Введение. Товарный желтый фосфор, поставляемый для производства красного фосфора, содержит 2-8 % фосфорного шлама. Он представляет собой взаимную эмульсию фосфора с водой, стабилизированную примесями твердых частиц. Для исключения скапливания шлама, его необходимо обезвреживать как по экологическим, так и по экономическим соображениям. Представляется целесообразным после сжигания шлама выделять образующиеся оксиды абсорбцией раствором динатрийфосфата и использовать абсорбционный раствор в производстве фосфатов натрия |1-3|.

Цель работы. Получение отсутствующих сведений по массопередаче при поглощении оксида фосфора раствором динатрийфосфата в распылительной колонне.   

Экспериментальная часть

Фосфорный шлам с содержанием 52-58 % желтого фосфора сжигали в наклонной трубе диаметром 0,12 м непрерывным просасыванием через нее воздуха. В минеральной части шлама определено наличие до 42 % масс P₂O_5, 19,5 %  SiO₂, 28,3 % C, 5,3 % CaO, 2,1 % R₂O₃. Плотность шлама составляла 1590-1630 кг/м³. Степень выгорания фосфора и степень его отгонки азотом определяли по разности начального и конечного содержания фосфора в шлаке. Степень абсорбции оксидов фосфора определяли по содержанию  P₂O₅ в газе до и после распылительной колонки |4,5| методом фотоколориметрии поглотительного раствора.

Результаты и их обсуждения

Сравнение результатов исследования выгорания фосфора при аэрации шлама воздухом и отдувки фосфора азотом показало, что в обоих случаях степень удаления фосфора из шламовой массы примерно равны.

Это показывает, что окисление фосфора проходит по следующей схеме.

Первоначально фосфор испаряется в газовую фазу:

Р_4(Ж)→Р_4(Газ)

Пары фосфора окисляются кислородом:

P_{4(газ) +} 5O₂→P₄O_10(газ)

Оксиды фосфора, взаимодействуя с парами воды, образуют туман:

P₄O_10(газ)+ 6Н₂O_(пар)→4H₃PO_4(газ)

4H₃PO_4(газ)→4H₃PO_4(ж)

Как видно из рисунка 1,  требуемое время пребывания шлака в печи составляет 25-30 минут. Максимальная степень выгорания (98,6 %) фосфора достигается при коэффициенте избытка воздуха К равном 3-3,5. С дальнейшим увеличением подачи воздуха степень выгорания даже понижается и составляет при К=5 уже 97 %. Это объясняется относительным понижением температуры в печи (на 50-60 ⁰С) и, как следствие этого, падением скорости отгонки фосфора.

Уходящие из печи газы содержат 150-160 г/м³ P₂O₅, 2,5-3 г/м³ Р₂О₃  и до 0,6 г/м³ SiF₄. Температура газов на выходе из печи составляет 500 ⁰С.

Газы из печи сжигания подавали в полую распылительную колонку, орошаемую двумя форсунками. Перед колонкой к газу добавляли водяной пар из расчета 0,5 кг на 1 кг сжигаемого фосфора.

Как видно из рисунка 2, с увеличением расхода воды на распыление в колонне с 2 до 6 кг на 1 кг шлама поглощения пентаоксида фосфора возрастает с 58 до 72,6 %.

Рисунок 2. Влияние расхода воды (G, кг/кг шлама) (1) и раствора, содержащего 12 % динатрийфосфата (2) или 25 % динатрийфосфата (3), на степень поглощения пентаоксида фосфата (А, %) и концентрацию фосфорной кислоты (С, % масс) на выходе из колонны.

 

Степень поглощения пентаоксида фосфора раствором динатрийфосфата выше, чем при поглощении водой, и максимально она достигает 77 % при подаче раствора в количестве 12,5 кг на 1 кг шлама.

В Процессе абсорбции при подкислении раствора динатрийфосфата происходит его гидролиз:

Na₂HPO₄+ H₂O→NaH₂PO₄+NaOH

NaOH+H₃PO₄→NaH₂PO₄+H₂O

Гидроксид натрия, связывая фосфорную кислот, тоже переходит в мононатрийфосфат.

При поглощении пентаоксида фосфора водой с увеличением подачи воды с 2 до 6 кг/кг шлама концентрация фосфорной кислоты на выходе из колонны снижается с 50 до 26 % масс.

При абсорбции пентаоксида фосфора в распылительной колонне диаметром 300 мм и высотой 2200 мм коэффициент массопередачи меняется от 250 ч^-1 до 330 ч^-1 для 12 % орошающего раствора динарийфосфата.

При орошении колонны раствором, содержащим 25 % динатрийфосфата, коэффициент массопередачи составляет K_v=300-405 час¹ (рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние Расхода (G, кг/кг шлама) воды (1), 12 % раствора динатрийфосфата (2) и 25 % раствора динатрийфосфата (3) на коэффициент массопередачи (K_v, час^-1 ) при абсорбции пентаоксида из печных газов

В процессе абсорбции всвязи с конверсией динатрийфосфата в мононатрийфосфат происходит подкисление раствора и значение рН его понижается с 9,7 до ~6.

Заключение

Абсорбция оксидов фосфора раствором динатрийфосфата эффективнее чем водой или фосфорной кислотой. Степень абсорбции оксидов в распылительной колонне достигает 77 %.

Рецензенты:

• Луконин В. П.  д.т.н., профессор, генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров имени академика В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров»), г. Дзержинск.
• Ширшин К. В., д.х.н., профессор, заместитель директора Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров имени академика В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров»)  по научной работе, г.Дзержинск.