Изучение стадии разложения бедного фосфатного сырья кальцийсодержащим соляно-фосфорнокислотным раствором

Петропавловский И. А., Ахназарова С. Л., Почиталкина И. А.,

Киселев В. Г.

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

ИЗУЧЕНИЕ СТАДИИ РАЗЛОЖЕНИЯ БЕДНОГО ФОСФАТНОГО СЫРЬЯ КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩИМ
СОЛЯНО-ФОСФОРНОКИСЛОТНЫМ РАСТВОРОМ

Изучение конъюнктуры рынка фосфатного сырья все более актуализирует задачу вовлечения в переработку низкосортных фосфатов [1]. Сохранение масштабов производства и расширение ассортимента выпускаемых продуктов на основе бедных фосфоритов возможно за счет комбинирования с более концентрированными источниками фосфорсодержащего сырья [2].

Для осуществления такой переработки в промышленных масштабах необходимо знание физико-химических и технологических особенностей кислотного разложения фосфоритов различной природы и химического состава.

Характеристики исходных компонентов и технология переработки определяют свойства продукта и экономическую целесообразность выбранного метода. Так, производство фосфорсодержащих продуктов азотнокислотным разложением без предварительных стадий обогащения сырья экономически оправдано при содержании в сырье Р₂О₅ от 24%, а сернокислотное – при концентрации Р₂О₅ не менее 28% [3, 4]. В остальных случаях требуются меры по повышению качества сырья (обогащение, кондиционирование), что,
в конечном итоге, увеличивает стоимость переработки и конечного продукта. Многообразие фосфатных проявлений Русской платформы зачастую требует индивидуального изучения различных видов сырья.

Целью работы являлось изучение разложения фосфоритов Полпинского месторождения соляно-фосфорнокислотным раствором, получаемым в кислотных процессах разложения с рециклом маточного раствора.

В ранее опубликованных материалах [5, 6] показана возможность прямой переработки фосфатного сырья без обогащения в жидкофазном процессе с рециклом. Сущность метода заключается в том, что маточный раствор, содержащий хлорид кальция и Ca(H₂PO₄)₂∙Н₂О (МКФ) (в пределах растворимости), после отделения продукта – монокальцийфосфата, смешивается с вводимой в процесс фосфорной кислотой и в виде так называемого “оборотного раствора” возвращается на стадию разложения, при этом происходит регенерация соляной кислоты в динамическом равновесии с участием МКФ и фосфорной кислоты.

Выполненные нами ранее теоретические исследования по диаграммам растворимости показали эффективность рассматриваемого метода переработки фосфоритной муки Полпинского месторождения, содержащей 15,30% Р₂О₅, на монокальцийфосфат с содержанием Р₂О₅ в продукте до 39,1%.

Температурно-концентрационные и балансовые данные, рассчитанные нами по диаграмме растворимости, положены в основу постановки эксперимента по исследованию и оптимизации процесса соляно-фосфорнокислотного разложения фосфатного сырья методом планирования [7].

В ходе реализации эксперимента было исследовано влияние на коэффициент разложения Кр (y₁), Р₂О₅ (водн.) (y₂) и Р₂О₅ (своб.) (y₃) следующих факторов: температура процесса (z₁), продолжительность процесса разложения (z₂), норма фосфорной кислоты (z₃). Центр области исследования и интервал варьирования в натуральном масштабе даны в табл. 1.

Табл. 1. Области исследования независимых переменных

Независимые переменные	z1, ⁰ С	z2, мин	z3, %
Область исследования	30 - 50	10 - 30	100 - 120
Центр области исследования	40	20	110
Интервал варьирования	7,07	7,07	7,07

Диапазоны исследования независимых переменных определены в предварительных опытах.

На основании проведенных исследований были получены адекватные эксперименту уравнения регрессии, которые после отсева незначимых коэффициентов по статистике Стьюдента имеют следующий вид:

Переход от безразмерных переменных (x) к натуральным переменным (z) при планировании второго порядка осуществляется по формуле [7]:

где - координаты центра плана; - интервал варьирования (шаг исследования), значения указаны в табл. 1.

На основании полученных уравнений были определены оптимальные условия процесса разложения, обеспечивающие максимальные значения Кр (y₁), Р₂О₅ (водн.) (y₂) и минимальное значение Р₂О₅ (своб.) (y₃). Условия, соответствующие вышеперечисленным требованиям, сведены в табл. 2.

Табл. 2. Сводные результаты эксперимента

Критерий	x₁	x₂	x₃	z₁, ⁰С	z₂, мин	z₃, %	Значение критерия в оптимальных условиях
	+1,414	+1,414	+1,414	50	30	120	99,17
	+1,414	+1,414	0	50	30	110	32,22
	-1,414	+1,414	-0,7	30	30	105	0

Анализ полученных уравнений в оптимальных условиях для каждого критерия свидетельствуют о том, что имеется возможность уменьшить норму кислоты со 120% до 110% , при этом можно достичь Кр~ 98,7% и порядка 32,2% Р₂О₅ водной формы и 0,6% свободной формы Р₂О₅ в продукте. При минимизации нормы фосфорной кислоты до 105% Кр достигает 98,5%, однако содержание водной формы Р₂О₅ в продукте резко уменьшается до 26,9%. Поэтому для более строгого вывода по оптимизации следует использовать обобщенный критерий [8].

Литература:

1. Левин Б. В., Давыденко В. В., Сущев С. В., Ракчеева Л. В., Кузьмичева Т. Н. Актуальность и практические шаги по вовлечению низкосортного фосфатного сырья в переработку на сложные удобрения // Химическая промышленность сегодня. 2006. № 11. с. 11-18.

2. Классен П. В., Сущев С. В., Кладос Д. К. и др. изучение возможности использования отечественных фосфоритов (на примере егорьевских) для получения экстракционной фосфорной кислоты и фосфорсодержащих удобрений // Химическая промышленность сегодня. 2010. № 2. 24-31.

3. Ангелова М. А., Забелешинский Ю. А., Моссаковский Я. В. Технико-экономическая оценка качества фосфатного сырья Химическая промышленность. 1996. № 9. с. 544-548.

4. Aydin I., Imamoglu S., Audin F., Saydut A., Hamamci C. Determination of mineral phosphate species in sedimentary phosphate rock in Mardin, SE Anatolia, Nurkey by sequential extraction // Microchemical Jornal. 2009. № 91. p. 63-69.

5. Получение монокальцийфосфата из низкосортного фосфатного сырья. XXIV международная конференция молодых ученых / В. Г. Киселев, И. А. Почиталкина, И. А. Петропавловский // Успехи в химии и хим. технологии: сб. науч. тр. / РХТУ; [под ред. П. Д. Саркисова и В. Б. Сажина]. М.: Издательство РХТУ, 2010. Т. XXIV, № 9, С. 77-80.

6. Особенности кислотной переработки фосфатного сырья Полпинского месторождения / В. Г. Киселев, А. И. Ряшко, И. А. Почиталкина, И. А. Петро-павловский // Успехи в химии и хим. технологии: сб. науч. тр. / РХТУ; [под ред. П. Д. Саркисова и В. Б. Сажина]. М.: Издательство РХТУ, 2011.

7. Ахназарова С. Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978, 213с.

8. Ахназарова С. Л. Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с неполной информацией о механизме. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010, 100 с