5.3. Технологическая схема комбинированного метода очистки
Прежде чем прейти к компоновке технологической схемы, рассмотрим способы получения очищенной концентрированной ортофосфорной кислоты из экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК), которая может быть использована в производстве технических, кормовых и пищевых фосфатов.
Использование экстракционной фосфорной кислоты для получения вышеуказанных продуктов связано с необходимостью очистки ЭФК от примесей, которые затрудняют проведение технологических процессов.
Известен способ получения фосфорной кислоты, включающий обессульфачивание экстракционной фосфорной кислоты солями кальция, жидким органическим экстрагентом с последующим концентрированием и отдувкой фтора и остаточных органических соединений.
По этому способу экстракционную фосфорную кислоту очищают от примесей природного происхождения жидкостной экстракцией трибутилфосфатом, далее кислоту извлекают из трибутилфосфата (ТБФ) водой, концентрируют ее до 60-85% Н3РО4 при 80 – 95° С. Получаемая кислота является исходной (марка «Т2»)
Впредложенном способе получения очищенной фосфорной кислоты обессульфачивание проводят соединениями стронция при повышенной температуре. Исходную фосфорную кислоту сначала смешивают с серной кислотой, взятой в количестве, необходимом до содержания в исходной кислоте 5 – 7% SO 3. Полученную смесь концентрируют при отдувке соединений фтора, одновременно адсорбируют на твердых носителях, а затем обессульфачивают при соотношении Sr2+/SO42- = 1,07 – 1,2. Причем все стадии процесса ведут при температуре 96 – 105° С.
Вэкстракционной фосфорной кислоте фтор находится в виде сложных соединений:
1.Кремнефтористоводородная кислота – H 2SiF6
2.Фторфосфорные кислоты – H 2PO3F, H2PO2F2
227
3. Комплексные фториды Fе, A1, устойчивые к разложению и удалению из ЭФК их компонентов – FeF 3-Хx+, A1F3-Xх+.
Введение в фосфорную кислоту серной кислоты способствует резкому увеличению общего давления паров фтористых соединений над раствором. Серная кислота обладает сильными водоотнимающими свойствами, связывая воду и способствуя образованию фторфосфорных кислот, что приводит к увеличению диссоциации SiF62- до легколетучих HF и SiF4. Серная кислота за счет понижения общего рН фосфорнокислотных растворов приводит также к увеличению диссоциации и уменьшению координационного числа комплексных (Fe, Al) соединений по схеме:
MF2+ ¾¾¾¾H2SO4 ® МF2+ + НF↑, т.д.
(где М – Fe, Al), что приводит к резкому увеличению сорбируемости соединений Fe и Al твердыми сорбентами (активированными углями) и дополнительному выделению в газовую фазу и удалению из системы HF.
Кроме того, серная кислота значительно снижает вязкость фосфорной кислоты, способствуя ускорению переноса из жидкой фазы в газовую летучих компонентов и в твердую фазу сорбирующихся компонентов. При этом содержание серной кислоты должно быть регламентировано и зависит от качества и концентрации исходной фосфорной кислоты. Если ее количество будет ниже указанного предела, то ожидаемый эффект не будет достигнут. Если больше, то значительно увеличится коррозия оборудования. Роль играет и последовательность операций: совмещение отдувки и концентрирования с адсорбцией на твердом сорбенте и проведение их перед обессульфачиванием солями стронция, а также проведение процесса при одинаковой температуре.
Удаление сульфатов из кислоты осуществляется на последнем этапе. При этом температура и снижение вязкости кислоты ускоряют процессы осаждения сульфатов стронция и отстаивания суспензии.
Увеличение дозы Sr2+ сверх стехиометрического по отношению к SО42- позволяет дополнительно соосадить в твердую фазу F, Fe, A1. Снижение
228
содержания Pb, As в кислоте можно объяснить как увеличением сорбируемости этих соединений на адсорбентах при повышении содержания серной кислоты, так и соосаждением в твердую фазу при обессульфачивании за счет увеличения количества Sr2+. Наконец, введение солей стронция в виде водной суспензии устраняет диффузионный фактор при смешении компонентов и, как следствие, ускоряет процесс.
Данный способ предполагает возможность использования коагулянта после процесса осаждения, что укрупняет и уплотняет осадок и улучшает его отделение от раствора центрифугированием, декантацией, либо фильтрацией.
Таким образом, использование предложенного способа позволит получить очищенную фосфорную кислоту, сопоставимую с термической кислотой ГОСТ 10678–76. Марка А (пищевая). Кроме того, способ при практически полной ее очистке позволяет избежать применения органического экстрагента, а следовательно, снимает проблемы, связанные с его утилизацией и регенерацией, а также загрязнения готовой продукции органическими соединениями. Технологическое оформление способа значительно упрощается, снижается пожароопасность производства.
Способ можно проиллюстрировать следующими примерами. Экстракционную фосфорную кислоту с содержанием 38% Р2О5,
F ~ 1,4 – 1,9%; SO 3 ~ 1,4 – 1,5%; Fe 2O3 ~ 0,4 – 0,6%; в количестве 100 кг смешивают с серной кислотой, взятой в количестве 3 кг (моногидрат). Содержание SO42- составляет в смеси 3%.
Затем смесь кислот подают на стадию отдувки фтористых соединений и концентрирование в верхнюю часть аппарата тарельчатого типа, работающего в пенном режиме, куда поступают топочные газы с температурой 400° С. Для улучшения гидролиза фторфосфорной кислоты в составе ЭФК рекомендуется в качестве теплоносителя использовать парогазовую смесь. Удаление воды и легколетучих фтористых соединений осуществляется при многократной циркуляции кислоты через тарельчатую колонну.
229
Одновременно циркулирующая кислота проходит через колонну, заполненную твердым адсорбентом (например, уголь марки БАУ). Таким образом, тарельчатый аппарат замкнут в единый циркуляционный контур с концентратором-дефторатором. Температура на этих стадиях процесса составляет в среднем 96° С.
В присутствии серной кислоты скорость удаления фтористых соединений возрастает. В результате получают очищенную фосфорную кислоту, содержащую F<0,001%. Получаемая кислота практически бесцветна. Из циркуляционного контура кислоту подают в бак-реактор с мешалкой, куда одновременно дозируют карбонат Sr в виде водной суспензии с Т:Ж = 1:1. Количество стронция в суспензии – 3,16 кг. Соотношение Sr2+/SO42- = 1,07. При этом одновременно удаляются и остаточный F, Fe, Pb, As в твердую фазу. Осаждение проводят при перемешивании и той же температуре, что и предыдущие стадии. Осветление суспензии осуществляли в течение 12 ч в присутствии коагулянта. В результате получают бесцветную пищевую ОФК, содержащую 53% Р2О5
(73,1% Н3РО4).
5.3.1. Компоновка комбинированной технологической схемы
Для проведения очистки ЭФК, с целью выявления оптимального режима проведения процесса была представлена технологическая схема, работающая на базе аппарата концентратора-дефторатора в режиме интенсивного тепломассообмена и двух адсорбционных колонн, работающих в режиме адсорбция-регенерация. Учитывая позитивное влияние серной кислоты, входящей в состав ЭФК в качестве примеси, на процессы дефторирования при упаривании с отдувкой, стадия обессульфачивания карбонатом стронция расположена в конце технологической схемы (рис. 5.3). Недостатком технологической схемы является продолжительное время получения кислоты. В частности, для получения очищенной ЭФК марки «Улучшенная» требовалось около 7 часов для многократного упаривания с отдувкой.
230
Аппаратурно-технологическая схема концентрирования и дефторирования ЭФК, отличается не только большей интенсивностью по сравнению с промышленными аналогами относительно дегидратации, но и, соответственно, более значительным выделением фтористых соединений (HF и SiF4) в газовую фазу. Очередной отличительной особенностью схемы является проведение процессов при низких температурах при отсутствии пересыщений парогазовой фазы и локальных перегревов кислоты, что предопределяет использование повышенных объемов теплоносителя. Это, в свою очередь, может создавать экологические проблемы в определенных условиях по предельно допустимым выбросам фтора (ПДВ). Но использование адсорбента снижает концентрацию фтористых соединений.
Достоинствами технологической схемы являются:
∙сокращение времени проведения процесса дефторирования при получении концентрированной очищенной кислоты с 7 до 2 часов за счет как уменьшения количества циклов, так и большей эффективности по снижению концентрации фтористых соединений за один цикл;
∙высокая степень очистки от фтористых соединений. По качеству получаемая кислота приравнивается к пищевой степени очистки, что расширяет область её практического применения.
Разработанный способ получения очищенной фосфорной кислоты пищевого качества [38] прошел опытно-промышленные испытания и внедрен в ОАО «Воскресенский НИУиФ».
Однако при получении кислоты по способу [38] имеется недостаток, который заключается в неиспользовании интенсифицирующего действия серной кислоты, удаляемой на стадии предварительного обессульфачивания (и частично при очистке ТБФ) и сорбции углями. Использование малоэффективной, дорогостоящей и, вместе с тем, трудной в осуществлении экстракционной очистки предполагает наличие остаточного содержания в пищевой фосфорной кислоте нежелательного органического вещества.
231
Альтернативным предыдущему является [29] способ получения очищенной фосфорной кислоты из полугидратной ЭФК. Способ исключает малоэффективные стадии обессульфачивания и даёт возможность производить процесс без органических экстрагентов, что исключает попадание ТБФ в фосфорную кислоту. Однако очистку можно проводить и последовательно. В качестве исходных кислот используются неупаренная (36
– 40% Р2О5) или упаренная (50 – 54% Р2О5) ЭФК. Разработанный способ включает смешение исходной ЭФК с серной кислотой, взятой в количестве, необходимом до содержания в ЭФК 2 – 7% S О3, концентрирование полученной смеси при отдувке соединений фтора с одновременной адсорбцией на твердых сорбентах с последующим обессульфачиванием при соотношении Sr/SО42- = 1,07 – 1,2. Процесс ведётся при температуре, равной 96 – 105° С на всех стадиях очистки. Добавление H2SO4 ограничивается уже присутствующей в ЭФК свободной серной кислоты (до 2–2,5%), поскольку завышенное её количество (>7 %), не увеличивает эффективность дефторирования, а повышает коррозионное воздействие на конструкционные материалы. Как было показано, серная кислота способствует разложению и гидролизу фторидных комплексов М3+ и приданию им основных свойств с выделением в газовую фазу HF по схеме:
MF2+ + H2O ¾¾¾H2SO4 ® MOH2+ + HF -
Образуемые продукты разложения хорошо сорбируются на активных центрах сорбентов, особенно в условиях повышенных температур, которые способствуют как ускорению отдувки, так и процессам осаждения солями стронция и последующего осветления продукционной кислоты. Повышенное содержание Sr/SO3 определяется значительным содержанием H2SO4 в исходной смеси, а также возможностью соосаждения других элементов, в т.ч. Pb и As [17].
233