[发明专利]通过两阶段结晶工艺进行的磷酸生产

说明书

相关申请案

本申请要求于2013年3月8日提交的序列号为61/775049的美国临时申请，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及磷酸的生产，且更特别地涉及一种采用进料酸罐总成和回收溶液罐总成以生产具有P₂O₅的高回收的高强度磷酸的两阶段结晶和过滤工艺。

背景技术

磷酸(H₃PO₄)具有一些商业用途，其涵盖从其在生产农用产品，如肥料和动物饲料的用途至其结合至食品产品中的用途。磷酸浓度可按几种方式进行表达，包括磷酸的百分比(％H₃PO₄)、五氧化磷的百分比(％P₂O₅)或磷的百分比(％P)，其可使用下列转换因子在浓度单位之间进行转换：

％H₃PO₄×0.724＝％P₂O₅

％H₃PO₄×0.316＝％P

％P₂O₅×0.436＝％P

为了进行本申请且出于一致性和简洁性，磷酸浓度将以P₂O₅浓度(％P₂O₅)进行表达。磷酸的浓度或强度限定其对特定用途的适宜性。例如，商业级磷酸具有约50-54％的P₂O₅浓度或纯度，而食品级P₂O₅则具有约54-62％的浓度或纯度。

用于农用产品，如肥料和动物饲料中的磷酸通常是通过湿法工艺生产的。在湿法工艺中，通过添加硫酸以生成磷酸和不溶的硫酸钙副产品的方式溶解或酸化开采的磷酸盐岩或磷酸盐矿，如磷酸三钙岩或磷灰石。简化形式的总的化学反应为：

Ca₃(PO4)₂+3H₂SO₄+6H₂O＝3CaSO₄·2H₂O+H₃PO₄  (1A)

总的反应可被分解为两个单独的步骤。首先，在下列反应中通过磷酸盐岩与添加至工艺中和/或再循环的过量磷酸的反应形成磷酸一钙：

Ca₃(PO4)₂+4H₃PO₄＝3Ca(H₂PO₄)₂  (2A)

其次，在下列反应中使磷酸一钙与硫酸反应以形成额外的磷酸和硫酸钙：

3Ca(H₂PO₄)₂+3H₂SO₄＝3CaSO₄+6H₃PO₄(3A)

根据各种反应物在上述反应中的每一个中的浓度和反应的温度，可按各种结晶形式获得硫酸钙副产品。两个特定形式的硫酸钙包括硫酸钙二水合物(CaSO₄.2H₂0)或称之为石膏和硫酸钙半水合物(CaSO₄.1/2H₂0)。前者或二水合物形式为稳定的结晶形式，其易于在工艺中进行过滤和冲洗。然而，由于其稳定的结晶形式，磷酸盐在其结构中被捕获，从而导致系统的净磷酸盐损失、降低了系统的整体效率，其反过来转化成增加的生产成本。此外，届时被磷酸盐污染的石膏可能不适于其最终用途，如用于水泥、灰泥或类似物。

另一方面，半水合物形式具有更不太稳定的结晶结构，且如果不严密监测和控制过滤条件，其则倾向于在过滤器上水合。在过滤器上的水合可导致使工艺停止和使生产成本最终增加的非过滤性质量。

因此，湿法工艺的每个步骤和其各种参数，包括反应物的浓度和反应温度，必须通过使硫酸钙副产品的可过滤性和/或磷酸盐或P₂O₅回收最大化而仔细地进行监测、测量和控制以减少工艺变化性。已开发出各种湿法工艺以生产磷酸，主要是要明确这些目标中的一个或多个。