[发明专利]湿法磷酸分段多效浓缩与分级闪蒸脱氟的方法

说明书

一种湿法磷酸分段多效浓缩与分级闪蒸脱氟的方法，其特征是前段低温低浓度只浓缩不脱氟，后段高温高浓度两级浓缩脱氟在波纹板阵列降膜气液界面上进行、磷酸在降膜气液界面停留时间不短于30秒、充分脱氟。回收后段两级浓缩脱氟二次蒸气废热回用于前段低温低浓度磷酸浓缩，一级浓缩脱氟磷酸浓度40~46%Psubgt;2/subgt;Osubgt;5/subgt;、回收二次蒸气温度75~95℃；二级浓缩脱氟磷酸浓度不低于51%Psubgt;2/subgt;Osubgt;5/subgt;且含氟不超过0.08%F、制备氟硅酸浓度≥15%Hsubgt;2/subgt;SiFsubgt;6/subgt;、回收二次蒸气温度65~75℃。采用本发明方法将1吨浓度不低于26%（Psubgt;2/subgt;Osubgt;5/subgt;）的粗磷酸浓缩脱氟到浓度52%、含氟0.06%、回收氟硅酸浓度≥15%（Hsubgt;2/subgt;SiFsubgt;6/subgt;），新鲜蒸气耗量不超过320kg，大幅度提高氟回收率和废热循环利用率，具有显著的资源节约和环境友好特征。

技术领域

本发明涉及无机化工、资源能源循环利用与节能减排，特别是采用分级闪蒸浓缩脱氟、高效回收氟资源和清洁利用低位热能的技术领域。

背景技术

磷矿石湿法加工生产的湿法磷酸（粗磷酸）溶液含水45~70%且含有矿石中的多种杂质，常通过浓缩提高磷酸（P₂O₅或H₃PO₄）浓度同时减少杂质含量，浓缩过程中氟和硅两种杂质常以SiF₄和HF形态伴随水蒸气从液相逸出到气相，这是湿法磷酸浓缩脱氟的基础。氟化物从液相逸出的推动力，服从一定的气液平衡规律，与溶液中氟（F）、硅（Si）含量和磷酸浓度及温度均呈正相关，简言之浓度温度越高逸出能力越强，反之则反、甚至不逸出，例如88℃温度下通过充分搅拌和引风降温的反应器制备的38%（H₃PO₄）的粗磷酸溶液、在低于该温度的条件下溶液中残存的F与Si不会逸出，因此湿法磷酸脱氟要在提高温度和浓度（即浓缩）的条件下进行。磷酸浓缩过程从H₂O-H₂SiF₆-H₃PO₄-SiO₂体系随二次蒸气逸出的SiF₄和HF冷凝时生成氟硅酸（H₂SiF₆）与氢氟酸（HF）的混合酸、同时可能析出SiO₂胶体颗粒，该体系腐蚀性很强且易粘附堵塞管道，因此磷酸浓缩产生的二次蒸气再利用难度很大、工业上普遍当作废热排放并且还要消耗冷却水。而根据氟硅酸的气液平衡数据，将上述磷酸浓缩二次蒸气完全冷凝生成浓度不超过15%（H₂SiF₆）的氟硅酸溶液H₂O-H₂SiF₆-SiO₂体系，即使温度达到90℃、与之呈平衡的蒸气相中F/H₂O质量比不会高于0.0035（化学工业部建设协调司. 磷酸磷铵重钙技术与设计手册. 化学工业出版社, 1997：p97，表2-4-4）、而且该气相饱和温度与氟硅酸溶液很接近，因此该体系蒸发浓缩产生的二次蒸气更具有废热回收并用作低温磷酸预浓缩热源的条件。据此，本发明提出了一种湿法磷酸分段多效浓缩与分级闪蒸脱氟的方法，其技术改进原理是：1）将湿法磷酸浓缩分为前、后两段，前段低温低浓度，预浓缩不脱氟；后段高温高浓度，浓缩并脱氟、回收氟硅酸及其溶液闪蒸产生的二次蒸气为前段低温磷酸预浓缩提供热源；2）后段又分两级，一级氟硅酸溶液浓度低（8% H₂SiF₆）因而其闪蒸设计温度较高（90℃）、二级氟硅酸溶液浓度高（≥15% H₂SiF₆）因而其闪蒸设计温度较低（70℃），回收这两级闪蒸的二次蒸气既符合低温磷酸预浓缩所需热源的温度条件、又使其含氟不超过0.0035便于设备腐蚀防护与冷凝液循环利用；3）浓缩脱氟采用小流量、大表面、薄膜闪蒸、接近气液平衡条件下进行，充分利用溶液蒸发产生的挥发度高的水蒸气推动挥发度较低的氟化物脱离液相进入气相。本发明公开的湿法磷酸分段多效浓缩与分级闪蒸脱氟的方法，后段浓缩脱氟以0.6MPa（158℃）新鲜蒸气为热源，回收90℃和70℃两个等级的二次蒸气为前段提供低温磷酸预浓缩热源，采用本发明方法将1吨浓度不低于26%（P₂O₅）、含氟2.5%（F）的湿法磷酸浓缩并脱氟到浓度52%（P₂O₅）、含氟 0.06 %（F）同时回收15%（H₂SiF₆）氟硅酸200kg，新鲜蒸气耗量不超过320kg。本发明方法将湿法磷酸蒸发浓缩二次蒸气废热回收从H₂O-H₂SiF₆-H₃PO₄-SiO₂体系转移到H₂O-H₂SiF₆-SiO₂体系，使废热蒸气含氟量降低至F/ H₂O质量比低于0.0035，大幅度提高氟回收率和废热循环利用率，具有显著的资源节约和环境友好特征。