Способ разложения фторапатита
Изобретение относится к технологии обработки природного фосфатного сырья - апатита, а именно к способам разложения сложного фторсодержащего сырья - фторапатита, и может найти применение для получения метафосфорной кислоты и фтористого водорода, используемых в химической промышленности, и сульфата кальция (ангидрита), применяемого в производстве строительных материалов. Измельченный до размеров частиц менее 160 мкм фторапатит сушат и смешивают со стехиометрическим количеством измельченной пятиокиси фосфора. Смесь нагревают до температуры выше 170oС и обрабатывают газообразной фторсульфоновой кислотой. Выделяющиеся газообразные продукты разложения - метафосфорную кислоту и фтористый водород - отбирают. Образовавшийся твердый продукт реакции - фторсульфонат кальция - гидролизуют стехиометрическим количеством парообразной воды при температуре выше 170oС. Выделяющиеся при этом газообразные фторсульфоновую кислоту и фтористый водород используют в технологическом процессе разложения фторапатита, а твердый остаток реакции - сульфат кальция - представляет собой товарный продукт. Предложенная технология является безотходной, экологически чистой и экономически выгодной.
Предлагаемое изобретение относится к технологии обработки природного фосфатного сырья - апатита, а именно к способам разложения сложного фторсодержащего сырья - фторапатита, и может найти применение для получения метафосфорной кислоты и фтористого водорода, используемых в химической промышленности, и сульфата кальция (ангидрита), применяемого в производстве строительных материалов.
Общеизвестен способ разложения природных фосфатов серной кислотой с целью получения ортофосфорной (фосфорной) кислоты (БСЭ, третье издание, т. 27, с.566. - М., 1977). Одной из технологий по этому способу является получение фосфорной кислоты посредством разложения фторапатита разбавленной серной кислотой с последующим разделением твердой и жидкой фаз с помощью фильтра. Эта технология основана на следующей химической реакции (1): CaF23Ca3(PО4)2+10H2SО4+20H2О=10CaSО42H2О+6H3PО4+2HF (1) Этот способ и принят нами за прототип предлагаемого изобретения. Указанный прототип обладает следующими существенными недостатками, а именно: - в качестве товарного продукта используется только фосфорная кислота, тогда как другие компоненты разложения представляют отходы технологии, требующие утилизации; - значительная продолжительность производственного цикла процесса разложения апатита (4-8 ч) и низкая объемная производительность реактора; - большая фондоемкость применяемого оборудования и высокая энергоемкость основного производственного процесса вследствие его эндотермичности. Вместе с тем известен способ газофазного разложения плавикового шпата фторсульфоновой кислотой, в результате которого получают фтористый водород и ангидрит (патент РФ 2161121 с приоритетом от 30.11.98 на изобретение "Способ получения фтористого водорода и ангидрита"). Сущность способа заключается в разложении измельченного плавикового шпата газообразной фторсульфоновой кислотой на первой стадии (реакция 2) и в гидролизе фторсульфоната кальция на второй стадии (реакция 3). СаF2тв+2НSО3Fr=Са(SO3F)2тв+HF (2) Са(SO3F)2тв+H2Or=CaSO4тв+HFr+HSO3Fr (3) Преимущества этой технологии очевидны - она безотходна, процесс разложения исходного сырья происходит практически мгновенно. В этой связи поставлена задача: осуществить технологический процесс разложения природного минеральною сырья - фторапатита - безотходным, более производительным и менее затратным. Эта задача решена следующим образом. Измельченный до размеров частиц менее 160 мкм фторапатит сушат и смешивают со стехиометрическим количеством измельченной пятиокиси фосфора. Смесь нагревают до температуры выше 170oС и обрабатывают газообразной фторсульфоновой кислотой. Выделяющиеся газообразные продукты разложения - метафосфорную кислоту и фтористый водород - отбирают. Образовавшийся твердый продукт реакции - фторсульфонат кальция - гидролизуют стехиометрическим количеством парообразной воды при температуре не менее 170oС. Выделяющиеся при этом газообразные фторсульфоновую кислоту и фтористый водород направляют на процесс разложения фторапатита, а твердый остаток реакции - сульфат кальция - представляет собой товарный продукт. Таким образом, посредством разложения фторапатита фторсульфоновой кислотой с последующей обработкой полученного промежуточного продукта - фторсульфоната кальция - парами воды получают три товарных продукта: метафосфорную кислоту, фтористый водород и ангидрит. Стадия процесса фторсульфонатного разложения фторапатита является экзотермичной, весь процесс длится несколько секунд. Далее сущность и возможность реализации изобретения поясняется конкретным примером осуществления предлагаемого способа. Концентрат природного минерального фосфатного сырья с размерами частиц менее 160 мкм (ГОСТ 22275-76), обогащенный фтор-ионом, т.е. фторапатит химической формулы СаF23Са3(РO4)2 (в общем виде - Са10(РO4)6F2), просушивают в сушильном барабане с целью удаления остаточной влаги. Затем концентрат подают в смеситель, в который добавляют измельченную пятиокись фосфора в весовом соотношении 0,845:1 (реакция 4). Исходные продукты тщательно перемешивают и подают в высокопроизводительный реактор, например реактор провального типа, в котором поддерживают температуру выше 170oС, т.е. выше температуры испарения метафосфорной кислоты. Подготовленную таким образом смесь фторапатита и пятиокиси фосфора подвергают обработке газообразной фторсульфоновой кислотой. Химическое взаимодействие происходит по следующему уравнению: CaF23Ca3(PO4)+6P205+20HSO3F=10Ca(SO3F)2+18HPO3+2HF (4) Реакция протекает с выделением значительного количества тепла и длится доли секунды. Выделившиеся при этом газообразные вещества - метафосфорную кислоту и фтористый водород - отбирают, поскольку они представляют собой товарный продукт. Образовавшееся твердое вещество реакции - фторсульфонат кальция, направляют в следующий высокопроизводительный реактор, например реактор кипящего слоя, в котором также поддерживают температуру выше 170oС, где и происходит взаимодействие фторсульфоната кальция со стехиометрическим количеством парообразной воды по уравнению 5. 10Са(SO3F)2+10Н2O=10СаSO4+10НSO3+10НF (5). Время реагирования указанной реакции исчисляется несколькими секундами. Выделяющиеся в результате реакции газообразные компоненты - фторсульфоновую кислоту и фтористый водород, после соответствующего взаимодействия по реакции 610НSО3F+10HF+10SO3=20HSO3F (6)
направляют на процесс разложения фторапатита. Оставшееся твердое вещество реакции - безводный сульфат кальция или ангидрит - представляет собой товарный продукт. Достоинства предложенного способа разложения фторапатита заключаются в следующем: результатом разложения фторапатита является получение трех товарных продуктов: метафосфорной кислоты, фтористого водорода и ангидрита. Промежуточные продукты разложения - фторсульфоновая кислота и часть фтористого водорода используются в технологическом процессе разложения фторапатита. Таким образом, предложенная технология является безотходной и, следовательно, экологически чистой и экономически выгодной:
- ввиду того, что процесс разложения длится несколько секунд, предложенная технология является высокоинтенсивной;
- так как в процессе разложения фторапатита используют всего лишь две фазы - твердую и газообразную, то это упрощает технологический процесс и аппаратурное оформление;
- одна стадия процесса разложения фторапатита является экзотермичной, следовательно, предлагаемый способ относится к категории энергосберегающих технологий.
Формула изобретения