热法酸工艺综述

热法酸生产工艺优化及应用研究前言磷酸是制取各种工业和农业用磷制品的基础原料，目前国内外磷酸的生产工艺主要有“热法”和“湿法”两种。二者相比较，湿法磷酸的工艺特点是产品成本相对较低，但是质量较差，且对磷矿的品位和杂质含量都有较高的要求，目前国际上制备工业磷酸主要采用湿法，我国湿法磷酸主要用于生产农业用化肥。热法磷酸的工艺特点是产品质量好，但价格较贵，而且属高能耗技术，电力能源在热法磷酸总的制造链中权重达60%。随着能源短缺日趋严重，电价节节攀升，热法磷酸的价格也随之上涨，造成以其为原料的磷化工产品逐渐丧失市场竞争能力。在这种形势下，磷酸工业不断改进生产工艺，以期降低能耗和生产成本1热法磷酸概述11热法磷酸生产工艺的发展热法磷酸的开发始于1915年，美国农业局进行了电炉法制磷酸的中间试验,在第一次世界大战期间，美国农业局与P.B.Davis公司合作在英国的泽西岛建设了一个电炉法制磷酸的实验工厂，用以生产高纯度的磷酸，同时在美国Charlotte附近建设了第一个电炉法制磷酸的生产工厂。美国从1933年开始致力于热法生产的研究，完成了从小试、中试到大型装置的试验与建设，并首先建设了全不锈钢二步法生产装置，为热法磷酸大型化及黄磷燃烧热的回收利用奠定了基础。我国热法磷酸于1958年由上海化工研究院完成了以元素磷为起点采用酸冷流程和水冷流程的中间试验；996年云南省化工研究院在国内建设了第一套全不锈钢二步法生产装置。经过多年研究、改进，国内热法磷酸生产工艺技术已经趋于成熟。1.2热法磷酸生产工艺现状世界各国的热法磷酸生产工艺包括磷的氧化燃烧、磷酹水合、酸雾分离3个部分。而其具体的生产工艺有：燃烧水合一步法流程和燃烧一水合二步法流程。顾名思义，一步法流程的特点是磷的燃烧与五氧化二磷的水化在同一设备中进行；二步法流程的特点是磷的燃烧与五氧化二磷的水化分别在燃烧塔与水化塔中分开进行［2］。表1给出了2种不同工艺方法的比较如下:表12种热法磷酸生产工艺优缺点比较性能一步法二步法燃烧水合在同一设备中进行燃烧与水化分别在燃烧塔与水化塔中进行除雾设备体积相对较人效率高，设备体积小热能回收无法对燃烧热进行回收町以回收黄磷燃烧热流程相对简单相对复杂品质杂质含量多，浓度小杂质少，可以生产电子级磷酸和不同级别的多聚磷酸在一步法的反应过程中，产生的热量用循环酸移走（另约有20%的热量被排出的气体带走），其生产过程中每燃烧X磷需用400〜500t的循环酸，因此正常操作工况的实现，有赖于酸泵、酸冷却器、酸管系统操作的可靠性。在二步法中，反应过程的热量主要靠水的蒸发除去（部分热量随排出的气体带走），不需设置庞大的酸冷却设施，但对设备的结构和材质要求严格。随着酸冷却装置材质的改进和制造加工技术的进步，可通过选用性能良好的热稳定钢及釆用喷涂技术，解决高温下磷火焰的腐蚀问题。加之燃烧水合二步法在高温尾气的冷却过程中有利于热能的回收利用，二步法磷酸生产的应用前景更好。1.2热法带有热能回收装置的热法磷酸生产工艺通常采用两步法，即磷的燃烧和P205的水合分别在两个设备内进行。其中，P205水合设备与传统的水化塔相似;燃磷设备内设置换热管，以回收磷的燃烧热并副产蒸汽。燃磷设备的技术关键在于如何既防止换热管被高温P205气体腐蚀，乂能提供良好的传热条件。各国专利技术都是通过控制工艺条件，使换热管表面形成一层特殊的磷化物來加以保护。原徳国赫司特集团对其一步法7万t/aH3P04装置进行了改造，即在原燃烧水化塔前面增设一个塔，专供燃磷使用，原有的燃烧水化塔则改为单纯的水化塔,两塔的顶部以管道相连接，把燃磷塔产生的含磷气体导入水化塔进行水化。磷燃烧塔内钢管表面没有任何防腐衬里，而是通过控制工艺条件，來防止钢管被腐蚀。用热水将标准罐装黄磷熔融，流入净化系统净化。黄磷的熔融用水隔绝空气。液体黄磷利用压力差定量流入蒸係塔，然后再进入燃烧器与大量己净化的空气接触，发生燃烧反应，生成五氧化二磷气体，并放出热量，五氧化二磷气体进入沉降塔，沉降塔内温度升高，再加上空气的过量进入，保证了黄磷完全转化为五氧化二磷。五氧化二磷气体从沉降塔顶流出并进入分离器。经过分离器再进入到化酸釜，己净化的工艺水由化酸釜顶喷入，五氧化二磷与水转为稀磷酸，再经过较长时间的化酸过程，五氧化二磷与水全部转成磷酸。再经过提纯过程，把磷酸中的杂质及阴阳离子除掉，得到食品级磷酸。本工艺流程釆用了国内先进的工艺技术，很好地解决了生产中产生的大量热能的利用问题，大大提高了热效率。利用黄磷燃烧的热量产生蒸汽供热，不用锅炉设备，大大降低了能耗和投资，节约了生产成本。利用先进的黄磷雾化技术，减少了空压机等动力设备，大大降低了动力消耗。采用先进的多级喷射除雾技术和罗茨风机转鼓水膜吸收技术，大大提高了吸收率，减少了水蒸汽排放量和尾气排放中P2O5含量。从整个工艺设计上做到了流程紧凑，热效率高，动力消耗小,产率高，投资少、工艺操作简单、产品质量好、污染小及设备占地面积