Фосфорная кислота

 

Топочные газы образуются в результате сгорания мазута, поступающего в механические форсунки под избыточным давлением 12--14 ат.

 

Рис 6. Барабанный концентратор

 

1 -- корпус; 2 -- барботажная труба; 3 -- газоход; 4 -- перегородка.

 

Концентратор представляет собой  стальной, футерованный кислотоупорным кирпичом на арзамитовой замазке  горизонтальный цилиндрический аппарат. Топочные газы поступают через барботажную  трубу 2, заглубленную в слой кислоты  на 80 мм. Часть барботажной трубы, находящаяся в контакте с горячими газами, футерована огнеупорным кирпичом, а находящаяся в контакте с кислотой -- кислотоупорным кирпичом. Внутри концентратора имеется перегородка 4 с окнами; она выполнена из кислотоупорного кирпича и предназначена для отделения брызг кислоты от парогазовой смеси.

 

Недостатками концентратора являются значительное выпадение гипса и  других примесей (из-за этого аппарат  приходится останавливать на чистку через каждые 10--15 суток работы), а  также большой брызгоунос, затрудняющий нормальную эксплуатацию узла абсорбции. Концентратор и узел абсорбции не отвечают современным требованиям и эта установка не может быть положена в основу проектов новых промышленных схем.

 

1.3 Установки для абсорбции фтористых  газов

 

 

Абсорбционные аппараты, используемые для улавливания фторсодержащих газов в промышленности, прошли большой  путь развития от малоинтенсивных и  малопроизводительных устройств к  абсорберам с высокой эффективностью, позволяющих обрабатывать большие  количества газа и постоянно вытесняющих своих предшественников. Тем не менее на предприятиях наряду с новейшими аппаратами используются традиционные системы очистки газов, например полые распиливающие аппараты, веерные абсорберы, насадочные колонны. В последнее время широкое распространение получили также абсорберы Вентури, пенные скоростные аппараты, полые скоростные скрубберы и др. Распыливающие скрубберы широко используют в цехах для улавливания фтористых соединений в отделениях экстракции и выпарки фосфорной кислоты.

 

Для улавливания фтора из газов  после вакуум-выпарных аппаратов  и вакуум-испарителей применяют  полые башни, которые устанавливают  перед поверхностными конденсаторами или конденсаторами смешения. Полые  абсорберы отличаются простотой  конструкции, обладают низким гидравлическим сопротивлением. Наибольшую эффективность обеспечивает расположение форсунок в несколько ярусов. Узел абсорбции включает полую башню со встроенным брызгоуловителем и тремя ярусами центрально расположенных форсунок, циркуляционный бак и насос. Башня орошается в циркуляционном режиме продукционной кремнефтористоводородной кислотой при помощи насоса. В циркуляционный бак непрерывно поступает вода в количестве, необходимом для получения кислоты концентрацией 10--14 % H2SiF6 при содержании Р205 0,01 -- 0,09 %. Вакуум в системе 82--86 кПа. Концентрация упаренной кислоты в контуре аппарата 51,9--53,5 % Р2О5. экстракционный фосфорный кислота фтористый

 

В последнее время в промышленности минеральных удобрений нашли  широкое применение пенные абсорберы, которые по нагрузке и по интенсивности массопередачи в несколько раз превосходят аппараты других конструкций при относительно низкой затрате энергии.

 

Эти аппараты могут устойчиво работать при значительных колебаниях нагрузки по газу (в диапазоне скоростей 3--8 м/с), они характеризуются устойчивостью к забиванию и высокой запыленности газового потока, что очень важно в многотоннажном производстве фосфорных и сложных удобрений.

 

Разновидностями пенных аппаратов  являются абсорберы с псевдоожиженной насадкой, со стабилизатором пены, полые высокоскоростные аппараты с внешней или внутренней циркуляцией жидкости.

 

Рис 7. Схема абсорбции фтористых  газов а производстве ЭФК с  использованием АПН

 

1-брызгоотделитель; 2- форсунки; 3- абсорберы; 4-орошаемый газоход; 5- циркуляционные сборники; 6- циркуляционные насосы; 7- вентилятор.

 

Рис 8. Пенный аппарат со стабилизатором слоя

 

1-корпус; 2- решетка; 3- стабилизатор  пены; 4-ороситель.

 

В настоящее время в промышленности находится свыше тысячи газоочистительных установок, в состав которых входят абсорберы пенного типа. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой используются в производствах двойного и простого суперфосфата, экстракционной фосфорной кислоты, аммофоса, нитроаммофоски и других удобрений.

 

На рис. 8 показана принципиальная схема абсорбции газов, выделяющихся при производстве фосфорной кислоты по полугидратному методу. Каждый абсорбер орошается в циркуляционном режиме. Продукционную кремнефтористоводородную кислоту выводят из цикла орошения 1-й ступени абсорбции. Данная система характеризуется следующими показателями: количество выделяющихся фтористых газов 40000 м3/ч при мощности производства 140 тыс. т Р206 в год; концентрация фтора в газах до 2--4 г/м3; температура поступающих газов 85--95 °С; скорость газа в аппарате 2,5--3,5 м/с; плотность орошения 30--60 м''/(м2-ч), доля свободного сечения опорной решетки 40 %. В аппарате 2--3 слоя насадки с высотой каждого в статическом состоянии 35--40 мм Сопротивление одного слоя 1000 Па.

 

Недостатками абсорберов с шаровой насадкой и пенных аппаратов со стабилизатором слоя является узкий интервал рабочих скоростей, отсутствие надежной конструкции брызгоуловителя (в связи с чем возможен значительный унос жидкости из аппарата). Пенные газоочистители ПАСС, кроме того, сложны в наладке, неустойчивы к нарушениям технологического режима (снижение или возрастание объема газов, увеличение запыленности и т. п.), для них требуется тщательный подбор размеров стабилизатора. При создании абсорбционных систем по очистке от фтора с нагрузкой по газу 200 тыс. м3/ч и более эти аппараты получаются слишком громоздкими.

 

Пенные аппараты по интенсивности  массопередачи и степени очистки, а также по эксплуатационным качествам  значительно превосходят аппараты других конструкций. Их внедрение в промышленную практику отвечает современным тенденциям в развитии массообменных аппаратов.

 

1.4 Физико-химические особенности  поглощения фтористых газов

 

 

Улавливание фтористых соединений при производстве экстракционной фосфорной  кислоты дает возможность решить две важные задачи. Первая задача заключается в снижении содержания фторида водорода и тетрафторида кремния в отходящих газах до норм, обеспечивающих соблюдение при рассеивании предельно допустимой концентрации этих веществ в приземном слое атмосферного воздуха. Вторая задача сводится к утилизации фтористых газов, которые являются ценным сырьем для производства фтористых соединений, необходимых в различных отраслях промышленности и техники.

 

Фтористые газы в производстве экстракционной фосфорной кислоты поглощают главным образом водой с получением кремнефтористоводородной кислоты для санитарной очистки газов используют известковое молоко (1--2 % СаО).

 

Кремнефтористоводородная кислота -- одна из самых сильных кислот. В  газообразном состоянии диссоциирует на фторид водорода и тетрафторид кремния. По мере изменения концентрации фтора и кремния в растворе изменяются давление паров HF и SiF4 и состав газовой фазы. Для расчета движущих сил абсорбции (при улавливании фтористых газов водой) необходимы данные по равновесному давлению паров HF и SiF4 над системами HF - H2SiF6 - Н20; H2SiF6-Si02-Н20; а при содержании в абсорбционных растворах фосфорной кислоты -- над системами H2SiF6 -- Н3Р04--Н20 и H2SiF6 --Si02 --Н3РО4 -- Н20.

 

Температурная зависимость давления пара HF и SiF4 над растворами кремнефтористоводородной кислоты описывается уравнением Августа: LgP=B-A/T.

 

Система H2SiF6 --H20(F:Si02 = 6): для HF А = 3440,70 +34,9769С; В= 10,3215 - 0,2041С;

 

для SiF4 А =3276,53+ 11,3102С; В = 9,1153 + 0,1440С.

 

Система H2SiF6-Si02 -HF(F:Si02=5): для HF A = 3999,13--88,5440C; B=12,3659--0,2679C; для SiF4 A =4383,24-70,3337C; B= 12,6893-0,1523C.

 

Система HF-H2SiF6-H20(F:Si02 = 7): для HF A =3440,70-34,97690C; B= 11,1219-0,0479C.

 

Система H2SiF6- H3P04 - H20 (F: Si02 =6, P205=1 3 %): для HF A = 2926,15 -- 61,5255C; B= 9,2546-0,1366C;

 

для SiF, A =4173,31-7011203С; B= 11.6711-0,1146C.

 

Система H2SiF6 -- H3P04 -- Si02 -- H20 (F: Si02 = = 5; P205 = 3%):

 

для HF A =4029,24-- 110,3275C; B= 12,4576-0,3357C-

 

для SiF4 A =3696,70 + 89,9584C; B= 10,3971 + 0,3929C.

 

Результаты расчетов, получаемые по этим формулам, показывают, что по мере снижения фторного числа (мольного отношения F:Si) в растворе, уменьшается отношение HF:SiF4 в газовой фазе. Скорость перехода фтористых соединений в абсорбционный раствор подчиняется тем же закономерностям, что и скорость улавливания любого газообразного вещества жидкой фазой. Как известно, скорость перехода вещества пропорциональна степени отклонения от равновесия (разности концентраций фтора в одной из фаз и равновесной концентрацией). Помимо этого, скорость массообменного процесса пропорциональна поверхности соприкосновения фаз. Таким образом основными факторами, влияющими на скорость перехода фтора из газовой фазы в жидкую, являются коэффициент массопередачи, удельная поверхность соприкосновения фаз и движущая сила абсорбции. Эти факторы определяют конструктивные особенности аппаратов, применяемых для улавливания.

 

1.5 Характеристика производимой продукции

 

Кислота фосфорная экстракционная. Техническое наименование продукта. Экстракционная фосфорная кислота (ЭФК). Фосфорной кислотой упрощенно  называют ортофосфорную кислоту (о-фосфорная  кислота). Её химическая формула - Н3РО4, молярная масса 98 г/моль.

 

Продукционная упаренная экстракционная полугидратная фосфорная кислота  должна соответствовать требованиям  СТП 113_00203648_098_2000, приведенным в таблице 

 

Таблица 1. Требования СТП 113_00203648_098_2000 к качеству экстракционной фосфорной  кислоты.

 

Наименование показателей 

Для производства гранулированных  минеральных удобрений (уч-к №1, уч-к  №2 ПМУ) 

ЖКУ

 

(участок №4 ПМУ) 

 

1 

2 

3 

 

Массовая доля НЗРО4 в пересчёте  на Р2О5,% не менее 

52,0 

52,0 

 

Массовая доля SO3, % не более  

3,5

 

(допускается 4,0 при условии суммы примесей не более 8,0) 

2,5 

 

Массовая доля осадка, % не более   

4,5

 

при условии суммы примесей (SO3+ тв.в + F) не более 8,0 

3,0 

 

Содержание F, % не более  

0,5 

1,2 

 

Массовая доля Fе2O3, % не 6олее  

- 

1,0 

 

Массовая доля Аl2ОЗ, % не более  

- 

1,0 

 

Массовая доля Cl, ррм не более   

- 

150 

 

Массовая доля органического углерода, % не более  

- 

0,02 

 

Содержание MgO, % не более  

0,6 (для участка №1)

 

от 0,15 до 0,4 (для участка №2) 

0,15 

 

 

 

1.6 Основные свойства экстракционной фосфорной кислоты, физико-химические свойства и константы

Фосфорная кислота производится и  применяется в виде водных растворов. Экстракционная упаренная фосфорная  кислота с массовой долей от 52,5 до 54,0 % в пересчёте на Р2О5 представляет собой маслянистую жидкость зеленоватокоричневого цвета с сильно выраженными кислотными свойствами, негорючая, не образует при нагревании взрывоопасных смесей, хорошо растворима в воде в любых пропорциях. Концентрированные растворы имеют консистенцию густого сиропа. Безводная фосфорная кислота кристаллизуется в виде бесцветных призматических кристаллов ромбической формы, плавящихся при температуре 42,350С. При температуре 284 С и атмосферном давлении происходит дегидратации ортофосфорной кислоты и превращение ее в полифосфорную Н4Р2О7 и метафосфорную НРО3 кислоты:

 

2Н3РО4 ТН4Р2О7 + Н2О, 

 

Н4Р2О7 Т2НРО3 + Н2О,

 

Физические свойства растворов  фосфорной кислоты приведены  в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2. Зависимость плотности, температур кипения и замерзания, удельной теплоемкости растворов фосфорной кислоты от массовой доли Р2О5

 

Массовая доля, % 

Плотность при 25 С, г/см3 

Температура при атмосферном давлении, 0С 

Удельная теплоемкость 

 

Н3РО4 

Р2О5  

кипения 

замерзания 

ккал/(гград) 

кДж/(гград) 

 

0 

0 

0,9971 

100 

0 

1,000 

4,19 

 

5 

3,62 

1,0241 

100,1 

-0,8 

0,973 

4,07 

 

10 

7,24 

1,0522 

100,2 

-2,1 

0,939 

3,93 

 

20 

14,49 

1,1129 

100,8 

-6,0 

0,871 

3,65 

 

30 

21,73 

1,1794 

102,0 

-11,8 

0,798 

3,34 

 

50 

36,22 

1,3334 

108,0 

-41,9 

0,656 

2,75 

 

75 

54,32 

1,5725 

135,0 

-17,5 

0,542 

2,27 

 

85 

61,57 

1,6850 

151 

+21,1 

0,493 

2,02 

 

 

 

Таблица 3. Зависимость вязкости растворов  фосфорной кислоты от температуры  и массовой доли Р2О5

 

Массовая доля 

Динамическая вязкость, Пас103 

 

Н3РО4 

Р2О5 

20 С 

30 С 

40 С 

60 С 

80 С 

100 С 

 

0 

0 

1,000 

0,800 

0,660 

0,470 

0,380 

0,280 

 

5 

3,62 

1,100 

0,910 

0,750 

0,550 

0,420 

0,330 

 

10 

7,24 

1,300 

1,000 

0,870 

0,630 

0,480 

0,380 

 

20 

14,49 

1,800 

1,400 

1,200 

0,860 

0,650 

0,520 

 

30 

21,73 

2,600 

2,000 

1,600 

1,200 

0,910 

0,720 

 

50 

36,22 

5,700 

4,400 

3,400 

1,800 

1,800 

1,400 

 

75 

54,32 

24,000 

16,000 

12,000 

5,100 

5,100 

2,800 

 

85 

61,57 

47,000 

32,000 

23,000 

8,400 

8,400 

5,800 

 

 

Область применения.

 

Экстракционная фосфорная кислота  на ОАО «Аммофос» используется на Производстве минеральных удобрений (ПМУ) для производства: аммофоса, диаммонийфосфата, диаммофоски, NРК, ЖКУ.

 

Экстракционная фосфорная кислота  на ОАО «Аммофос» производится только для внутризаводского использования  и транспортируется по трубопроводам. Паспорт безопасности регистрации не подлежит.

1.6 Описание технологической схемы  отделения концентрирования ЭФК

Рис 9. Технологическая схема отделения  концентрирования ЭФК

Концентрирование фосфорной кислоты  до массовой доли от 52,5 % до 54,0 % Р2О5 производится на вакуум-выпарной установке. Она состоит из греющей камеры и сепаратора, снабженного центробежным брызгоуловителем. Слабая фосфорная кислота с содержанием Р2О5 26 % поступает в верхнюю часть греющей камеры в трубное пространство, где доводится до температуры кипения водяным паром, который подается в межтрубное пространство. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара. Упаренный раствор из выпарного аппарата поступает на дальнейшую переработку.

При выпаривании фосфорной кислоты  образуется водяной пар и газ SiF4 . Смесь газа SiF4 и водяного пара поступает для очистки в тарельчатый  абсорбер. Смесь подается в нижнюю часть абсорбера. Сверху тарелки  орошаются водой. В результате процесса абсорбции газ SiF4 поглощается водой и выводится в нижней части аппарата в виде раствора SiF4 в H2O. Водяные пары после абсорбции направляются в барометрический конденсатор. Вода подается через штуцер в верхней части аппарата и стекает по полкам. Сконденсировавшиеся пары и вода самотеком направляется в сборник. Не сконденсировавшиеся водяные пары попадают в ловушку и затем поступают на систему пароэжекторных насосов.