способ получения фосфорной кислоты

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ, включающий двухстадийное разложение фосфатного сырья с подачей на первую стадию основной части фосфата, серной и оборотной фосфорной кислот, введением на вторую стадию оставшегося количества указанных реагентов, фильтрацию суспензии и отмывку осадка на вакуум-фильтре водой, отличающийся тем, что вначале на первой зоне вакуум-фильтра разделяют суспензию второй стадии, получая при этом продукционную кислоту, а затем на второй зоне вакуум-фильтра через сформированный слой осадка фильтруют суспензию первой стадии, получая при этом оборотную фосфорную кислоту, которую направляют на вторую стадию разложения, и кек, подвергаемый отмывке водой с получением оборотной кислоты, рециркулируемой на первую стадию разложения фосфата.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на первую стадию разложения подают 75 85% общего количества фосфатного сырья и серной кислоты, а температуру реакционной массы поддерживают в диапазоне 85 92^oС.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что массовую долю твердой фазы на второй стадии разложения поддерживают в диапазоне 15 20% а содержание SO₃ в жидкой фазе на уровне 15 25 г/л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии экстракционной фосфорной кислоты, применяемой главным образом в производстве минеральных удобрений и других фосфорсодержащих продуктов.

Известны способы получения фосфорной кислоты, включающие одностадийное разложение фосфатного сырья серной и оборотной фосфорной кислотами с кристаллизацией дигидрата сульфата кальция, фильтрацию суспензии и отмывку осадка на вакуум-фильтре водой [1]

Недостатками этих способов, выявленными при их эксплуатации на сырье с повышенным содержанием органических примесей и кислоторастворимых силикатных минералов (нефелина, форстерита и других, что характерно для апатитовых концентратов флотофабрик АНОФ-2,3 ПО "Апатит" и Ковдорского ГОКа), являются забивка фильтроткани и, как следствие, ее малый межремонтный пробег, а также переход в продукционную кислоту большей части (70-85%) органических компонентов сырья (в основном флотореагентов). Указанные примеси отрицательно сказываются на переработке кислоты, вызывая вспенивание массы при упарке, забивку трубопроводов систем абсорбции, ухудшают физико-механические характеристики удобрений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения фосфорной кислоты, включающий двухстадийное разложение фосфатного сырья с подачей на первую стадию основной части (69-71% ) фосфата, 76-90% от стехиометрии на это количество фосфата серной кислоты, введение на вторую стадию остального количества реагентов, фильтрацию суспензии и отмывку осадка на вакуум-фильтре водой, возврат промывных вод на разложение в качестве оборотной фосфорной кислоты. При этом на первой стадии процесс экстракции ведут при содержании оксида кальция в жидкой фазе суспензии в пределах 1-3% что по данным о растворимости в системе CaO-P₂O₅-SO₃-H₂O отвечают концентрации SO₃5-10 г/л. Температура реакционной массы 76-80^оС, концентрация продукционной кислоты 36,8-42% Р₂O₅ [2]

Таким образом, известный процесс основан на двухстадийном разложении фосфата и одностадийном разделении суспензии на вакуум-фильтре. Его основными недостатками являются забивка фильтроткани гидратированным диоксидом кремния, выделяющимся при вскрытии кислоторастворимым диоксидом кремния, выделяющимся при вскрытии кислоторастворимых силикатных (примесных) минералов фосфатного сырья (срок службы фильтроткани 3-4 мес при работе в дигидратном режиме на кольском апатите и 0,5-1 мес на смесях кольского и ковдорского апатитовых концентратов), и переход в продукционную кислоту большей части (73-85% ), содержащихся в концентратах органических примесных соединений, в основном флотореагентов.

Целью предлагаемого изобретения является увеличения срока службы (пробега) фильтровальной ткани за счет уменьшения ее забивки гидратированным диоксидом кремния и снижение содержания органических примесей в продукте.

Предлагаемый способ получения фосфорной кислоты включает двухстадийное разложение фосфатного сырья с подачей на первую стадию основной части (предпочтительно 75-85% общего количества) фосфата, оборотной фосфорной (фильтрата с третьей зоны вакуум-фильтра) и серной кислот, фильтрацию образовавшейся суспензии на второй зоне вакуум-фильтра через сформированный слой осадка, возврат фильтрата с второй зоны вакуум-фильтра на вторую стадию разложения, куда подают оставшееся количество (25-15%) фосфата и серной кислоты, разделение суспензии второй стадии на первой зоне вакуум-фильтра с отбором продукционной фосфорной кислоты, отмывку осадка водой. Разложение фосфата на первой стадии целесообразно осуществлять при повышенных температурах (85-92^оС) с введением 75-85% общего количества фосфатного сырья. На второй стадии разложения предпочтительно поддерживать в суспензии массовую долю твердой фазы в диапазоне 15-20% а содержание SO₃ в жидкой фазе на уровне 15-25 г/л.

Основным отличием предлагаемого способа от прототипа является раздельное фильтрование суспензий, получаемых на первой и второй стадиях разложения, на одном вакуум-фильтре. При этом вначале на первой зоне вакуум-фильтра разделяют суспензию второй стадии, получая продукционную кислоту и слой осадка небольшой толщины, через который на второй зоне вакуум-фильтра фильтруют суспензию первой стадии, получая оборотную кислоту для второй стадии и двухслойный кек, который отмывают водой, получая оборотную кислоту для первой стадии и отмытый осадок фосфогипса. Согласно прототипу суспензия первой стадии без фильтрации передается на вторую, куда вводится оставшееся количество реагентов, после чего вся образовавшаяся суспензия разделяется на первой зоне вакуум-фильтра, на второй и последующих зонах кек отмывается от фосфорной кислоты.

Положительными отличиями предлагаемого способа прототипа являются количество подаваемого на первую стадию фосфата (75-85 вместо 69-71%), температурные условия разложения на первой стадии (85-92 вместо 70-80^оС), существенно меньшая доля твердых веществ в пульпе второй стадии (15-20 вместо 25-30% согласно примеру она составляет 27,4% после конверсии гипса в полугидрат и 35,4% до конверсии).

Предлагаемый способ основан на результатах исследования поведения кислоторастворимых соединений кремния и органических компонентов фосфатного сырья в процессах сернофосфорнокислотного разложения природных фосфатов. Установлено, что процессы коагуляции гидратированного SiO₂ ускоряются в фосфорнокислотных растворах пониженных концентраций при повышенных температурах. Сорбция SiO₂ органических примесей на поверхности кристаллов сульфата кальция усиливается при выделении последних в виде изометричных призм, что обеспечивается их осаждением в суспензиях с повышенным соотношением Ж:Т (доля твердых 15-20%), концентрацией Р₂O₅ в жидкой фазе и при пониженном содержании сульфатов 15-25 г/л SO₃. При этом разделение процесса фильтрации на два этапа с формированием прилегающего к ткани слоя кека из изометричных кристаллов позволяет в значительной мере задержать в этом слое гидратированные соединения кремния и отчасти органические соединения, что существенно уменьшает зарастание фильтроткани.

Обоснование выбора оптимальных параметров осуществления предлагаемого способа представлено в табл. 1 и 2.

Как видно, наличие двух аппаратурно-технологически разделенных стадий разложения-кристаллизации и введение двухступенчатой фильтрации (суспензии второй стадии на первой зоне вакуум-фильтра, а суспензии первой стадии на второй зоне того же фильтра, а суспензии первой стадии- на второй зоне того же фильтра через сформированный слой осадка) обеспечивает снижение содержания органических компонентов в продукте с 73-78% по прототипу до 65-68% (от их количества в фосфатном сырье) и увеличивает межремонтный пробег фильтроткани на 15-40% (табл. 1 и 2). При этом оптимизация условий экстракции на первой и второй стадиях разложения позволяет существенно усилить достигаемый положительный эффект: доля органических соединений может быть снижена до 48-53% а пробег фильтроткани увеличен на 66-100%

Например, оптимальное распределение фосфата составляет 75-85% на первую и, соответственно, 25-15% на вторую стадию разложения. Увеличение подачи фосфата на первую стадию свыше 85% приводит к чрезмерному уменьшению слоя осадка на первой суспензии фильтрации и, соответственно, к увеличению проскока указанных выше примесных компонентов в продукт. Уменьшение доли фосфата на первую стадию менее 75% нежелательно ввиду увеличения слоя осадка на первой ступени фильтрования и снижения производительности фильтра, доли скоагулированных примесных компонентов и, следовательно, ослабления положительного эффекта. Последнее имеет место и при выходе за оптимальные пределы по температуре, доле твердых и содержанию SO₃ (табл. 1 и 2).

Существо предлагаемого способа конкретизировано в приводимых ниже примерах осуществления дигидратного и дигидратно-полугидратного процессов экстракции.

П р и м е р 1 (дигидратный процесс). В реактор I подают 32 т/ч (80% общего количества) апатитового концентрата (38,5% P₂O₅, 2,3% SiO₂, 0,05% органических веществ), 31 т/ч серной кислоты (92,5% H₂SO₄), 125,2 т/ч промывного фильтрата (16,3% P₂O₅) с 3-й зоны вакуум-фильтра. Экстракцию ведут в течение 1,5-2 ч при 89^оС, при этом в газовую фазу удаляется 8 т/ч водяных паров и образуется 180,2 т/ч суспензии дигидрата сульфата кальция (содержание твердых 28,4% ) в растворе концентрации 25,2% P₂O₅. Суспензию разделяют на 2-й зоне вакуум-фильтра через сформированный слой осадка и получают 67 т/ч второго основного фильтрата (25,5% P₂O₅), который направляют в реактор II. Сюда же вводят 8 т/ч апатита указанного выше состава и 8 т/ч серной кислоты. Экстракцию ведут в течение 2-2,5 ч при 72-80^оС концентрации SO₃ в жидкой фазе 25 г/л, содержании твердых веществ в суспензии 15,8% 81 т/ч суспензии подают на 1-ю зону вакуум-фильтра, где отделяют 50,6 т/ч первого основного фильтрата (29,5% P₂O₅),который выводят в качестве продукционной кислоты, содержащей 0,02% органических веществ (степень их перехода в продукт 51%). В результате промывки кека водой (68,3 т/ч) получают 86,7 т/ч фосфогипса (общая влажность 40%), содержащего 0,27% водонерастворимого P₂O₅ (К_р 98,5%) и 125,2 т/ч промывного фильтрата, который возвращают в реактор I. Длительность пробега фильтроткани составляет 5 мес. При осуществлении дигидратного процесса по прототипу (без промежуточного фильтрования) степень перехода органических примесей в продукт составляет 73% (содержание в кислоте 0,03% ), а пробег фильтроткани не более 3 мес. Показатели дигидратного процесса по предлагаемому способу при варьировании параметров стадий представлены в табл. 1.

П р и м е р 2 (дигидратно-полугидратный процесс). В реактор I подают 36 т/ч (80% общего количества) апатитового концентрата (состав аналогичен таковому в примере 1), 34 т/ч серной кислоты (92,5% Н₂SO₄), 137,25 т/ч промывного фильтрата (17,4% P₂O₅ с третьей зоны вакуум-фильтра. Экстракцию ведут в течение 1,5-2 ч при 89^оС. При этом в газовую фазу удаляется 6,25 т/ч водяных паров и образуется 200 т/ч суспензии дигидрата сульфата кальция (содержание твердых 28%) в растворе концентрации 29,7% P₂O₅. Суспензию разделяют на второй зоне вакуум-фильтра через сформированный слой осадка и получают 49,2 т/ч второго основного фильтрата (31% P₂O₅), который направляют в реактор II. Сюда же вводят 9 т/ч апатита и 9,8 т/ч серной кислоты. Экстракцию ведут в течение 2,0-2,5 ч при 95-98^оС, концентрации SO₃ в жидкой фазе 15 г/л, содержании твердых веществ в суспензии 20% 63 т/ч суспензии (5 т/ч воды испаряется в газовую фазу) подают на первую зону вакуум-фильтра, где отделяют 45,4 т/ч первого основного фильтрата (37% P₂O₃), который вводят в качестве продукционной кислоты, содержащей 0,03% органических веществ (степень их перехода в продукт 62%). В результате промывки кека водой (63,85 т/ч) получают 93,6 т/ч влажного сульфатного осадка (общая влажность 37,5%), содержащего 0,26% водонерастворимого P₂O₃ (К_р 98,6%), и 137,25 промывного фильтрата, который возвращают в реактор I. Длительность пробега фильтроткани составляет 9 сут. При осуществлении дигидратно-полугидратного процесса по прототипу (без промежуточного фильтрования с конверсией выделенного на первой стадии гипса в полугидрат) степень перехода органических примесей в продукт составляет 78% (содержание в кислоте 0,04%), а пробег фильтровальной ткани 5 сут.

Показатели дигидратно-полугидратного процесса по предлагаемому способу при варьировании параметров стадий представлены в табл. 2.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить содержание органических веществ в продукте в 1,2-1,5 раза, а межремонтный пробег фильтроткани увеличить в 1,6-1,8 раза.