Курсовая работа: Производство экстракционной фосфорной кислоты

Содержание

Введение

Глава 1. Общие сведения о фосфорной кислоте

Глава 2. Получение экстракционной фосфорной кислоты

Глава 3. Аппаратурное оформление процесса

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.

В курсовой работе рассмотрен экстракционный способ производства экстракционной фосфорной кислоты.

Глава 1. Общие сведения о фосфорной кислоте

Кислота (ортофосфорная кислота) H₃ PO₄ , молярная масса 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,5762 нм, b = 0,4831 нм, с =1,1569 нм, = 95,31°, пространств, гр. Р 21/с ); расплывается на воздухе; т. пл. 42,50 С; плотность 1,88 г/см³ ; -1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению; при 15 ⁰ C образует густую маслянистую жидкость, при -121 ⁰ C- стеклообразную массу.

Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H₃ PO₄ ·0,5H₂ O- бесцветные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,7922 нм, b = 1,2987 нм, с = 0,7470 нм, = 109,9°; пространств, гр. Р21/a ). Молекула безводной H₃ PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄ . В безводной фосфорная кислота образуются водородные связи типа P — О — H ... O = P (рис. 1) (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.

H₃ PO₄ - сильная кислота, K₁ 7,1·10^-3 (рК_а 2,12), K₂ 6,2·10^-8 (рК_а 7,20), K₃ 5,0·10^-13 (рК_а 12,32); значения K₁ и K₂ зависят от температуры. Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична. В таблице приведены свойства растворов фосфорной кислоты

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 ⁰ C 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:

Фосфолеум (жидкий фосфорный ангидрид, суперфосфорная кислота) включает кислоты, содержащие от 72,4 до 88,6% P₂ O₅ , 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.

От других фосфорных кислот H₃ PO₄ можно отличить по реакции с AgNO₃ - выпадает желтый осадок Ag₃ PO₄ . Остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки [1,5].

Глава 2. Получение экстракционной фосфорной кислоты

Непосредственно перед получением ЭФК, получают фосфор по специальной технологии (рис 1.)

Рис 1. Схема производства фосфора : 1 — бункеры сырья; 2 — смеситель; 3 — кольцевой питатель; 4 — бункер шихты; 5 — электропечь; 6 — ковш для шлака; 7 — ковш для феррофосфора; 8 — электрофильтр; 5 — конденсатор; 10 — сборник жидкого фосфора; 11 — отстойник

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

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 P₄ O₁₀ , конденсацию фосфорной кислоты и улавливание тумана из газовой фазы. Существуют два способа получения P₄ O₁₀ : 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 P₄ O₁₀ - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействием паров P₄ O₁₀ с парами воды. Гидратация (P₄ O₁₀ + 6H₂ O 4H₃ PO₄ ) протекает 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 P₄ O₁₀ . 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 (двухбашенная система). Отличительные особенности схемы: наличие дополнительной башни для охлаждения газа, использование в циркуляционных контурах эффективных пластинчатых теплообменников; применение высокопроизводительной форсунки для сжигания P, обеспечивающей однородное тонкодисперсное распыление струи жидкого P и полное его сгорание без образования низших оксидов.

Технологическая схема установки мощностью 60 тыс. т в год 100%-ной H₃ PO₄ приведена на рис. 2. Расплавленный желтый фосфор распыляется нагретым воздухом под давлением до 700 кПа через форсунку в башне сжигания, орошаемой циркулирующей кислотой. Нагретая в башне кислота охлаждается оборотной водой в пластинчатых теплообменниках. Продукционная кислота, содержащая 73-75% H₃ PO₄ , отводится из контура циркуляции на склад. Дополнит, охлаждение газов из башни сжигания и абсорбцию кислоты производят в башне охлаждения (гидратации), что снижает послед, температурную нагрузку на электрофильтр и способствует эффективной очистке газов. Отвод теплоты в башне гидратации осуществляется циркулирующей 50%-ной H₃ PO₄ , охлаждаемой в пластинчатых теплообменниках. Газы из башни гидратации после очистки от тумана H₃ PO₄ в пластинчатом электрофильтре выбрасываются в атмосферу. На 1 т 100%-ной H₃ PO₄ расходуется 320 кг P.

Рис. 2. Циркуляционная двухбашенная схема производства экстракционной H₃ PO₄ : 1 - сборник кислой воды; 2 - хранилище фосфора; 3,9 - циркуляционные сборники; 4,10 - по-гружные насосы; 5,11 - пластинчатые теплообменники; 6 - башня сжигания; 7 - фосфорная форсунка; 8 -башня гидратации; 12 - электрофильтр; 13 - вентилятор.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--