNO₃ + H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO

В промышленности фосфорная кислота получают термическим и экстракционным способами. Экстракционный способ (позволяет производить наиболее чистую фосфорную кислоту) включает основные стадии: сжигание (окисление) элементного фосфора в избытке воздуха, гидратацию и абсорбцию полученного P₄O₁₀, конденсацию фосфорной кислоты и улавливание тумана из газовой фазы. Существуют два способа получения P₄O₁₀: окисление паров P (в промышленности используют редко) и окисление жидкого P в виде капель или пленки. Степень окисления P в промышленных условиях определяется температурой в зоне окисления, диффузией компонентов и другими факторами. Вторую стадию получения термической фосфорной кислоты - гидратацию P₄O₁₀ - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействием паров P₄O₁₀ с парами воды. Гидратация через стадии образования полифосфорных кислот. Состав и концентрация образующихся продуктов зависят от температуры и парциального давления паров воды.

Все стадии процесса совмещены в одном аппарате, кроме улавливания тумана, которое всегда производят в отдельном аппарате. В промышленности обычно используют схемы из двух или трех основных аппаратов. В зависимости от принципа охлаждения газов существуют три способа производства термической фосфорной кислоты: испарительный, циркуляционно-испарительный, теплообменно - испарительный. Испарительные системы, основанные на отводе теплоты при испарении воды или разбавленной фосфорной кислоты, наиболее просты в аппаратурном оформлении. Однако из-за относительно большого объема отходящих газов использование таких систем целесообразно лишь в установках небольшой единичной мощности.

Циркуляционно-испарительные системы позволяют совместить в одном аппарате стадии сжигания P, охлаждения газовой фазы циркулирующей кислотой и гидратации P₄O₁₀. Недостаток схемы - необходимость охлаждения больших объемов кислоты. Теплообменно - испарительные системы совмещают два способа отвода теплоты: через стенку башен сжигания и охлаждения, а также путем испарения воды из газовой фазы; существенное преимущество системы - отсутствие контуров циркуляции кислоты с насосно-холодильным оборудованием. На отечественных предприятиях эксплуатируют технологические схемы с циркуляционно-испарительным способом охлаждения.

3. Аппаратурное оформление процесса

Аппараты для разложения и кристаллизации сульфата кальция.

Разложение фосфата и кристаллизация сульфата кальция обычно протекает в одних и тех же аппаратах - экстракторах. Общий объем определяется необходимым временем пребывания в них реакционной массы (пульпы), а также производительностью системы.

Экстракторы - вертикальные цилиндрические или прямоугольные резервуары большой вместимости, снабженные пропеллерными или турбинными мешалками, вращающимися с частотой 400-600 об/мин. Они оборудованы вытяжными трубами для газов и паров. Устойчивые металлические и неметаллические материалы защищают экстракторы, мешалки и трубопроводы от коррозии при действии горячих кислот и других примесей, а также от эрозии, т.е. истирания перемешиваемой пульпой. Так, поверхность стальных цилиндрических реакторов покрывают листовым свинцом или полиизобутиленом.

Крышки резервуаров - разъемные, что облегчает их монтаж. Защищают их гуммированием или футеровкой кислотоупорным материалом. Газоходы изготовляют из черного металла и гуммируют. Наконечники труб для барботажа охлаждающего воздуха изготовляют из специальной стали. Трубопроводы и насосы для перекачки пульпы и фосфорной кислоты, лопасти мешалок выполняют из стали ЭИ - 943, а для разбавленных кислот - из сталей ЭИ - 448 и Х18Н10Т. Части трубопроводов, недоступные для чистки, изготавливают из полиэтилена, а также из армированной резины.

Батарейные (многореакторные) одно- и многомешальные экстракторы. Батарейные экстракционные системы состоят из четырех последовательно расположенных реакторов с общим полевым объемом 320-340 кубических метров. Цилиндрические реакторы диаметром 6950 и высотой 4000мм изготовлены из стали со слоем резины в 5мм и футерованы в полкирпича кислотоупорным силикатно-алюминиевыми в четверть - углеродистым материалом. Каждый реактор разделен на два отделения кирпичной перегородкой, имеющей в нижней части отверстия для движения пульпы. Экстракторы сообщаются между собой переточными желобами. В каждом отделении установлено по две двухъярусных мешалки с 12 лопастями каждая с частотой вращения 1500 об/мин.

При верхних перетоках пульпы из одного одномешалкового аппарата в другой увеличивается вероятность проскока непрореагировавших частиц сырья через систему вдоль поверхности пульпы. При установке в аппаратах карманов нижним перетоком для пульпы в нижней их части осаждаются, а затем затвердевают частицы, что требует частичной чистки вертикальных перетоков.

Заключение

Производство фосфорной кислоты методом сернокислотной экстракции сводится к разложению природного фосфатного сырья серной кислотой с последующим фильтрованием полученной пульпы для отделения фосфорной кислоты от выпавшего в осадок сульфата кальция. Для обеспечения достаточной подвижности экстракционной пульпы в экстрактор возвращают раствор разбавления, полученный смешиванием части продукционной фосфорной кислоты и фильтрата после промывки осадка на фильтре.

Суть метода - извлечение (экстрагирование) P₄O₁₀ (обычно используют формулу P₂O₅) в виде H₃PO₄. По этому методу природные фосфаты обрабатывают H₂SO₄ с послед, фильтрованием полученной пульпы для отделения фосфорная кислота от осадка сульфата Ca. Часть выделенного основного фильтрата, а также весь фильтрат, полученный при промывке осадка на фильтре, возвращают в процесс экстрагирования (раствор разбавления) для обеспечения достаточной подвижности пульпы при ее перемешивании и транспортировке. Массовое соотношение между жидкой и твердой фазами от 1,7:1 до 3,0:1.

Литература

1. Копылев Б.А. и др. Технология экстракционной фосфорной кислоты М.: Химия, 1989. -460 с.

2. «Общая химическая технология и основы промышленной экологии». Под ред. Ксензенко. - М.: «КолосС», 2003 г.

3. И.П. Мухленов «Основы химической технологии». - М.: «Высшая школа», 1991 г.

4. И.П. Наркевич «Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ». - М.: Химия, 1984 г.

5. М.Е. Позин, Р.Ю. Зинюк «Физико-химические основы неорганической технологии». - Л.: Химия, 1985 г.

Размещено на Allbest.ru