Министерствообразования и науки Российской Федерации
Федеральноеагентство по образованию
государственныйтехнический университет
кафедрахимической технологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Общая химическаятехнология»
на тему: «Производство,технологические свойства и применение фосфорной кислоты».
2007 г.
Введение
Фосфорнаякислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питаниярастений. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненноважных частей — семян и плодов.
Производныеортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости,зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, восновном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуяразличные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессахобмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этогопроизводные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительныхтканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты всоставе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известномугеохимику, назвать фосфор «элементом мысли».
Получениефосфорной кислоты в последнее время превращается в важное звено всей отрасли,связанной с производством удобрении. Известно, что ортофосфорная кислота (Р2О5· ЗН2О) при нагревании подвергается дегидратации, превращаюсь впирофосфорную кислоту Р2О5 · 2Н2О. Дальнейшаядегидратация может привести к образованию триполифосфорной ЗР2О5· 5НО и других полифосфорных вплоть до метафосфорной кислоты НРО3 иее полимеров (Р2О5 · Н2О)П. В производстве этусмесь называют суперфосфорной кислотой. Она содержит до 80% Р2О5,что превращает ее в ценное сырье для получения высококонцентрированныхфосфорных и сложных удобрений.
Для этихцелей ежегодно добывается во всем мире фосфорсодержащей руды около 100 млн. т.Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различныхсельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость иустойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условиядля более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативнымпериодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ееструктурированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости другихсодержащихся в почве веществ и подавлению некоторых образующихся вредныхорганических веществ.
Немалоортофосфорной кислоты потребляет пищевая промышленность. Дело в том, что навкус разбавленная ортофосфорная кислота очень приятна и небольшие ее добавки вмармелады, лимонады и сиропы заметно улучшают их вкусовые качества. Интересны идругие применения ортофосфорной кислоты в промышленности. Например, былозамечено, что пропитка древесины самой кислотой и ее солями делают деревонегорючим. На этой основе сейчас производят огнезащитные краски, негорючиефосфодревесные плиты, негорючий фосфатный пенопласт и другие строительныематериалы.
В 2005г. мировое производство фосфорной кислоты достигло 34.6 млн. т Р2О5,увеличившись на 3,6% по сравнению с уровнем 2004 г. Мировая торговля фосфорнойкислотой в 2005 г. выросла на 3% — до 5,0 млн. т Р2О5.
В периодс 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 2010г. Основные проекты по их увеличению будут осуществлены в Алжире, Китае,Египте, Марокко, России, Саудовской Аравии и Тунисе.
Мировыепоставки фосфорной кислоты оцениваются в 35,4 млн. т в 2006 г. и достигнут 40,7млн. т Р2О5 в 2010 (средний ежегодный рост — 3,7%).Принимая в расчёт использование фосфорной кислоты для производства удобрений ив других целях, средняя мировая потребность в ней будет расти на 3,3% в год и к2010 г. достигнет 38,7 млн. т Р2О5. К 2010 г. превышение предложения фосфорнойкислоты над спросом удвоится и достигнет 2,0 мл т Р2О5из-за ввода в строй новых мощностей.
Пооценке Сельскохозяйственного Комитета IFA мировая потребность в фосфорных удобрениях (Р2О5)в 2005 г. календарном году составит 37,7 млн. т Р2О5, чтона 3% больше уровня 2006 г. К 2010 г. мировая потребность в фосфорныхудобрениях должна достичь 41,5 млн. т Р2О5 (ежегодныйприрост после 2007 г. — 2,5%).
Различныесоли фосфорной кислоты широко применяют во многих отраслях промышленности, встроительстве, разных областях техники, в коммунальном хозяйстве и быту, длязащиты от радиации, для умягчения воды, борьбы с котельной накипью иизготовления различных моющих средств.
Фосфорнаякислота, конденсированные кислоты и дегидротированные фосфаты служаткатализаторами в процессах дегидратирования, алкилирования и полимеризацииуглеводородов.
Все этопозволяет сделать вывод, что фосфорная кислота является необходимым сырьем нетолько в химической промышленности, но и в пищевой.
1. Синтез ХТС1.1 Обоснование создания эффективной ХТС1.1.1 Производство фосфорной кислотыэкстракционным методомВ технологии подфосфорной кислотой подразумевают ортофосфорную кислоту Н3Р04(Р205-ЗН20) с содержанием в ней72,4% Р2О5. ортофосфорная кислота представляет собойбесцветные кристаллы с температурой плавления 42,4°С, гигроскопичные ирасплывающиеся на воздухе. В переохлажденном состоянии — это густая маслянистаяжидкость плотностью 1,88 т/м3. Смешивается с водой во всехотношениях. При нагревании подвергается дегидратации с образованиемполифосфорных кислот различного состава (Р2О5·n Н2О), где n
1.1.2 Физико-химические основы процесса
Экстракционный метод производства фосфорной кислоты основан нареакции разложения природных фосфатов серной кислотой. Процесс состоит из двухстадий: разложения фосфатов и фильтрования образовавшейся фосфорной кислоты ипромывки сульфата кальция водой.
Сернокислотное разложение фосфата кальция представляетгетерогенный необратимый процесс, протекающий в системе «твердое тело — жидкость» и описываемый уравнением:
Ca5(PO4)3F + 5H2SO4+ nH3PO4 + 5mH2O = (n + 3)Н3РО4 + 5CaSO4· mH2O + HF
Для удобства записи и упрощения расчетов формула двойной солифторапатита 3Са3(РО4)2·СаF2 записывается в виде Ca5(PO4)3F.
Часть образовавшейся фосфорной кислоты возвращается в процесс.Фактически фосфат разлагается смесью серной и фосфорной кислот. В зависимостиот концентрации фосфорной кислоты в системе и температуры образующийся сульфаткальция может осаждаться в виде ангидрита (m = 0), полу гидрата (m = 0,5) и дигидрата (m = 2). В соответствии сэтим различают три варианта экстракционного метода производства фосфорнойкислоты: ангидридный, полугидратный и дигидратный. В табл. 1. приведены условияразложения фторапатита для каждого из вариантов этого процесса.Таблица 1
Условия разложения фторапатита Тип процесса Температура,°С
Концентрация Р2О5 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 формедигидрата при 70 — 80°С и концентрации кислоты в реакционной смеси 20 -32% Р2О5,в полугидратном методе — в форме полугидрата при 90 — 100°С и концентрации кислоты35 — 42% Р2О5.
Высокая степень разложения фосфатов, равная 0,99 дол. ед.,достигается всего за 1 — 1,5 часа. Практически процесс экстракции продолжаетсядо 4— 8 часов. Это необходимо для образования крупных кристаллов сульфатакальция, которые легко фильтруются и промываются для извлечения фосфорнойкислоты небольшим количеством воды. Образование крупных кристаллов способствуеттакже перемешивание системы, незначительный избыток серной кислоты, снижающийстепень пресыщения раствора и постоянство температуры процесса.
Принципиальные схемы производства экстракционной фосфорной кислотыдигидратным и полугидратным методами идентичны. Однако полугидратный методпозволяет получать более концентрированную кислоту (см. табл. 1.); снизитьпотери сырья и обеспечить более высокие интенсивность и производительностьаппаратуры. Принципиальная схема производства экстракционной фосфорной кислотыодностадийным полугидратным методом приведена на рис. 1. На рис. 2 представленатехнологическая схема того же процесса.
/>
Рис. 1. Принципиальная схема производстваэкстракционной фосфорной кислоты
Смесь серной кислоты и оборотного раствора фосфорной кислоты изсборника 2 и фосфат из бункера 1 подают в многосекционный экстрактор 3. По мередвижения пульпы в экстракторе образуется фосфорная кислота и завершаетсяпроцесс кристаллизации сульфата кальция. Из последней секции экстрактора пульпапоступает на трехсекционный вакуум-фильтр 4. Основной фильтрат Ф-1 из первойсекции фильтра отводится как продукционная фосфорная кислота, причем часть еедобавляется к оборотному раствору, направляемому в сборник кислоты 2. Осадоккальция на фильтре промывается противотоком горячей водой, при этом промывнойраствор Ф-3 используется для первой промывке во второй секции фильтра. Фильтратпервой промывки Ф-2 направляется в виде оборотного раствора в сборник 2.
Образовавшаяся фосфорная кислота (Ф-1) подогревается вподогревателе 5 паром и поступает в концентратор 6, где упаривается до заданнойконцентрации за счет прямого контакта с топочными газами и направляется насклад. Выделяющиеся из концентратора газы проходят промывной скруббер 7, вкотором 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 разбавленнойкремнефтористоводородной кислотой. Основные аппараты в производствеэкстракционной кислоты — экстрактор и вакуум-фильтр. Экстрактор — этожелезобетонный аппарат прямоугольного сечения, разделенный на 10 секций смешалками, в котором пульпа последовательно перетекает из одной секции вдругую. В другом варианте экстрактор составляют два сблокированных стальныхцилиндра со многими мешалками. При рабочем объеме экстрактора 730 м3производительность его равна 340 т/сутки РгО5 при интенсивностиоколо 25 кг/м3-ч.
Вакуум-фильтрыприменяют лотковые и ленточные. Лотковые (карусельные) фильтры состоят из 24лотков (нутч-филътров), каждый их которых при работе фильтра последовательнопроходят зоны фильтрации, пульпы, обезвоживания осадка, промывки сульфатакальция и его выгрузки. Фильтрующая поверхность их составляет от 80 до 160 м.Ленточные фильтры представляют бесконечную перфорированную ленту, на которуюнатянуто фильтрующее полотно. При движении ленты она сообщается последовательнос тремя вакуум-камерами, в которых собираются соответственно основной фильтрат(продукционная кислота), первый и второй промывные фильтраты.