Обобщение закономерностей кинетики процессов разложения фосфорита и апатита растворами фосфорной и серной кислот Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.061.34: 001.891.53

Ю. Н. Сахаров, И. А. Махоткин, А. Ф Махоткин ОБОБЩЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ РАЗЛОЖЕНИЯ ФОСФОРИТА И АПАТИТА РАСТВОРАМИ ФОСФОРНОЙ И СЕРНОЙ КИСЛОТ

Ключевые слова: фосфатное сырье, апатит, фосфорит, фосфорная кислота, серная кислота, экстракция.

На основе экспериментального исследования процесса разложения фосфатного сырья (апатита и фосфорита) показано, что механизм разложения как апатита, так и фосфорита одинаков. Механизм процессов сохраняется в течение всего периода времени реакции. Разложение протекает в диффузионной области.

Keywords: Raw phosphate, apatite, phosphorite, phosphoric acid, sulfuric acid, extraction.

Based on the experimental study of the decomposition ofphosphate raw materials (apatite and phosphorite) shown that the mechanism of degradation as apatite and phosphorite same. Processes mechanism is maintained throughout the reaction period. Decomposition occurs in the diffusion region.

Экспериментальное исследование процесса разложения фосфатного сырья выполнено с фосфоритной мукой, (27% Р2О5 полидисперсного фракционного состава по ТУ 2183-011-56937109-2002)и Ковдорского апатита (39%)Р2О5. Соотношение жидкой и твердой фаз (Т : Ж) изменялось в пределахот 40 : 1 до 1,7.

Исследование влиянияк онцентрации серной кислотынастепеньразложенияфосфатногосырьяпри Ж : Т = 2,5и времени разложения 15 минут показывает, что с увеличением концентрации серной кислоты эффективность разложения фосфорита увеличивается.

№

Я л

-а I и I! В В Я Л* *н -1! шиптрнп ^

Рис. 1 - Зависимость степени разложения фосфорита за 15 минут от концентрации серной кислоты при соотношении Т : Ж = 1 : 2,5

При дальнейшем увеличении концентрации Н2ЭО4 в пределах- 2,5 - 25% степень разложения фосфорита практически не зависит от концентрации серной кислоты. Однако при [Н2ЭО4] более 25% эффективность процесса разложения резко уменьшается.

На рис. 2 представлена зависимость содержания твердой фазы в пульпе от соотношения Ж : Т при начальной концентрации Н2БО4-3%. Начальный участок кривой 1 , и кривой 2 характеризует процесс растворения апатита. При увеличении соотношения Ж : Т до 40 (кривая 2) процесс растворения идет практически до конца. При этом образуется

растворимый промежуточный продукт монокальцийфосфат.

I

■ ■

В 1Ъ я ч 100 ¡35 1И 173

т, сс-х

Рис. 2 - Содержание твердой фазы в системе: апатит: Н3РО4 :Н2вО4при различном соотношении Ж :Т 1 - Ж : Т = 20; 2 - Ж : Т = 40

Кривые после минимума (рис. 2) показывают, что в растворе образуется фосфогипс.

С другой стороны, микроскопические исследования показывают, что проведение процесса при соотношении Ж : Т = 2,5 на поверхности разлагающихся зерен фосфатного сырья корочка фосфогипса не образуется. Таким образом поддержание соотношения Ж : Т в промышленных условиях более 2,5позволяет проводить процесс без образования корки фосфогипса на кристаллах исходного сырья. При этомп роисходит практически полное пространственное разделение стадии разложения апатита и стадии кристаллизации фосфогипса в реакторе.

На рис. 3 представлена зависимость скорости процесса разложения фосфатного сырья смесью серной и фосфорной кислот от текущего значения массовой доли фосфорита и апатита в суспензии.

Из полученной зависимости видно, что механизм процесса разложения не изменяется от начала и практически до конца процесса разложения. Однако фосфоритное сырье разлагается быстрее.

Следует отметить, что механизм процесса разложения какфосфорита, так и апатита одинаков от начала до конца. Кривые рис. 3. показывают, что процесс разложения фосфорита протекает

значительно быстрее процесса разложения апатита, но механизм процесса является одинаковым.

Рис. 3 - Зависимость скорости разложения фосфорита и апатита от текущей массовой доли твердого сырья при температуре 85°С: 1 - апатит, 2 - фосфорит

Зависимость скорости процесса от текущего значения массы фосфатного сырья описывается

уравнением:

Йгп.

(1)

где к - константа скорости разложения фосфатного сырья; т - текущая массовая доля фосфатного сырья по отношению к исходной взятой за 100%.

Интегрирование полученного уравнения скорости процесса при заданной степени разложения фосфатного сырья позволяет определить время процесса разложения. Последнее представляет основу методики расчета объёма реактора при заданной производительности.

Из рисунка 4 видно, что зависимость константы скорости процесса от температуры в координатах Аррениуса обобщает как дигидратный, так и полугидратный процессы.

Рис. 4 - Зависимость константы скорости процесса от обратной температуры 1 - фосфорит; 2 - апатит

Следовательно, при переходе от дигидратного режима к полугидратному режиму, макромеханизм процесса фосфатного сырья не изменяется [1].

Относительно низкое значение величины энергии активации Еакт = 5,4ккал/моль, говорит о том, что лимитирующей стадией процессаразложения, как для апатита так и для фосфорита является процесс диффузии. Следует отметить, что интенсивное перемешивание суспензии не приводит к ощутимому увеличению скорости процесса разложения фосфатного сырья.

Это указывает на то, что лимитирующей стадией является медленный диффузионный процесс, происходящий непосредственно на границе раздела фазчерез слой геля монокальцийфосфата.

На рис. 5 видно, что эффективное разложение апатита протекает при концентрации фосфорной кислоты до 29% Р2О5. При этой концентрации продукционной кислоты степень разложения апатитового концентрата достигает 96,1 %.

j! g

M.- L

м Я и я

^чк.мни. %

Рис. 5 - Зависимость степени разложения апатитового концентрата от концентрации Р2О5 в кислоте при температуре 80°С и времени разложения 3 часа БОзСв = 1,6%

На основе установленныхзакономерностей процессов разложения фосфатного сырья и кристаллизации фосфогипса разработан

эффективный способ интенсификации производства ЭФК на основе раздельного предварительного разложенияфосфорита с использованием полученной суспензии на стадии разложения апатита. Разработаны рекомендации для аппаратурного оформления технологии.

Литература

1. Сахаров Ю. Н., Махоткин А. Ф., Махоткин И. А., Ситкин А. И. Механизм и кинетика разложения фосфатного сырья. Вестник Казан. технол. ун-та №11. 2011. - С. 18 -22.

2. Копылев Б. А. Технология экстракционной фосфорной кислоты. - М. Химия 1978. - 312 с.

© Ю. Н. Сахаров - к.т.н., стар. препод. каф. оборудования химических заводов КНИТУ, usacharas@mail.ru; И. А. Махоткин - к.т.н., доцент той же кафедры, oxzkstu@kstu.ru; А. Ф. Махоткин - д.т.н., профессор, зав. каф. оборудования химических заводов КНИТУ.

© Yu. N. Sakharov - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Equipment chemical plants KNRTU, usacharas@mail.ru; 1 A. Makhotkin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the same chair, oxzkstu@kstu.ru; A. F. Makhotkin -Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department equipment chemical plants KNRTU.