Патент на изобретение №2311342

Область техники

Изобретение относится к аппаратному оформлению производства очищенных фосфорных кислот, используемых для получения кормовых, технических, пищевых, реактивных фосфатов и фармацевтических препаратов.

Использование экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) для получения подобных целевых продуктов связано с необходимостью ее очистки от неорганических и органических примесей, не позволяющих получать продукты заданного качества с высоким выходом, и создания аппаратурно-технологической установки для осуществления всех стадий очистки.

Уровень техники

Анализ современного состояния процессов очистки фосфорных кислот показывает, что очистка ЭФК осуществляется по отдельным стадиям:

– экстракция органическими растворителями от катионов (Fe³⁺, Al³⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ и др.),

– дегидратация, дефторирование и доочистка от остатков органических экстрагентов методом термической отдувки,

– очистка от сульфатов и мышьяка реагентными способами,

– очистка от органических соединений (обесцвечивание) с помощью твердых сорбентов, совмещающая также очистку от отдельных катионов (Fe³⁺, Al³⁺, Pb²⁺).

По комбинированной очистке ЭФК, объединяющей различные стадии вышеуказанных процессов, известны, в основном, способы осуществления процессов (Пат. РФ №2233239, опубл. 27.07.2004. Бюл. №21; Пат. РФ №2149830, опубл. 27.05.2000. Бюл. №15; Пат. РФ №21988441, опубл. 20.02.2003. Бюл. №8; Пат. РФ №2200702, опубл. 20.03.2003. Бюл. №8; Пат. РФ №2229435, опубл. 27.05.2004. Бюл. №15).

Для осуществления данных способов в литературе представлены принципиальные технологические схемы, однако, без конкретного аппаратурного оформления и функциональных связей аппаратов (Труды НИУИФ, 85 лет, 2004 г. – 1) Левин Б.В., Гриневич А.В., Мошкова В.Т. и др. – стр.118; 2) Левин Б.В., Гриневич А.В., Мошкова В.Г. и др. – стр.124).

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к заявляемому изобретению является установка (Пат. РФ №1502038, В01D 1/14, опубл. 23.08.89. Бюл. №31).

Установка включает многоступенчатый аппарат тарельчатого типа (концентратор-дефторатор), подключенную к нему топку, абсорберы, сборники, насосы и тарельчатую камеру воздушного охлаждения кислоты, установленную в нижней части выпарного аппарата и снабженную патрубком ввода охлаждающего воздуха.

Такая установка смонтирована в ОАО «Воскресенский НИУиФ», позволяет очищать предварительно очищенную ТБФ ЭФК от остаточных содержаний фтористых соединений и ТБФ с одновременным ее концентрированием и получать технические ОФК марок «ТЗ» и «Улучшенная» с реализацией способа получения очищенной фосфорной кислоты (Пат. РФ №2128623, С01В 25/234, опубл. 10.04.99. Бюл. №10).

Однако указанная установка не позволяет более глубоко очищать фосфорную кислоту от фтора, катионов, мышьяка и органических окрашивающих примесей для достижения моющей, пищевой и фармацевтической квалификаций.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, – объединение отдельных стадий очистки в единую аппаратурно-технологическую установку с целью улучшения качества продукции за счет более глубокой очистки и обесцвечивания фосфорной кислоты со снижением энергозатрат.

На чертеже представлена принципиальная схема установки.

Установка для очистки и обесцвечивания экстракционной фосфорной кислоты включает концентратор-дефторатор тарельчатого типа 1, снабженный камерой воздушного охлаждения 10, подключенную к нему топку 2 для сжигания топлива в смеси с воздухом, при этом выход газа из концентратора-дефторатора соединен через абсорбер 6 с хвостовым вентилятором 7, а также сборники и устройства для подачи и отвода кислоты 8, 9. К концентратору-дефторатору последовательно подключен адсорбер 3 для обесцвечивания кислоты, реактор для обессульфачивания 4 и отстойник 5. Выходы по газу из указанных аппаратов соединены с выходом газа из концентратора-дефторатора. Кроме того, выход по кислоте концентратора-дефторатора 1 соединен со входом реактора 4, а выход по осветленной кислоте отстойника 5 соединен со входом адсорбера 3, выход которого по обесцвеченной кислоте снабжен трубопроводом для подачи кислоты в хранилище.

Наличие функциональных связей, объединяющих аппараты всех стадий очистки в единую технологическую цепочку, позволяет решать поставленную задачу.

Повышенный съем всех неорганических и органических примесей позволяет снизить удельный расход тепла и топлива на 1 кг удаленных примесей за счет того, что кислота нагревается один раз по всем стадиям. Кроме того, объединение газовых потоков всех стадий позволяет снизить потери тепла в окружающую среду с отходящими газами.

Установка работает следующим образом.

Исходную экстракционную фосфорную кислоту подают в верхнюю часть концентратора-дефторатора 1 на ступень подогрева кислоты или утилизации тепла топочных газов. В качестве исходной ЭФК используют ортофосфорную кислоту, полученную разложением фосфатного сырья минеральными кислотами, содержащую 30-40% P₂O₅, или предварительно очищенную органическими экстрагентами (ТБФ) от катионов ЭФК с содержанием 36-43% Р₂O₅.

В концентраторе-дефтораторе 1 при противоточном контакте с газообразным теплоносителем (в пенном слое) в режиме циркуляции с помощью сборника 8 и насоса 9 при температуре 80-110°С происходит концентрирование до 50-64% Р₂O₅ и одновременно дефторирование кислоты отдувкой в газовую фазу 90% до достижения остаточного содержания по F не более 0,005% и ТБФ не более 0,0005%. Далее кислота подается для обесцвечивания в адсорбер 3, заполненный твердым адсорбентом, в качестве которого используются активированные угли, ионообменные смолы и др. Габариты адсорбционной колонны подбираются таким образом, чтобы объем адсорбента в аппарате 3 соответствовал весовому соотношению адсорбент/кислота, равному 1/10÷20. В адсорбционной колонне в режиме циркуляции кислоты при той же температуре, что и при дефторировании в аппарате 1, происходит обесцвечивание кислоты за счет адсорбции органических окрашивающих веществ (в основном гуминовых соединений) до исчезновения желтой окраски при достижении оптической плотности 0,012÷0,005.

Расположением кислотных коммуникаций и функциональными связями аппаратов 1 и 3 в заявляемой установке предусмотрены варианты работы, когда обесцвечивание осуществляется после дефторирования (за счет циркуляции кислоты в индивидуальном контуре, включающем адсорбер, сборник и насос) либо одновременно с дефторированием (за счет циркуляции кислоты в совместном контуре концентратора-дефторатора и адсорбера). Кроме органических окрашивающих веществ, на твердом адсорбенте идет дополнительная очистка (в определенных условиях) от фтора, кремния, железа, свинца и экстрагента.

Далее обесцвеченная кислота из циркуляционного сборника 8 насосом 9 подается в верхнюю часть реактора для обессульфачивания 4, снабженного мешалкой. Сюда же через верхний штуцер подается реагент, для осаждения из кислоты остаточных сульфатов, в стехиометрическом соотношении к их исходному содержанию в очищаемой кислоте. В качестве реагентов используются гидрооксиды или соли щелочно-земельных металлов, например карбонаты кальция, бария, стронция. Процесс осаждения сульфатов периодический и ведется при интенсивном перемешивании и температуре кислоты, выходящей из концентратора-дефторатора (с учетом естественного остывания) до достижения остаточного содержания сульфатов менее 0,01%. Одновременно с сульфатами на данной стадии соосаждаются остаточные количества фтора, мышьяка и других анионов. По окончании осаждения обессульфаченная кислота вместе с выпавшим осадком через нижний сливной штуцер реактора 4 путем открывания соответствующей запорной арматуры на сливной линии подается в отстойник 5, расположенный ниже реактора для обеспечения самотека.

В верхний штуцер отстойника подается раствор флокулянта (например, полиакриламида) для ускорения осветления. Осветление ОФК от твердых взвесей ведется при той же температуре, что и обессульфачивание (с учетом естественного остывания) до достижения остаточного содержания твердых взвесей в очищенной кислоте не более 0,001%.

Отстойник 5 в заявляемой установке может работать как в непрерывном, так и периодическом режимах, при этом главным условием является вывод продукционной обесцвеченной кислоты из отстойника верхним забором, во избежание захвата шлама.

При периодическом осветлении продукционная кислота рассифонивается с помощью вакуума через верхний штуцер и насосом 9 раскачивается в хранилище и далее потребителю. В работе установки предусмотрен вариант, когда ОФК после дефторирования подается вначале на обессульфачивание в реактор 4 и далее в отстойник 5, а после этого из отстойника раскачивается в циркуляционный контур адсорбера 3 на обесцвечивание.

Поскольку дефторирование, обесцвечивание и обессульфачивание осуществляются при повышенных температурах, за счет нагрева кислоты теплоносителем, в газовую фазу выделяются отдельные примесные компоненты (F, ТБФ и др.). Поэтому аппараты 1, 3, 4, 5 являются закрытыми, а их выходы по газу объединены и направлены в абсорбер 6 для улавливания указанных компонентов. Тяга газовой фазы из этих аппаратов осуществляется с помощью хвостового вентилятора 7.

Остальные, извлекаемые из кислоты примеси, накапливаются в твердом адсорбенте в аппарате 3 за счет адсорбции и фильтрации, а также в виде шлама в отстойнике 5.

Всего в заявляемом изобретении на 1 т очищенной ОФК извлекается ˜2,7 кг примесей при использовании в качестве исходной предварительно очищенной ТБФ кислоты и до ˜47 кг при использовании неочищенной осветленной ЭФК.

Наличие новых функциональных связей позволяет осуществлять при работе установки периодически регенерацию адсорбента (химическую и термическую) в адсорбере 3, а также вывод шлама из отстойника 5 на утилизацию (конверсию).

Разовый нагрев кислоты при проведении стадии дефторирования, обессульфачивания, осветления и обесцвечивания снижает удельный расход тепла и топлива (природного газа) по сравнению с прототипом с ˜600000 ккал/кг извл. прим. и ˜160 нм³/кг извл. прим. до ˜110000 ккал/кг извл. прим. и ˜30 нм³/кг извл. прим. при комплексной очистке предварительно очищенной ТБФ ОФК и упаренной в аппарате 1 до 53% P₂O₅. При этом удельные затраты электроэнергии уменьшаются с 90 до 17 кВтч/кг извл. прим. Наличие единой эффективной системы абсорбции из аппаратов 1, 3, 4 способствует снижению потерь тепла с отходящими в атмосферу газами с 20 до 10%.

Заявляемая установка позволяет получать в зависимости от качества взятой на очистку исходной кислоты бесцветную ОФК марок «Т4» и «пищевая» по ТУ 2121-184-00209438-04, из которой могут быть получены чистые фосфорные соли пищевой, фармацевтической или реактивной квалификации.

Формула изобретения

1. Установка для очистки и обесцвечивания экстракционной фосфорной кислоты, включающая концентратор-дефторатор тарельчатого типа, снабженный тарельчатой камерой воздушного охлаждения, подключенную к нему топку, при этом выход газа из концентратора-дефторатора соединен через абсорбер с хвостовым вентилятором, сборники и устройства для подачи и отвода кислоты, отличающаяся тем, что к концентратору-дефторатору последовательно подключены адсорбер для обесцвечивания кислоты, заполненный твердым адсорбентом, реактор для обессульфачивания и отстойник, а выходы по газу из указанных аппаратов соединены с выходом газа из концентратора-дефторатора.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход по кислоте концентратора-дефторатора 1 соединен со входом реактора 4, а выход по осветленной кислоте отстойника 5 соединен со входом адсорбера 3, выход которого по обесцвеченной кислоте снабжен трубопроводом для подачи кислоты в хранилище.

РИСУНКИ