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 «3 P₂ + 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.