способ концентрирования экстракционной фосфорной кислоты с одновременным получением кремнефтористоводородной кислоты

Формула изобретения

Способ концентрирования фосфорной кислоты с одновременным получением кремнефтористоводородной кислоты, включающий вакуумную упарку и абсорбцию фтора из сокового пара раствором кремнефтористоводородной кислоты при подаче его в зону контакта фаз снизу с выводом продукционной кремнефтористоводородной кислоты, отличающийся тем, что на стадию абсорбции соковый пар подают со скоростью 65-200 м/с, а скорость его в зоне контакта фаз поддерживают 35-110 м/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области концентрирования экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) путем ее упаривания, которую затем широко можно использовать в производстве комплексных удобрений, кормовых фосфатов, фосфорных солей. Способ позволяет получить продукционную кремнефтористоводородную кислоту (КФВК), нашедшую применение в производстве различных фтористых солей (фторид алюминия, криолит, кремнефториды натрия, калия и др.).

Известен способ концентрирования фосфорной кислоты путем выпаривания слабой фосфорной кислоты прямым контактом ее с теплоносителем. В качестве теплоносителя используют перегретый пар. Отработанный пар очищают сухим способом от фтористых соединений твердыми адсорбентами, а очищенный пар направляют на повторное использование в «голову» процесса.

При таком способе концентрирования ЭФК образуются большие выбросы тумана, содержащего P₂O ₅ и фтор. Способ не позволяет получить второй продукт - продукционную КФВК. (Патент РФ №2008255, Кл. С01В 25/234. Опубл. 1994 г.).

В связи с этим наибольшее распространение получили способы концентрирования кислоты ее вакуумной упаркой. Так, например, известен способ, в котором слабую фосфорную кислоту, содержащую 26-32% Р₂O₅ упаривают в выпарном аппарате при пониженном давлении на первой стадии до содержания 40-42% P₂O ₅. Затем упаренную кислоту подают на вторую стадию выпарки и упаривают до содержания 54% Р₂O ₅. Очистка сокового пара от фтора происходит постадийно в абсорбционных башнях, орошаемых кремнефтористоводородной кислотой (КФВК), причем на второй стадии получают 12-15% КФВК, которую затем подают на первую стадию и получают 22-30% КФВК. Эффективность улавливания фтора - 94,45%.

Недостатком способа является высокая энергоемкость, забивка кремнегелем первой стадии абсорбции из-за избытка SiF₄ в соковом паре (Патент США №3273713, С01В 25/234, 1966 г.).

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому результату является известный способ концентрирования фосфорной кислоты с одновременным получением КФВК, включающий вакуумную упарку и абсорбцию фтора из сокового пара раствором кремнефтористоводородной кислоты с выводом продукционной КФВК. По этому способу слабую фосфорную кислоту, содержащую 28-30% P₂ O₅ и F - 1,57-1,73% в виде HF и SiF ₄, подают в выпарной аппарат (в зависимости от схем их может быть и два и более). Температура кислоты в испарителе 85-90°С. Упаренная кислота, содержащая 51-53% Р₂ O₅ и 0.6-0.8% F, выводится из испарителя в хранилище, а получаемый в испарителе соковый пар поступает на абсорбцию.

Исходя из данных, приведенных в описании (концентрации кислоты, расхода сокового пара, габаритов оборудования и др.), может быть определена скорость подачи сокового пара на стадию абсорбции, которая составляет 20-40 м/сек, а скорость сокового пара в зоне контакта фаз составляет 3,4-4,7 м/сек. На абсорбцию подают КФВК концентрацией 10-12%, H ₂SiF₆, циркуляция которой в процессе осуществляется циркуляционным насосом, а затем выводится в качестве продукционной кремнефтористоводородной кислоты. Степень абсорбции фтора в данном процессе определяется по приведенным в описании данным по концентрациям Р₂O ₅ и фтора в исходной и упаренной кислоте, концентрации продукционной кремнефтористоводородной кислоты, расходу сокового пара и выходу 100% H₂SiF ₆ и составляет 80-85%. (Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений, М., Химия, 1974 г., стр.29-36.

Основным недостатком данного способа является достаточно высокая энергоемкость, а также сравнительно низкая степень абсорбции фтора, что приводит к снижению концентрации продукционной КФВК и загрязнению фтором отходящих соковых паров. Повышенное содержание фтора в соковом паре после абсорбции приводит к забивке оборудования, снижению вакуума в системе и снижению производительности.

Нами была поставлена задача по разработке способа концентрирования слабой ЭФК с одновременным получением КФВК, лишенного описанных недостатков, то есть позволяющего значительно снизить энергоемкость процесса, увеличить степень абсорбции фтора при одновременном увеличении производительности процесса и концентрации КФВК.

Задача решена в способе концентрирования фосфорной кислоты с одновременным получением кремнефтористоводородной кислоты, включающем вакуумную упарку фосфорной кислоты и абсорбцию фтора раствором кремнефтористоводородной кислоты с выводом продукционной кремнефтористоводородной кислоты, в котором соковый пар в зону контакта фаз подают снизу со скоростью 65-200 м/сек, а скорость сокового пара в зоне контакта фаз поддерживают 35-110 м/сек.

Сущность способа заключается в следующем. Нами предлагается увеличить скорость подачи сокового пара на стадию абсорбции до 65-200 м/сек.

В зоне контакта фаз, куда подают соковой пар и поступает абсорбционный раствор, образуется парожидкостная смесь, которая равномерно распределяется в зоне, образуя турбулизированный двухфазный пенный слой с высокоразвитой поверхностью массообмена. Это позволяет достигнуть высокой степени абсорбции фтора и получить продукционную КФВК требуемой концентрации.

Однако скорость подачи сокового пара регламентируется строго в пределах 65-200 м/сек, т.к. при снижении скорости ниже 65 м/сек уменьшается эффективность процесса массообмена и возникает провал части абсорбционного раствора из зоны контакта фаз. Это не дает возможность получить продукционную КФВК заданной концентрации. При увеличении скорости выше 200 м/сек возрастает сопротивление на стадии абсорбции, снижается вакуум в системе упарки, что приводит к уменьшению производительности установки по Р₂O ₅ и повышению удельных энергозатрат.

Вторым важным фактором для достижения необходимого результата является скорость сокового пара в зоне контакта фаз, которую поддерживают в пределах 35-110 м/сек. При таких скоростях смесь сокового пара и абсорбционного раствора (парожидкостная смесь) за счет кинетической энергии потока выносится в зону сепарации, где соковый пар отделяется от абсорбционного раствора. Абсорбционный раствор самотеком возвращается в зону контакта фаз, очищенный от фтора соковый пар направляется на конденсацию. Обогащенная фтором кремнефтористоводородная кислота выводится в виде продукта. При снижении скорости ниже 35 м/сек кинетическая энергия потока недостаточна для полного выноса газожидкостной смеси в зону сепарации, возрастает сопротивление за счет провала жидкости, снижается эффективность массообмена и снижается степень извлечения фтора. При увеличении скорости выше 110 м/сек увеличивается сопротивление абсорбции, увеличиваются энергозатраты, а количество фтора в виде продукционной КФВК снижается за счет увеличения брызгоуноса.

Регулирование скорости сокового пара в зоне контакта фаз осуществляется изменением расхода сокового пара, температуры и давления в системе и диаметром зоны контакта фаз.

Способ проиллюстрирован следующими примерами.

Пример 1. Исходная фосфорная кислота, содержащая 29% Р ₂O₅ и 1,73% F, поступает в выпарной аппарат, в котором поддерживают вакуум 0,91 атм и температуру 85°С, где она концентрируется до содержания 52% P ₂O₅ и 0,7% фтора. На стадии концентрирования получают соковый пар, содержащий 3,03% F, который затем подают на стадию абсорбции, в зону контакта фаз снизу. На стадию абсорбции соковый пар подают со скоростью 65 м/сек, а скорость в зоне контакта фаз составляет 35 м/сек. При этом в зоне контакта фаз образуется пенный парожидкостной слой с развитой поверхностью контакта фаз, в котором интенсивно протекает процесс массообмена, и происходит улавливание фтора из сокового пара циркулирующим абсорбционным раствором кремнефтористоводородной кислоты. Циркуляция абсорбционного раствора осуществляется за счет кинетической энергии сокового пара. При подаче сокового пара в зону контакта фаз со скоростью 65 м/сек не происходит провала абсорбционного раствора из зоны контакта фаз, абсорбционный раствор полностью выносится из зоны контакта фаз в зону сепарации, где отделяется от очищенного от фтора сокового пара и самотеком возвращается в зону контакта фаз. Таким образом, циркуляция абсорбционного раствора происходит без дополнительных энергозатрат на подачу абсорбционного раствора в зону контакта фаз, в связи с чем энергозатраты в процессе снижаются. Кремнефтористоводородную кислоту с концентрацией 18,5% H ₂SiF₆ и 0,011% Р₂ O₅ выводят как продукционную. Степень абсорбции фтора составляет 94.8%.

Пример 2. Исходная фосфорная кислота, содержащая 37% P₂O₅ и 1,87% F, поступает в выпарной аппарат. Температура кислоты в испарителе составляет Т=87°С и вакуум В=0,88 атм. При этом получают концентрированную экстракционную фосфорную кислоту, содержащую 53.5% Р₂O₅ и 0,65% F. На стадии концентрирования получают соковый пар, содержащий 4,6% F. На стадию абсорбции соковый пар подают со скоростью 133 м/сек, а скорость в зоне контакта фаз поддерживают 72 м/сек. При таких условиях в зоне контакта фаз образуется турболизированный двухфазный пенный слой с развитой поверхностью массообмена и достигается высокая степень абсорбции фтора циркулирующим абсорбционным раствором из сокового пара. Циркуляция абсорбционного раствора осуществляется за счет полного выноса абсорбционного раствора в зону сепарации, при отсутствии провала жидкости из зоны контакта фаз, и возвратом его самотеком в зону контакта фаз. При этом получаем продукционную кремнефтористоводородную кислоту с концентрацией 20,0% H₂SiF₆, содержащую 0,013% Р₂O₅. Степень абсорбции составляет 96,0%.

Пример 3. Исходная фосфорная кислота, содержащая 34% Р₂O ₅ и 1,9% F, поступает в выпарной аппарат, в котором поддерживают температуру 89°С при вакууме 0,90 атм, и получают концентрированную кислоту, содержащую 54% P₂O ₅ и 0,6% F. Соковый пар, содержащий 4.1% F, подают на стадию абсорбции со скоростью 200 м/сек, а скорость в зоне контакта фаз составляет 110 м/сек. При этом в зоне контакта фаз образуется пенный парожидкостной слой с развернутой поверхностью контакта фаз, в котором интенсивно протекает процесс массообмена, и происходит улавливание фтора из сокового пара циркулирующим абсорбционным раствором кремнефтористоводородной кислоты. Циркуляция абсорбционного раствора осуществляется за счет кинетической энергии сокового пара. При подаче сокового пара в зону контакта фаз со скоростью 200 м/сек не происходит провала абсорбционного раствора из зоны контакта фаз, абсорбционный раствор полностью выносится из зоны контакта фаз в зону сепарации, где отделяется от очищенного от фтора сокового пара и самотеком возвращается в зону контакта фаз. Таким образом, циркуляция абсорбционного раствора происходит без дополнительных энергозатрат на подачу абсорбционного раствора в зону контакта фаз. Кремнефтористоводородную кислоту с концентрацией 19,0% H₂SiF₆ и 0,015% Р₂O₅ выводят как продукционную. Степень абсорбции фтора составляет 97.5%.

Использование предложенного способа позволит:

- снизить энергозатраты в процессе на 74 кВт/час за счет исключения расхода энергоэнергии на подачу абсорбционного раствора в зону контакта фаз циркуляционным насосом, так как в предложенном способе подача абсорбционного раствора в зону контакта фаз происходит самотеком из брызгоуловителя,

- увеличить степень абсорбции фтора, что позволит получать чистую продукционную КФВК повышенной концентрации и снизить содержание фтора в соковом паре, поступающем на дальнейшую очистку и конденсацию,

- исключить забивку поверхностных конденсаторов кремнегелем, исключить снижение вакуума в системе в процессе эксплуатации установки, увеличить продолжительность работы установки и, следовательно, ее производительность,

- снизить коррозию поверхностных конденсаторов и пароэжекторных насосов,

- упростить аппаратурную схему процесса и снизить затраты на обслуживание установки за счет исключения из схемы циркуляционного насоса, форсунок и напорных трубопроводов.

- расширить область применения продукционной КФВК в производстве фтористых солей за счет повышения ее концентрации и улучшения качества.