Дигидратный процесс представляет собой технологию сернокислотного разложения природных фосфатов для получения экстракционной фосфорной кислоты с образованием дигидрата сульфата кальция. Этот метод широко применяется на отечественных предприятиях благодаря высокому технологическому выходу пятиокиси фосфора и надежности эксплуатации оборудования.
Что такое дигидратный процесс
Дигидратный процесс является одним из основных методов производства экстракционной фосфорной кислоты путем разложения фосфатного сырья серной кислотой. Название процесса обусловлено выделением сульфата кальция в форме дигидрата с химической формулой CaSO4·2H2O, который также известен как фосфогипс.
В основе технологии лежит гетерогенная химическая реакция между фосфатом кальция и серной кислотой при температуре 65-80 градусов Цельсия. Процесс протекает в присутствии раствора разбавления, которым служит оборотная фосфорная кислота и промывные воды.
В России и СНГ дигидратный процесс является наиболее распространенным методом получения фосфорной кислоты, обеспечивая выход пятиокиси фосфора в продукционную кислоту на уровне 93-96,5 процентов.
Принцип работы дигидратного процесса
Химизм процесса
Сернокислотное разложение фосфатного сырья описывается химической реакцией, при которой фторапатит взаимодействует с серной кислотой в присутствии воды, образуя фосфорную кислоту, дигидрат сульфата кальция и фтористые соединения. Реакция проходит через несколько стадий с образованием промежуточных соединений.
Процесс начинается с подачи измельченного фосфатного сырья и серной кислоты в экстрактор, куда также поступает раствор разбавления. Это обеспечивает необходимую подвижность пульпы и оптимальные условия для протекания реакции. На каждую тонну пятиокиси фосфора расходуется 2,65-2,73 тонны апатитового концентрата и 2,45-2,48 тонны стопроцентной серной кислоты.
Технологические стадии
- Экстракция: разложение фосфата происходит в многосекционном экстракторе с постоянным перемешиванием и контролем температуры
- Кристаллизация: формирование крупных кристаллов дигидрата сульфата кальция при соблюдении оптимального режима
- Дозревание: завершение роста кристаллов в специальных дозревателях продолжительностью 4-6 часов
- Фильтрация: разделение твердой и жидкой фаз на вакуумных фильтрах
- Промывка: двукратная или трехкратная отмывка осадка от фосфорной кислоты
- Упаривание: концентрирование продукционной кислоты до требуемого содержания пятиокиси фосфора
Температурно-концентрационные условия
Дигидратный процесс протекает при температуре 65-80 градусов Цельсия, что обеспечивает устойчивость дигидратной формы сульфата кальция. Концентрация серной кислоты в жидкой фазе поддерживается на уровне 1,5-2,5 процента в пересчете на триоксид серы. Содержание пятиокиси фосфора в продукционной кислоте после экстракции составляет 26-32 процента, что требует дальнейшего упаривания.
Оборудование для дигидратного процесса
Экстракторы
Основным аппаратом являются многосекционные экстракторы прямоугольной или цилиндрической конструкции объемом от 250 до 600 кубических метров. Экстракторы оснащаются мощными мешалками для обеспечения равномерного перемешивания реакционной массы и поддержания кристаллов во взвешенном состоянии.
Для отвода тепла экзотермической реакции применяют системы внешней или внутренней циркуляции пульпы с вакуумным или воздушным охлаждением. Современные установки используют вакуум-испарительные аппараты, где охлаждение происходит за счет испарения влаги под разрежением.
Вакуумные фильтры
Для разделения фосфогипса и фосфорной кислоты используются карусельные или ленточные вакуум-фильтры. Карусельные фильтры обеспечивают непрерывную фильтрацию с рабочей поверхностью от 40 квадратных метров и выше, обеспечивая производительность до 50 тонн в час по сухому осадку.
Ленточные вакуум-фильтры характеризуются большой площадью фильтрации и эффективной промывкой осадка. Фильтровальная ткань изготавливается из химически стойких материалов, выдерживающих агрессивную среду при температуре до 95 градусов Цельсия.
Вспомогательное оборудование
- Дозреватели пульпы с перемешивающими устройствами
- Насосы для перекачки агрессивных сред
- Вакуумные испарители для упаривания кислоты
- Абсорберы для улавливания фторсодержащих газов
- Системы автоматического контроля и регулирования
Сравнение с другими методами
| Параметр | Дигидратный процесс | Полугидратный процесс |
|---|---|---|
| Температура процесса | 65-80 градусов | 80-100 градусов |
| Концентрация кислоты | 26-32 процента P2O5 | 35-48 процентов P2O5 |
| Технологический выход | 93-96,5 процента | На 1-2 процента ниже |
| Форма сульфата кальция | Дигидрат CaSO4·2H2O | Полугидрат CaSO4·0,5H2O |
| Интенсивность фильтрации | Базовая | Выше в 1,5-2 раза |
Преимущества и недостатки дигидратного процесса
Преимущества технологии
- Высокий выход продукта: извлечение пятиокиси фосфора достигает 96 процентов при переработке апатитового концентрата
- Надежность оборудования: технология хорошо отработана и не требует специального высокотемпературного оснащения
- Простота эксплуатации: процесс легко контролируется и автоматизируется
- Низкие потери фтора: выделение фтора в газовую фазу составляет 3-5 процентов от содержащегося в исходном сырье
- Качество фосфогипса: получается осадок с крупными кристаллами, эффективно отделяемый на фильтрах
Недостатки метода
- Низкая концентрация кислоты: требуется дополнительная стадия упаривания для получения концентрированной продукции
- Высокий расход энергии: значительные затраты на вакуумное испарение и охлаждение
- Невысокая интенсивность: общая продолжительность процесса составляет 4-8 часов
- Большие объемы оборудования: для обеспечения времени реакции требуются крупногабаритные аппараты
Применение в химической промышленности
Экстракционная фосфорная кислота, полученная дигидратным процессом, находит широкое применение в производстве минеральных удобрений. Она является основным сырьем для изготовления сложных NPK-удобрений, аммофоса, диаммофоса и других фосфорсодержащих продуктов.
После дополнительной очистки кислота используется в производстве кормовых фосфатов для животноводства, технических фосфатов натрия и калия, а также в других отраслях химической промышленности. Упаренная кислота с содержанием 52-54 процента пятиокиси фосфора применяется для получения высококонцентрированных удобрений.
Побочные продукты
Фосфогипс, образующийся в качестве побочного продукта в количестве 4,5-5,5 тонн на тонну пятиокиси фосфора, может использоваться в строительной индустрии после соответствующей обработки. Он применяется для производства гипсовых вяжущих материалов и в качестве мелиоранта при химической мелиорации солончаковых почв.
Кремнефтористоводородная кислота, получаемая при абсорбции фторсодержащих газов, находит применение в производстве фторида алюминия для алюминиевой промышленности и в качестве добавки при синтезе минеральных удобрений.
Современные тенденции развития
Совершенствование дигидратного процесса направлено на повышение эффективности использования сырья и снижение энергозатрат. Внедряются комбинированные дигидратно-полугидратные схемы, позволяющие увеличить выход продукта до 98 процентов и получить качественный альфа-полугидрат сульфата кальция, пригодный для использования в строительной индустрии.
Разрабатываются энергоэффективные системы охлаждения пульпы и многоступенчатого вакуумного испарения с использованием вторичных энергоресурсов. Применение современных систем автоматизации и АСУТП обеспечивает стабильность процесса и минимизацию потерь сырья.
Частые вопросы о дигидратном процессе
Дигидратный процесс остается основной технологией производства экстракционной фосфорной кислоты на российских предприятиях благодаря высокому выходу продукта, надежности оборудования и простоте управления процессом. Несмотря на необходимость дополнительного упаривания кислоты, метод обеспечивает получение качественного сырья для производства минеральных удобрений. Внедрение современных систем автоматизации и энергосберегающих технологий позволяет повысить экономическую эффективность дигидратного процесса и минимизировать воздействие на окружающую среду.
