ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ ЦЕНТРАЛЬНЫХ КЫЗЫЛКУМОВ НА ТРИПОЛИФОСФАТА НАТРИЯ

АННОТАЦИЯ

Установлены оптимальные технологические параметры отдельных стадий переработки экстракционной фосфорной кислоты из фосфоритов Центральных Кызылкумов на триполифосфат натрия и определены нормы технологических режимов.

Разработана принципиальная технологическая схема и составлен материальный баланс производства. В процессе производства триполифосфата натрия нейтрализация карбонатом натрия проводилась в две стадии для очистки примесей в экстракционной фосфорной кислоте.

ABSTRACT

The optimal technological parameters of individual stages of processing of extraction phosphoric acid from phosphorites of the Central Kyzylkum into sodium tripolyphosphate have been established and the norms of technological regimes have been determined.

A basic technological scheme has been developed and a material balance of production has been compiled. In the sodium tripolyphosphate production process, neutralization with sodium carbonate was carried out in two stages to purify impurities in the extraction phosphoric acid.

Ключевые слова: экстракционная фосфорная кислота, триполифосфат натрия, технологическая схема, норма технологического режима.

Keywords: extraction phosphoric acid, sodium tripolyphosphate, technological scheme, norm of technological regime.

Введение

Триполифосфаты натрия используется во многих отраслях промышленности благодаря своим специфическим свойствам. Однако, основными потребителями являются производства синтетических моющих средств, в продукции которых триполифосфаты натрия используют для смягчения воды [1, 5]. Триполифосфат натрия является активным наполнителем, который обеспечивает наилучшие характеристики и минимальное воздействие на окружающую среду. Для производства моющих средств необходимо применение триполифосфатов натрия с требуемыми удельной объемной плотностью, гранулометрическим составом, кристаллической фазой (форме I и II) и содержанием влаги [4].

Фосфаты натрия применяются для подготовки котловой воды и при чистке котлов в системе отопления. При их добавлении к питающей воде предотвращается образование накипи в котлах [2]. Фосфаты также вводят в состав смазочно-охлаждающих жидкостей в процессе механической обработки металлов [5].

Представляет интерес получение полифосфатов натрия, и в частности, триполифосфата натрия, на основе экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК), полученной из фосфоритов Центральных Кызылкумов (ЦК). Особенностью технологии является то, что в ней исключена стадия получения полифосфорной кислоты или выделения ортофосфатов натрия [3, 6, 7].

Технологический процесс получения триполифосфата натрия включает следующие стадии:

• обесфторивание и обессульфачивание продукционной ЭФК;
• отделение осадков кремнефторида натрия и сульфата кальция;
• нейтрализацию осветленного раствора кальцинированной содой;
• отделение выпавших осадков;
• введение кальцинированной соды в очищенные растворы мононатрийфосфата;
• отделение выпавших осадков;
• выпарку, сушку и прокалку растворов ортофосфатов натрия.

Цель работы: установление оптимальных режимов переработки, оптимальных технологических параметров отдельных стадий и составление материального баланса производства триполифосфата натрия экстракционной фосфорной кислотой при получении триполифосфата натрия.

Материалы и методы

В качестве исходной ЭФК использована кислота производства АО «Аммофос–Максам», полученная в дигидратном режиме из мытого обожженного фосконцентрата (МОФК) ЦК следующего состава (масс. %): P₂O₅-18,31; SO₃-2,32; CaO-0,31; MgO-0,68; Al₂O₃-0,77; Fe₂O₃-0,68; F-1,25.

На основе проведенных исследований разработана технологическая схема комплексной переработки ЭФК, полученной из фосфоритов ЦК на триполифосфата натрия с попутной очисткой примесей. Предварительную очистку от сульфатов и фтора проводили МОФК, карбонатом и метасиликатом натрия при их массовом соотношении 1,4:1 [8, 9]. Очищенная кислота содержит (масс. %): P₂O₅-16,98; SO₃-0,74; CaO-2,09; MgO-0,64; Al₂O₃-0,73; Fe₂O₃-0,65; F-0,34.

Для получения триполифосфата натрия с низким содержанием сульфатов проведена доочистка частично обесфторенной и обессульфаченной ЭФК карбонатом бария. Установлена оптимальная норма карбоната бария (95% и выше) на остаточные содержания сульфатов. При этом содержание сульфатов в кислоте не превышает 0,001-0,038% со степенью обессульфачивания 94,83-99,80%

Нейтрализованная карбонатом натрия кислота до рН=4,5-5,0 содержит 0,002% SO₃. Полученный триполифосфат натрия из глубоко обессульфаченной кислоты, после нейтрализации карбонатом натрия до рН=6,3-6,8. Для снижения содержания оксида магния раствор подвергнут дополнительной нейтрализации газообразным аммиаком до рН=8,4-7,5. Введение аммиака в нейтрализованный до рН = 6,2-6,5 карбонатом натрия раствор резко снижает содержание оксида магния с 0,51% до 0,0035-0,0011%, в зависимости соотношения NH₃:MgO или рН 7,5-8,4.

С увеличением продолжительности прокалки повышается содержание всех компонентов. Содержание Р₂О₅ при продолжительности прокалки 30 минут составляет 55,38%, а через 120 минут 56,41%, содержание Na₂O при этих условиях повышается с 40,43% до 41,18%. Степень полимеризации составляет 93,51-98,21%. Остальные компоненты повышаются всего на 0,001-0,002%.

Повышение температуры с 350°С до 600°С способствует увеличению степени полимеризации с 97,82% до 99,03%. При этом содержание Р₂О₅ повышается с 55,96% до 56,60%, Na₂O с 40,85% до 41,32%. Оптимальными условиями дегидратации являются температура 400-450°С и продолжительность процесса – 1,5-2 часа, при которых достигается степень полимеризации 98,14 – 98,44%.

На опытной установке, имитирующей производственные условия получения триполифосфата натрия на основе ЭФК из фосфоритов ЦК, в научно-исследовательской химико-технологической лаборатории (НИХТЛ) АО «Аммофос-Максам» проведена апробация разработанной технологии. Разработаны технологическая схема и материальный баланс производства получения триполифосфата натрия. Принципиальная технологическая схема приведена на рисунке 1.

Согласно схеме, обесфторенная и обессульфаченная ЭФК из хранилища насосом подается в реактор (поз. 1), куда одновременно при перемешивании подают кальцинированную соду. Для глубокой очистки от сульфатов вводится еще и карбонат бария.

Из реактора сгущенный осадок подается на фильтр (поз. 2). Осветленный раствор поступает в реактор (поз. 3), куда подается и фильтрат после фильтрации сгущенного осадка. Твердая фаза - шлам отправляется в шламонакопитель. Для очистки обесфторенной и обессульфаченной ЭФК от полуторных окислов, соединений кальция и фтора в реактор (поз. 3) подается газообразный аммиак, а затем кальцинированная сода для получения нужного раствора с заданным соотношением Na₂O:P₂O₅.

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема получения триполифосфата натрия на основе экстракционной фосфорной кислоты:

1, 3 - реакторы, 2, 5 - фильтры, 4 - насос, 6 - вакуумно-выпарной аппарат (ВВА), 7 - сушильный барабан (БС, БГС), 8 - проколочный барабан, 9 - охлаждающий барабан, 10 – классификатор

В случае необходимости глубокой очистки растворов от соединений магния в реактор дополнительно вводится газообразный аммиак. Сгущенный осадок подается на фильтр, а фильтрат и осветленный раствор из реактора (поз. 3) поступает на выпарку в вакуум выпарной аппарат (ВВА) (поз. 6) и далее на сушку в барабанную сушилку (БС) (поз. 7). Высушенный продукт из БС подается в проколочный барабан (поз. 8), затем на охлаждение в охлаждающий барабан (поз. 9) и поступает на классификатор (поз. 10).

Результаты и их обсуждение

В таблице 1 приведены полученные в результате исследований нормы технологического режима процесса переработки ЭФК на триполифосфат натрия, которые применимы для производственного процесса.

Таблица 1.

Нормы расхода реагентов и технологический режим производства

Как видно из таблицы, для производства 1000 кг триполифосфата натрия необходимо 5981 кг очищенной ЭФК с концентрацией Р₂О₅ 16,98 %, 86,7 кг ВаСО₃ (норма 95-98%), 550 кг (норма 60-65%) и 287 кг (норма 35-40%) Nа₂СО₃ в первой и второй стадии нейтрализации, соответственно и 60 кг газообразного аммиака для осаждения соединений магния.

На основе установленной нормы расхода и технологического режима производства разработана нормативно-техническая и технологическая документация для проектирования производства.

На рисунке 2 приведена схема материальных потоков и материальный баланс получения триполифосфата натрия.

Рисунок 2. Схема материальных потоков и материальный баланс получения триполифосфата натрия из очищенного раствора смеси ортофосфатов натрия

Выводы. Таким образом, проведенные исследования позволили на основе опытных испытаний получить научно-обоснованные данные режима и материального баланса получения триполифосфата натрия по технологии переработки ЭФК, полученной из фосфоритов ЦК. Разработанная технологическая схема, схема материальных потоков, материальный баланс и нормы технологического режима производства триполифосфата натрия на основе ЭФК, полученного из фосфоритов ЦК которые позволяют получить продукт высокой чистоты (масс. % P₂O_5общ. -56,51; P₂O_5поли. - 55,63; SO₃ - 0,0053; F - 0,0018), соответствует требованиям ГОСТ 13493-86.

Список литературы:

1. Cheremysinova А., Sknar I., Kozlov Y., Sverdlikovska O., Sigunov O. Study of thermal dehydration of sodium orthophosphate monosubstituted / Eastern-European Journal of Enterprise Technologies ISSN 1729-3774. 3/6 (87) 2017. рр. 60-66.
2. Franco D.F., Barud H.S., Santagneli S., Lamarca R.S., Santos Bruno F., Silva M.A.P., de Oliveira L.F.C., Ribeiro S.J.L., Nalin M. Preparation and structural characterization of sodium polyphosphate coacervate as a precursor for optical materials. Materials Chemistry and Physics. 180. (2016). рр. 114-121.
3. Khujamberdiev Sh., Mirzakulov Kh., Arifdjanova K. Research of the process thermal dehydration of orthophosphate is sodium phosphate from Central Kyzylkum // International Journal of Chemical Petrochemical Technology // USA. 2019, ISSN(P): 2277-4807; ISSN(E): 2319-4464. (Impact Factor (JCC): 5.5342) Vol. 9, Issue 1, Dec 2019, рp. 1-8.
4. Sadegh F., Fayazi A. Analysis of crystalline structure of sodium tripolyphosphate: effect of pH of solution and calcination condition. Isfahan, Iran. Ind. and Eng. Chem. Res. -2012. -51, № 3. рр. 1093-1098.
5. Колесников В.И., Савенкова М.А., Мигаль Ю.Ф., Мясникова Н.А., Шишияну Д.Н. Механизм смазочного действия присадок полифосфатов и гетерополифосфатов в трибосистемах. Журнал прикладной химии. Россия. 2017. Т. 90. Вып. 5. - С. 609-619.
6. Мирзакулов Х.Ч., Арифджанова К.С., Меликулова Г.Э., Хужамбердиев Ш.М. Физико-химические основы и технологии ортофосфатов натрия и натрия-аммонийгидрофосфата на основе экстракционной фосфорной кислоты из фосфоритов Центральных Кызылкумов. Ташкент, изд. «Ziyo nashr-matbaa», ISBN 978-9910-733-10-9 2023. 243 с.
7. Мирзакулов Х.Ч., Хужамбердиев Ш.М., Арифджанова К.С., Турдиалиев У.М. Исследование процесса получения триполифосфата натрия из экстракционной фосфорной кислоты Центральных Кызылкумов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2018. № 9(54). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/6376. - С. 69-71.
8. Хужамкулов С.З., Арифджанова К.С., Нормурордов Б.А., Шамаев Б.Э., Мирзакулов Х.Ч. Обессульфачивание экстракционной фосфорной кислоты из фосфоритов Центральных Кызылкумов необогащенным фосфатным сырьем. // Химическая технология. Контроль и управление. – Ташкент, 2016. -№ 4. – С. 27-33.
9. Хужамкулов С.З., Меликулова Г.Э., Мирмусаева К.С., Мирзакулов Х.Ч. и др. Исследование процессов получения кремнефторида натрия из экстракционной фосфорной кислоты на основе фосфоритов Центральных Кызылкумов. // Химическая технология. Контроль и управление. – Ташкент, 2016. – № 1. – С. 34-40.