Производство фосфорной кислоты электротермическим методом
Электротермический метод производства фосфорной кислоты основан на восстановлении фосфатов до элементарного фосфора, его последующем окислении до оксида фосфора (V) и гидратации оксида до фосфорной кислоты: Ca5(PO4)3F→ Рn → Р2О5 → Н3РО4 .
Восстановление фосфора из природных фосфатов представляет собой сложный многостадийный гетерогенный процесс, протекающий через стадии:
1. нагревание компонентов шихты,
2. поступление в расплав фосфата кальция и оксида кремния,
3. диссоциация трикальцийфосфата,
4. диффузия продуктов диссоциации к поверхности частиц углерода,
5. взаимодействие трикальцийфосфата с углеродом и образование фосфора, оксида углерода (II) и оксида кальция,
6. удаление оксида кальция из зоны реакции в виде силикатов кальция.
В отсутствии флюсов реакция восстановления протекает при 1400 0С в течение 20 минут. Для снижения температуры процесса и смещения равновесия реакции вправо в систему вводят оксид кремния, оксид алюминия или алюмосиликаты, связывающие образующийся оксид кальция в виде легко удаляемого шлака:
2Ca5(PO4)3F + 15C + 6SiO2 « 3P2 + 15CO + 3(3CaO SiO2) + CaF2 + 1730 кДж.
В присутствии флюсов реакция восстановления протекает с достаточно высокой скоростью при 1100 – 13000С. Протекает в диффузионной области и ускоряется факторами, усиливающими диффузию в твердой фазе и в расплаве: повышением дисперсности компонентов шихты. Образованием легкоплавких полиэвтектических систем и т. п. Для повышения подвижности расплава и облегчения выгрузки шлаков процесс восстановления ведут на практике при 15000С.
Сжигание фосфора – гетерогенный экзотермический процесс, протекает через димер диоксида фосфора (V). Степень окисления фосфора зависит от температуры в зоне горения и отскорости диффузии кислорода к поверхности жидкого фосфора. Чтобы обеспечить полноту сгорания и исключить возможность образования низших оксидов фосфора, процесс ведут при температуре 1000 – 14000С и двукратном избытке воздуха. Р4 жидк. + 5О2 газ = Р4О10 тв + Q
Гидратация оксида фосфора(V) протекает через ряд стадий. На первой стадии процесса, вследствие высокой температуры в системе, взаимодействие паров оксида фосфора с водой дает метафосфорную кислоту:
P4O10 + 2H2O = 4HPO3 + Q
При понижении температуры метафосфорная кислота через полифосфорные кислоты превращается в фосфорную (ортофосфорную) кислоту:
HPO3 + H2O = H3PO4 + Q
Процесс гидратации димера оксида фосфора (V) является экзотермическим и сопровождается выделением значительного количества тепла, что учитывается при организации этой стадии технологического процесса.
По сравнению с экстракционным методом производства фосфорной кислоты, электротермический метод имеет следующие преимущества:
- возможность получения кислоты высокой концентрации, включая полифосфорные кислоты концентрацией до 115% P2O5;
- высокая чистота продукта;
- возможность использования фосфатного сырья с низкой концентрацией фосфора.
Вследствие высокой чистоты электротермическую фосфорную кислоту используют в производстве моющих средств, кормовых веществ и технических фосфатов.