первичные зародыши [34, 35], а соединения Si, к каковым относится кремнегель SiO2, вместе с первыми образуют сложный осадок, а также соединения с общей

формулой xAl O ·yP O ·zHF·nH O.

2 3 2 5 2

3.3. Кинетические закономерности процесса дефторирования экстракционной фосфорной кислоты в режиме интенсивного тепломассообмена

Метод упаривания и отдувки в общей технологии очистки ЭФК наиболее эффективен. Данная стадия очистки является определяющей по отношению к качеству получаемого продукта, поэтому её совершенствование позволяет разработать новую технологию, отвечающую особенностям метода тонкой очистки ЭФК и потребностям рынка очищенных и пищевых фосфорных кислот.

Процесс дефторирования при отдувке был изучен в лабораторных и полупромышленных условиях, полученные данные были обработаны и выявлены кинетические закономерности процесса.

На основании ряда стехиометрических и кинетических измерений установлено, что при удалении фтористых соединений в газовую фазу происходит гидролиз фторсодержащих комплексов железа, алюминия и кремния и создаются условия для выделения этих примесей в осадок. Таким образом, при очистке ЭФК от фтористых соединений одновременно удается и понизить концентрацию ряда других примесей. Вместе с тем, процесс разрушения фторсодержащих комплексов приводит к образованию гелеобразного осадка на основе гидроксидов кремния или кремниевой кислоты и гидроксидов алюминия и железа. Обладая высокой удельной поверхностью, указанные соединения значительно осложняют процесс дефторирования, сорбируя продукты гидролиза. Ряд авторов указывают на ступенчатый характер гидролиза при замещении фторид иона на гидроксид ион.

H	SiF	H2O		(OH)	H2O			H2O		(OH)
		¾¾¾® HF + HSiF			¾¾¾® HF + SiF (OH)			¾¾¾® HF + SiF			3
2	6	¬¾¾¾	5		¬¾¾¾	4	2	¬¾¾¾	3
	H2O			H2O			H2O		(XV)
	¬¾¾¾¾¾¾® HF + SiF2(OH)4			¬¾¾¾¾¾¾® HF + SiF(OH)5			¬¾¾¾¾¾¾® HF + Si(OH)4

131

Процесс разрушения фтористых соединений осложнён коагуляционными явлениями и адсорбционно– химическим равновесием, где в качестве адсорбента выступают продукты гидролиза фторкомплексов. На данный механизм указывает характер изменения концентрации в жидкой фазе фторид– иона при длительном сроке наблюдения. Даже после отдувки некоторого количества фтористых соединений содержание F– иона в фосфорной кислоте при хранении постепенно повышалось. Стехиометрическими расчетами установлено, что Al и Fe могут образовывать соединения не только в виде фторкомплексов по (XIV), но и в виде кремнефторидов (Al,Fe)2[SiF6]3, которые впоследствии постепенно гидролизуют. Подобно процессу (XVI) может проходить последовательное замещение фторид ионов с образованием HF:

(Al, Fe)	2	6 3	¬¾¾	+ (Al, Fe)	2		5	3
		[SiF ]	¾¾®3HF			[SiF (OH)] и т.д. (XVI)
По данным, полученным методом МУР, для твёрдой фазы происходит рост
размера кристаллитов			от 30–40	до 100–150				Ǻ. Таким образом, процесс

кристаллизации, который наблюдали по дифракции рентгеновских лучей, приводит к повышению концентрации F-. Поэтому лимитирующим фактором данного процесса является не разность парциальных давлений фторсодержащих газов HF и SiF4, а процессы разрушения и кристаллизации фторкомплексов, протекающих жидкой фазе. Ранее было показано (рис. 3.1), что при производстве очищенных марок кислот, получаемых путём многократной отдувки, на этой стадии не удаляется часть фтора, находящегося в ЭФК в связанном состоянии, то есть в виде соединений второго типа. Для более подробного объяснения процесса было принято провести ряд экспериментов. Часть из них проводилась на полупромышленной установке концентраторе– дефтораторе тарельчатого типа, а часть в лабораторных условиях (установка на рис. 2.1).

Исходное содержание фтора в кислоте «Т2», подаваемой на дефторирование, составляло ~ 720 ppm.

132

Содержание фтора в кислоте, ppm

800

700

600

500

400

300

200

100

	0
		0	1	2	3	4	5	6	7	8
						Время, час
Рис. 3.4. Изменение содержания HF в очищенной фосфорной кислоте "Т2"
при отдувке в концентраторе-дефтораторе с течением времени (t = 90oC)
	70								70
	68
4	66
PO								65
3	64
H
%	62
Концентрация,						60
	60
	58
	56				55
	54
	52	50
	50
		20		40		60		80		100
					Время, мин
Рис. 3.5. Изменение концентрации ЭФК при её упаривании с отдувкой

топочными газами (t = 90 С)

133

Из рисунка 3.4 можно видеть интенсивное снижение концентрации фтора в течение первых двух часов, а после 2,5 часов дефторирования кривая приобретает форму ассимптомически приближающейся к оси времени. При этом, чтобы получить кислоту с концентрацией < 50 ppm, требуется не менее 6- 7 часов общего времени отдувки. Увеличение и без того продолжительного времени дефторирования заметных улучшений в глубине очистки не даёт. Теоретически, можно считать, что для полного удаления фтора необходимо ∞ время. Объективной причиной такого поведения системы при проведении процесса отдувки фтористых соединений является изменение состава очищенной кислоты при выдержке. То есть, такое изменение состава объясняется достаточно медленным разложением комплексных соединений со фтором, где в качестве комплексообразующих элементов выступают металлы

Al, Fe или Si.

На рисунке 3.5 представлен процесс концентрирования по P2O5 при получении очищенной ЭФК.

	0,07
	0,06
F	0,05
, мас.%
	0,04
Концентрация	0,03
	0,02		1
	0,01
		2
	0
	0	50	100	150	200	250	300	350
				Время, мин
		Рис. 3.6. Кинетика дефторирования ЭФК марки «Т2»
	1 –	без отдувки (t = 120° С); 2 –			с отдувкой воздухом (t = 90° С).
					134

Если процесс вести без поддержания фосфатной части, то при отдувке концентрирование кислоты осуществляется около 2 часов, т.е. в 3 раза быстрее, чем дефторирование до нужной концентрации F. Связано это с тем, что давление водяных паров над ЭФК значительно выше давления паров фтористых соединений и, соответственно, скорость отдувки фтора ниже скорости концентрирования кислоты. Постоянство концентрации фосфорной кислоты производят путём добавления артезианской воды с целью воспрепятствования повышению вязкости и плотности [36, 37] и обеспечения оптимальности проведения процесса отдувки по расходу водяных паров [38]. Это также обеспечивает равенство количеств испаряемой и добавляемой воды и позволяет использовать многократную циркуляцию кислоты через дефторатор. Данный процесс осуществляется в интервалах температур 80 – 95 оС при удельной газожидкостной нагрузке в аппарате, равной (2 – 30) .103 м-2.

	0,07
	0,06	1
F
мас.%	0,05
	0,04
,
Концентрация
	0,03
	0,02	2
	0,01
	0
	0	20	40	60	80	100	120
				Время, мин

Рис. 3.7. Изменение концентрации фтористых соединений при дефторировании ЭФК с отдувкой воздухом (t = 90оС):

1 – соединения HF (1-й тип); 2 – [SiF 6]2- и др. комплексы (пер. F, 2-й тип) Проведение эксперимента в лабораторных условиях дало

непротиворечащие результаты. Для этого было проведено упаривание с отдувкой путём барбатирования через слой кислоты воздуха под вакуумом для

135

одного опыта и в отсутствии отдувки при повышенной температуре, соответствующей температуре кипения – для другого.

Устойчивость анионных фторидных комплексов достаточно высока [39] и возрастает с ростом температуры [40]. Следовательно, скорость разрушения этих соединений при высокой температуре (t = 120° С) будет гораздо медленнее и процесс будет идти с более продолжительной подпиткой содержания HF и в меньшей степени SiF4 при их разрушении (комплексов).

Несколько иной вид имеет кривая 2 на рисунке 3.6. В данном случае процесс проводили с отдувкой воздухом при пониженной температуре 90° С. Из графика видно, что за счёт отдувки в этом случае общая интенсивность удаления фтора гораздо больше. При этом, до той же 50-й минуты снижение кривой не на много интенсивнее, чем в случае без отдувки, а впоследствии удаление происходит быстрее, и HF не накапливается в такой степени, поскольку при 90° С и интенсификации процесса путём барбатирования и отдувки воздуха происходит более быстрое разрушение комплексов. Тем не менее, не удается получить кислоту с содержанием HF ниже 0,004%, даже при увеличении времени отдувки. Однако показано, что общее время удаления фтора в первом случае достигает 300 минут (5 часов), а во втором около 120 минут (2 часа). Поэтому использование отдувки способствует повышению эффективности и скорости процесса.

Существование медленно разрушающихся соединений можно выявить (рисунок 3.7), проанализировав содержание фтора и кремния при упаривании с отдувкой. Были выявлены соединения SiF62-, отрицательные фторкомплексы типа MeFn(3-n) , где в качестве Me выступает Al3+ и Fe3+. Эти комплексы обладают большой устойчивостью [28, 29, 40-42]. Основные процессы в растворах между такими соединениями ЭФК, могут иметь равновесие следующего характера [26, 27, 41]:

SiF2- + Al3+	+ 3H	2	O ¾¾® AlF3- + SiO			×Н	O + 4H+	(XVII)
6			¬¾	6	2	2

SiF + 2Al3+	+ 4H	2	O ¾¾® 2AlF+ + SiO		2	+ 4H+	(XVIII)
4			¬¾	2

136

Процесс (XVII) [41] проходит в фосфатных системах с образованием в растворе более прочных комплексов, чем SiF62-, которые препятствуют процессу обесфторивания. Константы устойчивости для алюмокомплексов выше, чем для кремнефторид-иона. Основной из них AlF63-, кроме того возможно образование и других комплексов [AlF2]+ и [AlF]2+, а также трёхфтористого алюминия, обладающего большой прочностью.

Ионы железа также образуют комплексные соединения с ионами фтора: [FeF4]– , [FeF6]3-, и в процессах систем ЭФК отвечают равновесию:

SiF62− + Fe3+ + H2O FeF63− + SiO2 × H2O + 4H+ , (XIX)

которое подтверждается стехиометрическими расчётами составов осадков и анализом кислоты. Однако комплексы Fe3+ менее устойчивы, чем комплексные фториды алюминия [26, 28, 29, 41]. Кроме того, незначительные следы ионов Ca2+, Mg2+, которые хоть и не учитываются, но всё же присутствуют в растворе кислоты, могут давать с кремнефтористоводородной кислотой достаточно прочные соединения типа CaSiF6, MgSiF6, тем самым способствуя уменьшению выделения соединений фтора в газовую фазу при упаривании и отдувке ЭФК.

Опять же, если обратить внимание на процессы (XVII – XIX), можно видеть образование геля кремниевой кислоты с общей формулой SiO2·nH2O (кремнегеля), что подтверждено химическими методами анализа. Это соединение также необходимо удалять.

В связи с этим при получении пищевых фосфорных кислот основное внимание необходимо обратить не только на очистку от легколетучих соединений фтора, но и очистку и от так называемых связанных форм фтора, то есть фтористых соединений, находящихся в форме кремнефтористоводородной кислоты – H 2SiF6, её производных, комплексов Al3+ и Fe3+ и др. Также необходимо обратить внимание на возможность удаления других равновесных соединений типа кремнегеля или алюмогеля.

На основании полученных экспериментальных и литературных данных можно заключить, что ЭФК, как многокомпонентная система, содержит в своём составе массу примесных соединений, находящихся в сложном равновесии

137

между собой и самой фосфорной кислотой. В литературе уже были рассмотрены многокомпонентные системы подобные ЭФК и тем не менее говорилось от недостаточности данных о равновесных состояниях.

На сегодняшний день по результатам исследований и многократных обсуждений с уверенностью можно утверждать, что равновесия, известные для кремний- и фторсодержащих систем [43, 44] применимы и для системы типа P2O5-HF-SiO2-SO3-H2O-Me2O3. Итак, между рассматриваемыми легколетучими соединениями в растворённом состоянии имеются следующие основные равновесия:

HFж	HFг		(XX)
SiF4ж		SiF4г	(XXI)
SiF4р + 2H2O		4HF + SiO2	(XXII)
HF + H2O		H3O+ + F–	(XXIII)
2F– + SiF4р		SiF62–	(XXIV)

Как показано [43 – 45], равновесия (XX)– (XXIV) могут смещаться в том или другом направлении при определённых условиях: температура, pH-среды, концентрация примесей и т.д. В данном случае процесс непосредственного удаления фтора в газовую фазу описывается смещением процессов (XX) и (XXI) вправо, то есть в сторону газообразных продуктов процесса дефторирования. Потенциально степень перехода этих соединений из жидкой фазы в газовую характеризуется давлением паров летучего компонента над раствором ЭФК [45, 46]. Равновесия (XXII)– (XXIV) существуют в жидкой фазе и влияют на (XVI) и (XVII) в зависимости от степени их смещения и ответной концентрации летучего компонента. Ряд ранее упомянутых равновесных процессов с Al, Fe и Si (I–III) [47 – 48], а также образования фторфосфорной кислоты [47 – 49]:

Н2SiF6 + 2Н3РO4 2Н2РO3F+SiF4 + 2Н2O

Н2SiF6 + Н3РO4

НРO2F2 + SiF 4 + 2Н2O

влияют на процессы дефторирования, а следовательно, на давление их паров над раствором ЭФК и скорость удаления в газовую фазу в условиях дефторирования.

138

В связи с этим проведён расчёт равновесных давлений паров над раствором ЭФК.

Для расчета равновесного давления паров над растворами используют зависимость:

y

i

× P = γ

i

× x

i

× P o ,

(3.21)

i

где yi,

xi

– мольная доля компонента в паровой и жидкой фазе; γi –

коэффициент активности компонента;

P o –

давление насыщенного пара над

i

чистым компонентом.

Давление насыщенного пара над чистым компонентом для SiF4 и HF

определено по методу Ли-Кеслера [156]

ln P o = f (o) + ω

i

× f (1)

(3.22)

i

i

i

f

(o)

= 5,92714 -

6,09648

- 1,28862 × ln(T / T c

+ 0,169347 × (T / T c ) 6

(3.23)

i

(T / T c )

i

i

i

f

(1)

= 15,2518 -

15,6875

- 13,4721× ln(T / T c

+ 0,43577 × (T / T c ) 6 ,

(3.24)

i

(T / T c )

i

i

i

где T c –

критическая температура T c = 259 К, T c

= 461 К [51];

i

SiF

HF

4

фактор ацентричности:

ωi =

ln P c - 5,92714 + 6,09648 × (T b

/ T c )−1 +1,28862 × ln(T b / T c ) - 0,169347 × (T b / T c )6

i

i

i

i

i

i i

, (3.25)

15,2518 -15,6875 × (T b

/ T c )−1 -13,4721

× ln(T b

/ T c ) + 0,43577 × (T b / T c )6

i

i

i

i

i i

где P c –

критическое давление, P c

= 36,7 атм., P c

= 64 атм.

i

SiF

HF

4

T b –

температура кипения, T b

= 187 К, T b

= 292,7 К [51].

i

SiF

HF

4

Проведенные расчеты показали, что при равной концентрации в растворе

физически растворенных HF и SiF4 давление паров SiF4 в 300 – 500

раз выше,

чем HF. С увеличением температуры давление паров SiF4 растет значительно быстрее, чем HF. Концентрация физически растворенного SiF4 в жидкой фазе очень низкая, а скорость удаления фтора в газовую фазу в виде SiF4 лимитируется устойчивостью кремнефтористоводородной кислоты и комплексов Fe и Al на ее основе. Расчёты парциальных давлений для различных систем проведены с использованием уравнения Антуана, на

139

основании которых было установлено, что несмотря на то, что полное удаление HF лимитируется устойчивостью комплексов Fe и Al, выделение SiF4 доминирует при t < 85 – 90 С, а при t > 90 С с учётом избытка свободной HF в ЭФК наиболее интенсивно в газовую фазу выделяется HF, а в связи с повышением температурной устойчивости ряда комплексов (например Al) [28, 29, 40], этот процесс, очевидно, прогрессирует в ещё большей степени, что наблюдается на практике.

Действительно, несмотря на то, что у авторов [45, 46, 52, 53, 74] информация, связанная с соотношением давлений паров над раствором HF и SiF4, несколько расходится и, казалось бы, порой противоречивая, всё же это объясняется различным составом систем и варьируемым температурным интервалом. Например [45], имеется конкретная информация, показывающая, что при 80оС доминирует давление SiF4, а при температуре t > 90° С давление паров HF - при концентрациях кислоты от 35 до 53% P2O5. Кроме того, состав систем зачастую совершенно не совпадает, что и является причиной изменения соотношения фтористых соединений над раствором (и парциальных давлений паров над ним).

Итак, учитывая тенденцию к смещению равновесий между примесными компонентами в ЭФК, каждая из вышеперечисленных примесей способна в зависимости от её концентрации и условий проведения процесса дефторирования по своему влиять на общую картину очистки кислоты. Поэтому необходимо подробно рассмотреть влияние примесей на интенсивность процессов дефторирования. Особый интерес с точки зрения воздействия на структуру ЭФК вызывают такие примеси как SO3, Fe3+, Al3+, а также Si4+. Во-первых, их концентрация выше по сравнению с остальными; вовторых, наибольшее число равновесий связано с содержанием этих компонентов и они наиболее активно участвуют в связывании и разрушении комплексов и влияют на структуру растворов H3PO4, изменяя такие её характеристики, как вязкость и плотность.

140

xAl O ·yP O ·zHF·nH O,

2 3 2 5 2

Таким образом, учитывая, что в системе ЭФК-примеси образуются кремнегель SiO2·nH2O, соосаждающиеся комплексные соединения Al и Fe, с составом MeFn(3-n), кремнефториды Ca, типа CaSiF6 и другие твёрдовзвешенные компоненты с общей формулой необходимо рассмотреть и исследовать способы удаления этих частиц из ЭФК. В связи с этим необходимо исследовать методы воздействия на рассматриваемую систему ЭФК-примеси с целью интенсификации процессов её очистки и отделения примесей, а также особенности влияния структурных примесей на процессы дефторирования ЭФК.

141