Интенсификация процесса кристаллизации фосфорнокислых солей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ им. М.Х. Дулати

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ФОСФОРНОКИСЛЫХ СОЛЕЙ

Айтекова А.Р, Тлесбаев Н.Н

Отраслевая программа развития химической промышленности Республики Казахстан на 2010-2014 годы разработана в целях создания условий для дальнейшего развития химической промышленности в рамках реализации Государственной программы форсированного индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2010-2014 годы [1].

Сравнительный анализ мировой и отечественной химической отрасли показывает, что данная отрасль в условиях Казахстана обладает большим потенциалом для развития, широкий спектр продукции отрасли может быть использован практически во всех отраслях народного хозяйства, а также в повседневном быту. Химическая отрасль во всем мире является одним из крупнейших поставщиков сырья, полупродуктов, материалов для других отраслей реального сектора экономики.

В Южном Казахстане расположены предприятия по производству минеральных удобрений, средств бытовой химии, фосфоритных руд, лаков и красок, а также предприятия по переработке техногенных отходов. В число крупнейших продуцентов фосфорной продукции Казахстана входят АО “Новоджамбульский фосфорный завод” и “Таразский завод”, являющиеся частью компании “Kazphosphat Ltd.”. Казахстан занимает второе место в мире по запасам фосфорита (после России), благодаря месторождениям Жанатас и Каратау. Новоджамбульский завод сейчас имеет годовые мощности (тыс.т): по выпуску жёлтого фосфора - 80, триполифосфата натрия - 120, фосфорной кислоты - 120. Таразский завод имеет возможность выпускать 180 тыс.т фосфорных удобрений в год.

Соли фосфорной кислоты находят широкое применение в различных областях техники и народного хозяйства. В настоящее время на территории СНГ термическая фосфорная кислота выпускается только в Республике Казахстан, в остальных странах СНГ производство фосфорной кислоты осуществляется экстракционным способом.

Повышение экспортного и внутреннего спроса на казахстанскую фосфорную руду, вероятно, вызовет рост её добычи в стране несколько млн т в год. В большинстве случаев в действующем производстве фосфатов в основу положена изогидрическая схема с применением баковых кристаллизаторов преиодического и непрерывного действия [2].

Мощность промышленного производства фосфорнокислых солей 100-500 т/год для реактивных солей, до 10 тыс.т/год для технических и 150 тыс.т/год для кормовых фосфатов.

Анализ действующих производств изогидрической кристаллизации показал, что интенсивность работы кристаллизаторов лимитируется скоростью отвода тепла, зависит от типа соли и изменения в пределах 50 -80 кг/(м³*ч). Кристаллизация из растворов - типичный процесс химической технологии, особенно характерный для производства солей и минеральных удобрений, гидрометаллургических процессов, а также для производства ряда органических полупродуктов и продуктов [4]. Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая или политермическая кристаллизация) и 2) удаление части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация).

В ряде случаев выделяющиеся соли инкрустируют охлаждающие поверхности, снижая эффективный коэффицент теплопередачи, заставляя регулярно переходить на режим оплавления осадка и промывки аппаратов. Невозможна интенсификация процесса за счет увеличения перепада температур, так как при этом скорость инкрустации резко возрастает и общая скорость отвода тепла уменьшается. Экспериментально показано, что на инкрустацию существенно влияет состав исходного раствора.

Опыт промышленного производства и специальные лабораторные исследования показали, что на кинетические характеристики процесса кристаллизации влияет природа катиона и степень замещения водородных ионов соли. Так, например, кристаллизация пирофосфата натрия, ортофосфатов натрия и аммония характеризуется малой величиной периода индукции, малой шириной зоны метастабилности и быстрым снижением пересыщения до равновесного состояния.

В соответствии с объемом производства, требованиями к готовому продукту и различиями в свойствах кристаллизующихся растворов был разратотан ряд новых методов промышленной массовой кристаллизация фосфорнокислых солей. Для солей типа диаммонийфосфат, тринатрийфосфат применение изогидрической кристаллизации было очевидно нерациональным и была предложена вакуум-кристаллизация в аппарате с внешним контуром циркуляции [5].

Проведенные исследования показали, что оптимизация процесса кристаллизации должна базироваться на комплексном подходе ко всей технически сопряженной системе. С учетом этого был разработан метод изотермической кристаллизации, при котором теплота нейтрализации и теплота кристаллизации используются для испарения растворителя. Изотермическая кристаллизация, производимая испарением воды из растворов при постоянной температуре, используется для солей, растворимость которых мало зависит от температуры. В ряде случаев кристаллизацию производят введением в раствор веществ, понижающих растворимость основной соли. Изотермическая кристаллизация заключается в том, что вещества кристаллизуются при неизменной температуре. Между жидкой фазой и газообразной устанавливается равновесие при данной температуре. Если уменьшить концентрацию паров над раствором, то растворитель будет испаряться, при этом концентрация раствора увеличивается и растворенное вещество кристаллизуется. Такого вида кристаллизация может происходить под вакуумом, в эксикаторах над водоотнимающими веществами. Для высококонцентрированных растворов типа раствора динатрийфосфата и использования предварительно подогретых растворов выделяющегося тепла достаточно для испарения всего избыточного растворителя; таким образом, производство оказывается практически бессточным и требует минимальных энергетических затрат. Для солей, образующих при умеренных температурах кристаллогидраты (динатрийфосфат и др.), выделяется безводная соль, которая не слеживается, устойчива при хранении и дешевле при транспортировке. Вторичного образования кристаллогидратов не происходит. Аппаратура «изотермической кристаллизации» отличается простотой, возможно использование типового оборудования. Использование этого метода ограничивается несколько более высокими требованиями к чистоте реагентов, так как очистке выделяемой соли в процессе практически не происходит [4, 6].

Задачи дальнейшего совершенствования производства фосфорнокислых солей заключаются в первую очередь в улучшении показателей дейтсвующего производства: замена изогидрических баковых кристаллизаторов в многотоннажных процессах кристаллизации солей с малой шириной метастабилности - на «изотермическую» или вакуум-кристаллизацию, при кристаллизации солей типа дикалийфосфата - на изогидрическую кристаллизацию на затравке с внешним циркуляционным контуром для размещения холодильника. Такое решение не приводит к частым остановкам на промывку, так как соли такого типа не инкрустируют охлаждающие поверхности, однако производительность установок, лиминуремая гидродинамикой вязких растворов, мала. Поэтому для таких систем представляет интерес использование кристаллизаторов-грануляторов того или иного типа, связанное однако со значительными изменениями общей технологической схемы и повышенными затратами тепла. Весьма перспективна в этом случае «изотермическая кристаллизация».

Для реактивных солей «изотермическая кристаллизация», использование кристаллизаторов-грануляторов типа КС и тому подобные методы, не связанные с дополнительной очисткой целевого продукта при его выделении, обычно непригодны. С учетом малых объемов производства для растворов солей с малой депресий в этом случае удобнее всего вакуум-кристаллизаторы периодического действия.

Изотермическая кристаллизация, в отличие от быстрого и медленного охлаждения, приводит к образованию частиц, весьма близких по форме и размерам; при определенной температуре кристаллизации, зависящей от типа загустителя, может быть получена смазка с наиболее упорядоченной и благоприятной структурой [7].

Анализ результатов лабораторных исследований и промышленной эксплуатации действующих кристаллизационных установок по получению фосфорнокислых солей показывает, что интенсификацию процесса следует проводить в нескольких направлениях:

1. Развитие традиционных методов массовой кристаллизации, улучшение аппаратурного оформления процесса.

2. Совмещение в едином реакционном объеме процессов нейтрализации и собственно кристаллизация. Очевидной выгодой такого технического решения является дальнейшее уменьшение стадий производства, кроме того в этом случае пересыщение создается химическим путем и в ряде случаев оказывается лучше управляемым.

3. Совмещение процесса сушки и грануляции с получением безводного продукта.

Литература

кристаллизация фосфорный соль кислота

1. www.mint.gov.kz. Программа по развитию химической промышленности Республики Казахстан на 2010 - 2014 годы.

2. Свен Лагер. Фосфор. Москва:2006, 117 с.

3. John R.Van Wazer. Phosphorus and its compounds,1962. 102 c.

4. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия.1968. 304 с.

5. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия. 1979. 343 с.

6. Битней Л.Б., Донцов А.Я. - Фосфорная промышленность, 1978, вып.2.с.26-29.

7. Pyldme M., Pyldme J., Tunsuaadu K. Abstracts of Papers. International Conference Сhemistry, Нalle. 1979 p.118.

Размещено на Allbest.ru