/
Текст
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ДЛЯ РАБОЧИХ
ПРОФЕССИИ
ТЕХНОЛОГИЯ
ЭКСТРАКЦИОНН
ФОСФОРНОЙ КИ
МИНИСТЕРСТВО ПО ПРОИЗВОДСТВУ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
Воскресенский филиал Научно-исследовательского института
по удобрениям и инсектофунгицидам им, проф. Я.В. Самойлова
(НИШ)
Научно-исследовательский институт
технико-экономических исследовав
й (НИИТЭХИМ)
В.А. Вороши
А.В. Гриневич
ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ
(учебное пособие для рабочих професс
Глава I. ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА, ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ И
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ............................. 4
3
Глава
Глава
Глава
СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭФК
СТАДИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.............
4.1. Подача реагентов в процесс..............
4.2. Разложение фосфата и кристаллизация суль-
10
1.3
18
18
4.3. Снятие избыточной теплоты процесса . • .
4.4. Фильтрование экстракционной пульпы, про-
са ..........................................
мывка кека г
4.5. Очистка газов, выходящих из экстрактора
4.6. Методы удаления в отвал и пути утилиза-
гипса .........................
27
41
46
Глава 5.
Глава 6.
л
Глава 7.
ЦВССОВ И СХЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЖ.............
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СРЕДСТВА ХИМИЧЕ-
ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА . . . .
48
54
58
Глава 8. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ .... 61
Глава 9. МАТЕРИАДЫЮ-ТЫЫЮВЫЕ РАСЧЕТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ~
ЭФК...................................... 64
9.1. Введение ............................... 64
9.2. Исходные данные для расчета............. 65
нс 9.3. Мвтернальиые потоки на 1000 кг фосфата
9.4. Тепловой расчет экстракторе . . ... . 79
• 9.5. Расчет нраммк пребывания йульпы в эк-
* стракторе . . < ... . . . 91
ЛИТЕРАТУРА . . . . . х . ; . .' . . . .......... 93
Г
УДК 661.634.2(07)
Ворошил В.А., Гриневич А.В. Технология экстракционной фос-
форной кислоты: Учеб, пособие для рабочих профессий. М.:
НИИТЭХИМ, 1988.
В учебном пособии изложены сведения о сырье, свойствах фос-
форной кислоты, освещены физико-химические основы технологии
производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК),стадии тех-
нологического процессе , даны характеристика конструкционных ма-
териалов, применяемых в производстве ЭФК, показатели эффектив-
ности производства, основные правила техники безопасности, при-
ведены развернутые материально-тепловые расчеты.
Учебное пособие,подготовленное специалистами Воскресенского
филиала НИУИФа и утвержденное объединением Союзосновхим, пред-
назначено для подготовки и повышения квалификации рабочих, за-
нятых в производстве экстракционной фосфорной кислоты.
В целях повышения качества издаваемых учебных материалов для
профессионально-технического обучения рабочих на производстве,а
также более полного удовлетворения запросов предприятий и оргаг
низаций просим Вас в течение года после получения учебного по-
собия заполнить карту обратной связи и выслать ее по адресу:
257136, г. Черкассы, ул. Шевченко, 205, Отдаление НИИТЭХИМа.
© НИИТЭХИМ, 1988.
ВВЕДЕНИЕ
Экстракционная фосфорная кислота, промышленное производство
которой было начато в начале века, является одним из крупнотон-
нажных продуктов химической промышленности.
Большие объемы и высокие темпы роста производства ЭФК обу-
словлены возможностью ЭФК значительно повышать концентрацию пи-
тательных веществ в минеральных удобрениях (по сравнению с про-
стым суперфосфатом в 2-3 раза), потребление которых непрерывно
увеличивается. Кроме того, использование ЭФК обеспечивает .про-
изводство новых видов удобрений, например жидких, что позволяет
в большей мере интенсифицировать и удешевлять все стадии произ-
водства, складирования, транспортирования и внесения минудобре-
ний, то есть ЭФК в значительной степени определяет технический
прогресс в туковой промышленности. Очищенная от примесей ЭФК
находит все более широкое применение в производстве детергентов,
кормовых, пищевых и технических фосфатов.
Первые попытки получать ЭФК осуществлялись через суперфосфат,
путем его разложения 30...40 %-ной н2зо^.Процесс был периоди-
ческим, малопроизводительным. Усовершенствование производства
шло по пути разработки непрерывного способа разложения супер-
фосфата, а позднее - природного фосфата, и одновременно - со-
здания аппаратуры. Первые промышленные системы известны под на-
званием "системы Дорра". Разложение осуществляли в реакторах
Дорра путем перемешивания пульпы сжатым воздухом. Полученную
пульпу декантировали и промывали непрерывно в системе сгустите-
лей Дорра. В 1917...1929 годах было построено более 20 аналошч-
ных установок. Технология процесса и аппаратура с течением вре-
мени непрерывно совершенствовались. Значительное упрощение про- '
цесса было достигнуто при создании вакуумного фильтра с проти-
воточной промывкой осадка и реактора с механическими мешалками
и системой рециркуляции пульпы. В настоящее время существует
большое количество типов экстракторов и вакуум-фильтров, причем
их конструкция непрерывно совершенствуется с целью поннгпания на-
дежности.
В СССР технологические исследования по производству ЭФК на-
чаты в 30-х годах. В послевоенный период, опираясь на собствен-
ные исследования и зарубежный опыт, были разработаны и построе-
ны крупные промышленные цеха ЭФК. Сегодня промышленность фоо-
3
I ---------------I
форной кислоты насчитывает десятки цехов и продолжает интенсив-
но развиваться. За короткий период в СССР выросли многочислен- |
ные кадры химиков-фосфорнокислотчиков, которые успешно управля-
ют сложными производствами ЭФК, разрабатывают новые технологи-
ческие процессы и совершенствуют существующие. Работы по разви-
тию и совершенствованию производства ЭФК осуществляются в со-
ответствии с решениями ХХЛ1 съезда КПСС и комплексной программы
химизации народного хозяйства СССР на период до 2000 года. В
этой программе важная роль отведена увеличению производства ЭФК
и совершенствованию ее технологии. Поэтому вопросы повышения
квалификации рабочих производства ЭФК должны быть предметом по-
вседневного внимания. Цель предлагаемого пособия - помочь осво-
ить сложную технологию фосфорной кислоты новому пополнению ра-
бочих, а также углубить и расширить знания тем,кто уже работает.
Глава I. ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА,
ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
’ Фосфор с кислородом образует несколько оксидов,конечным про-
дуктом окисления является фосфорный ангидрид Р2о?.
Существует целый ряд фосфорных кислот, например ортофосфорная
пирофосфорная н4р2о7, метафосфорная нро^ и др.
Наибольшее значение в технике имеет ортофосфорная кислота и
ее соли. Сырьем для получения ортофосфорной кислоты являются
фосфаты кальция, встречающиеся в природе в виде минералов
апатитов и фосфоритов о общей формулой ЗМ3 (Р04)2 СаХ2 (где М
представлен, в основном, Са2+, ах- фтором, хлором, группой
ОН). В промышленности ортофосфорную кислоту получают двумя ме-
тодами: термическим и экстракционным.
Термический метод состоит в восстановлении природных фосфатов
до элементарного фосфора с последующим его окислением до р2о5
и растворением в воде. Этим методом получают концентрированную
и чистую ортофосфорную кислоту. Она попользуется для получе-
ния фосфорных солей, которые широко применяются в различных от-
раслях народного хозяйства, например, в производстве моющих
средств, в пищевой промышленности, для умягчения воды, для за-
щиты металлов от коррозии, в органическом синтезе и других об-
ластях.
4
Экстракционный метод состоит в обменном разложении природных
фосфатов минеральными кислотами h2so4, нно3, hci. Наибольшее
применение находит сернокислотное разложение, когда образуется
водный раствор фосфорной кислоты и сульфат кальция в виде твер-
дого осадка, которые легко разделяются. При использовании дру-
гих кислот (HNOp hci) получается водный раствор смеси кислот
и солей, выделение из которого фосфорной кислоты затруднено.
Экстракционная ортофосфорная кислота применяется преимуществен-
но в производстве минеральных удобрений. Она значительно дешев-
ле термической и загрязнена примесями, перешедшими из руды.Пос-
ле специальной очистки (например методом жидкостной экстракции)
ЭФК также может применяться в различных областях техники.
Обычно ортофосфорную кислоту (термическую и экстракционную)
называют просто фосфорной кислотой. Безводная фосфорная кислота
представляет собой бесцветные призматические кристаллы, плавя-
щиеся при 386 °C и легко расплывающиеся на воздухе. На практике
почти всегда приходится применять водные растворы фосфорной киз-
лоты, которые представляют собой густую сиропообрезную жидкость
с сильно выраженными кислотными свойствами. Она легко и быстро
вступает во взаимодействие с большинством металлов, образуя со-
ответствующие фосфаты.
Фосфорная кислота как трехосновная образует три ряда солей:
однозамещенные - Са(н2РО.)2 - монокальцийфосфат, двузамещен-
ные - СаНРО4 - дикальцийфосфат и трехзамещенные - Са3(РО4)2-
трикальцийфосфат.
При нагревании до 284 °C кислота теряет воду и переходит в
пирофосфорную кислоту:
- Н-0
2Н3РО4---£-^н4р2о7.
При дальнейшем нагревании до 400 °C отщепляется еще молекула
воды и образуется метафосфорная кислота:
- н-о
Н4Р2О7---—-2HP0.J.
При концентрировании экстракционной фосфорной кислоты до
массовой доли Р2о5 69...72 % образуется смеоь ортофосфорной,пи-
рофосфорной, полифосфорной и других кислот, которая носит назва-
ние "суперфосфорной кислоты" и служит исходным продуктом для
получения жидких удобрений.
5*
Концентрацию растворов фосфорной кислоты чаще всего выражают
в процентах ₽20^ и н^РС^. Эти значения концентраций связаны
между собой соотношением
% н,РС.
% р2°5 ” ТТ38 »
где 1,38 - соотношение эквивалентных молекулярных масс н^РО^
и pgo5.
Например, если массовая доля Р205 в фосфорной кислоте 2? %, то
ее концентрация будет: 29 х 1,38 = 40,02 %.
При осуществлении текущего контроля технологического процес-
са иногда выражают концентрацию в г/100 мл раствора.Чтобы пе-
рейти к процентному выражению концентрации, необходимо числовое
значение концентрации в г/100 мл разделить на плотность фосфор-
ной кислоты. Например, фосфорная кислоте имеет концентрацию
35 г/100 мл. Плотность кислоты 1,25. Массовая доля (%) будет
= 28,0. Следует отметить, что для производственных усло-
вий этот пересчет является приближенным, так как фосфорная
кислоте содержит примеси, количество и состав которых могут из-
меняться. В аналитической практике применяются и другие способы
выражения концентрации фосфорной кислоты, например молярная,нор-
мальная.
Из физических свойств фосфорной кислоты наибольшее практиче-
ское значение в производстве имеют плотность, вязкость, тепло-
емкость, температура кипения и температура кристаллизации (за-
мерзания) , теплоте гидратации.
Плотность водных растворов фосфорной кислоты изменяется в
зависимости от концентрации и температуры. Данные табл. I при-
ведены для химически чистой кислоты. Экстракционная фосфорная
кислота имеет, как правило, несколько большую плотность из-за
наличия в ней примесей серной кислоты, растворенных солей и
твердых частиц.
6
Таблица I. Плотность фосфорной кислоты (г/см3)
Массовая доля, % Т е м п е р а туре, °C
У°4 ! Р2°5 { 25 ! 40 ! 50 | 80
0 0 0,9971 0,9952 0,9832 0,9718
5 3,62 1,0241 1,0189 1,0097 0,9977
10 7,24 1,0522 1,0468 1,0373 1,0247
15 10,86 1,0819 1,0759 1,0661 1,0531
20 14,49 1,1129 1,1065 1,0963 1,0829
25 18,11 1,1453 1,1385 1,1280 1,1142
30 21,74 1,1794 1,1721 1,1611 1,1472
35 25,36 1,2151 1,2074 1,1960 1,1818
40 28,98 1,2527 1,2444 1,2326 1,2183
45 32,61 1,2920 1,2834 1,2710 1,2566
50 36,23 1,3334 1,3242' 1,3114 1,2969
55 39,85 1,3767 1,3672 1,3539 1,3392
60 43,48 1,4223 1,4122 1,3985 1,3836
65 47,10 1,4596 1,4453 1,4353 1,4303
Вязкость. Свойство жидкостей и газов оказывать сопротивле-
ний при перемещении одной их части относительно другой. Разли-
чают вязкость динамическую и кинематическую, которая является
частным от деления динамической вязкости на плотность веще-
ства. При повышении температуры вязкость кислоты понижается и
довольно значительно. С повышением концентрации кислоты вяз-
кость повышается. Кислоту с массовой долей ?2о5 70 % перека-
чивать центробежными насосами можно только в разогретом состоя-
нии.
Таблице 2. Кинематическая вязкость
фосфорной кислоты (сСт)*
Массовая доля, % ; Т аппаратура, °C
н7ю4 ! Р2°5 ; 20 ! 40 ! 60 | 80 ; 100 j 120 j 130
5 3,62 I.I 0,74 0,54* 0,42 0,33
15 10,86 1,4 0,94 0,69 0,53 0,43
25 18,11 1,8 1,20 0,89 0,69 0,55
» I сСт = Ю"*’ м^/с. 7
Окончание табл. 2
Массовая доля, % $ Темпере тура, °C
н3р°4 ! Р2°5 i 20 $40 $ 60 j 80 i 100 ; 120 $ 130
35 25,36 2,6 1,60 1,10 0,90 0,71
45 32,61 3,6 2,20 1,50 1,20 0,92
55 39,85 5,3 3,20 2,10 1,60 1,20
65 47,10 В,4 4,90 3,10 2,30 1,70
Теплоемкость - отношение количества теплоты, подведенной к
телу, к изменению температуры тела. На практике чаще пользуются
понятием удельная теплоемкость. Это коли-
чество теплоты, сообщаемой единице массы вещества для изменения
его температуры на I °C. С увеличением массовой доли удельная
теплоемкость уменьшается (см. табл. 3). Это свойство использу-
ется при тепловых расчетах технологического процесса.
Таблица 3. Удельная теплоемкость водных растворов
фосфорной кислоты при 22 °C
Массовая доля, % t Удельная теплоемкость,
Н3РО4 $ Р2°5 кДж/кг (ккал/кг)
2,50 1,81 4,1494 (0,9903)
16,23 11,76 3,6855 (0,8796)
24,56 17,80 3,4044 (0,8125)
36,26 26,27 3,0461 (0,7270)
44,11 31,96 2,8274 (0,6748)
60,23 43,64 2,3900 (0,5704)
Температуры кхчедия и кпистзддлздддг (замерзания) приведены
в табл. 4. Температура кипения с ростом концентрации повышает-
ся, а зависимость температуры замерзания от концентрации слож-
ная, имеет несколько максимумов и минимумов. Это объясняется
тем, что фосфорная кислота с водой образует целый ряд химичес-
ких соединений (кристаллогидратов).
В
Таблица 4. Температура кипения Тгжп
и замерзания Тздн
Н3Р°4 Массовая доля, % 1 ’Темперет; {кипения. 1 ура!Температура °C;замерзания, °C
! Р2°5
5 3,62 •> -I
15 10,86 —
25 18,11 — -7
35 25.36 юз -26
45 32,61 106 -30
55 39,85 112 -59
65 47,10 122 -70
Теплоте гидратации характеризует количество теплоты, выде-
ляющейся при разбавлении кислоты водой. В табл. 5 приведены зна-
чения теплоты разбавления фосфорной кислоты при разбавлении
кислоты от 100 %-ной до указанной в таблице.
Таблица 5. Теплота гидратации (разбавления) при IB °C
Массовая доля, % j Теплота гидратации (разбавле- ния), кДж/кг (ккал/кг)
и3р°4 i Р2°5
95 68,84 23,30 (5,56)
75 54,35 105,59 (25,20)
65 44,10 135,13 (32,25)
45 32,61 177,03 (42,25)
35 25,36 191,06 (45,60)
25 18,11 202,80 (48,40)
15 10,86 212,01 (50,60)
10 7,25 216,62 (51,70)
I 0,72 228,36 (54,50)
Приведенные в табл. I...5 значения физических величин отно-
сятся к химически чистой фосфорной кислоте. Экстракционная фос-
форная кислота имеет переменный состав и значение этих величин
будет отличаться. Однако для инженерных расчетов, в большинстве
случаев, это отличие можно не принимать во внимание, так как
ошибка будет незначительна. q
Глава 2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭФК
Фосфатное сырье
Сырьем для производства ЭФК служат природные фосфатные ру-
ды - апатита и фосфориты. По химическому составу основного ми-
нерала они в ряде случаев идентичны, содержат фосфор в виде
кальцийфторапатита Ca^PtPO^)^. В фосфоритах Каратау фосфатное
вещество, в основном, представлено фторкарбонатапатитом. Иногда
фтор замещается на группу он- (гидроксилапатит) или ci" (хлор-
апатит). Качество руд определяется составом и количеством при-
месей. (
Апатитами называются фосфатные руды, залежи которых образо-
вались в результате вулканической деятельности.
Фосфорита - это руды осадочного происхождения. Их образова-
ние связано с осаждением фосфатов кальция из морской воды.
В производстве ЭФК редко применяют непосредственно природные
фосфатные руды. Обычно их предварительно обогащают. Существует
ряд методов обогащения. Они подбираются в зависимости от соста-
ва удаляемых из руды примесей и процесса дальнейшей переработки
концентрата. ^Для удаления песка и глины фосфатную руду подвер-
гают водной промывке.’ Это простейший способ обогащения. Наибо7
лее распространен метод обогащения флотацией. Он основан на
различной смачиваемости частиц пустой породы и фосфатов.
Наиболее крупными производителями фосфатов в мире являются
Марокко, США, СССР, на долю которых приходится около 75 % всего
мирового производства.
В СССР основными месторождениями фосфатных руд являются хи-
бинское и каратаусское. Оба месторождения эксплуатируются и
концентра ж попользуются для производства ЭФК, суперфосфата и
обесфторенных фосфатов.
Производственное объединение "Апатит" выпускает флотационный
апатитовый концентрат по ГОСТ 22275-76 и является самым крупным
в мире предприятием по производству фосфатного сырья.
Производственное объединение "Каратау" выпускает фосфоритную
муку сухого помола по ТУ 113-12-83-85,^ фосфоритный концентрат
по ТУ II3-I2-84-85 "для кислотной переработки и кусковую руду
для производстве желтого фосфора.
i
2
00 о
* • ср С- О О СМ С£>
£^5fOOCDCOCDO
00
О СО • •
°. °. 8 £
8 ‘
от
от
10
00
см
8
S
СМ
СО
10
СП
С0
СМ
СМ
СМ
СМ
СМ
СП
СО
о
СМ
со
L0
СО
LD
CQ
о>
10
СП
СО
8
со
СМ
СО со
СМ
со
СП
S
41
ю
10
СМ
СМ О
> *Н
« О CQ
i
ф
п
Таблица 6. Химический состав фосфатных концентратов
10
СМ
L0
СМ
00
о ь tc
ГЦ Ы (D
е
№
ф
№
§
£
о
со
- 10
со см
L0
СМ
LD
00
СМ
QD
см
II
Из других аксплуатируешх месторождений СССР можно отметить
ковдорское, кингисеппское, егорьевское. Первое выпускает апати-
товый концентрат с повышенным содержанием Mgo (до 5 %), а по-
следние - фосфоритную муку.
Фосфатное сырье доставляется на заводы в специальных ваго-
нах: апатитовозах и пневмоцистернах.(Разгрузка производится или
в траншеи (из апатитовозов), или непосредственно в силосы склада
(иэ пневмоцистерн). В цеха со склада апатитовый и фосфоритный
концентраты подаются преимущественно пневмотранспортом.
единая ждоте
Для разложения фосфатов в процессе получения ЭФК применяется
H^so^. Это тяжелая маслянистая жидкость, химически чистая
бесцветна, техническая - окрашена. По химическим свойствам -
сильная неорганическая кислота, которая обугливает органические
вещества и разрушает металлы. Плотность серной кислоты зависит
от концентрации (табл. 7). Температуры кипения и кристаллизации
также зависят от концентрации. При смешении серной кислоты с во-
дой выделяется большое количество теплоты (теплота гидратации).
Таблица 7. Свойства водных рестворов
серной кислоте
Массовая т j Плотность Температура Температура
доля н2зо4, % |(при 20 °C),г/см3 кристаллизации, °C кипения, °C
55 1,4453 -27,1 132,0
60 1,4983 -25,8 141,8
65 1,5533 -35,3 154,1
70 1,6105 -42,0 169,2
75 1,6692 -51,0 187,8
80 1,7272 -3,0 210,2
85 1,7786 +7,9 237,1
90 1,8144 -10,2 268,9
95 1,8337 -21,8 306,3
100 1,8305 +10,45 296,2
В производстве ЭФК применяется 92,5...95,0 %-ная H2S0^ (ку-
поросное масло), а также башенная 74.-75 %чвя H2so^. В зависи-
12
мостя от технологической схемы эта кислота может подаваться не-
посредственно в экстрактор или разбавляться водой до 55.. .75 %-
ной концентрация я охлаждаться в графитовых холодильниках. В
новых технологических схемах предпочтение отдается неразбавлен-
ной серной кислоте.
Глава 3. ФИЗИЮ-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФК
С химической точки зрения процесс получения фосфорной кисло-
ты заключается в обменной реакции между кальциевой солью фос-
форной кислоты Ca-j(PO4)2 и какой-либо минеральной кислотой.Для
этой цели могут применяться азотная, соляная, серная и другие
кислота. В случае применения нно3 или ни образовавшиеся со-
ли Са(нор2 или СаС12 хорошо растворимы и процесс выделения
H^PO* из смеси технологически сложен и дорог. {Яри использовании
серной кислоты образуется сульфат кальция Caso^, малораствори-
мая соль, которая выпадает в осадок и легко отделяется фильтро-
ванием^] Поэтому в промышленной практике фосфорную кислоту,как
правило, получают разложением фосфатов серной кислотой.
Процесс разложения кальцийфторапатита описывается следующим
уравнением химической реакции:
Са5Р(РО4)3 + 5H2SO4 + 5пН2О > ЗН3РО4 + 5CaS04*nH20 + HP.
Сначала фосфат растворяется в фосфорной кислоте:
Са^Р(РО4)3 + 7Н3РО4 5Са(Н2РО4)2 + HP.
Затем образовавшийся монокальцийфосфат взаимодействует с сер-
ной кислотой:
5Са(Н2РО4)2 + 5Н2ЗО4 + 5nH2O . 1ОН3РО4 + 5CaSO4»nH2O.
Приведенные химические уравнения далеко не в полной мере от-
ражают химические процессы, протекающие при разложении фосфатов
серной кислотой. Они являются баэой для понимания химизма про-
цессе при разложении фосфатов различных месторождений и в раз-
личных технологических процессах (дигидретном.полугидратном,сме-
шанном И Т.Д.).
^Одновременно с разложением кальцийфторапатита протекает ряд '
побочных реакций. Выделяющийся HP взаимодойотпуот -e sto2, при-
сутствующим в фосфатах, с образованием четырехфтористого крем-
ния sip.« V
----1—з 13
4НР + SiO2 SiP4 + ZHgO.
Образующийся SiP^ в присутствии воды подвергается гидроли-
зу с образованием кремнефтористоводородной кислоты:
3SiP4 + 2HgO в 2H2SiF6 + S102
Этот процесс протекает в газовом объеме экстрактора, газохо-
дах, абсорбционных аппаратах и является главной причиной забив-
ки аппа] уры кремнегеломл
В газовую фазу выделяется 5...35 % от содержащихся в сырье
фтористых соединений- в зависимости от условий процесса. <|Чем
выше температура проведения процесса и концентрация получаемой
Н^ро4, тем больше фтора выделяется в газовую фазу} Основная
часть фтористых соединений остается в фосфорнойкислоте. При
недостаточном количестве siog для.связывания нр часть фтора
остается в растворе в виде плавиковой кислоты, что повышает аг-
рессивность жидкой фазы экстракционной пульпы.»
Присутствующие в фосфатном сырье полуторные оксида железа и
алюминия взаимодействуют с фосфорной кислотой с образованием
фосфатов железа и алюминия. Эти примеси загрязняют фосфорную кис-
лоту, а при дальнейшей переработке приводят к потерям усвояемой
Р2°5 в удобрениях. Наличие полуторных оксидов наиболее харак-
терно дай фосфоритов, например месторождений Карйтау, Чилисай,
Егорьевокого и др. Считается, что если отношение полуторных ок-
сидов к Р2О5 в фосфорите
% (А1, Ре)-0,«100 .
----> 10... 12 %,
то переработка его на фосфорную кислоту экономически нецелесо-
образна. Доломит является также составной часть фосфатных руд.
Он взаимодействует с серной кислотой, повышая ее расход на I т
фосфорной кислоты:
Сасо^ + h2so4 Caso4 + н2о + со2:
MgCO3 + H2S04 > MgSO4 + HgO + C02.
^Особенно вредна примесь магния, так как образующаяся соль
Mgso4 остается в растворе. При этом возрастает вязкость фосфор-
ной кислоты, ухудшается кристаллизация сульфата кальция, снижа-
ется интенсивность технологических процессов.! При массовой доле
14
MgO в фосфате МЯ°* 10(? 12 % его переработка на ЭФК нецеле-
% Р2о5
сообразна.
В хибинском апатитовом концентрате имеется примесь стронция
(иногда до 3...5 %). Стронций ухудшает качество осадка, замед-
ляет фазовый переход полугидрата сульфата кальция в дигидрет,
что является основной причиной непригодности хибинского апатита
для полугидратно-дигидратнсго процесса.
Примеси Na и к образуют малорастворимые фтористые соли, в
результате чего повышается интенсивность инкрустации оборудова-
ния. Это особенно характерно для фосфоритов Каретау, Чилисая,
где количество Na и к может превышать 1,0 %.
/При разложении кальцийфторапэтита серной кислотой образуется
сульфат кальция, который выпадает в осадок в виде трех кристал-
логидратов: дигидрата Casd4«2H2o, полугидрата CaSO^«0,5H2o,ан-
гидрита Са50д.1 Условия существования этих кристаллогидратов оп-
ределяются, в основном, температурой процесса, концентрацией по-
лучаемой ЭФК. содержанием в ней серной кислоты и примесей в
фосфатном сырье. В зависимости от получаемого кристаллогидрата
сульфата кальция процессы производства ЭФК называются: дагид-
ратный, полугидрэтный и ангидритный. Примерные температурные
и концентрационные интервалы проведения процессов следующие:
Дигидратный______65...85 °C до 32 % Р2о5
Полугидратный 85...105 °C 36...42 % Р2О5
Ангидритный 95...II5 °C 42...50 % р2°5
Ангидритный процесс в промышленных условиях не реализован.
При изменении параметров процесса дигидрат может переходить
в полугвдрат и наоборот. Многочисленные варианты сернокислотных
методов производства фосфорной кислоты базируются на условиях
образования и взаимопереходов кристаллогидратов сульфата каль-
ция (CaS04-2H20, CaS04«0,5H20, CaSO^). Ведение процессов кри-
сталлизации и перекристаллизации осложняется тем, что в техно-
логических растворах присутствует целый ряд примесей, которые
поступают из сырья и влияют на ход кристаллизации.
Для чистых растворов построена диаграмма существования раз-
личных кристаллогидратов в зависимости от температуры пульпы
и массовой доли 1>2О5 н не® (Рис- !)• Диаграмма делится на три
части: аов - область существования дигидрата; acdb - область
15
существования полугвд-
рата; cde - область
существования ангидри-
та. Кривая CD является
границей областей суще-
ствования полугидрата
и ангидрита, а кривая
АВ - полугидрата и
дигидрата. Применение,
диаграммы поясняется на
примере.
Ряс. I.
вания и_________,___„______________„
ратов сульфата кальция от температуры
пульпы и массово! доли Р2°5 в ней
Диаграмма зависимости образо-
взаимопереходов кристаллогид-
-----------------------X Л—1
в ней
цесс в экстракторе при
80 °C при массовой доле
?2О5 29 %. Необходимо
определить, в виде какого кристаллогидрата будет выпадать в оса-
док сульфат кальция.
Из точки на вертикальной оси температур, соответствующей 80 °C,
проводим прямую параллельно оси концентраций. Из точки на гори-
зонтальной оси концентраций, соответствующей 29 % рг°5’ ПР°ВО~
дим прямую линию, параллельную оси температур. Точка пересече-
ния этих прямых "а" лежит в области, где стабилен дигидрат. По-
этому в заданных условиях будет образовываться дигидрат сульфа-
та кальция.
[По современным представлениям процесс кристаллизации делится
на два этапа: образование центров кристаллизации и рост крис-
таллов. Установлено, что при наличии затравки готовых кристал-
лов, образование новых центров кристаллизации происходит в менъ-
ией степени. 8 основная масса материале затрачивается на рост
имеющихся кристаллов. 1
Для начала процесса кристаллизации необходимо создание в
растворе определенного пересыщения по сульфату кальция. Кристал-
лы получаются тем крупнее, чем при меньшем пересыщении ведется
процесс кристаятазепии,- В условиях технологического процесса по-
лучения ЭФК, когда сульфат кальция поступает в раствор в резуль-
тате химической реакции разложения фосфата серной кислотой, пе-
ресыщение регулируется главным образом изменением растворимости
сульфата кальция в жидкой фазе пульпы. Основными факторами,влия-
16
ющими на растворимость сульфата кальция, являются: избыточная
концентрация серной кислоты и pgo5 в жидкой фазе пулыш. тем-
пература реакционной пульпы. Растворимость резко уменьшается при
повышении концентрации серной кислоты, растет с повышением тем-
пературы и снижается при повышении концентрации фосфорной кис-
лоты. Если вести процесс при большом пересыщении (например, пре
повышенной концентрации н2зо4), то может наблюдаться явление,
называемое блокированием зерен фосфата. Этот процесс заключает-
ся в том, что сульфат кальция покрывает достаточно плотной плен-
кой нерааложившиеся частички фосфата. При этом резко снижается
извлечение Р2о5 из фосфата.
С помощью метода радиоактивных индикаторов установлено, что
для каждого процесса (дигвдратного я полугидратного) в зависи-
мости от концентрации получаемой ЭФК существует пороговая кон-
центрация серной кислоты, выше которой начинается интенсивный
процесс гипсования (блокирования) зерен фосфата. Так, для хи-
бинского апатитового концентрата в дигвдратном процессе поро-
говая концентрация составляет 2 % н2304 в жидкой фазе пульпы
(массовая доля ?2о5 28...30 %), а в полугидрэтном процессе -
0,75 % н28О4, степени пересыщения при этом соответственно до-
стигают 160...170 % и 137...140 %. В процессе, протекающем при
концентрациях серной кислоты ниже пороговых, разложение фосфа-
та заканчивается практически за 5...6 мин, а кристаллизация
сульфата кальция протекает с образованием более однородного
осадка.
На протекание процесса в экстракторе большое влияние оказыва-
ет гидродинамика жидкостных потоков. С помощью метода радиоак-
тивных индикаторов установлено фактическое (в отличие от рас-
четного) время пребывания твердых частиц в экстракторе.Так, из-
мерения, проведенные на промышленном экстракторе, показали, что
после ввода индикатора в экстрактор уже через 7...10 мин его
первые порции появляются на вакуум-фильтре, а последние - через
20...35 ч.
Исследования, проведенные с помощью радиоактивных индикато-
ров в целях интенсификации технологического процесса в экстрак-
торе и повышения степени использования Р2°5 Фосфатного сырья,
по определению скоростей растворения фосфата, кристаллизации
сульфата кальция и времени пребывания твердой и жидкой фаз пуль-
17
пы в экстракторе позволили в последние годы разработать ряд
мероприятий. Наиболее важные из них:
- разделение экстрактора на две зоны: разложения фосфата и
кристаллизации сульфата кальция;
- распределение серной кислоты по зонам экстрактора;
- даухтемпературный режим в экстракторе;
- подготовка фосфата и серной кислоты к реакции путем пред-
варительного смешения с прореагировавшей пульпой и оборотным
раствором фосфорной кислоты.
Глава 4. СТАДИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Процесс производства ЭФК можно разделить на следующие основ-
ные стадии:*подача реагентов в процесс, разложение фосфата и
кристаллизация сульфата кальция,''снятие избыточной теплоты про-
цесса, ^фильтрование экстракционной пульпы,'очистка отходящих
газов от соединений фторе.
4.1. Подача реаг.ентов в процесс
Дня успешного ведения процессов разложения фосфата серной
кислотой и*получения легкофильтрумцего осадка кристаллогидрата
сульфата" кальция необходимо строго выдерживать установленные
концентрации серной и фосфорной кислот в жидкой фазе ...пульшиа
также соотношение жидкой и твёрдой фаз (содержание твердых в
пульпе). Это возможно-осуществить при непрерывной и равномер-
ной подаче реагентов: фосфата, серной^сислоты и оборотной фос-
форной кислота в экстрактор.
Фосфатное сырье поставляется.на предприятия железнодорожным
или водным транспортом, складируется, а затем поступает в рас-
ходный бункер цеха. Наиболее распространен пневматический спо-
соб транспортирования. Фосфат с помощью сжатого воздуха специ-
альными пневмокамёрными насосами по трубопроводу подается в
расходные бункере (рис. 2),гдевоздух отделяется от фосфата,
очищается в циклонах и рукавных фильтрах и выбрасывается в ат-
мосферу. Существуют системы мокрой очистки воздуха от фосфатной
пыли в скрубберах, орошаемых водой, фосфорной кислотой или пуль-
пой. Фосфат накапливается в бункере и затем поступает в экстрак-
тор. Цодача и дозирование фосфата в экстрактор осуществляется
ленточнйМИ весовыми познторамй,"
18
к
я
д д
8 о,си
ggs
й О О
со Пч R.
Ф СП о
CUCUH
и и о
&
S
Чсо Э
а..3
О Л I
g §<о
gg«
R S4 60
О t3 В«
Фосфат со склада
Е-<СМ . И
о ?ё<го
ЬЗ РъФ t*
CL,4O« S
_ в ь
a®S
|g«
О Л
Н I 5
О Ф
«•чу ь
сц S3
FH Д О
19
Дозатор состоит из следующих узлов:
- питателя, обеспечивающего поступление фосфата из бункера на
ленту дозатора;
- короткого ленточного транспортера с весоизмерительннагуст-
ройством.
'у ' После дозатора материал транспортирующим устройством подает-
ся в зкстрактор (скребковнй конвейер, шнек, ленточный конвейер).
В технологических схемах, где применено "мокрое" питание эк-
страктора фосфатным сырьем, транспортирующий конвейер заменяет-
ся транспортным трубопроводом и скоростным смесителем, в кото-
ром фосфат смешивается с прореагировавшей экстракционной пуль-
пой или оборотным раствором. Это приводит к быстрому смешению
фосфата с жидкой фазой я уменьшает местные пересыщения в объеме
экстрактора, что увеличивает коэффициент извлечения и позволя-
ет получить более однородный осадок сульфата кальция.
Серная кислота насосами по трубопроводам подается в расход-
ный сборник цеха фосфорной кислоты, затем - в экстрактор. Регу-
лирование расхода кислоты осуществляется клапаном с дистанцион-
ным управлением, а замер - индукционным расходомером. Количест-
во кислоты может задаваться и поддерживаться автоматически.^Пе- *
ред поступлением в экстрактор серная кислота смешивается с цир-
кулирующей пульпой в смесителе для снижения местных пересыщений
в различных частях объема в момент ввода ^уЕсли используется кон-
центрированная серная кислота (купоросное^масло), то она может
разбавляться водой, а полученная смесь охлаждаться в графитовых
холодильниках и подаваться в экстрактор с массовой долей H2so4
56...75 связи с совершенствованием систем ввода реагентов
в экстрактор и систем охлаждения, появилась тендендаяЗюпользо-
вать концентрированную серную кислоту без разбавления. Это поз-
воляет увеличить количество воды на промывку осадка сульфата
кальция и повысить коэффициент отмывки. \
Оборотная фосфорная кислотаТюдается с узла фильтрации. Она
включает в себя жидкую фазу пульпы за вычетом продукционного ко-
личества фосфорной кислоты и воду, подаваемую на промывку осадка.
JJpffopHHM реагентом, подаваемым в экстрактор, является фосфат.
Количеством фосфата определяется производительность системы.Сер-
ная кислота дозируетсяиэ расчета на тонну фосфата, ее крличест-
во~корректируется по химическому анализу жидкой фазы пульпы. На-
20
пример, на тонну хибинского апатитового концентрата с массо-
вой долей Р2о5 39,4 % расходуется 0,91 т H2so4 (моногидрата).
Вода на промывку осадка также подается из расчета на одну тонну
фосфата и корректируется по изменению концентрации р2°5 в
кой фазе пульпы. •(Содержание твердых в пульпе регулируется коли-
чеством отбираемой продукционной кислоты. Если ее отбирать боль-
ше балансового количества, то содержание твердых будет расти,
если выводить меньше - будет падать.
4.2. Разложение фосфата и кристал-
лизация сульфата кальция
Это самая важная стадия производства ЭФК. Она определяет про-
изводительность системы, интенсивность ее работы и качество по-
лучаемой кислоты. Технологическая задача данной стадии произ-
водства заключается в максимальном извлечении РРо^ фосфата в
кислоту и получении однородных, хорошо фильтрующих кристаллов
сульфата кальция.
Разложение фосфата и кристаллизация сульфата кальция осуще-
ствляются в одном или нескольких реакторах, которые в производ-
стве ЭФК называются экстракторами. По внешней форме экстракторы
разделяются на цилиндрические и прямоугольные. Они могут иметь
несколько перегородок и разделяться на секций. Каждая секция
(или несекционированный экстрактор) оборудуется одной или не-
сколькими механическими мешалками. Объем экстракторов от 400 до
24003?;
Наибольшее распространение в СССР получили два типа экстрак-
торов : секционированный железобетонный прямоугольный экстрактор
объемом 740 м3 и двухреакторный цилиндрический экстрактор объ-
емом 900 м3. Схемы экстракторов приведены на рис. 3,4. В после д-
ние годы закуплен у зарубежных фирм ряд технологических систем
^экстракторами прямоугольной формы объемом 2200 м3.^ Расчетная
производительность таких систем по фосфорной кислоте ГЗОО тыс.т)
в год. —-----
Наиболее важными технологическими характеристиками работы эк-
страктора является удельный съем фосфорной кислоты с I м3 рабо-
чего объема в час и коэффициент разложения фосфата. Be личина
удельного съема для хибинского апатитового концентрата в дигид-
ратном процессе производства ЭФК составляет 16...20 кг. в полу-
21
гидратном - 30...36 кг. В полугидрэтном процессе производства
ЭФК имеются значительные резервы. Как показывают эксперименты,
интенсивность работы экстрактора может быть увеличена до 100 кг
и более. Для фосфоритов (например Каратэу) удельный съем ниже:
10...14 кг, так как качество сырья значительно уступает хибин-
скому апатиту (массовая доля Р2о5 24,5 %).
А-А
В-В
Рис. 3. Прямоугольный секционный экстрактор:
Ураб = 740 м3;1...Ю- секции экстрактора
/Коэффициент разложения апатита в дигидратном процессе произ-
водства ЭФК достигает 97,5...98,5 %, в полугидрэтном - на 1,0...
...1,65 % ниже. Для фосфоритов Каратау этот показатель состав-
ляет 96,5...97,5 %.
22
А-А
Рис. 4. Двухбаковый цилиндрический экстрактор:
vpa6 = 900 “3
Как было отмечено в главе 3, разложение фосфата при опти-
мальных условиях практически заканчивается за 5...7 мин. Основ-
ным фактором, влияющим на скорость протекания процесса разложе-
ния, является концентрация серной кислоты. Она должна быть ниже
пороговой, в противном случае начинается образование сульфатных
пленок на зернах фосфата и процесс рэзложения тормозится. Если
бы'удалось достичь равномерности заданной концентрации H0so,
во всем объеме экстрактора, то интенсивность работы этого аппа-
рата можно было бы приблизить к скорости химического разложения
23
фосфата - 5...7 мин. Однако в промышленных условиях процесс
длится 2...8 я. Это вызвано тем, что в момент ввода реагентов
(серной кислоты и фосфата) в экстрактор возникают значительные
местные градиенты концентрации свободной H2so^ или СаО в жид-
кой фазе пульпы. И в том, и в другом случае из-за пересыщений по
сульфату кальция выше пороговых образуются сульфатные пленки и
процесс тормозится. Уже указывалось, что для уменьшения мест-
ных пересыщений при вводе реагентов в экстрактор применяют спе-
циальные методы и устройства: "мокрое" питание фосфатом в эк-
стракторе , смесители серной кислоты с пульпой и оборотным раст-
вором, распределение серией кислоты по секциям (зонам) экстрак-
тора. Для этой же цели осуществляется интенсивное перемешивание
пульпы в с акциях экстрактора и внутренний или внешний рецикл
пульпы.
Перемешивание проводится механическими лопастными мешалками.
Важными характеристиками интенсивности перемешивания являются
расход мощности привода мешалки на I м3 рабочего объема экст-
рактора (0,4...1,1 кВт) и линейная скорость на конце лопасти
(3,5...4,0 м/с). На интенсивность перемешивания влияют такие
факторы, как форма секции экстрактора, условия проведения про-
цесса (вязкость среды) и др.
Рецикл пульпы с последних или средних секций экстрактора в
первые позволяет еще больше снизить местные пересыщения. Этот
рецикл может осуществляться по внешнему контуру нассцами или по
•внутреннему мешалками в экстракторе. В первом случае рецикл обыч-
но совмещается с охлаждением пульпы—в_ вакуумных испарителях.
Кратность циркуляции при этом составляет 1:8...1:20. Внутренний
рецикл в экстракторе имеет значительно большую производитель-
ность, кратность циркуляции 1:40 и более. (Кратность циркуляции -
это отношение продукционного количества пульпы к рециркулируе-
мому).
, Температура процесса также влияет на разложение фосфата, так
как с ее повышением усиливается диффузия в жидкости и повышает-
ся растворимость сульфата кальция. Однако температура определя-
ется, в основном, характером процесса (дигидретный, полугидрат-
ный) и возможности ее изменения ограничены. В дигидратном про-
цессе при получении фосфорной кислоты (массовая доля р2°5 29...
...30 %) верхний предел температуры составляет 78...82 °C (выше
24
начинается кристаллизация смеси дигидрата и полугидрата сульфа-
та। кальция), а наций 65...75 °C. так как при этом существенно
повидается вязкость кислоты и ухудшаются фильтрация и промывка
осадка..1 При получении фосфорной кислоты с массовойдолей
ниже 28 % температура дигидратного процесса может быть увеличе-
на. Напрвгер, при работе на фосфоритах Каратау можно получать
кислоту с массовой долей р2о5 20...25 % при температурах 75...
...95 °C. В полугидратном процессе возможный температурный ин-
тервал шире (90...ПО °C) и концентрация получаемой фосфорной
кислоты выше (36...45 % Р2°5^*
Кроме технологических моментов повышение температуры процес-
са производства ЭФК ограничивается стойкостью конструкционных
материалов. Так, при температуре 100 °C и выше нержавеющие ста-
ли недостаточно стойки в условиях производства ЭФК.
Факторы, влияющие на разложение фосфата, влияют также и на
кристаллизацию сульфата кальция. Концентрация серной кислоты оп-
ределяет растворимость сульфата кальция (или степень пересыще-
ния). С повышением концентрации фосфорной кислоты кристаллы
становятся мельче и скорость фильтрации и промывки осадка умень-
шается. Температура в указанных интервалах на кристаллизацию
влияет незначительно. Учитывая изложенное, наиболее рациональ-
ным является следующее устройство и технологический режим рабо-
ты экстрактора.)Экстрактор разделен на две зоны (два разделен-
ных объема), условно называемых зоной разложения
фосфата и зоной кристаллизации суль-
фата кальция. В первой зоне происходит наиболее интенсивное пе-
ремешивание пульпы, имеется мощный внутренний рецикл пульпы. В
первую зону поступают фосфат в виде смеси с пульпой из этой же
зоны и такое количество серной кислоты, чтобы концентрация сер-
ной кислоты стала несколько ниже пороговой. Температура поддер-
живается ближе к верхнему предельному значению. В этом случае
создаются наиболее благоприятные условия для растворения фосфа- ,
та и основной кристаллизации сульфата кальция.
Во второй зоне интенсивность перемешивания ниже и поддержива-
ется на уровне, предотвращающем осаждение на днище реактора
сульфата кальция (0,4...0,6 кВт/м3); температура также ниже,чем
в первой зоне. Дополнительно подается серная кислота, чтобы^вы-
садить растворенный сульфат кальция и за счет этого дорастить
25
кристаллы сульфата кальция. Последнее имеет особое значение для
полугидратного процесса получения ЭФК, так как полугидратная
фосфорная кислота содержит наибольшее количество растворенного
сульфата и ее дальнейшая переработка (упаривание) осложнено.
В табл. 8 приведены технологические показатели работы экст-
рактора. В каждом конкретном случае технологические показатели
определяются регламентом производства.
Таблица 8. Технологический режим в экстракторе
Показатели
Сырье, процесс ! i i ; Массовая j Массовая, I доля i доля i ! ^2®5’ ! i Массовая (Темпе- i доля твер-^ратура, i ДЫХ, % i ос
Хибинскцй
апа Титова*
концентрат
Дигидратный
процесс
классический
двухзонный:
I зона
II зона
Полугидрат-
ный процесс
классический
двухзонный:
I зона
П зона
Фосфорит
К а р р т а у
Дигидратный
процесс :
классический:
двухтемпера турный
28,0...30,0 2,0...2,6
28,0...30,0 1,5...1,7
28,0...30,0 2,0...2,6
25,0...35,0 70...78
25,0...35,0 78...82
25,0...35,0 70...75
34,0...42,0 1,1...1,3 25,0...35,0 95...98
34,0...42,0 0,8...1,2 25,0...35,0 96...98
34,0...42,0 1,5...1,8 25,0...35,0 90...95
20,0...22,0 2,5...3,5 25,0...35,0 75...80
20,0...22,0 2,0...3,0 25,0...35,0 85...90
70...75
26
4.3. Снятие избыточной теплоты
процесса
Температура пульпы в реакционной системе определяет фазовый
состав сульфата кальция (дигидрат, полугидрат).влияет на ско-
рость растворения фосфата, распределение фтора между жидкой и
газовой фазами, величину и форму кристаллов сульфата кальция,
коррозионную-агрессивность среды и др. Поддержание оптимальной
температуры пульпы в экстракторе достигается охлаждением ее
различными способами.
Количество избыточной теплоты в процессе получения ЭФК зави-
сит от вида используемого фосфатного сырья, концентрации серной
кислоты, типа процесса (дигидратный,полугидратный) и конкрет-
ных технологических показателей. Сопоставление тепловых балан-
сов для различных видов сырья и процессов показывает, что 40...
...60 % от общего прихода теплоты составляет тепловой эффект
реакции взаимодействия фосфата с серной кислотой (с учетом теп-
лот разбавления серной и фосфорной кислот), 33...56 % - теплота
раствора разбавления, возвращаемого в экстрактор с вакуум-филь-
тра и 3...4 % - физическая теплота фосфата и серной кислоты .Рас-
ход теплоты - с экстракционной пульпой на вакуум-фильтр 46...
...70 % и теплопотери аппаратурой. Остальная теплота должна быть
удалена принудительно. Это составляет 440...670 тыс.кДж ня каж-
дую тонну фосфата (105...160 тыс.ккал).
^Теплота химического разложения фосфата зависит в большой сте-
пени от концентрации применяемой серной кислоты.;Так,если вмес-
то 93 %-ной Н2304 применять 56 %-ную или75 %-ную (охлажден-
ных до одинаковой температур/), то тепловой эффект уменьшается
на 46,0 и 27,0 % соответственно. Однако, как было отмечено,при-
менение концентрированной серной кислоты предпочтительнее, так
как улучшается водный баланс системы, упрощается технологичес-
кая схею.
Съем избыточной теплоты в производстве ЭФК осуществляется (см.
материально-тепловой расчет), в основном, вследствие испарения
воды из жидкой фазы экстракционной пульпы. Это связано с высо-
ким парциальным давлением паров воды над растворами фосфорной
кислоты. Так, давление паров воды над 29 %-ной Р~о5 при 80 °C
составляет 39063 Па, а над 45 %-ной т2о5 при 90 °C 39343,4 Па.
Процессы испарения воды отличаются друг от друга аппаратурным
оформлением. По характеру процесса они различаются количеством
используемого инертного носителя водяного пара, в качестве ко-
торого используется воздух. По этому признаку процессы охлаж-
дения пульпы разделяются на вакуумные и воздушные. Как правило,
при вакуумном охлаждении количество воздуха минимально, а при
воздушном значительно больше и колеблется в широких пределах.
^Принципиальная технологическая схема вакуум-испарительной ус-
тановки представлена на рис. 5. Пульпа из экстрактора насосом
подается в испарительную камеру (вакуум-испаритель), в которой
поддерживается вакуум 50...90
За счет снижения давления температура кипения жидкой фазы
пульпы в испарителе понижается и интенсивность испарения воды
возрастает. Охлажденная пульпа из испарительной камеры возвра-
щается в экстрактор. Чтобы обеспечить самотек, вакуум-испари-
тель по отношению к экстрактору устанавливается на барометриче-
ской высоте. Образовавшиеся водяные пары совместно с выделивши-
мися из пульпы газами (F, со2, воздух) проходят брызгоотдели-
тель, где улавливаются капли пульпы, и очищаются от фторгазов в
абсорбере, орошаемом кремнефтористоводородной кислотой из сбор-
ника. После очистки пары воды, инертные газы и неуловленные
фторгазы поступают в конденсатор. Здесь пары воды конденсируют-
ся, кислый конденсат направляется в сборник, а оставшиеся газы
вакуум-насосом выбрасываются в атмосферу. Важным показателем ра-
боты вакуум-испарительной установки является перепад температур
входящей и выходящейпульпы. Практически он колеблется в преде-
лах 2...10 °C. Большой перепад температур приводит к нежела-
тельным последствиям в работе вакуум-испарительной установки
(инкрустация оборудования и увеличение мелкой фракции в осадке
сульфата кальция), а малый перепад способствует увеличению ко-
личества подаваемой пульпы. Поэтому конкретные показатели рабо-
ты определяются составом исходного сырья и технологическим про-
цессом в экстракторе. Вакуум-испарительные установки могут так-
же различаться по величине барометрической высоты. Ее уменьше-
ние позволяет установить вакуум-испаритель над экстрактором (так
называемые испарители затопленного типа, рис. 6). В этом случае
циркуляция пульпы в системе экстрактор - испаритель может осу-
ществляться низконапорными насосами (например, осевыми),что по-
зволяет при тех же энергозатратах увеличить количество циркули-
руемой пульпы и снизить ее температурный градиент до 2...3°С.
28
ооа •*
gg*
ко
5 о
29
।—Вакуум
Рис. 6. Экстрактор с вакуум-испарителем затопленного типа:
I - экстрактор; 2 - вакуум-испаритель
Однако при этом в камере испарителя величина вакуума уменьшает-
ся. что снижает интенсивность испарения воды.
Длительный опыт эксплуатации вакуум-испарительных установок
позволил выявить как преимущества, так и недостатки вакуумного
способе охлаждения пульпы. Преимущество данного способа заклю-
чается в отводе избыточной теплоты с минимальным количеством от-
ходящих газов, которые необходима очищать. Интенсивная циркуля-
ция пульпы в реакционной системе способствует созданию опти-
мальных условий пс концентрациям р2°5’ H2SO4’ температуре,сни-
жает локальные пересыщения по сульфату кальция. К недостаткам
системы вакуум-испарения следует отнести сложность технологи-
30
ческой схемы и аппаратуры, работапцей под вакуумом. Последнее
особенно заметно сказывается при увеличении единичной мощности,
когда диаметры аппаратов достигают 4...5 м. Велики эксплуатаци-
онные и энергетические затраты. Трубчатые конденсаторы требуют
регулярных чисток, а применение конденсаторов смешения приводит
к появлению больших количеств закисленных вод.
Охлаждение пульпы в вакуум-испарительной установке не исклю-
чает наличия системы эвакуации газов из экстрактора с абсорбци-
онной аппаратурой. При этом с эвакуируемым из экстрактора воз-
духом уносятся пары воды и снимается часть теплоты. Поэтому в
последние годы появились технологические схемы, в которых вся
теплота снимается воздухом, просасываемым над пульпой в экстрак-
торе.
Количество теплоты, снимаемой при воздушном охлаждении, оп-
ределяется по ревности теплосодержаний входящего в экстрактор
воздуха и выходящего гаэа:
чохл ~ Сгг^г “ 1а^’
где Сгг - расход воздуха на охлаждение, кг сухого воздуха;
ir, 1а - теплосодержание газа и атмосферного воздуха,
кДж/кг оухого воздуха.
Теплосодержание влажного воздуха определяется через влагосо-
держание d, и температуру t по формуле
I 1,OO5t + (2500 + 1,8068t)d10"3 кДж/кг сухого воздуха.
Из этого уравнения видно, что эффективность воздушного ох-
лаждения (вынос теплоты на I кг сухого воздуха) находится в пря-
мой зависимости от температуры и влагосодержания отходящего ге-
эа. Поэтому всякое совериенствование способов воздушного охлаж-
дения, в конечном счете, сводится к достижению максимально воз-
можных значений этих параметров отходящего из экстрактора гаэа.
Для интенсификации процессов тепломассообмена между воздухом
и пульпой применяются дополнительные лопасти на валах мешалок,
которые разбрызгивают пульпу, механические и пневматические фор-
сунки и другие устройства. С применением подобных устройств рас-
ход воздуха на охлаждение составляет 1700...2200 м3 на I т фос-
фата. Наибольшую эффективность дает применение массообменных
аппаратов пенного слоя. Схемы установки таких аппаратов на
экстрактора показаны на рис. 7. С применением указанных аппара-
31
тов разко сокращается расход воздуха. Например, для хибинско-
го апатитового концентрата он составляет 800...1100 м3 на I т в
дигвдрэтном процессе получения ЭФК и 400...600 м3 - в полугид-
ратном процессе.
Рис. 7. Схемы установки массообменных аппаратов
для охлаждения пульпы на экстракторе:
а - с поддувом воздуха;
б - без поддува воздуха
Воздушное охлаждение с использованием массообменного аппара-
та имеет ряд преимуществ. Упрощается технологическая схема про-
цесса получения ЭФК в целом. Вместо вакуум-испарите'льной уста-
новки работает один аппарат. Весь фтор выделяется в одном аппа-
рате - экстракторе - и улавливается в одной системе абсорбции,
что позволяет увеличить его утилизацию. Водяные пары могут без
конденсации выбрасываться в атмосферу, что позволяет снизить
расход воды на производство.
32
4.4. Фильтрование экстракционной
пульпы, промывка кека гипса
В результате реакции взаимодействия кальцийфторапатита с сер-
ной кислотой образуются фосфорная кислота и осадок сульфата каль-
ция. Полученную смесь (пульпу) разделяют методом фильтрования.
Фильтрованием называются процессы разделения неоднородных сис-
тем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни
фазы и пропускают другие. В качестве пористой перегородки ис-
пользуется стойкая в среде фосфорной кислотыткань. Обычно это
лавсановые ткани или полипропиленовые сетки. Фильтрование осу-
ществляется на вакуум-фильтрах." В простейшем случаё"фильтр пред-
ставляет собой сосуд, разделенный пористой перегородкой (тка-
нью) на две части. Суспензия помещается с одной стороны на по-
ристой перегородке. Между разделенными частями сосуда создает-
ся разность давлений и жидкость проходит через пористую пере-
городку. Таким образом суспензия разделяется на жидкость (филь-
трат) и осадок (кек, пирог), содержащий остаточное количество
фильтрата. В конкретном случае фильтрования экстракционной
пульпы в кеке остается фосфорная кислота. Она отмывается мето-
дом вытеснения водой в 2-3 ступени противоточнб.
Существует много разновидностей фильтров. В производстве ЭФК
наибольшее применение црлучили карусельно-лотковые, ленточные,
план-фильтры. Основной характеристикой вакуум-фильтра, опреде-
ляющей его производительность, является рабочая поверхность -
та часть вакуум-фильтра, где осуществляются фильтрация пульпы и
промывка осадка. Кроме этого на вакуум-фильтрах выполняются опе-
рации по выгрузке осадка и регенерафщ"фильтровального полотна.
Поверхность вакуум-фильтра, включающая рабочие и вспомогатель-
ные операции, называется полной поверхностью. Для разных конст-
рукций вакуум-фильтров соотношение рабочей и полной поверхнос-
ти не одинаково. Так, для карусельно-лоткового вакуум-фильтра
К-100 рабочая поверхность 80 м4', полная ГбСГм^ а для ленточных
вакуум-фильтров доля рабочей поверхности составляет 50...60 %
от полной.
Интенсивность работы фильтра характеризуется съемом осадка
или фильтрата в расчете на I м^ рабочей поверхности в час. При
расчете интенсивности берется или сухой осадок кристаллогидра-
та сульфата кальция или фосфорная кислота в пересчете на 100 %
Р2°5- 33
Все разновидности вакуум-фильтров имеют следующие основные
узлы:
- устройство для крепления фильтровальной перегородки (тка-
ни). На карусельных вакуум-фильтрах это лотки, на план-филь-
трах - горизонтальный диск (шайба), на ленточных - непрерывная
лента;
- устройство для попеременного соединения с вакуумом отдель-
ных зон (частей) фильтра. У^карусально-лотковых и план-фильтров
меняются специальные устройства (головки), имеющие подвижную
часть, соединенную с вакуумной полостью лотков или диска, и не-
подвижную, соединенную с вакуум-сепараторами. Подвижная часть
головки разделена на несколько небольших ячеек,которые при вра-
щении попеременно соединяются с ячейками неподвижной части, что
позволяет при многоступенчатой промывке избегать смешения филь-
тратов;
- вакуум-сепараторы для отделения воздуха, поступающего со-
вместно с фильтратами.Из сепараторов жидкость по барометричес-
ким трубам стекает самотеком в сборники,а воздух с парами вбды
через конденсаторы вакуум-насосами выбрасывается в атмосферу.
Количество воздуха, подсасываемое через осадок при 4-фильтрат-
ной схеме, составляет около 100 м3 на I м^ рабочей поверхности;
- промежуточные фильтратные баки для основного фильтрата и
промывных вод;
- устройство для удаления осадка и регенерации фильтроваль-
ного полотна;
- электромеханический привод вакуум-фильтра.
Принципиальная схема работы вакуум-фильтра со вспомогатель-
ным оборудованием показана на рис. 8. На фильтрах любой конст-
рукции выполняется последовательно ряд операций: загрузка сус-
пензии и основная фильтрация, 2-3 промывки кека,выгрузка осад-
ка, регенерация фильтровального полотна.
Загрузка суспензии и основная фильтрация осуществляются в зо-
не фильтра I г. Пульпа поступает на фильтровальную ткань, кото-
рая расположена над полостью 2, соединенной с вакуумом через jy>-
вушку. Ловушка служит для разделения воздуха и фильтрата, про-
ходящих совместно через осадок и ткань.
34
Я I СО
и 8«о
35
Отфильтрованная фосфорная кислота из зоны I по барометричес-
кой трубе сливается в сборник первого фильтрата - бак 4 ,из ко-
торого насосом 5* откачивается на склад. Так как на вакуум-
фильтр с пульпой поступает фосфорной кислоты в 1,5...2,0 раза
больше, чем балансовое продукционное количество (см. материаль-
ный расчет), то ее избыток перемещается самотеком из бака 4^
в бак 411. Зона I г носит название "предфильтрации" или "грязной
фильтрации". Ее задача заключается в следующем. Фильтровальное
полотно, даже после осушки воздухом, содержит в своих порах во-
ду. При прохождении первых порций фильтрата вода вытесняется в
фосфорную кислоту и ее концентрация понижается. В вакуумной
полости 2 фильтра также задерживается небольшое количество сла-
бокислой воды от последних промывок осадка. Эта вода также сме-
шивается с фосфорной кислотой и разбавляет ее. При введении зо-
ны I г фильтрат из нее направляется через сепаратор З11 в бак
4^. Кроме того, при начальном поступлении суспензии на фильтро-
вальное полотно часть мелких частиц (I...5 мкм) проскакивает че-
рез поры ткани и попадает в продукционную кислоту. После обра-
зования на ткани слоя_осадка. поступление мелких частиц в филь-
трат уменьшается.
Таким образом, введение зоны предфильтрации позволяет умень-
шить разбавление продукционной кислоты и снизить содержание
твердых частиц в ней, то есть повысить качество получаемой фос-
форной кислоты.
Образовавшийся слой осадка с I зоны перемещается на II зону,
где он промывается третьим фильтратом, подаваемым насосом 5Ш
из бака 4Ш. На промывку может подаваться не весь третий филь-
трат, тогда его остальная часть поступает самотеком в бак 4^.
Третий фильтрат, проходя через осадок на II зоне, вытесняет из
него более концентрированную фосфорную кислоту, закрепляется
сам и уже в виде второго фильтрата самотеком по барометрической
трубе сливается в сборник 4^. Смесь второго фильтрата и перво-
го фильтрата-(оборотного раствора) в ^.сборнике 4я называется';
раствором разбавления. Из этого сборника насосом 511 фильтрат
целиком подается в экстрактор. Второй фильтрат состоит из воды,
поступающей в процесс через промывку осадка, и фосфорной кисло-
ты, отмытой от осадка сульфата кальция.
Количество оборотного раствора зависит от содержания твердых
36
в пульпе, а также от качества осадка. Если осадок влагоемкий,то
содержание жидкой фазы в нем после I зоны повышается, количест-
во оборотного раствора уменьшается и наоборот.
Частично промытый осадок со II зоны перемещается на Ш зону,
где он промывается четвертым фильтратом, подаваемым насосом
51У из сборника На промывку может подаваться весь четвер-
тый фильтрат или его часть, тогда оставшееся количество посту-
пает самотеком через перелив в бак 4^. Четвертый фильтрат,про-
ходя через слой осадка на Ш зоне, вытесняет из него более кон-
центрированный второй фильтрат, закрепляется сам и в виде треть-
его фильтрата по барометрической трубе стекает в сборник 4^.
Из этого сборника насосом 5Ш фильтрат целиком или частично по-
дается на первую промывку осадка (на II зону фильтра).
Осадок с Ш зоны фильтра перемещается на 1У зону, где он про-
мывается окончательно подогретой водой. Вода используется из
системы барометрических конденсаторов, так называемая фторная
вода. Вода вытесняет из осадка третий фильтрат и в виде четвер-
того фильтрата по барометрической трубе сливается в сборник 4^
и насосом 5^ подается полностью или частично на промывку осад-
ка Ш зоны фильтра.
Подогрев воды осуществляют для повышения коэффициента отмыв-
ки осадка от фосфорной кислоты и снижения температурного гради-
ента растворов фосфорной кислоты в коммуникациях вакуум-фильтра.
Последнее в значительной степени уменьшает инкрустацию осадка
на стенках аппаратуры и трубопроводов.
Описанная схема промывки осадка является полной, четырехфиль-
тратной и требует минимальное количество воды на промывку. При
использовании в процессе 93 %-ной н2зо4 количество воды на про-
мывку возрастает и схему промывки можно частично изменить, на-
пример, на Ш и 1У зонах промывка может быть водная.
Промытый осадок сульфата кальция удаляется с вакуум-фильтра
в бункер и ленточным конвейером направляется на транспортные
средства (автомашины, канатные дороги) и в отвал. При гидроуда-
лении осадок сбрасывается непосредственно в сборник-репульпер.
Для того, чтобы цолчая отпилить псякох от Фильтодэальчой ткчни,
в вакуумную полость под ней вдувают воздух от вентилятора. Да-
лее освобожденная от осадка фильтровальная ткань регенерирует-
ся. Как правило, регенерация заключается в промывке ткани подо-
37
гретой водой ив форсунок под давлением. Вола после промывки тка-
ни используется для промчим осадка.
Проштое фильтровальное полотно содержит в порах воду, кото-
рая вытесняется при прохождении фосфорной кислоты через ткань
и снижает концентрацию кислоты, что нежелательно. Для уменьше-
ния разбавления кислота ткань осушают воздухом, для чего ваку-
умная полость фильтра соединяется с вентилятором.Отжатая из тка-
ни слабокислая воЬэ отделяется в ловушке и сливается в бак 4^у.
После этого на вакуум-фильтр подается пульпа и цикл повторяет-
ся. Описанная последовательность фильтрации пульпы, прошвки
осадка и других операций характерна для карусельно-лотковых,
план-фильтров и ленточных фильтров.
На рис. 9 изображена схема действия карусельно-лоткового ва-
куум-фильтра. Такой фильтр представляет собой смонтированные на
кольцевой раме лотки (ковши), расположенные вплотную друг к
другу. Рама с ковшами вращается на роликах, 8 ковши могут вра-
щаться и около продольной оси на 180°. Вакуумные полости ковшей
соединены элластичными шлангами с распределительной головкой.
Цифрами в головке обозначены рабочие зоны вакуум-фильтра.
Пульпе из экстрактора заливается в ковш и в первые моменты
фильтрат через зону I г поступает в сборник второго фильтрата.
Пря этом на днище лотка образуется слой осадка, препятствующий
проскоку мелких частиц в фильтрат, и остатки воды вытесняются
из фильтровальной ткани и вакуумной полости лотка. Ковш непре-
рывно движется и его вакуумная полость соединяется с зоной ос-
новной фильтрации I. Здесь отбирается жидкая фазе пульпы, "ба-
лансовое количество которой выводится на склад через сборник
первого фильтрата, а остальное количество возвращается в сбор-
ник второго фильтрата и через него - в экстрактор.
Пря дальнейшем движении ковша, его вакуумная полость соеди-
няется со второй зоной и одновременно на осадок начинает посту-
пать третий фильтрат, который, вытеснив из осадке концентриро-
ванную фосфорную кислоту, поступает в сборник второго фильтрата.
Далее в ходе движения ковш соединяется с Ш зоной, где осу-
ществляется вторая ступень промывки четвертым фильтратом. На 1У
зоне промывка ведется водой.
38
Рис. 9. Схема работа карусельно-лоткового вакуум-фильтра:
I - ковши, 2 - шланги, 3 головка, I г, 1...У11 - зоны
После промывки осадка ковш поворачивается на 180°, в вакуум-
полость подается воздух от вентилятора, осадок отдувается от
фикьтр-ткани и сбрасывается. Затем ковш движется в перевернутом
положении и попадает под струи воды. Ткань отмывается от остат-
ков осадка. После этого ковш возвращается в первоначальное по-
ложение и вакуум-полость соединяется с вентилятором. Протягива-
емый через ткань воздух частично уносит воду и в подготовленный
таким образом ковш снова заливается пульпа. Цикл повторяется.
План-фильтр отличается от описанного тем, что вместо ряда
39
ковшей он имеет сплошное кольцо, на которое крепится фильтр-
ткань и которое имеет кольцевые стенки. Осадок с фильтра удаля-
ется с помощью шнека (остается слой 3...4 мм), остатки смывают-
ся струями вода. Остальные операции аналогичны.
Рис. 10. Схема работы ленточного вакуум-фильтра:
I - лента; 2,3 - барабаны; 4 - вакуум-стол; 5,6 - отверстия;
7 - фильтровальное полотно, I г, 1...1У - зоны вакуумной полос-
ти фильтра
Ленточные вакуум-фильтры представляют собой непрерывную лен-
ту (рис. 10), которая движется с помощью двух барабанов - веду-
щего и ведомого. Верхняя часть ленты скользит по вакуум-столу,
40
который разделен на зоны аналогично описанным выше фильтром. По
центру ленты имеются отверстия, которые совпадают с отверстиями
в вакуум-столе я служат для отвода фильтратов. Фильтровальное по-
лотно может отделяться от ленты для проведения регенерации (про-
мывка с двух сторон). Осадок падает с ленты на барабан и раст-
рескивается. Для более тщательного удаления осадка ставят спе-
циальные ножи.
Таблица 9. Показатели работы вакуум-фильтра
Показатель j Хибинский апатит ; Полугидрат-J Дигидра тный I -{Фосфорит (Каратау i
|НЫй процессi процесс
Удельный съем осадка,кг/См^-ч] Удельный съем фосфорной кис- 900...1300 650...850 450...550
лоты, кг/(м^.ч) ?2о5 Содержание жидкой фазы в осадке после основной филь- 240...348 154...201 72...89
трации, % Концентрация фильтратов,мас- совая доля 40...50 50...60 50...60
первый фильтрат 34...42 28...30 20...22
второй фильтрат 22...28 18...22 14...16
третий фильтрат 12...18 8...12 6...9
четвертый фильтрат Температура воды на промывку 2...3 2...4 I...3
осадка 60...70 50...60 60...70
Коэффициент отмывки 97,5...99,0 97,5. ..98,5 97,0...98,0
4.5. Очистка газов, выходящих из
экстрактора
Апатитовые и фосфоритные концентраты содержат фтор в количе-
стве около 3. При разложении сырья серной кислотой в газовую
фезу выделяется от 5 до 35 % фтора. Фтористые соединения удаля-
ются из экстрактора совместно с паровоздушной смесью.
Состав отходящих фтористых газов и количество отсасываемых
из экстрактора газов зависят от вида фосфатного сырья и техно-
логического процесса получения ЭФК. Так, в дигидратном процес-
41
се из экстрактора может удаляться от 1000 до 2500 м3 газа на
I т фосфата.
В результате взаимодействия кальцийфторапатита и серной
кислоты образуется фтористый водород HP, который взаимодейст-
вует с S102, присутствующем в фосфатном сырье по уравнению
4НР + SiO2 - SiP4 + 2Н2О.
Образовавшийся SlP^ поглощается водой:
3SiP4 + 2HgO - 2H2SiP6 + SiO2
с образованием кремнефтористоводородной кислоты. Приведенные
уравнения химических реакций дают представление лишь о конеч-
ных результатах химического процесса. Сам механизм значительно
сложнее, процесс проходит в несколько стадий.
IФтористые газы являются высокотоксичными соединениями, кото-
рые создают угрозу окружающей среде и здоровью человека.Систе-
мы обезвреживания фтористых газов состоят из нескольких ступе-
ней. очистки и высотных выхлопных труб. Очистная аппаратура долж-
на иметь высокую степень очистки и надежно работать.
В производстве фосфорной кислоты используются полые башни,
скрубберы Вентури, аэромиксы, абсорберы с провальными тэрелка-
ми, аппараты со взвешенной инертной (шаровой, кольцевой) насад-
ками. В последнее время на заводах нашли применение безнасадоч-
ные аппараты прямоточно-скоростные (АПО, работающие в пенном
режиме.
Распространенным способом утилизации фтора является получе-
ние 8...12 %-ной кремнефтористоводородной кислоты при поглоще-
нии воды с дальнейшим получением из нее фторсолей. Рассмотрим
наиболее характерную и перспективную систему абсорбции фторис-
тых газов в производстве ЭФК (рис. II) .| Она состоит из двух
последовательно соединенных тарельчатах абсорберов, орошаемо-
го газохода на входе в аппарат, сборников, трубопроводов с за-
порной арматурой, газоходов и хвостового вентилятора. Короткий
газоход от экстрактора до абсорбера орошается широкофакельной
форсункой производительностью 50 м3^, что обеспечивает час-
тичную абсорбцию фтористых газов и смыв образующегося!)-резугь-
тате гидролиза SiP4 осадка.)Первая ступень абсорбции, включа-
ющая тгвухсектгионный аппарат, предназначена для утилизации фто-
42
ра, орошается 8...12 %-ной кремнефтористоводородной кислотой.
Часть кислоты выводится как продукционная.
Рис. II. Принципиальная схема системы абсорбции газов
в производстве ЭФК:
I - технологический абсорбер; 2,4 - сборники;3 - санитарный аб-
сорбер; 5 - насосы;. 6 - вентилятор; 7 - газовая камера; 8 -
газораспределительная решетка; 9 - рабочая камера; 10 - корпус
сепаратора; II - брызгоотбойник; 12 - сливная труба; 13 - фор-
сунка; 14 - газоход
Вторая ступень - санитарная, включает одну или две секции
аппарата, которые орошаются известковым молоком или водой. В по-
следнем случае жидкость в сборнике санитарной ступени закрепля-
ется до 2...3 % по фтору и передается для подпитки в сборник
первой ступени. 4о
Принцип работы аппарата пенного, типа заключается в следуппемг
Фтористые газы из экстрактора из газоходу (орошаемому жидкостью
или без орошения) поступают в газовую камеру и, пройдя щели га-
зораспределительной решетки,попадают в рабочий объем, в котором
скорость газа 4...8 м/с. Здесь в сильно турбулизированном пен-
ном слое происходит процесс очистки газа от фтора. Далее газы
вместе с брызгами жидкости направляются в сепаратор, где ударя-
ясь в брызгоотбойник, изменяют свое направление под углом 90°,
при этом скорость газа уменьшается в два раза. Далее газы со
скоростью не более 1,5 м/с проходят по кольцевому сечению мевду
брызгоотбойником и корпусом сепаратора. Эффективная сепарация
брызг происходит за счет одновременного воздействия двух факто-
ров: изменения дважды направления движения газов и уменьшения их
скорости. Из сепаратора газы направляются на вышерасположен-
ную ступень, где происходит аналогичный процесс.
Орошающая жидкость в количестве, соответствующем плотности
орошения, равной 70...100 м3/(м^.ч) (для щелевой решетки со
свободным сечением 50 %), подается из сборника в рабочий объем
верхней секции насосом. Затем жидкость сливается через щели ре-
шетки в сепаратор нижней секции аппарата, откуда направляется
через заглубленную трубу в сборник. Аналогичным образом работа-
ет и санитарный абсорбер.
Движение газов через абсорбционную систему осуществляется с
помощью хвостового вентилятора типа ВНЖ, ВМ' производительно-
стью 30...50 тыс. м3/ч. Сопротивление рассмотренной системы аб-
сорбции составляет 3600...3800 Па (360...380 мм рт.ст).
Для обеспечения надежной работы и высокой степени абсорбции
(95...98 %) тарельчатые абсорберы должны иметь циркуляционные
насосы подачей 150...250 г^/ч и способные перекачивать агрес-
сивную жидкость, загрязненную твердыми взвесями (8...12 %-ную
при температуре 60...70 °C).
Система абсорбции, оснащенная прямоточными скоростными ап-
паратами может эксплуатироваться в безнасосном варианте.Эти ап-
параты отличаются тем, что у них отсутствуют газораспределитель-
ные решетки. Высокая степень абсорбции достигается в режиме
восходящего прямотока при скорости газового потока 16...20 м/с.
Большая плотность орошения рабочей зоны создается за счет внут-
ренней циркуляции орошающей жидкости по контуру рабочая зона -
сепаратор.
44
Рис. 12. Схема трех-
ступенчатого прямо-
точно-скоростного аб-
сорбера :
I - газовая камера;
2 - рабочая зона; 3 -
центробежный сепара-
тор; 4 - переливная
труба; 5 - корпус ап-
парата; 6 - горизон-
тальные трубы; 7 -
коническая тарелка
Вода для подпитки
в аппарат подается в
количестве I...3 м®/ч
и рассчитывается по
концентрации фтора в
газовой фазе на вхо-
де в аппарат и тре-
буемой концентрации
ПРОДУКЦИОННОЙ HgSiF^.
Аппарат работает
следующим образом.
Жидкость на орошение
подается на верхнюю
ступень и через гори-
зонтальные трубы по-
ступает в рабочую зо-
ну, где в восходящем
потоке идет процесс
абсорбции фтористых
газов. Вся жидкость
из рабочей зоны выно-
сится газовым пото-
ком в центробежный
сепаратор, где проис-
ходит отделение брь
жидкости от газа. Да-
лен" жидкость стекает
на коническую тарелку и через трубы опять поступает в рабочую
зону, образуя контур циркуляции. Часть жидкости, равная подпит-
ке, стекает по переливной трубе на нижерасположенную ступень, ра-
бота которой аналогична верхней ступени. Сопротивление одной
ступени контакта, аппарата составляет 1500...1700 Па (150. .
...170 мм вод.ст.).
45
При соблюдении оптимальных гидродинамических параметров (ско-
рости газе, плотности орошения) описанные аппараты работают на-
дежно, с высокой эффективностью очистки, без образования твер-
дых осадков нэ решетках, стенках аппарата и в сепараторах. Ап-
параты технологичны в изготовлении и могут быть выполнены как
из спецетали, так и футерованными химостойкими материалами. Та-
ким образом, применение прямоточно-скоростных абсорберов позво-
ляет эксплуатировать систему абсорбции без дорогостоящих насо-
сов и получать кремнефтористоводородную кислоту концентрацией
8... 12 %, которая используется для получения кремнефторида нат-
рия, фторида алюминия и других фторсолей.
4.6. Методы уделения в отвал и пу-
ти утилизации фосфогипса
При производстве ЭФК образуется крупнотоннажный твердый от-
ход - фосфогипс, основное количество которого в настоящее время
не используется и складируется в специальных шлэмонакопителях,
обеспечивающих предотвращение попадания вредных соединений фос-
фора и фтора в почву, грунтовые воды и открытые водоемы.Количе-
ство складируемого фосфогипса в пересчете нэ сухой дигидрат
сульфата кальция составляет более 160 млн т.
В промышленности существуют два принципиально различных ме-
тода удаления фосфогипса в отвал: "сухой" способ и гидроудале-
ние ("мокрый" способ). При "сухом" способе транспортировка фос-
фогипса в отвал осуществляется автомашинами или посредством
канатных дорог и систем конвейеров. Наиболее универсальным и
предпочтительным является использование автотранспорта, хотя и
другие методы "сухого" удаления фосфогипса могут быть рацио-
нальными в конкретной ситуации. При "сухом" способе используют-
ся сложные машины и механизмы, что требует довольно больших эк-
сплуатационных затрат. Поэтому все большее применение в про-
мышленности находит метод гидроудаления фосфогипса в отвэл пос-
ле предварительной репульпации отмытого от фосфорной кислоты
фосфогипса водой до соотношений 1:3...1:7. Использование гидро-
транспорта упрощает и делает более надежной систему удаления
фосфогипса в отвал, повышает производительность труда, позво-
ляет полнев использовать Р2°5 в Ф°сФэтном сырье за счет повтор-
ного использования вод шламонакопителя, содержащих фосфорную
46
кислоту. Одновременно при гидроскладировании фосфогипса требу-
ется создание герметичных непроницаема шламончкопителей с це-
лью предотвращения попадания Р2°5» соадинений Фтора и дру-
гих вредных веществ в грунтовые воды.
В связи с этим разработаны следующие комбинированные спосо-
бы удаления фосфогипса в отвал. Непосредственно в шлаконакопи-
тель фосфогипс транспортируется гидротранспортом в виде водной
суспензии. После стадии фильтрования "сухой" фосфогипс склади-
руется в отвал посредством канатной дороги, автотранспорта или
конвейеров, в полученный фильтрат возвращается в производство
ЭФК нэ репульпацию фосфогипса и частично - в узел промывки фос-
фогипса на фильтрах.
Фосфогипс является ценным вторичным сырьем, которое может
быть использовано в народном хозяйстве как хороший заменитель
природного гипса.
Фосфогипс применяется в качестве мелиоранта в сельском хо-
зяйстве, добавок к цементу, материале для оснований автомобиль-
ных дорог, наполнителя в бумажной промышленности и производстве
пластических масс, в производстве гипсовых вяжущих, при получе-
нии СаО (извести) и серной кислоты.
В сельском хозяйстве используется фосфогипс непосредствен-
но из отвала (в некоторых случаях - из цеха ЭФК) с содержанием
основного вещества не менее 80 % и гигроскопической влаги не
более 20 % или предварительно подсушенный для удаления основно-
го количества гигроскопической воды с содержанием основного ве-
щества и влаги не менее 92 % и (5+1) % соответственно (возможен
варжант сушки фосфогипса до полугидрата и смешение его с новой
порцией сырого фосфогипса).
Предложено использовать фосфогипс в смеси с пылевидными из-
вестковыми материалами (известковая мука, сланцевая зола и др.).
Это улучшает физико-механические свойства фосфогипса и его свой-
ство мелиоранта полнее, чем чистый фосфогипс, вытеснять обмен-
ный натрий, снижает кислотность почвы.
В цементной промышленности фосфогипс используется, в основ-
ном, как добавка при помоле клинкера (порошкообразный и грану-
лированный) .
Возможен вариант получения из фосфогипса гидравлической до-
бавки для цементной промышленности. Суть процесса заключается
47
в высокотемпературном обжиге фосфогипса в присутствии Sio2 и
кокса. Получаемый продукт содержит, в основном, силикаты каль-
ция. Одновременно получают so2, который перерабатывается на
серную кислоту.
На основе фосфогипса могут быть получены различные вида гип-
совых вяжущих: высокопрочное гипсовое вяжущее - оС - полугид-
рат сульфата кальция (путем перекристаллизации фосфогипса
дигидрата - в специальных условиях в полугидрат); строительный
гипс (посредством обезвоживания фосфогипса - дигидрата - в гип-
соварочных котлах, до J} -полугидрата); тампонажный цемент (при-
мерно 80 % высокопрочного d -вяжущего, 20 % цемента и регуля-
тора схватывания); высокопрочное ангидритовое вяжущее. В СССР
освоено производство высокопрочного гипсового вяжущего и тампо-
нажного цемента.
В дорожном строительстве может использоваться фосфогипс (ди-
гидрат и полугидрат сульфата кальция) непосредственно с отвалов
или после предварительной его обработки в целях улучшения вяжу-
щих свойств. Данное направление использования фосфогипса в на-
стоящее время проверяется в опытном масштабе.
Из фосфогипса путем высокотемпературного обжига при темпера-
турах около I50C °C можно получить СаО и сернистый газ (сырье
для получения H2so4). Данный метод позволяет существенно сок-
ратить расход h2so4 на производство ЭФК за счет создания цик-
лической схемы. Метод проходит опытно-промышленную проверку.
В качестве наполнителя фосфогипс зачастую может заменить
другие дефицитные материалы, используемые в промышленности
(например, каолин и др.). Сейчас работа по применению фосфогип-
са находится на стадии опытной проверки.
Глава 5. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И СХЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭФК
Выше было отмечено, что процессы получения ЭФК классифициру-
ются по виду образующегося кристаллогидрата сульфата кальция:
дигидратный, полугидратный, ангидритный. В промышленном масшта-
бе реализованы дигидратный и полугидратный процессы, а ангид-
ритный находится на стадии исследовательских работ. Кроме того,
за рубежом известны процессы, в которых в реакционной системе
48
осуществляют промежуточную перекристаллизацию одной модификации
сульфата кальция в другую. Таким образом, в промышленности при-
меняются следующие процессы:
I. Дигидратный.
2. Полугидратный одностадийный.
3. Полугидратно-дигидратный (с одной и двумя фильтрациями).
4. Дигидратно-полугидратный (с одной и двумя фильтрациями).
Наибольшее применение нашел дигидратный процесс производства
ЭФК. Его доля в общем объеме производства ЭФК составляет около
80 %. В последнее время наметилась тенденция к снижению этой
доли за счет полугидратного и смешанных процессов.
В дигидратном процессе получают ЭФК с массовой долей Р2о^
28...30 %. Для производства удобрений используется в большинст-
ве случаев более концентрированная кислота, что вызывает необ-
ходимость создавать дополнительный технологический предел
упарку ЭФК. Таким образом, в конечном итоге дигидратный процесс
оказывается наиболее энергоемким.
Принципиальная схема дигидратного процесса приведена на рис.
13. Разложение фосфата и кристаллизация сульфата кальция осу-
ществляются в экстракторах различных конструкций. По этому при-
знаку объединяется несколько разновидностей технологических
схем, но их показатели по интенсивности реакционного объема и
степени извлечения Р2о^ из фосфата незначительно различаются.
Подача реагентов - серной кислоты и фосфата - в экстрактор мо-
жет осуществляться различными способами. Фосфат подают непо-
средственно в экстрактор в сухом виде или предварительно зама-
чивают с оборотной пульпой, раствором разбавления или с водой.
Предпочтительнее применять "мокрое" питание с использованием
пульпы, так как в этом случае достигается наиболее быстрое рас-
пределение зерен фосфата по всему объему реактора. Серная кис-
лота перед подачей в экстрактор может разбавляться водой или
смешиваться с раствором разбавления (циркулирующей пульпой),что
уменьшает местные пересыщения в объеме экстрактора и позволяет
получить более однородные кристаллы сульфата кальция. В совре-
менных схемах существует тенденция использовать концентрирован-
ную H2so4 (93...95 %-ную), что дает возможность увеличить ко-
личество воды на промывку осадка.
49
Рис. Й. Принципиальная схема дигидратного процесса
СП
Охлаждение пульпы осуществляется в вакуум-испарителях. Паро-
газовая смесь после вакуум-испарителя подвергается очистке в аб-
сорберах. Из нее также конденсируется водяной пар. Применяется
и воздушное охлаждение путем обдува воздухом поверхности пульпы
в экстракторе. Расход воздуха составляет 2000...2500 м3 на I т
фосфата. Применение массообменного аппарата позволяет сократить
расход до 900...1200 м3 на тонну.
В процессе разложения фосфата в экстракторе выделяются фто-
ристые газы, со2 (если фосфат содержит карбонаты), пары воды и
др. Эта смесь удаляется из экстрактора вентилятором, очищается
в абсорбционной системе и выбрасывается в атмосферу.
Фильтрование пульпы производится на карусельных, план-филь-
трах или ленточных фильтрах. Применяется, как правило, 4-филь-
тратная схема с 3-кратной противоточной промывкой. Водяные па-
ры, отделяемые вместе с воздухом в сепараторах, конденсируются,
а воздух выбрасывается в атмосферу.
Осадок - дигидрат сульфата кальция - с влажностью 38...42 %
вывозится в отвал или направляется на переработку.
Полугидратный одностадийный процесс позволяет получать ЭФК
с массовой долей р2о^ 36...45 % и в несколько раз повысить ин-
тенсивность работы экстрактора и вакуум-фильтра. При его про-
мышленной реализации возникает ряд трудностей (повышенная кор-
розия оборудования, инкрустация коммуникаций и т.д.), которые в
значительной степени удалось устранить в последние годы и про-
цесс стал внедряться в промышленность как в СССР, так и за ру-
бежом. Его аппаратурное оформление в принципе мало отличается
от дигидратного процесса. Схема представлена на рис. 14. Экст-
рактор защищается от коррозии с учетом повышенной температур»
(95...100>0С) и концентрации р2о5 (36...45 %).Охлаждение пуль-
пы предпочтительнее применять воздушное. При использовании мас-
сообменного аппарата количество воздуха на охлаждение может быть
уменьшено до 700...900 м3 на I т фосфата. Без массообменного ап-
парата, когда воздух проходит над зеркалом пульпы, его расход
возрастает до 1500...2000 м3 на I т фосфата.
Для фильтрации пульпы применяются ленточные вакуум-фильтры,
так как они позволяют более тщательно проводить регенерацию
ткани, имеют меньше коммуникаций,-подверженных инкрустации,про-
ще в обслуживании, могут иметь большую удельную нагрузку.
51
В атмосферу
В атмосферу
в отвал
Воздушное
охлаждение пульпы
Разложение фос-
фата и кристал-
лизация сульфа-
Фосфат
та кальция
Пульпа на фильтрацию
Раствор разбавления н3ро
н^ро. продукция
Вода
Фильтрование
экстракционной
пульпы
Осадок
схема полугидратного процесса
*
Апатит
V
Рис. 15. Прш
ШЛИ.
альная технологическая схема перспективного полугидрат його процесса
Л
в ви-
Таким образом, технологическая схема полугидратного процесса
проще, чем дигидратного (нет вакуум-испарительной установки),а
при реализации каскадного расположения оборудования и внутрен-
ней циркуляции пульпы в экстракторе можно уменьшить количество
пульповых насосов. Принципиальная технологическая схема такого
процесса представлена на рис. 15.
Аналитический коэффициент выхода Р2©5 в кислоту составляет
в дигидратном процессе 92...97 %, в полугвдратном 92...
связи с этим получающийся осадок загрязнен примесью Р2О,
де нера вложенного кальцийфторапатита, и в виде фосфорной кисло-
ты. Анализ потерь Р2О5 показал, что при увеличении концентра-
ции фосфорной кислоты возрастает количество р20е» захватывае-
мое в кристаллическую решетку и не извлекаемое при отмывке. По-
лучать более чистый осадок сульфата кальция и высокий коэффици-
ент выхода по р2о; позволяют полугидратно-дигидратные процес-
сы. Их сущность состоит в том, что разложение фосфата ведут в
полутидратном процессе, а затем полученную пульпу охлаждают и
полугидрат перекристаллизовывают в дигидрат. При этом получают-
ся однородные кристаллы, которые хорошо отмываются, а при пере-
кристаллизации
фициент выхода
чаемой кислоты
99 %. Концентрация полу-
98 %
повышается разложение фосфата и суммарный коэф-
по р2о5 достигает 98
остается на уровне дигидратных процессов (30...
Процесс требует примерно в 1,5 раза большей ем-
кости экстракторов. Введение промежуточной фильтрации полугид-
ратной пульпы позволяет в смешанном процессе получать ЭФК с мас-
совой долей р2о^ до 43...45 % и иметь выход по р2о^
При дигидратно-полугидратных процессах перекристаллизация ди-
гидрата в полугидрат осуществляется при повышенной конттентряттии
H2so4- При этом достигается высокий коэффициент выхода по Р2О5
и получается чистый осадок сульфата кальция.
Смешанные процессы не применяются при переработке хибинско-
го апатитового концентрата, так как он содержит соединения строн-
ция, которые замедляют процессы перехода полугидрата в дигждрат
до 20...30 ч. Поэтому в промышленности при переработке хибинско-
го апатитового концентрата применяются дигидратные и одноотадИй-
нне полугидратные процессы.
Для добычи фосфоритов Каратау в промышленности применяется
дигидратный процесс, в стадии разработки находятся одностадий-
ный полугидратный, а также смешанные процессы. 53
Глава 6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И СРЕДСТВА ХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭФК
Коррозия металлов, под которой понимается разрушение метал-
лов в результате химического или электрохимического взаимодей-
ствия их с коррозионной срадой, приводит к снижению прочности,
сокращению сроков службы и разрушению оборудования и конструк-
ций из металлов.
На степень коррозионного разрушения материалов большое влия-
ние оказывает ряд факторов, наиболее важными из которых являют-
ся состав и состояние поверхности материала, состав и свойства
коррозионной среды, температуре, давление,конструктивные особен-
ности оборудования и др.
Фосфорная кислота, полученная методом экстракции, содержит
ряд примесей, таких как р“, ci",so2“, Pe3+,Al3+,Mg2+,Ca2+H дру-
гих, которые влияют на ее коррозионную активность.
Содержащиеся в ЭФК сульфат-ионы повышают ее кислотность и
следовательно, коррозионную активность по отношению к нержавею-
щей стали, осложняя тем самым пассивацию поверхности металла.
Хлориды, поступающие из сырья, либо из промывной воды, вызы-
вают разрушение пассивной пленки, способствуя тем самым образо-
ванию локальной коррозии (питтинговой, язвенной).
Присутствие фтор-ионов значительно повышает коррозионную ак-
тивность кислоты, однако, в отличие от ионов хлора ионы фтора
образуют прочные комплексы с ионами многих металлов, что снижа-
ет содержание свободного фтора. Следовательно, чтобы оценить'
влияние фтора на коррозию, необходимо учитывать количество ио-
нов, образующих со фтором комплексы.
При совместном присутствии р“ и so|“ коррозионная активность
фосфорной кислоты резко увеличивается, причем основное влияние
оказывает р-ион.
Присутствие же в кислоте таких примесей, как аР+, Mg2+,
Са и соединений кремния, снижает коррозионную активность кис-
лоты. Они оказывают ингибирующее действие и уменьшают скорость
коррозии сталей в экстракционной фосфорной кислоте за счет об-
разования прочных комплексов с соединениями Р,тем салим снижая
активность свободной HP, причем ингибирующее воздействие А1^+
54
выше, 40MMg2+. Fe3+ в зависимости от концентрации его в кис-
лоте может либо стимулировать процесс коррозии, либо ингибиро-
вать его.
Температуре кислоты также является важнейшим фактором, ока-
зывающим влияние на коррозионную стойкость материалов, которая
значительно снижается с повышением температуры. Поэтому выбор
коррозионностойких конструкционных материалов и средств химиче-
ской защиты для сред ЭФК весьма сложен.
Нержавеющие стали пока еще являются одними из основных кон-
струкционных материалов, применяемых для изготовления оборудо-
вания. В производстве экстракционной фосфорной кислоты в связи
с высокой агрессивностью сред широко применяются высоколегиро-
ванные коррозионностойкие стали и сплавы, такие как ОЗХ21Н21М41Б
(ЭИ-35) и 06ХН28МДТ (ЭИ-943), где легирующие элементы условно
обозначаются соответствующими буквами: X - хром, Н - никель,М -
молибден, Т - титан, Д - медь, Б - ниобий, Г - марганец. Цифра,
стоящая после буквенного обозначения легирующего элемента, ука-
зывает на среднее содержание (в %) данного элемента в сплаве;
цифра, стоящая перед буквой - содержание (в %) углерода.Указан-
ные стали используются для изготовления насосов, фильтров, ме-
шалок, крышек, трубопроводов.
Скорость коррозии металлов оценивают количественно по убыли
массы единицы поверхности металла в единицу времени - весовой
показатель скорости коррозии (К) или по глубине коррозионных по-
вреждений - глубинный показатель - проницаемость (П).
Оба показателя связаны следующей зависимостью:
К = -Ал. г/тАч;
ST
П = К мм/год,
d
где Am - убыль (или прибыль) массы металла за время испыта-
ния, г;
s - общая площадь поверхности испытуемого образца, см^м2;
Т - продолжительность испытания, ч, день, сут;
d - плотность металла, г/см3.
Глубинный показатель скорости коррозии принят для оценки кор-
розионной стойкости металлов по десятибалъной шкале ГОСТ 13819-68,
55
Кроме металлов, для изготовления оборудования производства
экстракционной фосфорной кислота широко применяются неметалли-
ческие материалы:
- подслоенные материалы - различные ви™ резин и эбонитов на
основе натуральных и синтетических каучуков, таких как метил-
стирольный (СКМС), этиленпропиленовый (СКЭП и СКЭПТ), полиизо-
преновый (СКИ), цисбутадиенового каучука (СКД), латексное анти-
коррозионное покрытие "Полан";
- футеровочные материалы - кислотоупорные и термокислотоупор-
ные плитки, кислотоупорный кирпич, угольные блоки, пропитанный
графит и антегмит.
В качестве вяжущего и для разделки швов применяют кислото-
упорные силикатные эамазки, представляющие собой составы, полу-
чаемые путем смешения порошкообразных компонентов (кислотоупор-
ный наполнитель и ускоритель твердения) с водным раствором нат-
риевого и калиевого растворимого стекла.
В качестве отвердителя кислотоупорных замазок применяется
кремнефторид натрия. Широкое применение находят андезитовая и
диабазовая замазка. Замазки на основе органических вяжущих -
замазки арзамит - вещества на основе феноло-формальдегидной смо-
лы, получаемые смешиванием раствора - арзамит и порошка напол-
нителя.
Конструкционные материалы из пластмасс:
- полиэтилен - высокомолекулярный продукт полимеризации эти-
лена;
- полипропилен - продукт полимеризации пропилена;
- фторопласта или фторлоны (полифторолефины) - продукты по-
лимеризации фторпроизводных этилена, фторзамещенные тетрафтор-
этилены (фторопласт-4);
- пентапласт - термопластичный полиэфир, хлорированный поли-
пентаэритрит, получаемый поликонденсацией формальдегида и ацет-
альдегида ;
- стеклопластики - пластические материалы,состоящие из стек-
ловолокнистого наполнителя и полимерного связующего;
- углепластики - пластические материалы, состоящие из угле-
волокнистого наполнителя и полимерного связующего;
- фаолит - кислотостойкая пластическая масса, получаемая на
основе феноло-формальдегидной резольной смолы и кислотостойко-
го наполнителя - графита, асбеста или кварцеврго песка;
- лакокрасочные материалы, включающие грунты,шпатлевки,лаки,
краски и эмали, предназначенные для защиты от атмосферных воз-
действий (окружающей среды), химических сред, а также повышен-
ных температур, имеют в своей основе перхлорвиниловые, феноль-
ные, фторпроизводные, фуриловые, эпоксидные смолы.
Химическую стойкость полимерных материалов определяют по из-
менению массы или объема, иногда размеров образца, прочности и
эластичности, твердости, диэлектрических свойств.
Высокая агрессивность горячих растворов серной, фосфорной и
кремнефтористоводородной кислот требует специальной антикорро-
зионной защиты аппаратуры и оборудования как в дигидратном, так
и в полугидратном процессе. Стальные корпуса экстракторов по спе-
циально подготовленной поверхности покрывают латексной компо-
зицией "Полан-М" или "Полан-2М", железобетонные - "Полан-Б".Да-
лее футеруют кислотоупорным кирпичом на силикатных замазках (ан-
дезитовая или диабазовая) и углеграфитовыми материалами на за-
мазке арзамит-5.
В процессе работы поверхность футеровки покрывается тонким
слоем гарнисажа, который защищает ее от истирания. В днище эк-
стракторе под мешалками монтируют лист из нержавеющей стали
06ХН28ВДТ (ЭИ-943) или 03Х21Н21М41Б (ЗИ-35). Валы и лопасти ме-
шалок, крышки, трубопроводы пульпы и ЭФК изготовляют из сплава
06ХН28ВДТ или стали 03Х21Н21М4ГБ. Валы мешалок защищают от воз-
действия фтора в газовой фазе и на границе раздела фаз эбони-
тами.
Опыт эксплуатации аппаратуры и оборудования в производстве
экстракционной фосфорной кислоты показал, что сплав 06ХН28МДТ
подвержен межкристаллитной коррозии в области сварных швов, а
сталь 03Х21Н21М4ГБ устойчива к ней.
Вакуум-испаритель изготовлен из стали, защищен антикоррози-
онной латексной композицией "Полан", футерован плиткой ATM-I и
угольными блоками на замазке арзамит-5.
Оборотные баки (фильтратные) выполняются из сплава 06ХН28ЦДТ,
футеруются углеграфитовыми материалами на замазке арзамит-5 по
подслою латексной композиции "Полан" или резины I75I-7.
Для футеровки технологических абсорберов используются угле-
графитовые материалы на замазке арзамит-5 по подслою латексной
композиции "Полан". Несущие конструкции под насадку изготавли-
ваются из сплава 06ХН28ЦЦТ, насадке из полипропилена.
Для защиты крышек ряда аппаратов применяется гуммирование хи-
мически стойкими полуэбонитами марок 60-343, 1751-7, 51-1627.
Газоходы систем абсорбции больших диаметров футеруют плит-
кой ATM-I на замазке арзамит-5 по подслою латексной композиции
"Полан", газоходы малых диаметров изготавливают из армированно-
го полипропилена и гуммируют полуэбонитами марок 51-1627,60-343.
Глава 7. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Основная цель социалистического производства - все более
полное удовлетворение растущих материальных и культурных потреб-
ностей народа путем непрерывного развития и совершенствования
общественного производства. Прш выборе средств и способов дости-
жения этой цели нужно руководствоваться принципом наименьших
затрат общественного труда, то есть наибольшей их экономической
эффективностью. В условиях социалистического хозяйства эффек-
тивными следует считать такие затраты, которые способствуют по-
лучению максимально возможного прироста продукции и прибыли на
каждый рубль затрат в наиболее короткие сроки.
Уровень экономической эффективности может быть измерен не ка-
ким-то одним показателем, а лишь системой показателей. К основ-
ным показателям экономической эффективности относятся: удельные
капитальные вложения, себестоимость продукции, производитель-
ность труда, приведенные затраты.
Удельные капитальные вложения в производственные фонды опре-
деляются путем деления среднегодовой стоимости производствен-
ных фондов (или капитальных затрат) нэ объем выпуска продукции
в данном году:
К = .
А
В состав капитальных вложений (Кд) включаются затраты:
- на пршобретение машин и оборудования, включая расходы на
их доставку и монтаж;
- на строительно-монтажные работы, модернизацию оборудования;
- на пополнение оборотных фондов;
- на проектно-конструкторские и геологоразведочные работы.
Себестоимость представляет собой совокупность материальных
и трудовых затрат в денежном выражении на изготовление и реали-
58
зэцию продукции. Себестоимость показывает, во что обходится
предприятию выпускаемая им продукция. Различают цеховую, завод-
скую и полную или коммерческую себестоимость продукции.
Цеховая себестоимость включает затраты цеха на производство
продукции. Заводская себестоимость дополнительно к цеховой
включает затраты завода на содержание управленческого аппарата,
общезаводских вспомогательных служб и др. Полная себестоимость
включает дополнительно к заводской затраты на транспортирова-
ние продукции и ее реализацию.
Себестоимость продукции определяется расчетом, называемым
калькуляцией. Калькуляция составляется ежемесячно, ежекварталь-
но и за год.
Таблица 10. Основные затраты
на производство I т ЭФК (в пересчете на 100 % Р2о5)
Затраты j ЙГ- • j г ! Цена, ! ! р. ! I 1 Сумма г Р- i %
Сырье и материалы
Апатитовый концентрат, т 2,715 27...38 74,35 32,9
Серная кислота, моногидрат, т 2,518 35...65 89,79 39,7
Отходы (исключаются) Кислота кремнефтористоводород- ная, т 0,0426 18...00 0,77 0,3
Итого: 163,37 72,3
Энергия вд техкодогичеокве цеди Электроэнергия, кВт.ч 168,538 0...0I78 3,01 1,3
Пар, Гкал 1,159 6...2917 7,30 3,3
Вода промышленная, м3 220,86 0...0095 2,12 0,9
Сжатый воздух, тыс. м3 0,4559 3...88I7 1,77 0,8
Итого: 14,20 6,3
Заработная плата производствен- ных рабочих, р. Отчисления нэ социальное стра- - 1,17 0,5
хование, р. - 0,16 0,1
59
Окончание табл. 10
Затраты I I 1 ! Коли- ! Цена, ! Сумма ! чество ! р. ! „ ! а ! ! ! ₽• ! *
Содержание и эксплуатация оборудования, р. Цеховые расходы, р. Цеховая себестоимость, р. Общезаводские расходы, р. Заводская себестоимость, р. 32,39 14,3 8,73 3,9 220,02 - 5,47 2,4 225,49 -
Из приведенных данных видно, что более 70 % затрат приходит-
ся на сырье: апатит и серную кислоту.
Отсюда следует, что повышение коэффициента разложения апати-
та и степени отмывки фосфогипса, а также снижение механических
потерь имеют важнейшее значение для снижения себестоимости эк-
стракционной фосфорной кислоты.
Важнейшими путями снижения себестоимости являются повыше-
ние производительности труда, сокращение материальных затрат,
более полная загрузка оборудования.
Снижение себестоимости продукции имеет огромное народнохозяй-
ственное значение. В целом по стране снижение себестоимости
только на I % дает экономию около 4,5 млрд р. Этих средств до-
статочно для строительства 9 тыс. стоквартирных домов. В две-
надцатой пятилетке предусматривается снизить себестоимость про-
дукции в промышленности на 4...5 %, в том числе в химической
промышленности на 7...9 %.
Показатель приведенных затрат представляет собой сумму теку-
щих затрат (себестоимости) и капитальных вложений, приведенных
к одинаковой размерности в соответствии с нормативом эффектив-
ности :
3 = С + EjjK,
где 3 - удельные приведенные затраты,
С <- себестоимость единицы продукции, р.
К - удельные капитальные вложения в производственные фон-
ды, р.
Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вло-
жений.
60
Глава 8. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
Основа безопасной работа в производстве фосфорной кислота -
обязательное выполнение всех нормативных документов, требований
инструкций, знание оборудования, технологических процессов и
высокая трудовая дисциплина.
К работе в производстве фосфорной кислоты допускаются лица,
достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинский осмотр,
сдавшие экзамен квалификационной комиссии на знание правил,тре-
бований инструкций, владение практическими навыками безопасно-
го проведения работ. На каждое рабочее место составляется рабо-
чая инструкция, в которой в разделе "Основные правила техники
безопасности" отражаются безопасные приемы работа, специфичные
для этого рабочего места.
Проверка знаний рабочих в объеме требований инструкций для
каждой профессии проводится ежегодно. Внеочередная проверка зна-
ний может быть назначена при введении в действие новых или пе-
реработанных инструкций по безопасному выполнению работ, при
нарушении правил техники безопасности или инструкции по безо-
пасным методам работ, после несчастного случая или аварии, про-
исшедших на предприятии или в цехе из-за нарушения работающими
правил техники безопасности, при установлении фактов неудовлет-
ворительного знания работающими инструкций по рабочему месту и
технике безопасности.
При неудовлетворительной оценке знаний рабочего распорякени-
ем по цеху устанавливается новый срок обучения (не более 20 дней)
и дата повторной проверки знаний. До повторной проверки "знаний
работник не имеет права работать самостоятельно.
Если неудовлетворительная оценка получена в ходе повторной
проверки знаний, квалификационная комиссия делает заключение о
непригодности рабочего к выполнению возлагаемых на него обязан-
ностей по данному рабочему месту. Это заключение служит основа-
нием для перевода рабочего на другую работу.
Получая допуск к самостоятельной работе, рабочий проходит ин-
структаж по данному рабочему месту. Периодичность повторного ин-
структажа устанавливается через 6 месяцев после проверки зна-
ний.
Все работающие в производстве фосфорной кислоты пользуются
61
спецодеждой и индивидуальными средствами защиты по действующим
нормам. При выполнении работ рабочий должен быть одет в спец-
одежду и иметь при себе индивидуальные средства защиты (проти-
вогаз, защитные очки, респиратор, резиновые перчатки или рука-
вицы).
В производстве фосфорной кислоты выделяются вредные вещества
(фтористые газы, пари фосфорной кислоты, сернистый газ, фосфат-
ная пыль). Они оказывают вредное воздействие на организм чело-
века, и выделение их в атмосферу рабочих помещений в пределах
выше предельно допустимых концентраций (ПДК) - не допустимо.Все
оборудование должно быть герметично.
Выделение вредных веществ при нарушении герметичности обору-
дования, коммуникаций может привести к отравлению людей, нахо-
дящихся в производственном помещении, на территории предприятия
или за ее пределами.
Для ликвидации возможных аварийных ситуаций в каждом цехе
разрабатывается план ликвидации аварий, утверждаемый главным ин-
женером предприятия. Знание плана ликвидации аварий проверяется
экзаменационной комиссией при допуске рабочих и ИТР к самостоя-
тельной работе. Лица, не знающие плана ликвидации аварий в тре-
буемом объеме, к самостоятельной работе не допускаются.
В процессе подготовки оборудования к ремонту и во время
ремонта может возникнуть необходимость проведения газоопасных
работ. К газоопасным относятся работы, связанные с осмотром,
чисткой, ремонтом, разгерметизацией технологического оборудова-
ния, коммуникаций (в том числе внутри емкостей), при проведении
которых имеется или не исключена возможность выделения в рабо-
чую зону паров, газов я других веществ, способных вызвать взрыв,
загорание, оказать вредное воздействие на организм человека и
др.
Газоопасные работы проводятся в том случае, когда они не мо-
гут быть механизированы и проведены без непосредственного уча-
стия людей. Для их проведения оформляется наряд-допуск,где пре-
дусматривается порядок подготовки и проведения работ и сдачи
оборудования после их окончания.
Запрещается проведение любых видов работ на движущихся меха-
низмах, не имеющих защитных ограждений. Обслуживающие площадки,
переходы должны иметь ограждения. Люки на емкостях, экстракто-
62
pax должны быть закрыты и закреплены болтами до включения их в
работу.
Запрещается проведение всех видов ремонтных работ аппаратов,
материалопроводов, агрегатов, находящихся под давлением. Перед
проведением ремонтных работ аппараты должны быть промыты, осу-
шены, кислотные остатки нейтрализованы известью или содой. Ор-
ганизация проведения ремонтных работ осуществляется в соответ-
ствии с инструкцией "О подготовке оборудования к ремонту, про-
ведении ремонта, и сдаче его в эксплуатацию после ремонта".
Отборы проб фосфорной или серной кислоты, пульпы производят-
ся в защитных очках и резиновых перчатках. Попавшую на тело кис-
лоту следует немедленно смыть обильным количеством воды и об-
работать пораженное место 5 %-ным раствором перманганата калия.
Пары фосфорной и полифосфорной кислот раздражают слизистые
верхних дыхательных путей, вызывают воспаление слизистых глаз
и носоглотки. В некоторых случаях могут открыться носовые кро-
вотечения, появиться сухость в носу и глотке. При попадании фос-
форной кислоты на открытые участки тела наблюдаются химические
ожоги.
Фтористые газы выделяются на вакуум-фильтрах из пульпы, по-
ступающей на фильтрацию. ^Предельно допустимая концентрация фто-
ристых газов в рабочем помещении 0,001 мг/л^ Попадая в органы
дыхания, они раздражают слизистые оболочки, оказывают общее от-
равляющее действие на организм.
Попавшая нэ кожу кремнефтористоводородная кислота вызывает
жжение и воспаление кожи, а также появление синих пятен на ног-
тях. При этом образуются долго не заживающие язвы.
Для защиты от поражения кислотами применяются очки и резино-
вые перчатки. Если кислота попала на колу или в глаза, ее не-
обходимо смыть обильным количеством воды и обратиться в мед-
пункт.
Сернистый ангидрид оказывает раздражающее действие на сли-
зистые оболочки. При больших концентрациях вызывает удушье и
отек легких. ПДК SO2 0,01 мг/л.
Серная кислота действует на кожный покров человека сильнее,
чем фосфорная кислота. Попавшую нэ открытые участки тела, ее не-
обходимо смыть обильным количеством воды, после чего обратиться
в медпункт.
63
Для защиты органов дыхания от фтористых и сернистых газов при-
меняется фильтрующий противогаз с коробкой марки БКФ или Е.
Экстракционная пульпа представляет собой смесь фосфорной,сер-
ной, кремнефтористоводородной кислот и сульфата кальция, темпе-
ратура которой до 100 °C. При попадании на открытые участки те-
ла она может причинить химический и термический ожоги,
ПДК фосфатной пыли в рабочих помещениях 0,005 мг/л. Длитель-
ная работа в запыленной атмосфере приводит к заболеванию сили-
козом. Для защиты от фосфатной пыли служит респиратор.
На всех рабочих местах в производстве фосфорной кислоты долж-
ны быть аптечки с комплектом медикаментов для оказания первой
медицинской помощи. Все работающие должны уметь оказать первую
помощь при ожогах кислотой и других травмах.
При работе с электрооборудованием нужно соблюдать правила
злектробезопасности. В случае остановки электроприводов на ре-
монт электродвигатель должен быть обесточен и на пускателе вы-
вешен плакат "Не включать, работают люди".
Все ремонтные работы электрооборудования проводятся только
работниками электрослужбы. Попавшего под напряжение необходимо
освободить от действия тока, оказать первую медицинскую помощь
и вызвать скорую помощь.
При работе с фосфорной кислотой нужно строго соблюдать пра-
вила личной гигиены. Спецодежда должна быть чистая. Пищу необ-
ходимо принимать только в помещениях, отведенных для приема пи-
щи, перед едой мыть руки с мылом и полоскать полость рте. После
окончания работы следует принимать душ.
Глава 9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭФК
9.1. Введение
Материальный расчет процесса выполняется с целью определения
материальных потоков по стадиям и служит основным отправным мо-
ментом при расчете и выборе технологического оборудования. Зна-
ние принципов расчета и материальных потоков позволяет глубже
понимать технологический процесс в комплексе, оперативнее выяв-
лять и устранять возникающие технологические неполадки. Управ-
ление процессом с помощью автоматизированных систем вообще не-
64
возможно без детального знания материальных потоков и закономер-
ностей их изменения в различных ситуациях.
Тепловой расчет определяет источники выделения теплоты и теп-
ловые потери. На основании его определяется избыточная тепло-
та процесса и рассчитывается аппаратура для снятия этой теплоты.
Ввиду того, что базовым показателем производстве ЭФК являет-
ся нагрузка на систему по фосфату, расчет выполняется на I т
фосфата. В этом случае легко применять цифровой материал расче-
та к конкретному производству, увеличив числовые данные на ча-
совую нагрузку системы.
В пособии даны три варианта расчета: для хибинского апатито-
вого концентрата в дигидратном и полугидратном процессах и для
фосфоритного концентрата Каратау в дигидратном процессе.
Серная кислота во всех случаях применяется концентрировен-г
ная без предварительного разбавления.
Вода в процессе учитывается в трех видах. Структурная вода -
входит в молекулу химического соединения. Например: 2Н3Р04(ЗН20х
х?2О5), HgS04(H20.S03). Кристаллизационная вода - входит в кри-
сталлическую решетку веществе. Например: CaSO4«2HgO, CaSO^x
хО,5Н2о. Свободная вода - не связана в химические соединения и
не входит в кристаллическую решетку. Является средой, раствори-
телем.
9.2. Исходные данные для расчета
Состав фосфатного сырья
Хибинский апатитовый концентрат,массовая доля, %:
р2о5.............................................39,4
СаО............................................. 52,0
р................................................ 3,0
В?03.............................................. 0,8
Н20...............................................1,0
MgO............................................ 0,15
Фосфоритный концентрат Каратау, массовая доля, %:
р2о5.............................................24,5
СаО .............................................42,0
MgO...............................................3,0
СО2...............................................8,0
HgO..............................................1,0
65
R2°3..............................................
сорг..............................................
Коэффициент извлечения
96,5
Р205 в раствор, %
Коэффициент отмывки фосфоритного полу-
гидрата, %
Коэффициент аналитического выхода, %
Коэффициент хозяйственного выхода, %
Концентрация продукционной ЭФК, %
р2°5
98,0
98,0
96,0
94,5
29,0
97,5
98,0 97,5
95,5 94,1
94,0 92,6
36,0 20,0
* Д, П - дигидратный и полугидратный процессы на хибинском
апатитовом концентрате.
306 КД - дигидратный процесс на фосфоритном концентрате Ка-
ратау.
9.3. Материальные потоки на 10 00 кг
фосфата
9.3.1. Хибинский апатитовый концентрат - 1000 кг
В том числе, кг:
?2°5 ’ ’ • ..........................• - • 394
СаО.................................... ^20
F...........................................
HgO.........................................
9.3.2. Фосфоритный концентрат Карэтэу - 1000 кг
В том числе, кг:
р2о5
СаО
F .
MgO
СО2
®2°3
н2о
................................................
................................................ 420
.................................................................................................28
..................................................................................................................................................................................................30
.................................................80
ч
..............................................25
................................................
66
9.3.3. Серная кислота
Массе 100 %-ной серной кислоты (кг), взаимодейству
I и
(ей с ОДО
фосфатного сырья, рассчитывается по уравнению
СаО + H2SO. - CaSO4 + HgO;
56 кг СаО
I КГ СаО
98 КГ H2S0
X КГ НЛ80
= Ь98 = 1>75
На I кг СаО расходуется 1,75 кг 100 %-нрЙ H2SO>. На приме-
си, содержащиеся в фосфатном сырье, также расходуется серная
кислота. В хибинском апатитовом концентрате количество приме-
сей незначительно, поэтому норма расхода серной кислоты соот-
ветствует стехиометрическому расчету на СаО.
««№.11!
форитов Карэтау эта норма принимается за ТОТ %
/
Расход серной кислоты на I т хибинского апатитового концент-
рата:
1,75-520 = 910 кг 100 %-яой H9SO,,
2 4’
в пересчете на 93 %-ную H2so.:
212- = 978,5 кг,
0,93
в том числе Н2О 68,5 кг;
на I т фосфоритного концентрата Каратау:
1,75-420-1,01 == 742,4 кг 100 %-ной Н^,
в пересчете на 93 %-ную H2so.s
= 798,3 кг,
0,93
в том числе Н2О 56,9 кг,
где 520 и 420 - количество СаО на I т хибинского апатитово-
го концентрата и фосфоритного концентрата Ка-
ратау, кг.
9.3.4. Продукционная фосфорная кислота
Количество продукционной фосфорной кислоты рассчитывается по
формуле:
I000-a-Kp-Ko-I00
B.I00-I00-I00-I00 *
где 1000 - количество фосфата, кг;
а - массовая доля pgo5 в фосфате, %;
в - массовая доля pgo5 в продукционной фосфорной кис-
лоте, %;
к - коэффициент разложения фосфата, %;
- коэффициент отмывки осадка, %.
Хд^иискдй апатитовый к ? н ц е н т ? 9 т
дигидратный процесс, кг:
1000*39,4*98,0*98,0*100 = 1304 8
29,0*100*100*100
в том числе, кг (%):
р2О5 ................................... 378,4
Н,РО, .................................. 522,0 (40,0)
3 4
Н20 .................................... 724,1 (55,5)
прочие..................................58,7 (4,5)
(прочие: CaS04 растворенный - 0,3 %; CaSO4*2Hgo твердый -
1,5 %; н2о3 - 1,3 %; F - 1,4 %);
полугидратный процесс, кг:
1000*39,4*97,5*98,0*100 _ 7
36.100. К». их> • ’
в том числе, кг (%):
Р205 ................................... 376,5 (36)
Н3РО4 .................................. 519,6 (49,7)
Н20 .................................... 462,3 (44,2)
прочие .................................63,8 (6,1)
(прочие: CaS04 растворенный - 0,5 %; CaS04*0,5H20 твердый -
1,5 %; В203 - 2,4%; F — 1,7 %).
фосфоритный___________к о j< a,.fe ц .? у т_Ка Da-
ta т ____В_£_1
20*100*100*100
в том числе, кг (%):
Р2О5 .......................................... 230,5 (20)
Н,РО. ......................................... 318,1 (27,6)
Н2О ........................................... 746,9 (64,8)
прочие.........................................87,6 (7,6)
68
(прочие: Caso^ растворенный - 0,1 %; СаБО4»2Н2с твердый -
1,5 %; R2O3 - 2,0 %; F - 1,5 %; MgO - 2,5 %).
9.3.5. Продукционная пульпа
Продукционной пульпой называется та часть пульпы,которая по-
дается на вакуум-фильтр. Ее количество определяется содержанием
твердых в пульпе и выходом твердого осадка на I т фосфата.
Принимаем содержание твердых в пульпе для всех процессов 30 %
(Т:Ж = 1:2,3), тогда выход твердого осадка для каждого процес-
са следующий:
Хибинский епдтитоунй концентрат
дигидратный процесс, к г;
1600»100 = 5ззз з
30
в том числе, кг:
твердого осадка ....................... 1600,0
кристаллизационной воды в нем............ 320,0 ( 20 %)
фосфорной кислоты ...................... 3733,3 (29 % ?2О5),
где 1600 - выход твердого осадка для дигидратного процесса
нэ хибинском апатитовом концентрате (гипсовое
число);
полугидратный процесс, кг:
1400» 1,00 = 46бб,7,
30
в том числе, кг:
твердого осадка ......................... 1400,0
кристаллизационной воды в нем............98,0 (7 %)
фосфорной кислоты................... . . 3266,7 ( 36 % PgO5),
где 1400 - выход твердого осадка для полугидратного процесса
на хибинском апатитовом концентрате.
Фосфоритный концентрат__________________Кара-
Т 8 у , к г :
1450»100 _ 48зз з
30
в том числе, кг:
твердого осадка . . ................... 1450,0
кристаллизационной воды в нем............ 246,5 (17 %)
фосфорной кислоты ...................... 3383,3 (20 % Р2О5),
69
где 1450 - выход твердого осадка для дигидратного процесса
не фосфоритном концентрате Каратау (гипсовое
число).
9.3.6. Раствор разбавления фосфорной кислоты
Раствор разбавления - это смесь промывного раствора (второго
фильтрата) и оборотной фосфорной кислоты (части первого филь-
трата, передаваемого из сборника первого фильтрата в сборник
второго фильтрата), то есть раствор разбавления - это фосфорная
кислота, выведенная на вакуум-фильтр с пульпой, за вычетом про-
дукционного количества и добавлением воды, вводимой в процесс
через стадию промывки осадка.
В процесс фосфорной кислоты возвращается (см.пп. 9.3.4 и
9.3.5):
Хибцисдий апатитовый концент-
Р. а £ л_К..Г.
дигидратный процесс :
3733,3 - 1304,8 = 2428,5;
полугидрэтный процесс :
3266,7 - 1045,7 = 2221,0.
Фосфоритный концентрат Кара-
та у , кг:
3383,3 - 1152,6 = 2230,7
Количество воды, вводимой в процесс, определяется по матери-
альному балансу, приведенному в табл. II.
Приход - вводимая вода - это вода, прошедшая через "пирог"
при волной промывке, без учета воды, удаленной с влажным осад-
ком, и вода, поступившая с апатитом и серной кислотой.
Расход - вода, выведенная из процесса с продукционной фосфор-
ной кислотой (без учета структурной воды), вода выведенная из
процесса в виде кристаллизационной воды осадке сульфата кальция,
вода испаренная при охлаждении пульпы и в процессе фильтрации.
Количество раствора разбавления
X и б»и некий апатитовый концент-
рат, кг:
дигидратный процесс :
2428,5 + 1225,6 = 3654,6 (19,3 % Р2О5);
70
Таблица II. Материальный баланс вода в процессе
Расход, кг } Д । П । КД С продукционной фосфор- 724,1 462,3 746,9 ной кислотой (см. п. 9.3.4) С осадком (кристаллиза- 320 98 246,5 ционная вода) (см. п. 9.3.5) Вода, испаренная при 260 220 230 охлаждении пульпы и при фильтрации Итого: 1304,1 780,3 1223,4
полугидратный процесс :
2221,0 + 701,8 = 2922,8 (27,4 % P-Oj
Фосфоритный концентрат К а р а -
т а у ._к г :
2230,7 + 1157,5 = 3388,2 (13,2 % Р205)
9.3.7. Вода, подаваемая на промывку осадка при фильтрации
Вода в процесс поступает через стадию промывки осадка. Ее
количество рассчитано в п. 9.3.6. Кроме этого, на промывку осад-
ка должна быть подана вода, которая уходит с отмытым осадком в
виде свободной (гигроскопической) воды. Ее количество рассчиты-'
веется, исходя из содержания в осадке. Для дигидратного процес-
са на хибинском апатитовом концентрате и фосфоритном концентра-
те Каратау принимаем 27 %, а для полугидрэтного - 20 %.
Хибинский апатитовый концент-
рат., кг;
дигидратный процесс:
1®0д27 = 591,8;
73
общее количество воды на промывку осадка:
591,8 + 1225,6 = 1817,4;
полугидратный процесс:
ИООдЗО _ 35Q 0 .
80
общее количество воды на промывку осадка:
350,0 + 701,8 = 1051,8;
фосфоритный концентрат Кара-
тау, кг:
И50д27 = 53g 3
73
общее количество воды на промывку осадка:
536,3 + 1157,5 = 1693,8,
где 27 и 73 - содержание свободной воды и твердого вещества
в осадке с фильтра, соответственно;
1400, 1600, 1450 - выход сухого осадка в дигидратном,
полугидратном и дигидратном на фос-
форитном концентрате Каратау процес-
сах соответственно.
72
9.3.8. Основная фильтрация
Пульпа на фильтрацию поступает из экстрактора (см. п. 9.3.5).
После основной фильтрации получается осадок не фильтре и жид-
кая фаза, часть которой выводится как продукционная кислота
(см. п. 9.3.4),. а часть как оборотная кислота возвращается в
экстрактор. Принимаем содержание жидкой фазы в осадке на филь-
тре после основной фильтрации 55 % для дигидратного процесса
и 50 % для полугидратного. Тогда количество жидкой фазы вы-
числим по отношению к твердому осадку, количество которого не
меняется.
Хибинский апатитовый концент-
рат, кг:
дигидратный процесс:
1600-55 _ 1955 6 .
45
полугидратный процесс:
1400.-,50 _ 1400,0.
50
Фосфоритный концентрат Кара-
тау, кг:
1450-55 _ 1772,2.
45
Остальное количество жидкой фазы уходит в виде первого филь-
трата. Баланс приведен в табл. 12.
9.3.9. Первая промывка осадка
На зону первой промывки осадка поступает влажный шлам после
основной фильтрации и третий фильтрат, который образовался из
воды, вводимой через промывку осадка в систему и отмытой от шла-
ма на второй и третьей промывках фосфорной кислоты. Из практи-
ческих данных концентрацию третьего фильтрата принимаем для
дигидратного и полугидратного процессов на хибинском апатитовом
концентрате 12 и 18 % соответственно, для фосфоритного концент-
рата Каратау 8 %. Количество третьего фильтрата определяется по
разнице в материальном балансе первой промывки. Данные приведе-
ны в табл. 13.
73
Таблица 12» Материальный баланс основной фильтрации
Приэод, кг j ДГп j кд j Расход, кг ! Д I П I КД
1 — ---------------------------------------- --- ------- ---- _ _ 1 ци •—,-J
Пульпа из экстрактора: 5333,3 4666,7 4833,3 Влажный осадок: 3555,6 2800,0 ЗШ,2
твердая фаза 1600,0 1400,0 1450,0 твердая фаза 1600,0 1400,0 1450,0
жидкая фаза 3733,3 3266,7 3383,3 жидкая фаза 1955,6 1400,0 1772,2
Р2О5 в ней 1082,7 1176,0' 676,6 Р205 в ней 567,1 504,0 354,4
Первый фильтрат 1777,7 1866,7 1611,1
Р205 в нем 515,6 672,0 322,2
в том числе:
- продукционная
кислота 1304,8 1045,7 1152,6
Р2О5 в ней 378,4 376,5 230,5
- оборотный раствор 472,9 821,0 458,5
___________________________________________________ Р2о5 в нем_________137,1 295,6 91,7
Итого: 5333,3 4666,7 4833,3 Итого: 5333,3 4666,7 4833,3
В том числе Р2О5 1082,7 1176,0 676,6 В том числе р2О5 1082,7 1176,0 676,6
с
Таблица 13. Материальный баланс первой промывки
Приход, кг
Расход, кг
Влажный осадок:
твердая фаза
жидкая фаза
р2о5 в ней
Третий фильтрат
ро0с в нем
с 5
3555,6
1600,0
1955,0
2087,I
2800,0
1400,0
1400,0
504,0
1301,8
234,3
3222,2
1450,0
1772,2
354,4
1938,3
Влажный осадок:
твердая фаза
жидкая фаза
р2о5 в ней
Второй фильтрат
в нем
2461,5 2000,0
1600,О
861,5
258,4
3181,2
559,2
1400,0
600,0
2101,8
496,1
2230,8
1450,0
780,8
161,2
2929,7
348,3
Итого:
В том числе Ро0
5642,7 4101,8
817,6 738,3
5160,5 Итого:
509,5 В том числе Р2О5
5642,7 4101,8 5160,5
817,6 738,3 509,5
Из зоны первой промывки удаляется влажный осадок. Количество
жидкой фазы в нем рассчитываем, принимая ее содержание для ди-
гидратного процесса 35 % и для полугидратного 30 %, так как со-
держание твердой фазы остается постоянным.
Хибинский_______апатитовый концент-
рат, кг;
дигидратный процесс:
1600-35 _ 861 5
65
всего шлама:
1600 + 861,5 = 2461,5;
полугидратный процесс:
HQ0.:.30 = боо,о,
70
всего шлама:
1400 + 600,0 = 2000,0.
Фосфоритный концентрат Кара-
тау, кг:
1450-35 _ 7qq g
65
всего шлама:
1450 + 780,8 = 2230,8.
Содержание Р2о^ в жидкой фазе шлама определяется по раз-
нице в балансе (см. табл. 12).
Второй фильтрат образуется из воды, поступающей в систему
через промывку осэдка и жидкой фазы осадка после зоны основной
фильтрации.
Хибинский_______апатитовый концент-
рат, кг:
дигидратный процесс:
1225 + 1955,6 = 3181,2,
Р2о5 в нем:
1955,6-0,29 - 394-0,02 = 559,2;
полугидратный процесс :
701*8 + 1400,0 = 2101,8,
Р2о5 в нем:
1400,0-0,36 - 394-0,02 = 496,1.
76
Фосфоритный концентрат К а р а -
Т..8-У-._к.Е,:
1157,5 + 1772,2 = 2929,7,
Р205 в нем:
1772,2-0,2 - 245-0,025 = 348,3.
9.3.10. Вторая промывка осадка
На зону второй промывки осадка поступает влажный шлам после
первой промывки и четвертый фильтрат, который образовался из
вода, вводимой через стадию промывки осадка в систему и отмы-
той от шлама на третьей промывке фосфорной кислоты. Из практи-
ческих данных концентрацию четвертого фильтрата принимаем для
дигидратного и полугидратного процессов на хибинском апатито-
вом концентрате 3 и 4 % Р2о^ соответственно, для фосфоритно-
го концентрата Каратэу 2 % Р2о5. Количество четвертого филь-
трата определяется по разнице в материальном балансе второй
промывки. Данные представлены в табл. 14.
Из зоны второй промывки удаляется третий фильтрат и влажный
осадок. Количество осэдка рассчитываем, принимая содержание жид-
кой фазы 30 % для дигидратного процесса и 24 % для полугидрат-
ного, так как содержание твердой фазы остается постоянным.
Хибинский_________апатитовый_________к о н ц е н т-
Р Э т , кг:
дигидратн>й процесс:
1600-100 _ 2285,7,
70
жидкой фазы:
2285-0,3 = 685,7;
полугидратный процесс:
HOQ-JQQ _ 1842,1,
76
жидкой фазы:
1842,1-0,24 = 442,1.
Фосфоритный концентрат Кара-
тау, кг;
1.450 -100 _ 2071,4,
70
жидкой фазы:
2071,4-0,3 = 621,4.
77
Таблица 14. Материальный баланс второй промывки
д п кд 2285,7 1842,1 2071,4 1600,0 1400,0 1450,0 Vf О СМ V? СО vT О CQ ID ID 3 ° ,1 1301,8 1938,3 ,5 234,3 155,1 4372,8 3143,9 4009,7 315,7 288,0 196,8
со о СХ2 250,
• . co ш о
о зеф : IOKB со со О ф tt & £ не» си Рч Ф
и о со О txj ° § д к >е< да 0
£ В Ф Э да й o' с\ о OJ О S
J c ? ₽ S р< е* а тог g
p 3 ы S РЗ
co о 00 0Q (Л CD о СО
$ ? 8 S СО аэ 35, 60 CD СП
о e J sf Г4" ы 40
о о о CQ СП СП О
2000, 1400, о о CQ •sT со in 43, СО со
СО CQ я 31 0Q
— —* ID О • * LD << со • со со £>
t=t ьч О CD О CD со LD 57 С\Г со LD СО
— CQ И
а ш
£ i m СО d S S о CXJ
с г СО со ф § ен №
g а >ы< >& ф
j с *5 8 § а ф да со g ш о (XJ « g ф ш О CXJ о о £
е< й 3< да р« р О
р 1 ф гг Ит< РЗ
78
Содержание Р2о5 в жидкой фазе шлама определяем по разнице
в балансе (см. табл. 13).
9.3.II. Третья промывка осадка
На зону третьей промывки осадка поступают влажный шлам после
второй промывки и вода, подаваемая на промывку осадка.Часть во-
ды поступает в систему (см. п. 9.3.6), а остальное количество
уходит с влажным шламом (см. п. 9.3.7). Материальный баланс при-
веден в табл. 15.
Сводные схемы материальных потоков для дигидратного и полу-
гидратного процессов на хибинском апатитовом концентрате даны
на рис. 16,17, а для фосфоритного концентрата Каратау - на рис.
18.
9.4. Тепловой расчет экстрактора
Цриход теплоты
С апатитовым концентратом
или фосфоритным концентратом Каратау, кДж(ккал):
Q1 = 1000-0,795.20 = 15900 (3800,0),
где 1000 - масса фосфата, кг;
0,795 - удельная теплоемкость фосфата, кДж/кг.К; принята
одинаковой для апатитового концентрата и фосфо-
ритного концентрата Каратау;
20 - температура, °C.
С серной кислотой (93 %-ная HgSO^),кДж(ккал):
хибинский апатитовый концентрат,
дигидратный и полугидратный про-
цессы ;
q2 = 978,5.1,546-40 = 60510 (14462);
фосфоритный концентрат Кара-
тау:
Qg = 798,3.1,546-40 = 49367 (II799),
где 978,5 и 798,3 - расход серной кислоты 93 %-ной на тонну
хибинского апатитового концентрата и фос-
форитного концентрата Каратау соответст-
венно, КГ}
1,546 - удельная теплоемкость 93 ^-ной H2so4, кДж/кг-К;
40 - температура, °C.
79
80
Таблица 15. Материальный баланс третьей промывки
H-SO. 978,5 кг
«4
/
Апатит 1000 кг
2
РоО
Раствор
разбавления
Экстрактор
Оборотная ЭФК
^472,0 кг
Р205 137,1 кг
Ф2 3181,2 кг
Основная
фильтрация
Пульпа 5333,3 кг
Осадок 1600,0 кг
ЭФК (29,0 % Р2О5) 3733,3 кг
Продукционная ЭФК 1304,8 кг
Р2О5 378,4 кг
Кек 3555,6 кг
Твердая фазе 1600 кг
Жидкая фаза 1955,6 кг Р2°5
Первая
промывка
р205 559,2 кг ------—— —
Кек 2461,5 кг
Твердая фаза 1600 кг
Жидкая фаза 861,5 кг Р20^
Вторая
промывка
Ф, 1911,3 кг
Третья
промывка
Р20^ 250,5 кг
Кек 2285,7 кг
Твердая фаза 1600 кг
। Жидкая фаза 685,7 кг
Н2о 1817,4 кг
р2°5
Кек 2191,8 кг
Твердая фаза 1600 кг
Жидкая фаза 591,8 кг Р2О5
Рис. 16. Балансовая схема материальных потоков
в дигидрэтном процессе на I т хибинского апатита
81
HoS0, 978,5 кг
d 4
Апатит 1000 кг
Н2О 68,5 кг
Раствор
разбавления
2922,8 кг
Экстрактор
р2°5
394 кг
Пульпа 4666,7 кг
Осадок 1400,0 кг
Оборотная ЭФК
* 821,0 кг
р2°5 295,6 кг
ГЭФК (36 % Р2О5) 3266,7 кг
I Продукционная ЭФК 1045,7 кг
Основная " - — 1 1 »
фильтрация р2о5 376,5 кг
Кек 2800,0 кг
Твердая фаза 1400 кг
Жидкая фаза 1400 кг Р2О5
504,0 кг
Ф2 2101,8 кг
Р2О5 496,1 кг
Первая
промывка
Кек 2000,0 кг
Твердая фаза 1400 кг
Фл 1143,9 кг
р2о5
Вторая
промывка
Жидкая фаза 600,0 кг Р2о^ 242,2 кг
Фо 1301,8 кг
Третья
промывка
Р20с 234,3 кг
Кек 1842,1 кг
Твердая фаза 1400 кг
у Жидкая фаза 442,1 кг P2cv
н20 1051,8 кг
Кек 1750,0 кг
Твердая фаза 1400 кг
Жидкая фаза 350,0 кг Р20с 7,9 кг
Рис. 17. Балансовая схема материальных потоков
в полугидрэтном процессе на I т хибинского апатита
о
82
HoS0. 798,3 КГ
Z 4
Фосфорит 1000 кг
н20 55,9 кг
Раствор
разбавления
3388,2 кг
Экстрактор
р205
245 кг
Пульпэ 4833,3
кг
Осадок 1450,0 кг
Оборотная ЭФК
458,5 кг
Р205 91,7 кг
Ф2 2929,7 кг
Р^% 348,3
Ф4 1778,9 кг
Р2°5 35»6 кг
Основная
фильтрация
ЭФК (20 % Po0R) 3383,3 кг
Продукционная ЭФК 1152,6 кг
ро0с 230,5 кг
z э
Кек 3222,2 кг
Твердая фазе 1450 кг
Жидкая фаза 1772,2 кг р„ос
ч z 5
Первая л -----
промывка
354,4 кг
Вторая
промывка
Кек 2230,8 кг
Твердая фаза 1450 кг
Жидкая фаза 780,8 кг Р2О^
Фо 1938,3 кг
Третья
промывка
Р205 155,I кг
Кек 2071,4 кг
Твердая фаза 1450 кг
,4 кг р205 41,7 кг
Н20 1693,8 кг
Кек 1986,3 кг
Твердая фаза 1450 кг
Жидкая фаза 536,3 кг Р?0А 6,1 кг
У
Рис. 18. Балансовая схема материальных потоков
в дигидратном процессе на I т фосфорита Каратау
83
С рествором разбавления
фосфорной кислота, дДж(ккал):
ДДуДДОВДЙ________апатитовый концентрат:
дигидратный процесс:
Q3 = 3654,1.3,31.60 = 725704 (173447);
полугидратный процесс:
Q3 = 2922,8-2,99.80 = 699134 (167097);
фосфоритный ксццентрет Каратау
<5^ = 3388,2.3,58-65 = 788434 (188440),
где 3654,1; 2922,8; 3388,2 - масса рестворе резбавления для
соответствующих процессов, кг;
3,31; 2,99; 3,58 - удельная теплоемкость растворов
резбавления для соответствующих
процессов, кДк/(кг.К);
60, 80, 65 - температура растворов резбавления для со-
ответствующих процессов, сС.
Тепловой эффект химического процесса
разложения фосфата
Тепловой эффект рассчитывается по теплотам образования ис-
ходных и конечных продуктов пс уравнению реакции. Тепловые эф-
фекта побочных реакций учитываются суммарно, исходя из содержа-
ния примесей: для апатитового концентрата на их долю принимает-
ся 7 % от теплового эффекта пс основной реакции, э для фосфо-
ритного концентрата Каратау - 12 %.
Хибинский апатитовый концентрат
Дигидратный процесс:
Са5Р(РО4)3 + 5H2SO4 + WHgO ЗН3?О4 + 5CaS04’2Hg0 + HP - Q;
6876,4 + 5*812,2 + 10.285,8 3-1279,0 + 5’2024,8 + 331,5-Q;
Q • 497,1 кДж/моль или 497100 дЦж/(кмоль) Ca5P(P04)3,
где 6876,4; 812,2; 285,8; 1279,0; 2024,8; 331,5 - теплота об-
разования соответственно Са5Р(РО4)3, H2so4, н2о, н3ро4,
CaS04’2H20, HP.
Тепловой эффект на I кмоль ₽2°5* к^ж:
4221Ш = 331400.
1.5
84
Тепловой эффект на 1000 кг апатитового концентрата,кДж (ккал):
_ 33^400*IQQQ*Qi394‘Qx98 - Э0П28 (215375),
4 142
с учетом побочных реакций:
901128*1,07 = 964207 (230451),
где 331400 - тепловой эффект на I кмоль pgo5,
1000 - масса концентрата, кг;
0,394 - массовая доля Pg0^ ® концентрате;
0,98 - коэффициент разложения;
142 - относительная молекулярная масса р2о5*
В процессе производства ЭФК используется 93 %-ная Hgso4, а
пс уравнению реакции учитывается 100 %-ная Hgso4. Поэтому не-
обходимо рассчитать и вычесть из теплового эффекта реакции теп-
ловой эффект дегидратации серной кислоты от 93 %-ной до 100 %-
ной. Тепловой эффект дегидратации вычисляем по разности теплот
образования 100 %-ной и 93 %-нсй Hgso., кДж/моль(ккал/молъ):
827,949 - 812,607 = 15,342 (3,665).
На 1000 кг апатитового концентрата расходуется 910 кг или
252 = 9,285 кмоль HoS0..
98 2 4
Тепловой эффект резбавления на 1000 кг апатита, кДи(ккал):
15,342*1000.9,285 = 142450 (34030).
В процессе получают 40 %-ную н3РО4 (массовая доля pgOj 29 %),
расчет проведен согласно уравнению реакции на 100 %-ную Н^РО^.
Поэтому необходимо учесть тепловой эффект разбавления фосфорной
кислоты от 100 %-ной до 40 %-ной, который ревен разности теплот
образования, кДж/моль(ккал/моль):
1286,065 - 1279,660 = 6,41 (1,53).
Из 1000 кг апатитового концентрата получается 532,8 кг 100%-
ной н^РО^ или 5,4372 кмоль, тепловой эффект, кДж(ккал):
6,41*1000*5,4372 = 34852 (8325).
Суммарный тепловой эффект химических процессов в экстракторе
на 1000 кг апатита, кДж(ккал):
964207 - 142450 + 34852 = 856609 (204637).
Полугидратный процесс:
Са5₽(РО4)3 + 5HgSO4 + 2,5Н20 • ЗН3РО4 + 5CaSO4*O,5HgO + HF-Q;
6876,4 + 5*812,2 + 2,5*285,8 > 3-1279,0 + 5*1578,9 + 331,5- Q;
85
Q = 411,0 кДж/моль или 411000 кДж/кмоль
Са5₽(РО4)г
Тепловой эффект на I кмоль р2о5, кДж(ккал):
41IQQQ = 274000 (65456) -
1,5
Тепловой эффект на 1000 кг апатитового концентрата,кДж(ккал):
q» _ 274000;JOQQ-0।397«0,98 _ 750721 (179427).
4 142
Тепловой эффект побочных реакций, кДж(ккал):
750721-1,07 = 803271 (I9I986).
Тепловой аффект разбавления серной кислоты будет таким же,
как и в дигидратном процессе 142450 кДж.
Тепловой эффект раэбавления фосфорной кислоты от 100 %-ной
до 49,7 %-ной Н3ро4 рассчитываем по разности теплот образова-
ния, кДж(ккал):
(1284,6 - 1279,66-1000-5,4372 = 26860 (6416).
Суммарный тепловой эффект химических.процессов в экстракто-
ре на 1000 кг апатита, кДж(ккал):
750721 - 142450 + 26860 = 635I3I (I5I727).
Фосфоритный к q к д е н т a g i______________Карате?
Тепловой эффект химического разложения сырья такой же, как
и при дигидратном процессе при использовании хибинского апати-
та, и равен 331400 кДж/кмоль ₽2°5*
Тепловой эффект на 1000 кг фосфоритного концентрата, кДж/ккал):
q' = 331400-IQQQ«Qь245-0,^7 _ 554528 (132559).
4 142
Тепловой эффект побочных реакций, кДж(ккал):
554628-1,12 = 62II83 (148466).
Тепловой эффект дегидратации H2so4 от 93 до 100 %-ной h2so4,
кДж/моль (ккэл/моль): 15,342 (3,665).
На 1000 кг фосфоритного концентрата Каратау расходуется
742,4 кг или 742Л = 7 5755 кмоль h2S0a.
98 2 4
Тепловрй эффект на 1000 кг фосфоритного концентрата,кДж(ккал):
15,342-1000-7,5755 = II6223 (27765).
Фосфорная кислота разбавляется от 100 %-ной до 27,6 %-ной
н3РО4.
86
Тепловой эффект на 1000 кг фосфоритного концентрата, кДлСккал):
(1287,74 - 1279,66)*1000*3,3292 = 26900 (6426),
где 3,3292 - количество нэРО4,получаемой из 1000 кг фосфо-
ритного концентрата, кмоль;
1287,74 - теплота образования 27,6 %-ной н^РО^, кДж;
1279,66 - теплота образования 100 %-ной н^РО^, кДж;
Суммарный тепловой эффект химических процессов в экстракто-
ре на 1000 кг фосфоритного концентрате, кДж(ккал):
62II83 - II6223 + 26900 = 531860 (127057).
Общий приход теплоты
Хибинский апатитовый ко н цент-
ра т , к Дж (ккал) :
дигидратный процесс:
15900 + 60510 + 725704 + 856609 = 1658723 (396255);
полугидратный процесс:
15900 + 60510 + 699134 + 635I3I = I4I0675 (336998).
Фосфоритный концентрат Кара-
тау, кДж(ккал):
15900 + 49367 + 788434 + 531860 = I38556I (330999)
Распад тевдАты
С продукционной пульпой
на вакуум-фильтр, кДж(ккал):
хибинский апатитовый концентрат
дигидратный процесс:
Q5 = 3733,3.2,89*75 + 1600*1.07*75 = 937593 (224068);
полугидратный процесс:
Q' = 3266,7*2,68*95 + 1400*0,782*95 = 935708 (223620);
фосфоритный концентрат Каратду
Q“ = 3383,3-3,22*80 + 1450*1,07*80 = 995658 (237951),
где 3733,3; 3266,7; 3383,3 - масса жидкой фазы в пульпе,кг;
2,89; 2,68; 3,22 - удельная теплоемкость жидкой фазы,
кДж/(кг-К);
75, 95, 80 - температура пульпы, °C;
1600, 1400, 1450 - выход осадка на 1000 кг фосфатного
сырья, кг;
1,07; 0,782 - удельная теплоемкость осадка .кДжАкг-К).
87
Потери теплота
через стенки аппаратов, кДж(ккал):
Принимаем 3 % от прихода теплота:
хибинский апатитовый концентрат:
дигидратный процесс:
Qg = 1658723.0,03 = 49762 (II894);
полугидратный процесс:
Qg = 1410675-0,03 = 42320 (I0II0);
1 с ] S ; и т .4 й_к о н е Н Т f : 7 К ? . а
Qg = 1385561-0,03 = 41567 (9930).
Количество теплоты, удаляемой принудительным охлаждением,
находится по разнице в тепловом балансе:
Qnp = Q5 + q6 + Q7;
Q7 " Qnp " Q5 " Q6;
хибинский апатитовый коццент-
P 9. Т ,_к Д ж ( к к а л ) ;
д Hq? идратный процесс:
Q? = 1658723 - 937593 - 49762 = 671368 (160384);
полугидратный процесс:
q'7 = I4I0675 - 935708 - 42320 = 432647 (103356);
фосфоритный концентрат Каратау:
Q* = I38556I - 995658 - 41567 = 348336 (83215).
Результата теплового расчета сведены в табл. 16, 17. Потери
теплота в вакуум-фильтре можно определить по разности между
расходом теплоты с продукционной пульпой на вакуум-фильтр и при-
ходом теплота с раствором разбавления, кДж(ккал):
хибинский апатитовый концентрат:
дигидратный процесс :
937593 - 725704 = 209889 (50I4I);
полугидратный процесс:
935708 - 699134 = 236574 (56516);
фосфоритный концентрат К о у g г а у;
995658 - 788434 = 207224 (49504).
88
Таблица 16. Тепловой баланс экстрактора на I т фосфата
89
Таблица 17. Тепловой баланс экстрактора на I т фосфата
02
Ю
02
02
02
Ю
90
02
02
02
9.5. Расчет
пульпы
времени пребывания
в экстракторе
По существующей методике расчета время пребывания пульпы в
экстракторе находят, как отношение рабочего объема экстрактора
к часовому объему продукционной экстракционной пульпы:
т=
(I)
За часовой объем продукционной экстракционной пульпы прини-
мается объем пульпы, поступившей на фильтрацию в течение часа.
Этот объем определяется по формуле:
(2)
где q - нагрузка системы по фосфату, т/ч;
Г - гипсовое число (выход осадка на I т фосфата);
С - массовая доля твердых в пульпе, %;
jn - плотность пульпы, т/м3.
(3)
Время пребывания определится по формуле
<С= уР*Ств*Уп
Q.r-IOO
Использование формулы (3) для расчетов требует определений
Уп для каждого значения Ств.
Экстракционная пульпа состоит из твердой и жидкой фаз. Коли-
чество твердой фазы, образующейся в единицу времени в экстрак-
ционной пульпе, зависит от нагрузки системы по фосфату и вида
процесса. В формуле (3) это выражение q»T.
Количество жидкой фазы, образующейся в системе в единицу
времени, равно количеству продукционной фосфорной кислоты:
QHqPO.
3 4
где Q
QcCp2°5*kb
С*.100
- нагрузка системы по фосфату, т;
- концентрация фосфорной кислоты, %;
(4)
- аналитический коэффициент выхода Р20с, %;
- массовая доля Р2о5 в фосфате, %.
91
I
После фильтрации в экстрактор возвращается оборотная фосфор-
ная кислота. Таким образом, в системе имеется ретурнэя жидкая
фаза. Ретурность процесса определяется содержанием твердых в
пульпе. Чем меньше твердых в пульпе, тем больше ретурность и
наоборот. Поэтому время пребывания пульпы в экстракторе может
быть определено, как отношение рабочего объема экстрактора к
сумме часовых объемов кристаллогидрата сульфата кальция и про-
дукционной фосфорной кислоты, умноженной на Кп (коэффициент
ретурности): у
= — к
(5)
где у
пр.к г
- объем кристаллогидрата сульфата кальция (фосфогип-
са), м3;
- коэффициент ретурности;
- объем продукционной фосфорной кислоты, м3.
V
пр. к
Объем кристаллогидрата сульфата кальция определяется по фор-
муле
*
V
_аг
(6)
где УффГ - плотность кристаллогидрата (фосфогипса), т/м3.
Объем фосфорной кислоты определяется по уравнению (4) с уче-
том плотности кислоты
пр.к
сРРОе.'1ОО"1Гф.к
2 5
плотность фосфорной кислоты, т/м3.
(7)
гдв Кф.к
Подставив (6) и (7) в (5), получим:
Т
(8)
Q(-^— + '
Кф.г сР2о5-1ОО-Уф.к
Результаты расчета по формулам (3) и (8) одинаковы, однако
последнее уравнение позволяет определять время пребывания пуль-
пы в экстракторе, не определяя плотности пульпы. Время будет
92
максимальным при К» = I. Такой процесс реализовать
как пульпа не будет перемешиваться.
сложно, так
Пример расчета
Для экстракционной
системы на апатитовом концентрате
в ди-
гидратном процессе мощностью НО тыс.т Р^о^
в год имеем оледу-
ющие показатели:
V = 700 м3
Q = 38 т/ч
Ств = 35 %
уп = 1,65 т/м3
Уф.г = 2>65
Уф.к = 1-35 т/м3
= 96,0 %
с* = 29,0 t
р2°5
Время пребывания при Кр = 1,0, ч:
т = -------------ZCB--------= н,2 .
эе 1,6 + 39,4*96,0.1,0
2,35 29,0-100.1,35
Масоовая доля твердых в пульпе при этом составит 55,1 % и
объемная доля - 41,3 %.
Результата расчета для различной ретурности приведены ниже:
Объемная доля твердых, % Массовая доля твердых, % К_ т, ч
41,3 55,1 Г 11,2
26,0 52,8 2 7,0
19,0 42,7 3 5,1
15,0 35,8 4 4,1
93
ЛИТЕРАТУРА
Материалы июньского(1986 г.)Пленума ЦК КПСС. М.: Политиздат,
1986.
Комплексная программа химизации народного хозяйства СССР на
период до 2000 г. М.: Политиздат, 1985.
Ангелов А.И. Состояние сырьевой базы фосфатно-туковой про-
мышленности. М.: НИИТЭХИМ, 1980. (Минеральные удобрения и сер-
ная кислота: Обзор, информ.).
Ворошив В.А., Гриневич А.В., Кармышов В.Ф. и др. Исследова-
ние скорости кристаллизации сульфата кальция из фосфорнокислых
растворов радиоактивных индикаторов. Тез. докл. ХШ Всесоюзной
научной конференции по технологии неорганических веществ й ми-
неральных удобрений. Горький, 1985. С. 41.
Гриневич А.В., Ворошин В.А. и др. О способах подачи серной
кислоты в экстрактор при производстве ЭФК: Депонированная руко-
пись # 307 ХП-Д80. Черкассы: Отделение НИИТЭХИМа, 1980.
Гриневич А.В., Классен П.В., Кармышов В.Ф. Современные про-
мышленные методы производства экстракционной фосфорной кислоты
за рубежом. М.: НИИТЭХИМ, 1986. (Химическая промышленность за
рубежом: Обзор. информ.Вып. 1(247)).
Гриневич А.В., Кармышов В.Ф., Ворошин В.А. и др. Методы ох-
лаждения реакционной пульпы в производстве ЭФК. М.: НИИТЭХИМ,
1986. (Минеральные удобрения и серная кислота: Обзор, информ.).
Гриневич А.В., Кочеткова В.В., Хрипунов Н.Ф. и др. Производ-
ство ЭФК полугидратным методом с двухзонным сульфатным режимом:
Перспективы развития промышленности фосфорных удобрений и сер-
ной кислоты до 2000 года. Тез. докл. на отраслевом совещании
работников основной химической промышленности. М.: НИУИФ, 1983.
С. 65-67.
Гриневич А.В., Кочеткова В.В., Классен П.В. Скорость разло-
жения апатита в производстве экстракционной фосфорной кислоты.
М.: НИИТЭХИМ, 1983 (Минеральные удобрения и серная кислота. Вып.
6. С. 4-6, 8-10).
Жужиков В.А. Фильтрование. М.: Химия, I960.
Иванова И. К. и др. Анализ технико-экономических показателей
использования фосфогипса в народном хозяйстве: Обзор.информ.М.:
НИИТЭХИМ, 1986. С. 33.
94
Кармышов В.Ф. Химическая переработка фосфоритов. М.: Химия,
1983.
Классен П.В. и др. Особенности переработки различных видов
фосфатного сырья в экстракционную фосфорную кислоту.М. :ЖИТЭХИМ,
1985. (Минеральные удобрения и серная кислота: Обзор, информ.).
Классен П.В., Гриневич А.В., Кочеткова В.В. и др. Исследова-
ния по интенсификации процесса получения экстракционной фосфор-
ной кислоты из апатитового концентрата. М., 1982. (Тр./НИУИФ.
Вып.241. С. 5-18).
Копылев В.А. Технология экстракционной фосфорной кислоты.2W
изд. Л.: Химия. Ленингр. изд-во, 1981.
Крайнев Н.Н., Гордзиевский А.Ф., Парфенов Е.П. и др. Промыш-
ленная очистка газов в скоростных и пенных аппаратах в произ-
водстве минеральных удобрений. М.: НИИТЭХИМ, 1985 (Охрана окру-
жающей среды и рациональное использование природных ресурсов.
Вып. 1(56). С. 16-24).
95
СОДЕРЖАНИЕ
Глава I. ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА, ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ И
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Глава
Глава
Глава
2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭФК..........
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФК
4. СТАДИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА .’ .
4.1. Подача реагентов в процесс . • .
4.2. Разложение фосфата и кристаллизация суль-
4.5.
Снятие избыточной теплоты процесса • • •
Фильтрование экстракционной пульпы, про-
мывка кека гипса .......................
Очистка газов, выходящих из экстрактора
4.6. Методы удаления в отвал и пути утилиза-
ции фосфогипса...........................
5. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРО-
Глава
10
13
18
18
27
46
ЦЕССОВ И СХЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭФК.............. 48
Глава 6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СРЕДСТВА ХИМИЧЕ-
СКОЙ ЗАЩИТЫ, ПРИЮНЯЗДЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭФК 54
Глава 7. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА .... 58
Глава 8. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ . . . .
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ
61
64
ЭФК.........................................
9,1. Введение .............................. 64
9.2. Исходные данные для расчете
нс 9.3. Материальные потоки на 1000 кг фосфата
9.4. Тепловой расчет экстракторе ... . . . 79
9.5. Расчет кротэя! пребывэовя пульпы в эк-
стракторе . . . . . .... . .: . , . 91
ЛИТЕРАТУРА *. . . ... . .< . . . .;. . . . . . . . . . . . , *93