ТЕХНОЛОГИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

О РОЛИ ПРИМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМ-УПАРКИ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ*

Выделение соединений фтора в газовую фазу при кон-^ центрировании растворов экстракционной фосфорной кис4 лоты от 27—30 до 50—54% Р2О5 является одним из наибо - лее распространенных методов извлечения и утилизации этого ценного компонента природного фосфатного сырья. Однако вакуум-упарку фосфорной кислоты, которая может быть получена при переработке бедных доломитизированных^ фосфоритов и характеризуется высоким относительным со­держанием примесей соединений магния, считают невозмож­ной [1—3], поскольку такие растворы уже при концентраций 38—4з% Р2О5 способны превращаться в вязкую малоподвиЖ' ную массу [4, 9]. Показано, что причиной загустевания яв-J ляется образование в процессе упарки коллоидного раствора фторида магния в фосфорной кислоте, превращающегося при охлаждении в структурированный гель. Последнее наблю­дали [5] при сравнительно высоких концентрациях магния (мае. отношение MgO:P205~0,l и более).

В растворах экстракционной фосфорной кислоты, полу­чаемых при переработке доломитизированных фосфоритов, наряду с соединениями магния, присутствуют примеси сое­динений и других металлов, которые, судя по имеющимся данным, также оказывают существенное влияние на пар­циальное давление паров фтористых соединений [6, 8], кристаллизацию твердых фаз [7] и физические свойства рас­творов [10]. Данных, позволяющих количественно оценить влияние всех указанных примесей на показатели вакуум - \ парки, в литературе не имеется.

Нами изучено влияние примесей соединений алюминия, железа и магния на выделение фтора в газовую фазу при вакуум-упарке модельных растворов, а также определена вязкость фосфорной кислоты концентрации 51—54% Р2О5. Для приготовления исходных растворов использовали тер­мическую фосфорную (ч), серную (х. ч.), кремнефтористо - водородную (ч) кислоты, окись (ч) и сульфат (х. ч.) маг­ния, гидроокиси железа (ч) и алюминия (х. ч.). Концентра­ции примесей варьировали в диапазоне (мае. %): MgO — 0.5—3,1, Р2Оз — 0,5—2,7, S042- — 0—7,6. Указанные пределы соответствуют возможному диапазону изменений состава экстракционной фосфорной кислоты, которая может быть получена, например, при переработке фосфоритов Каратау.

Методика проведения опытов следующая. Навеоку исход­ного раствора, содержащего около 30% Р2О5, упаривали при остаточном давлении 34,8-103—21,3-103 Па в термостатиро­ванном стальном реакторе (внутренняя поверхность реактора защищена пленкой напыленного фторопласта) до концент­рации 51—54% Р2О5 Затем раствор выдерживали под ва­куумом в течение 60 мин, добавляя воду для поддержания примерно постоянной концентрации.

Растворы упаренной кислоты анализировали на содержа­ние Р2О5, фтора и соответствующих примесей по известным методикам [11, 12], а также определяли их кинематическую вязкость при 25, 40, 60 и 80 °С. Кроме того, фиксироівали поведение растворов (наличие или отсутствие загустевания) при их длительном (в течение 20—30 сут) хранении.

Усредненные данные по влиянию примесей полуторных окислов на процесс вакуум-упарки растворов фосфорной кислоты (табл. 1) показывают, что соединения железа даже

При значительных концентрациях (2,7% Fe203 в исходной и соответственно 4,6% в упаренной кислоте) не уменьшают степени выделения фтора (Кг) в газовую фазу — последняя составляет 96% (при упарке растворов, не содержащих при­меси полуторных окислов, Кг равна 97%). В отличие о-в этого соединения алюминия заметно повышают остаточное (после упарки) содержание фтора в кислоте и снижают era выделение в газовую фазу. Так, при наличии в исходной кислоте 1,2—2,6% А1203 степень выделения фтора при упарке уменьшается до 81—77%. Такая же величина К? получена при концентрировании раствора, содержащего одновремен­но 0,9% Fe203 и 0,9% А1203. Очевидно, указанное влияние соединений алюминия обусловлено образованием достаточно прочных ионов A1F2+ [7, 10], способствующих снижению пар­циального давления паров SiF4 и HF над фосфорнокислот - ными растворами. Аналогичное предположение высказано в работе [13] на основе данных о выделении фтора при барботаже воздуха через нагретые до 100—130 °С растворы смесей фосфорной и кремнефтористоводородной кислот, нейтрализованных ионами Ca+Z, Fe+3, А1+3.

Примеси соединений железа и алюминия заметно увели­чивают вязкость упаренной кислоты. Например, кинематиче - екая вязкость растворов, охлажденных до 25°С (см. табл. 1), возрастает в ~3,8 (при 2,7% Fe203 в исходной кислоте) и в ~4,8раза (при 2,6% А1203) по сравнению с вязкостью кис­лоты, не содержащей ионов Fe+3 и А1+3. Отметим, что в упа­ренных растворах, содержащих ~4,8% Fe203, при охлажде­нии до 18—25 °С имело место выделение игольчатых (/=60—120 мим, Ь — 2—3 М'КМ) кристаллов фосфатов же­леза. В отличие от этого в алюминийсодержащих растворах (~4,2% А1203) наблюдали образование очень мелких крис­таллов лишь при длительном (более 2—3 сут) хранении. Однако загустевания кислоты при охлаждении и длительной выдержке в обоих случаях не отмечено.

При изучении влияния примесей соединений магния для приготовления исходных растворов использовали сульфат магния MgS04-7H20 (табл. 2, № 1—5) либо окись магния и серную кислоту (см. табл. 2, № 6—15). В последнем случае варьировали мольное отношение Mg0/S03.

Как видно из представленных в табл. 2 данных, сравни­тельно небольшие (до 1,7% в пересчете на MgO) добавки сульфата магния практически не оказываются на степени выделения фтора в газовую фазу. Величина Kf заметно уменьшается (от 96—98 до 90%) лишь при содержании MgO, равном 3,1. Однако и в этом случае степень выделения фтора значительно больше, чем полученная ранее [5] в опытах по упарке фосфорнокислотных растворов кремне - фторида магния с добавками окиси магния.

Таким образом, наличие в растворе ионов S042- одновре­менно с катионами Mg2+ уменьшает отрицательное воздейст­вие последних на выделение фтористых соединений в газо­вую фазу. Это подтверждается, например, результатами опы­тов с растворами, содержащими 1,8% MgO и различное ко­личество S042- (см. табл. 2, № 12—15). Как видно, в отсут­ствие сульфатов степень выделения фтора при упарке рас­твора составляет всего 81%, а введение серной кислоты по­вышает Ky на 11—14% (до 92—95%)- Однако при высоких концентрациях примеси магния даже наличие сульфат-иона в упариваемых растворах не позволяет достигать достаточно полного выделения фтора (см. табл. 2, № 5, 11).

На рис. 1—2 сопоставлено влияние исследованных при­месей на степень выделения фтора и реологические свойства концентрированной фосфорной кислоты, содержащей 4—5% S042-. Как видно из рис. 1, при одинаковой степени нейтра­лизации 1-го водородного иона фосфорной кислоты (вели-

Чина z, %, рассчитана без учета наличия серной кислоты в упариваемых растворах) примесь алюминия в наибольше? мере снижает степень выделения фтора в газовую фазу, Введение в исходную кислоту соединений железа, так ж«

Как и небольших количеств соединений магния (2^10%), практически не сказывается на величине Кт - При дальней­шем повышении степени нейтрализации кислоты примесью магния (от 11 до 30%) /(F резко снижается (от 95 до 80%)- g отличие от этого соединения алюминия заметно умень­шают степень выделения фтора уже при сравнительно не­больших степенях нейтрализации фосфорной кислоты.

Сопоставление влияния примесей на реологические свой­ства концентрированных растворов (см. рис. 2) показывает, что при степени нейтрализации до 16—18% все они примерно одинаково повышают кинематическую вязкость v, мм2/с (от 15 до 22 мм2/с).

При дальнейшем увеличении степени нейтрализации очень резко возрастает вязкость магнийсодержащих раство­ров, достигающая при г—32% более 150 мм2/с. Несомненно, в данном случае сказывается появление фторида магния. Это подтверждается тем, что при введении сульфата маг­ния увеличение вязкости по мере повышения отношения MgO: Рг05 еще более значительно (см. табл. 2, № 1—5).

На рис. 3 и в табл. 3 представлены данные о совместном влиянии соединений магния и железа, магния и алюминия на вязкость концентрированной фосфорной кислоты и на выделение фтора при упаривании. Как видно, даже при сравнительно небольших концентрациях примеси магния

(массовое отношение MgO: Р205 =0,06) увеличение содержа­ния ионов алюминия резко уменьшает выделение фтора — Кг при 2,4% А1203 (А1203: P20s~0,08) снижается до 54%. В отличие от этого совместное присутствие соединений же­леза и магния в упариваемой кислоте приводит к сравни­тельно небольшому снижению степени выделения фтора в га­зовую фазу. Так, при отношениях MgO: Р205~0,06 и Ре2Ъ3: Р205~0,09% Kf=89%, т. е. уменьшение выделения фтора в газовую фазу происходит только за счет наличия в кислоте примеси магния.

Кинематическая вязкость упаренных растворов, содержа­щих 3,1—3,2% MgO, увеличивается по мере повышения кон­центрации как Fe203, так и А1203 примерно в равной степени. При отношении R203: Р205, равном 0,11, вязкость кислоты при 25°С достигает ~467 мм2/с, что в ~15 раз больше вяз­кости растворов, не содержащих этих примесей.