Технология производства экстракционной фосфорной кислоты

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 

Ю. Н. Сахаров, И. Ю. Сахаров 

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА 
ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ 
КИСЛОТЫ

Учебное пособие 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2021 

УДК 661.634(075) 
ББК 35.20я7 

С22

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. С. Э. Тарасевич 
канд. хим. наук Ю. В. Филиппов 

С22 

Сахаров Ю. Н. 
Технология производства экстракционной фосфорной кислоты : учебное 
пособие / Ю. Н. Сахаров, И. Ю. Сахаров; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2021. – 116 с. 

ISBN 978-5-7882-3077-1

Рассмотрены типовая технология производства экстракционной фосфорной 
кислоты, существующие подходы к исследованию химико-технологических процессов и разработке эффективных технологий и оборудования химических заводов. 
Предназначено для бакалавров и магистров направления подготовки 
15.03.02, 15.04.02 «Технологические машины и оборудование», специалистов 
направления подготовки 18.05.01 «Химическая технология энергонасыщенных 
материалов и изделий» в рамках дисциплин специализации при выполнении НИР 
и ВКР, а также рекомендуется аспирантам специальностей 2.6.7 «Технология неорганических веществ» и 2.6.12 «Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ». 
Подготовлено на кафедре оборудования химических заводов. 

ISBN 978-5-7882-3077-1
© Сахаров Ю. Н., Сахаров И. Ю., 2021
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2021

УДК 661.634(075) 
ББК 35.20я7

2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................................ 5 

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................................... 6 

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ .................................................................. 7 

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСТРАКЦИОННОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА

ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ РАЗЛОЖЕНИЕМ ФОСФАТА СЕРНОЙ КИСЛОТОЙ ................................... 7 
1.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА РАЗЛОЖЕНИЯ ФОСФАТНОГО СЫРЬЯ

И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ ................................................................................ 11 
1.3. РАЗЛОЖЕНИЕ ФОСФАТНОГО СЫРЬЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ

В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ........................... 18 
1.4. СЫРЬЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ............................. 23 
1.5. ТИПОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ

КИСЛОТЫ ...................................................................................................................................... 25 
1.6. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ (МОДЕРНИЗАЦИЯ) ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ................................................. 31 
1.7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПРОЦЕССА ..................................................................................................................................... 40 

2. РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ . ............................................................. 52 

2.1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ............................................................................. 52 
2.2. РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ........................................................................................................................... 69 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................... 75 

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................................. 76 

Приложение А. Характеристика продукции .................................................................... 79 

Приложение Б. Характеристика исходного сырья, материалов, 
полупродуктов и энергоресурсов ........................................................................................ 83 

Приложение В. Характеристика отходов (побочных продуктов) ........................... 87 

Приложение Г. Описание конструкции и описание работы форреактора ......... 89 

Приложение Д. Задания, примеры и вопросы ............................................................... 91 

С П И С О К  У С Л О В Н Ы Х  С О К РА Щ Е Н И Й

ЭФК – экстракционная фосфорная кислота  
НИР – научно-исследовательская работа 
ВКР – выпускная квалификационная работа  
КП – курсовой проект  
КР – курсовая работа  
НИРС – научно-исследовательская работа студентов 
ТР – технологический регламент 
РЗЭ – редкоземельные элементы 
Т:Ж – массовое соотношение твердой и жидкой фаз 
ПДК – предельно допустимая концентрация 

4 

П Р Е Д И С Л О В И Е

Учебное пособие составлено на основе опыта работ коллектива 
кафедры ОХЗ по исследованию, разработке и внедрению технологии 
производства экстракционной фосфорной кислоты на предприятиях отрасли под руководством д-ра техн. наук, профессора А. Ф. Махоткина. 
Рассмотрены сырьевая база, свойства и технические требования 
к сырью и продукционной ЭФК, физико-химические основы и механизм основных процессов производства ЭФК их общие кинетические 
закономерности. Выполнен анализ уровня и направления развития типовой технологии производства ЭФК, рассмотрены примеры их реализации при разработке новых технологических систем производства экстракционной фосфорной кислоты, пути дальнейшей интенсификации и 
совершенствования технологических процессов.  
Учебное пособие направлено на выработку у студентов умения 
анализировать физико-химические свойства веществ; оценивать и анализировать достоинства и недостатки действующих технологий; проводить экспериментальные исследования технологических процессов; 
применять полученные данные для обоснования и расчета оптимальных технологических параметров процесса, составления технологической схемы и разработки аппаратурного оформления. 

В В Е Д Е Н И Е

В настоящее время «Стратегия развития химического и нефтехимического комплекса России на период до 2030 года»: предусматривает 
создание новых технологий и производств, на основе внедрения отечественных НИОКР и подготовки кадров. 
Промышленность минеральных удобрений – важнейшая отрасль 
химической промышленности, развитие которой предусматривает, увеличение в общем объеме выпуска доли фосфорных видов удобрений. 
Развитие производств фосфорных минеральных удобрений предусматривает увеличение выпуска базового полупродукта – экстракционной 
фосфорной кислоты (ЭФК), из местного и нетрадиционного сырья. 
Крупные предприятия промышленности минеральных удобрений: «Еврохим», «Фосагро» «Уралкалий» «Уралхим» и «Акрон» производят более 80 % от общего объема производства минеральных удобрений России. Рост производства ЭФК на предприятиях отрасли сдерживается отсутствием нового эффективного оборудования, технологий и дополнительного количества фосфатного сырья.  
В рамках учебных дисциплин «Производство неорганических веществ», «Технология химических производств» изучается тема «Технология производства экстракционной фосфорной кислоты».  
В учебном пособии рассмотрены сырьевая база, проблемы использования апатитового, фосфоритного и смешанного фосфатного сырья; научно-технические основы достоинства и недостатки типовой 
технологии ЭФК, примеры новых способов организации технологических систем производства экстракционной фосфорной кислоты – важнейшего базового полупродукта промышленности фосфорных минеральных удобрений. Структура и особенности изложения данного учебного пособия направлены на усвоение студентами методологии совершенствования технологических систем с одновременным обеспечением технологической и экологической безопасности химических производств, непосредственное дальнейшее участие студентов – выпускников в экспериментальном исследовании, разработке и реализации новых перспективных технологий на предприятиях отечественной химической промышленности. 

1 . Ф И З И К О -Х И М И Ч Е С К И Е  О С Н О В Ы  Т Е Х Н О Л О Г И И  
П Р О И З В О Д СТ В А Э К СТ РА К Ц И О Н Н О Й  Ф О С Ф О Р Н О Й
К И С Л ОТ Ы  

1.1. Физико-химические основы экстракционного 
способа производства фосфорной кислоты 
разложением фосфата серной кислотой 

Производство фосфорной кислоты способом экстракции [4] состоит из стадий: обработки фосфатного сырья серной кислотой в присутствии раствора разбавления (оборотной фосфорной кислоты) и образования осадка кристаллов сульфата кальция; разделения пульпы 
(суспензии) на вакуум-фильтрах и отмывки продукционной фосфорной 
кислоты от осадка. 
Разложение фосфатного сырья – это единый гетерофазный физико-химический процесс экстракции фосфорной кислоты и кристаллизации сульфата кальция. Нарушение технологических параметров стадии экстракции приводит к ухудшению показателей стадии отжима 
кристаллов фосфогипса [5]. Производительность технологии производства ЭФК в целом зависит от условий (параметров) и конструктивного 
оформления каждой конкретной стадии технологического процесса. 
Под ухудшением процесса кристаллизации понимают: образование мелкокристаллического сульфата кальция, увеличение в экстракторе времени дозревания (нарушения сульфатного режима, недостаточность перемешивания). От мелких кристаллов осадка труднее отмыть 
продукционную ЭФК, что приводит к изменению концентрации фильтратов при промывке, к забиванию коммуникаций и фильтровальной 
ткани, нарушению теплового и водного баланса, уменьшению производительности технологической системы производства ЭФК в целом. 
Увеличение производительности за счет эффективного разделения образующейся пульпы возможно при образовании в процессе экстракции 
крупных кристаллов сульфата кальция прямоугольной формы, которые 
хорошо отфильтровываются и легко промываются. 

Увеличение размеров кристаллов в технологии достигают: проведением процесса разложения фосфатного сырья в среде раствора разбавления, подачей затравки кристаллов сульфата кальция посредством 
рециркуляции части пульпы, содержащей кристаллы затравки; обеспечением температурного режима процесса. Охлаждение суспензии проводят: в вакуум-испарителях; подачей охлаждающего воздуха в экстрактор (реактор). В процессе охлаждения происходит испарение воды, 
что дополнительно увеличивает концентрацию ЭФК в жидкой фазе 
пульпы. Отходящий газовый поток после охлаждения со стадии разложения и стадии фильтрования содержит пары воды, фторсодержащие 
соединения и пары фосфорной кислоты. Их улавливают в различных 
абсорбционных системах. 
Сернокислотное разложение фосфатного сырья описывается химической реакцией (1.1): 

Са5(РО4)3F +5Н2SО4 + 5nН2О = 5СаSО4·nН2О + ЗН3РО4 + НF. (1.1) 

При смешении с фосфатным сырьем Н2SО4 концентрацией более 
30 % образуется не поддающаяся разделению малоподвижная густая 
пульпа. Поэтому в технологии процесс разложения проводят в присутствии раствора разбавления, включающего возвращаемые в процесс 
растворы от промывки сульфата кальция и циркулирующую продукционную фосфорную кислоту. Механизм процесса описывается схемой: 

Ca5F(PO4)3 + nН3РО4 → 5Са(Н2РО4)2 + (n−7)H3PO4 + HF; 
(1.2) 

Ca(H2PO4)2 + H2SO4 + mH3PO4 → CaSO4 + (m+2)H3PO4. 
(1.3) 

Фосфатное сырье первоначально взаимодействует с фосфорной 
кислотой в виде раствора разбавления. Образуется Са(Н2РО4)2 (монокальцийфосфат), который взаимодействует с серной кислотой в среде 
раствора разбавления с образованием нерастворимого осадка сульфата 
кальция. 
Кристаллогидратная форма (степень гидратированности) осадка 
сульфата кальция в форме: ангидрита (безводного CaSO4); дигидрата 
(CaSO4×2H2O, гипс); полугидрата (CaSO4×0,5H2O), определяется температурой процесса и концентрацией раствора разбавления. Концен

трация раствора разбавления зависит от соотношения количества (части) продукционной фосфорной кислоты, подаваемой на рециркуляцию, и количества воды, которое подают в технологическую систему 
производства ЭФК на промывку осадка сульфата кальция от фосфорной кислоты. Раствор разбавления создает необходимую текучесть 
пульпы. Его концентрация одновременно с температурой процесса 
определяет условия получения осадка сульфата кальция заданной степени гидратированности и соответствующую заданную концентрацию 
продукционной ЭФК. По температурному интервалу проведения процесса способ получения ЭФК характеризуют как дигидратный, полугидратный, ангидритный процесс. Температурный диапазон типового 
дигидратного способа производства ЭФК составляет 65–80 °С, концентрация продукционной ЭФК – 24–27 % Р2О5. 
Влияние примесей на процесс разложения фосфатного сырья 
Силикатные примеси, содержащиеся в фосфатном сырье (нефелин, глауконит, каолин) образуют соли (сульфаты) и кремниевую кислоту, которая в условиях производства разлагается на воду и оксид 
кремния в виде твердого пористого силикагеля: 

Na2OК2ОА12 О3·2SiO2 + 5H2SO4 → Na2SO4 + K2SO4 + 
 + Al2(SO4)3 + 2SiO2 + 5H2O. 
 
(1.4) 

Силикагель при взаимодействии с HF образует кремне-фтористоводородную кислоту: 

6HF+SiO2 → H2SiF6+2H2O. 
(1.5) 

При избытке силикагеля (аморфного SiO2) в растворе из H2SiF6 
образуется тетрафторид кремния (SiF4), выделяющийся в газовую фазу: 

2H2SiF6 + SiO2 → 3SiF4 + 2H2O. 
(1.6) 

В дигидратном способе получения ЭФК от всего количества 
фтора из фосфатного сырья в газовую фазу выделяется около 6–10 % 
в виде смеси SiF4 и HF. В типовой технологии газообразные соединения 
фтора абсорбируют водой: 

(n+2)H2O + 3SiF4 → 2H2SiF6 + SiO2×nH2O. 
(1.7) 

Суммарно весь содержащийся фосфатном сырье фтор переходит 
в газовую фазу, в раствор, в осадок кристаллов сульфата кальция, образует соответствующие твердые газообразные и жидкие примеси и отходы, что влечет за собой необходимость их очистки и утилизации.  
Примеси карбоната и силиката кальция и магния серной кислотой разлагаются по схеме [8]: 

CaMg(CO3)2 + 2H2SO4 → CaSO4 + MgSO4 + 2H2O+2CO2; (1.8) 

Mg2SiO4 + 2H2SO4 → 2MgSO4 + SiO2 + 2H2O; 
(1.9) 

Ca2SiO4 + 2H2SO4 → 2CaSO4 + SiO2 + 2H2O. 
(1.10) 

Примеси карбоната и силиката кальция и магния увеличивают 
расход серной кислоты на их разложение. Уменьшают выход свободной продукционной фосфорной кислоты за счет связывания ЭФК в дигидрофосфат магния. При 28 % содержании MgO в фосфатном сырье от 
общего количества P2O5, практический выход ЭФК равен нулю. 
Соединения полуторных оксидов железа (бурый железняк, гематит, лимонит, гетит) и алюминия (каолин, нефелин) при разложении 
фосфатного сырья в реакционной смеси сначала растворяются, затем 
переходят в фосфаты алюминия и железа:  

Al2O3 + H2SO4 + Ca(H2PO4)2 → 2AlPO4 + CaSO4 + 3H2O; 
(1.11) 

Fe2O3 + H2SO4 + Ca(H2PO4)2 → 2FePO4 + CaSO4 +3H2O. 
(1.12) 

Фосфаты алюминия и железа образуют пересыщенные растворы, 
из 
которых 
медленно 
выделяются 
гидраты: 
FePO4∙2H2O, 
H3Fe(PO4)2∙2,5H2O, А1РО4∙2Н2О и Al2(HPO4)3∙nН2О. Растворимость 
фосфатов железа при 70–80 °С, в растворе 25–32 % Р2О5 и 2–3 % SO3 
в расчете на Fe2O3 составляет 2 %. При содержании в фосфатном сырье 
8–6 % Fe2O3 от количества Р2О5 фосфаты железа переходят в раствор 
продукционной ЭФК. Примеси полуторных оксидов понижают выход 
фосфорной кислоты в жидкую фазу, снижают активность жидкой фазы 
и замедляют скорость разложения фосфатого сырья. Фосфатное сырье 
с высоким содержанием примесей Fe, А1, Mg без предварительного 
обогащения или очистки не применяют в качестве сырья производства