Введение

Фосфорная кислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питания растений. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненно важных частей - семян и плодов.

Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуя различные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессах обмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этого производные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор «элементом мысли».

Получение фосфорной кислоты в последнее время превращается в важное звено всей отрасли, связанной с производством удобрении. Известно, что ортофосфорная кислота (Р₂ О₅ · ЗН₂ О) при нагревании подвергается дегидратации, превращаюсь в пирофосфорную кислоту Р₂ О₅ · 2Н₂ О. Дальнейшая дегидратация может привести к образованию триполифосфорной ЗР₂ О₅ · 5НО и других полифосфорных вплоть до метафосфорной кислоты НРО₃ и ее полимеров (Р₂ О5 · Н₂ О)_П . В производстве эту смесь называют суперфосфорной кислотой. Она содержит до 80% Р₂ О₅ , что превращает ее в ценное сырье для получения высококонцентрированных фосфорных и сложных удобрений.

Для этих целей ежегодно добывается во всем мире фосфорсодержащей руды около 100 млн. т. Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различных сельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ее структурированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости других содержащихся в почве веществ и подавлению некоторых образующихся вредных органических веществ.

Немало ортофосфорной кислоты потребляет пищевая промышленность. Дело в том, что на вкус разбавленная ортофосфорная кислота очень приятна и небольшие ее добавки в мармелады, лимонады и сиропы заметно улучшают их вкусовые качества. Интересны и другие применения ортофосфорной кислоты в промышленности. Например, было замечено, что пропитка древесины самой кислотой и ее солями делают дерево негорючим. На этой основе сейчас производят огнезащитные краски, негорючие фосфодревесные плиты, негорючий фосфатный пенопласт и другие строительные материалы.

В 2005 г. мировое производство фосфорной кислоты достигло 34.6 млн. т Р2О5, увеличившись на 3,6% по сравнению с уровнем 2004 г. Мировая торговля фосфорной кислотой в 2005 г. выросла на 3% - до 5,0 млн. т Р2О5.

В период с 2006 по 2010 гг. мировые мощности по производству фосфорной кислоты возрастут, согласно прогнозу, на 5,4 млн. т и достигнут значения в 48.5 млн. т Р2О5 к 2010 г. Основные проекты по их увеличению будут осуществлены в Алжире, Китае, Египте, Марокко, России, Саудовской Аравии и Тунисе.

Мировые поставки фосфорной кислоты оцениваются в 35,4 млн. т в 2006 г. и достигнут 40,7 млн. т Р₂ О₅ в 2010 (средний ежегодный рост - 3,7%). Принимая в расчёт использование фосфорной кислоты для производства удобрений и в других целях, средняя мировая потребность в ней будет расти на 3,3% в год и к 2010 г. достигнет 38,7 млн. т Р2О5. К 2010 г. превышение предложения фосфорной кислоты над спросом удвоится и достигнет 2,0 мл т Р₂ О₅ из-за ввода в строй новых мощностей.

По оценке Сельскохозяйственного Комитета IFA мировая потребность в фосфорных удобрениях (Р₂ О₅ ) в 2005 г. календарном году составит 37,7 млн. т Р₂ О₅ , что на 3% больше уровня 2006 г. К 2010 г. мировая потребность в фосфорных удобрениях должна достичь 41,5 млн. т Р₂ О₅ (ежегодный прирост после 2007 г. - 2,5%).

Различные соли фосфорной кислоты широко применяют во многих отраслях промышленности, в строительстве, разных областях техники, в коммунальном хозяйстве и быту, для защиты от радиации, для умягчения воды, борьбы с котельной накипью и изготовления различных моющих средств.

Фосфорная кислота, конденсированные кислоты и дегидротированные фосфаты служат катализаторами в процессах дегидратирования, алкилирования и полимеризации углеводородов.

Все это позволяет сделать вывод, что фосфорная кислота является необходимым сырьем не только в химической промышленности, но и в пищевой.

1. Синтез ХТС

1.1 Обоснование создания эффективной ХТС

1.1.1 Производство фосфорной кислоты экстракционным методом

В технологии под фосфорной кислотой подразумевают ортофосфорную кислоту Н₃ Р0₄ (Р₂ 0₅ ^- ЗН₂ 0) с содержанием в ней 72,4% Р₂ О₅ . ортофосфорная кислота представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 42,4°С, гигроскопичные и расплывающиеся на воздухе. В переохлажденном состоянии — это густая маслянистая жидкость плотностью 1,88 т/м³ . Смешивается с водой во всех отношениях. При нагревании подвергается дегидратации с образованием полифосфорных кислот различного состава (Р₂ О5·n Н₂ О), где n<3; пирофосфорной Н₄ Р₂ О₇ (Р₂ О₅ ·2Н₂ О), триполифосфорной Н₅ Р₃ О₁₀ (ЗР₂ О₅ ·5Н₂ 0) и т.д. Техническая полифосфорная кислота, содержащая 70 - 80% Р₂ О₅ и известная под названием суперфосфорной кислоты, имеет плотность 1,8 - 2,0 т/м³ и температуру затвердевания 3 - 8°С. Высокое содержание P₂ O₅ и способность образовывать растворимые комплексные соединения, позволяет использовать суперфосфорную кислоту для получения высококонцентрированных жидких и твердых фосфорных удобрений.

1.1.2 Физико-химические основы процесса

Экстракционный метод производства фосфорной кислоты основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислотой. Процесс состоит из двух стадий: разложения фосфатов и фильтрования образовавшейся фосфорной кислоты и промывки сульфата кальция водой.

Сернокислотное разложение фосфата кальция представляет гетерогенный необратимый процесс, протекающий в системе «твердое тело - жидкость» и описываемый уравнением:

Ca₅ (PO₄ )₃ F + 5H₂ SO₄ + nH₃ PO₄ + 5mH₂ O = (n + 3)Н₃ РО₄ + 5CaSO₄ · mH₂ O + HF

Для удобства записи и упрощения расчетов формула двойной соли фторапатита 3Са₃ (РО₄ )₂ ·СаF₂ записывается в виде Ca₅ (PO₄ )₃ F.

Часть образовавшейся фосфорной кислоты возвращается в процесс. Фактически фосфат разлагается смесью серной и фосфорной кислот. В зависимости от концентрации фосфорной кислоты в системе и температуры образующийся сульфат кальция может осаждаться в виде ангидрита (m = 0), полу гидрата (m = 0,5) и дигидрата (m = 2). В соответствии с этим различают три варианта экстракционного метода производства фосфорной кислоты: ангидридный, полугидратный и дигидратный. В табл. 1. приведены условия разложения фторапатита для каждого из вариантов этого процесса.

Таблица 1

Условия разложения фторапатита

Тип процесса	Температура,°С	Концентрация Р2 О5 в жидкой фазе, %	Теплота реакции, кДж/моль
Дигидратный	70-80	25-32	384,4
Полугидратный	95-100	38-48	371,0

Температурный режим зависит от варианта экстракционного процесса. В дигидратном методе гидратированный сульфат кальция осаждается в форме дигидрата при 70 - 80°С и концентрации кислоты в реакционной смеси 20 -32% Р₂ О₅ , в полугидратном методе - в форме полугидрата при 90 - 100°С и концентрации кислоты 35 - 42% Р₂ О₅ .

Высокая степень разложения фосфатов, равная 0,99 дол. ед., достигается всего за 1 - 1,5 часа. Практически процесс экстракции продолжается до 4— 8 часов. Это необходимо для образования крупных кристаллов сульфата кальция, которые легко фильтруются и промываются для извлечения фосфорной кислоты небольшим количеством воды. Образование крупных кристаллов способствует также перемешивание системы, незначительный избыток серной кислоты, снижающий степень пресыщения раствора и постоянство температуры процесса.

Принципиальные схемы производства экстракционной фосфорной кислоты дигидратным и полугидратным методами идентичны. Однако полугидратный метод позволяет получать более концентрированную кислоту (см. табл. 1.); снизить потери сырья и обеспечить более высокие интенсивность и производительность аппаратуры. Принципиальная схема производства экстракционной фосфорной кислоты одностадийным полугидратным методом приведена на рис. 1. На рис. 2 представлена технологическая схема того же процесса.

Рис. 1. Принципиальная схема производства экстракционной фосфорной кислоты

Смесь серной кислоты и оборотного раствора фосфорной кислоты из сборника 2 и фосфат из бункера 1 подают в многосекционный экстрактор 3. По мере движения пульпы в экстракторе образуется фосфорная кислота и завершается процесс кристаллизации сульфата кальция. Из последней секции экстрактора пульпа поступает на трехсекционный вакуум-фильтр 4. Основной фильтрат Ф-1 из первой секции фильтра отводится как продукционная фосфорная кислота, причем часть ее добавляется к оборотному раствору, направляемому в сборник кислоты 2. Осадок кальция на фильтре промывается противотоком горячей водой, при этом промывной раствор Ф-3 используется для первой промывке во второй секции фильтра. Фильтрат первой промывки Ф-2 направляется в виде оборотного раствора в сборник 2.

Образовавшаяся фосфорная кислота (Ф-1) подогревается в подогревателе 5 паром и поступает в концентратор 6, где упаривается до заданной концентрации за счет прямого контакта с топочными газами и направляется на склад. Выделяющиеся из концентратора газы проходят промывной скруббер 7, в котором улавливаются соединения фтора и выбрасываются в атмосферу. Газы, выделяющиеся из экстрактора и содержащие фтористый водород и тетрафторсилан, поступают на абсорбцию в абсорбер, орошаемой водой или разбавленной кремнефтористоводородной кислотой. Основные аппараты в производстве экстракционной кислоты - экстрактор и вакуум-фильтр. Экстрактор - это железобетонный аппарат прямоугольного сечения, разделенный на 10 секций с мешалками, в котором пульпа последовательно перетекает из одной секции в другую. В другом варианте экстрактор составляют два сблокированных стальных цилиндра со многими мешалками. При рабочем объеме экстрактора 730 м³ производительность его равна 340 т/сутки РгО₅ при интенсивности около 25 кг/м³ -ч.

Вакуум-фильтры применяют лотковые и ленточные. Лотковые (карусельные) фильтры состоят из 24 лотков (нутч-филътров), каждый их которых при работе фильтра последовательно проходят зоны фильтрации, пульпы, обезвоживания осадка, промывки сульфата кальция и его выгрузки. Фильтрующая поверхность их составляет от 80 до 160 м. Ленточные фильтры представляют бесконечную перфорированную ленту, на которую натянуто фильтрующее полотно. При движении ленты она сообщается последовательно с тремя вакуум-камерами, в которых собираются соответственно основной фильтрат (продукционная кислота), первый и второй промывные фильтраты.

Рис.2 Технологическая схема производства экстракционной фосфорной кислоты полугидратным методом: 1 - бункер фосфата, 2 - сборник серной кислоты, 3 - экстрактор, 4 - вакуум-фильтр, 5 - подогреватель фосфорной кислоты, 6 - концентратор, 7 - промывной скруббер, 8 -сборник промывной жидкости.

Действующие установки по производству фосфорной кислоты полугидратным методом имеют производительность до 350 тыс. тонн в год и характеризуются параметрами:

— температура процесса 80 - 100°С,

— отношение жидкой фазы к твердой 2,5:1,

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--