Ключевые слова: фосфорная кислота, выпаривание, отложения, теплообменник.
Наиболее популярным способом получения концентрированной фосфорной кислоты на данный момент является экстракционный способ, основанный на разложении природных фосфатов различными кислотами, в основном серной, а также, хотя и в гораздо меньшей степени, азотной и соляной, отделении слабого фильтрата и дальнейшего упариванием из него воды.
Упаривание раствора слабой фосфорной кислоты (от 25–32 % Р2О5 до 54–56 % Р2О5) является наиболее энергоемкой и тяжелой частью экстракционного процесса ввиду воздействия на оборудование высоких температур и вакуума.
Большинство конструкционных материалов подвергается интенсивной коррозии под воздействием горячей фосфорной кислоты, содержащейся в растворе непрореагировавшей в процессе экстракции серной кислоты и выделяющихся при проведении выпаривания фтористых соединений (HF и SiF4).
В то же время большинство аппаратов, использующихся для концентрации кислоты в существующих производствах, уже морально и технически устарело и работает на завышенных по сравнению с проектными мощностях.
В связи с этим повышается механический износ выпарных и нагревательных элементов, что в свою очередь приводит к уносу кислоты и паров в окружающую среду через неплотности между соединяемыми частями оборудования и уносу брызг кислоты в систему абсорбции, что вызывает попадание P2O5 в кремнефтористоводородную кислоту (КФВК), получаемую в абсорбере. КФВК используется для получения фторида алюминия — важного полупродукта в алюминиевом производстве. Наличие же оксида фосфора в продукционной КФВК приводит к ее отбраковке.
Еще одним следствием слабого технического развития вакуум-выпарных установок (ВВУ) является малая скорость выхода ВВУ на режим после остановки, что значительно снижает объем продукционной фосфорной кислоты.
Затрудняет ведение процесса выпаривания отложение на стенках аппаратуры осадков карбоната и силиката кальция. Осадки плакируют (инкрустируют) греющие поверхности, уменьшая коэффициент теплопередачи от теплоносителя к нагреваемому раствору и повышенной коррозии нагревательных элементов. Поэтому необходима регулярная химическая либо механическая очистка нагревательных поверхностей.
Существующие способы химической очистки либо малоэффективны, либо чрезвычайно дороги. Механическая же очистка приводит к износу графитовых блоков теплообменников, все еще достаточно распространённых на данный момент, а также требует остановки системы на довольно продолжительное время.
По результатам проведенного анализа были выведены следующие условия для максимального улучшения качества работы вакуум-выпарной установки фосфорной кислоты и снижения расходов:
- Использование дешевого отбросного пара сернокислотного производства для проведения процесса выпаривания.
- Осуществление процесса по циркуляционной схеме (слабую экстракционную кислоту смешивают с большим количеством концентрированной кислоты, выходящей из выпарного аппарата) для уменьшения инкрустации греющих трубок.
- Применение принципиально новых материалов для изготовления выпарных аппаратов.
- Применение оребренных металлических труб в теплообменниках вместо непрочных графитовых блоков.
- Введение в слабую фосфорную кислоту антискалантов для уменьшения отложений.
- Проведение в промежутках между механическими чистками оборудования более быстрой химической или ультразвуковой очистки.
Литература:
- Bernard L. The use of carbon fiber reinforced DIABON® graphite tubes in shell and tube phosphoric acid evaporators. Clearwater, Florida, 2009. 13 p.
- Carr J. et al. Scale controlling chemical additives for phosphoric acid production plants. Procedia Engineering, 2013. pp. 233–242.
- Evangelidou M., Esawy M., Malayeri M. R. Impact of thermal shock on fouling of various structured tubes during pool boiling of CaSO4 solutions. Proceedings of International Conference on Heat exchanger Fouling and Cleaning — 2011. Crete Island, Greece, 2011. pp. 366–372.
- Kayar K., Perrot V. Metallic Heaters for Phosphoric Acid Evaporation. — Procedia Engineering, 2013. pp. 291–301.
- Kieser B., Phillon R., Smith S., McCartney T. The application of industrial scale ultrasonic cleaning to exchangers. Proceedings of International Conference on Heat exchanger Fouling and Cleaning — 2011. Crete Island, Greece, 2011. pp. 336–338.
