Термический и экстракционный способ получения ортофосфорной кислоты, их сравнительная характеристика, определение преимущества и недостатков, используемое сырье и материалы. Физико-химические условия процесса. Аппаратура сернокислотной экстракции.
Аннотация к работе
Ортофосфорная кислота служит для получения, прежде всего высококачественных безбалластных фосфорных и сложных удобрений - фосфатов кальция, аммония, калия, нитроаммофосов, нитроаммофоски и сложносмешанных удобрений в твердом и жидком виде, а также кормовых фосфатов. Дегидратированные фосфаты используют при стирке белья и чистке верхней одежды, для удаления жира и масла из хлопка, шерсти и шелка, как нефтеочистные реагенты, в процессах флотации, в качестве активных диспергаторов краски и минеральных суспензий, как эмульгаторы. Расчетная часть включает задание на курсовую работу, материальный, тепловой баланс процесса получения фосфорной кислоты; а также включает расчет основного аппарата - промывной башни-абсорбера. Основу экологической части является описание основных отходов, образующихся в процессе получения фосфорной кислоты - газообразных, жидких, твердых и методов их рациональной переработки (либо утилизации, очищения) в более полезные и широко используемые материалы. Химические свойства фосфорной кислоты сходны с другими кислотами; реактивом на ионы РО43 - служит AGNO3.Для производства концентрированных фосфорных и сложных удобрений требуется фосфорная кислота, содержащая 37-55% Р2О5 и более, а для получения полифосфатов аммония и концентрированных жидких удобрений - кислота, содержащая 72-83% Р2О5. Наиболее просто получают кислоту, содержащую 53-55% Р2О5, поскольку процесс сводится только к выпариванию воды и не сопровождается дегидратацией фосфорной кислоты и образованием фосфорного ангидрита не в орто-форме. При использовании кремнефтористой или фтористоводородной кислот выделяется осадок, легко отделяемы фильтрацией. Сернокислотное разложение фосфатного сырья в производстве ЭФК отличается от разложения при получении простого суперфосфата более высокой нормой серной кислоты, подаваемой из расчета на связывание всего кальция в виде CASO4; при этом Р2О5 переходит в раствор (в виде Н3РО4), который отделяется от осадка фильтрацией. В результате этого фосфат сначала реагирует в той или иной степени с фосфорной кислотой, содержащейся в растворе разбавления ортофосфорный сернокислый кислота экстракцияРазность между расходом и приходом реагентов дает массу промывного раствора, которую надо подать на экстракциюМасса циркулирующей пульпы определяется в соответствии с заданным значением кратности его циркуляции по соотношению к пульпе, поступающей на фильтрацию. Серная кислота Апатитовый концентрат 1121,8 1000,0 Влажный гипс, содержащий 36 мас. д., % воды Фосфорная кислота Фторид кремния SIF4 Испаряется воды при фильтрации (по заданию) Испаряется воды при вакуум-охлаждении 2500 1321,7 3,83 27,9 140,0 Апатитовый концентрат Серная кислота Раствор разбавления: оборотная кислота промывные растворы Циркулирующая пульпа Вода 1000,0 1121,8 1431,47 2190,56 33600 1871,63 Продукционная фосфорная кислота Фосфогипс (влажный) Раствор разбавления: оборотная кислота промывные растворы Фторид кремния SIF4 Испарившаяся вода: при фильтрации при вакуум-охлаждении Циркулирующая пульпа 1321,7 2500 1431,47 2190,56 3,83 27,9 140 33600 Уносимая теплота есть сумма теплот: пульпы, направляемой на фильтрацию (Qп); газов, выходящих из экстрактора (Qг); циркулирующей пульпы, поступающей из экстрактора в вакуум-испаритель для охлаждения (Q’ц.п) и теплотпотерь (Qпот). С апатитовым концентратом С 78%-ной H2SO4 С раствором разбавления Теплота реакции разложения апатита Теплота разбавления 78%-ной H2SO4 С входящим воздухом С циркулирующей пульпой 710 3059,4 21168,3 17181,1 12262,2 320,0 176734,02 С пульпой, поступающей на фильтрование С газами, уходящими из экстрактора С циркулирующей пульпой, выходящей из экстрактора Теплопотери 32349,4 897,0 194096,45 4092,17Процесс получения фосфорной кислоты, не смотря на крупнотоннажность производства и довольно длительное использование в различных сферах жизнедеятельности, связан со значительными трудностями изза образования значимого количества отходов, особенностями условий. Технологическая часть включает физико-химические основы процесса, основные реакции, физические, химические и термические условия, сопровождающие процесс получения фосфорной кислоты; представлена сравнительная характеристика процессов ее получения, достоинства и недостатки.
План
Содержание оборотной кислоты с массовой долей оксида фосфора Р2О5 30%Содержание оксида фосфора Р2О5 в промывном растворе
Введение
Ортофосфорная кислота служит для получения, прежде всего высококачественных безбалластных фосфорных и сложных удобрений - фосфатов кальция, аммония, калия, нитроаммофосов, нитроаммофоски и сложносмешанных удобрений в твердом и жидком виде, а также кормовых фосфатов.
Одноводный и безводный Са(Н2РО4)2, а также NAH3P2O7 (в смеси с содой) используют в хлебопекарной и пищевой промышленности. Чистый твердый фосфорный ангидрид применяют как весьма интенсивное осушающее средство, в качестве катализатора в ряде органических синтезов, в высоковакуумной технике, радиоэлектронике. Он служит также для получения некоторых термостойких пластических масс, высокооктановых бензинов, фосфорорганических пестицидов.
Фосфаты марганца, железа и другие применяются для защиты металлов от коррозии. Неорганические фосфатные иониты используют при повышенных температурах и в условиях радиации.
Мета- и полифосфаты натрия, а также отртофосфаты - три - и динатрийфосфат служат для умягчения воды, борьбы с котельной накипью и изготовления различных моющих средств без затраты пищевых жиров. Дегидратированные фосфаты используют при стирке белья и чистке верхней одежды, для удаления жира и масла из хлопка, шерсти и шелка, как нефтеочистные реагенты, в процессах флотации, в качестве активных диспергаторов краски и минеральных суспензий, как эмульгаторы.
Особое место занимают фосфорорганические соединения как экстрагенты, пластификаторы.
Большой класс фосфорорганических соединений составляют инсектициды и ядовитые газы. Триалкилфосфаты употребляют в качестве катализаторов при дегидратации гликолей и олефиновых спиртов, ускорителей отверждения некоторых смол, как смазочные вещества, присадки к пороху и абсорбенты в холодильных установках.
Многообразное использование фосфорной кислоты практически во всех сферах нашей жизни дает право назвать производство фосфорной кислоты крупнотоннажным производством.
Целью курсовой работы является получение общих сведений о процессе, сырье, способах получения и использования. Важной задачей также является рассмотрение основной технологической схемы получения фосфорной кислоты. Расчетная часть включает задание на курсовую работу, материальный, тепловой баланс процесса получения фосфорной кислоты; а также включает расчет основного аппарата - промывной башни-абсорбера.
Основу экологической части является описание основных отходов, образующихся в процессе получения фосфорной кислоты - газообразных, жидких, твердых и методов их рациональной переработки (либо утилизации, очищения) в более полезные и широко используемые материалы.
1. Аналитический обзор
Фосфорная кислота - твердое бесцветное вещество. Кристаллическая фосфорная кислота - гигроскопическое соединение, распыливается на воздухе и с водой смешивается в любых соотношениях. Разбавленные растворы фосфорной кислоты обладают кисловатым вкусом [1].
Как трехосновная, фосфорная кислота относится к слабым кислотам. Теплоты и свободные энергии ионизации показывают, что первая ступень диссоциации Н3РО4 протекает с экзотермическим, а последняя - с эндотермическим эффектом. Химические свойства фосфорной кислоты сходны с другими кислотами; реактивом на ионы РО43 - служит AGNO3. При добавлении его к раствору, образуется осадок ярко-желтого цвета - фосфат серебра Ag3PO4. Кристаллическая Н3РО4 известна в виде безводной Н3РО4 и полугидрата Н3РО4·0,5Н2О. Чистая фосфорная кислота образует призматические кристаллы моноклинной системы, легко расплывающейся на воздухе, кристаллизуется довольно медленно, и концентрированную Н3РО4можно легко переохладить до получения стекла.
Показано, что в растворе Н3РО4имеет место обмен между атомами кислорода между ионами РО4 и Н2О. в процессе термической диссоциации Н3РО4 могут образовываться ее дигидратированные формы пиро- и метафосфорной кислоты, а также существуют полифосфатные кислоты (пиро-, три-, мета-, ангидридомета-, тетраполи -, триполи-, пиро-, отрофосфорная кислоты). Фосфорную кислоту получают в виде густой, сиропообразной жидкости, из которой при охлаждении могут выделить кристаллический продукт. Во многих случаях кристаллизация происходит только при внесении затравки.
Наиболее распространенными способами промышленного производства фосфорной кислоты является термический и кислотный.
1.1 Термический способ получения ортофосфорной кислоты
Термический метод заключается в высокотемпературном восстановлении фосфатов и возгонке в электрических печах элементарного фосфора в присутствии углерода и кремнезема
Полученный фосфор окисляют до фосфорного ангидрида, а затем последний гидратируют водой; в результате образуется ортофосфорная кислота
2Р2 5О2? ? 2Р2О5; Р2О5 3Н2О ?? 2Н3РО4.
Далее, осуществляют конденсацию Н3РО4 и улавливание тумана из газовой фазы.
По принципу охлаждения газов процессы получения фосфатов на основе элементарного фосфора могут быть классифицированы на системы с изменением агрегатного состояния хладагента и системы без изменения агрегатного состояния хладагента. Хладагентами в любом случае являются вода или фосфорная кислота [2].
В системах с изменением агрегатного состояния в качестве хладагента чаще всего используют воду, которая, испаряясь, охлаждает газы. Принципиальная схема процесса (тип III) показана на рис. 1.а (приложение А). Фосфор сжигают в камере, а охлаждение газов происходит за счет испарения воды. Стрелкой показан процесс передачи теплоты Q. Системы без изменения агрегатного состояния хладагента относятся к I и II типам (рис. 1.б, 1.в приложения А).
Системы I типа называют условно теплообменными, II типа - циркуляционными и III типа - испарительными. Принципиально, как таковые, могут существовать только системы I и III типов, в циркуляционных системах при высокой температуре газа часть теплоты отводится за счет испарения воды из циркулирующей кислоты.
Основные теплохимические характеристики рассмотренных типов указаны в табл. 1.
Оптимальной по теплотехническим характеристикам должна считаться система, имеющая максимальное значение произведения К·DT (что соответствует минимальным габаритам основной аппаратуры), минимальный расход охлаждающего агента (т.е. наименьшие объем и число единиц вспомогательной аппаратуры) и минимальный объем газов при прочих равных условиях (это соответствует минимальным габаритам узла очистки газа).
Таблица 1 - Основные теплохимические характеристики системы производства термической фосфорной кислоты
Вывод
Процесс получения фосфорной кислоты, не смотря на крупнотоннажность производства и довольно длительное использование в различных сферах жизнедеятельности, связан со значительными трудностями изза образования значимого количества отходов, особенностями условий.
Технологическая часть включает физико-химические основы процесса, основные реакции, физические, химические и термические условия, сопровождающие процесс получения фосфорной кислоты; представлена сравнительная характеристика процессов ее получения, достоинства и недостатки.
Описание технологической схемы производства фосфорной кислоты представлено также в технологической части и дает возможность понять особенности ее получения, термохимические и физические особенности производства, оценить доступность и уникальность использования оборудования. Представлены и описаны аппараты, используемые для поэтапного процесса получения фосфорной кислоты (дозаторы фосфатного сырья и кислоты, экстракторы, сепараторы, фильтры и др.).
Экологическая часть включает сведения по утилизации твердых отходов (в частности, фосфогипса), методы их очистки и производство на их основе портландцемента, гипсовых вяжущих, извести и др. Сточные воды, содержащие уловленные фторсодержащие газы используются для производства криолита, фторидов, получения кремнефтористоводородистой кислоты.
Материальный, тепловой баланс и основной расчет аппарата процесса производства фосфорной кислоты позволяет определить особенности получения, основные этапы, массовое и процентное соотношение исходного сырья и конечных продуктов.
В результате проведения расчета и исследования процесса получения фосфорной кислоты, выясняется, что процесс, не смотря на возможность использования нескольких способов производства, не достаточно совершенен и требует большего внимания и совершенствования.
Список литературы
1) Лазарев, И.В. Вредные вещества в промышленности [Текст]: справочник для химиков, инженеров и врачей / И.В. Лазарев; под ред. проф. И.В. Лазарева и докт. биол. наук И.Д. Гадаскиной. - 7-е изд., том 3. - Л.: Химия, 1979. - 810 с.
2) Балабакович, Я.К. Кислотные методы переработки фосфатного сырья в фосфорную кислоту и удобрения [Текст] / Я.К. Балабакович, Р.Ю. Зинюк; под ред. Я.К. Балабакович. - М.: Гидрометеоиздат, 1986. - 180 с.
3) Воскресенский, С.К. Производство фосфорной кислоты концентрацией 32% Р2О5 разложением апатита серной кислотой с кристаллизацией гипса / под ред. С. К Воскресенского. - М.: НИУИФ, 1962. - 163 с.
4) Копылев, Б.А. Технология экстракционной кислоты [Текст]: учебное пособие / Б.А. Копылев.-Л.: Химия, 1981. - 221 с.
5) Позин, М.Е. Расчеты по технологии неорганических веществ [Текст] / М.Е. Позин, Б.А. Копылев, Г. В Бельченко.-Л.: Химия, 1967. - 345 с.
6) Мухленов, И.П. Основы химической технологии [Текст] / учебник для вузов / И.П. Мухленов, А.Е. Горштейн, Е.С. Тумаркина; под ред. И.П. Мухленова. - 4-е изд. - М.: Высш. шк., 1991. - 463 с.
7) Мухленов, И.П. Расчеты химико-технологических процессов [Текст] / И.П. Мухленов - Л.: Химия, 1976. - 304 с.
8) Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении [Текст]: учеб. пособие / Д.С. Орлов.-М.: Высш. шк., 2002.-334 с.
9) Тарат, Э.Я. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений [Текст] / Э.Я. Талат, О.Г. Воробьев.-М.: Мысль, 1979. - 190 с.
10) Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды [Текст]: учебник для вузов / А.И. Родионов, В.Н. Клушин, Н.С. Торочешников. - 2-е изд.-М.: Химия, 1989. - 512 с.