Axít photphoric (H3PO4) và công nghệ sản xuất
Axit photphoric, hay đúng hơn là axit orthophotphoric là một axit trung bình có công thức hóa học H3PO4.
Axit photphoric (H3PO4)
Tính chất vật lý
Axit photphoric là chất rắn tinh thể không màu, khối lượng riêng 1,87 g/cm3; nhiệt độ nóng chảy = 42,350C (dạng H3PO4.H2O có nhiệt độ nóng chảy = 29,320C); phân huỷ ở 2130C. Tan trong etanol, nước (với bất kì tỉ lệ nào). Trong cấu trúc tinh thể của nó gồm có những nhóm tứ diện PO4, liên kết với nhau bằng liên kết hidro. Cấu trúc đó vẫn còn được giữ lại trong dung dịch đậm đặc của axit ở trong nước và làm cho dung dịch đó sánh giống như nước đường.
Axit orthophotphoric tan trong nước đó được giải thích bằng sự tạo thành liên kết hidro giữa những phân tử H3PO4 và những phân tử H2O.
Tính chất hóa học
Trong phân tử axit photphoric P ở mức oxi hóa +5 bền nên axit photphoric khó bị khử, không có tính oxi hóa như axit nitric. Khi đun nóng dần đến 260oC, axit orthophotphoric mất bớt nước, biến thành axit điphotphoric (H4P2O7); ở 3000C, biến thành axit metaphotphoric (HPO3). Axit photphoric là axit ba nấc có độ mạnh trung bình, hằng số axit ở 250C có các giá trị K1 = 7.10−3, K2 = 8.10−6, K3 = 4.10−13. Dung dịch axit photphoric có những tính chất chung của axit như đổi mà quỳ tím thành đỏ, tác dụng với oxit bazo, bazo, muối, kim loại. Khi tác dụng với oxit bazo hoặc bazo, tùy theo lượng chất tác dụng mà sản phẩm là muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp muối.
Có hai phương pháp sản xuất axít photphoric:- Phương pháp ướt: Quặng phốt phát phản ứng với axít sunfuric.
- Phương pháp khô: Quặng phốt phát cùng với SiO2 được gia nhiệt trong lò điện, dùng than khử thành photpho sau đó được ôxi hoá và hiđrát hoá.
Phương pháp sản xuất acid photphoric theo phương pháp ướt:
Nguyên liệu chính:
Nguyên liệu và hoá chất chính để sản xuất axít photphoric (42%P2O5) gồm:
- Quặng phốt phát (apatít) 32% P2O5.
- Axít sunfuric nồng độ 98%.
Tiêu hao nguyên liệu riêng là 1,33 tấn photphat / 1 tấn H3PO4 và 1,19 tấn axít sunfuric / 1 tấn H3PO4.
Quy trình sản xuất:
Trong phương pháp ướt, axít photphoric được tạo ra do phản ứng giữa axít sunfuric (H2SO4) với quặng phốt phát. Quặng phốt phát được sấy, nghiền cho tới khi 60 - 70% hạt quặng có kích thước nhỏ hơn 0,15 mm và sau đó được đưa liên tục vào thiết bị phản ứng với axít sunfuric. Phản ứng còn kết hợp canxi trong quặng phốt phát với sunfat tạo thành CaSO4, hay được gọi là gíp. Gíp được tách ra khỏi dung dịch phản ứng bằng cách lọc.
Ca3(PO4) + CaF2 + 10H2SO4 → 6H3PO4 + 10CaSO4 + nH2O +2HF
Axít photphoric được thu hồi bằng cách lọc và tách ra khỏi bùn tạo thành khi phân huỷ hai lần quặng phốt phát bằng axít sunfuric.
Trong quá trình phản ứng, tinh thể gíp bị kết tủa và được tách ra khỏi axít bằng quá trình lọc. Các tinh thể được tách ra cần phải được rửa để thu hồi được ít nhất 99% axít photphoric trong phần lọc được.
Như vậy, quá trình sản xuất axit photphoric gồm 5 công đoạn như sau:
- Công đoạn 1 : Chuẩn bị bùn quặng
Quặng phốt phát được đưa tới hố bùn quặng qua cân cấp lượng không đổi. Trong hố quặng phốt phát được trộn với nước để chuẩn bị bùn quặng với nồng độ gần 40% trọng lượng.
- Công đoạn 2 : Phân huỷ
Bùn quặng phốt phát được cấp vào thiết bị trộn sơ bộ và bị phân huỷ một phần bằng axít sunfuric được pha loãng từ (98% đến 70 - 80% trọng lượng) và axít photphoric lấy ra từ công đoạn lọc.
Bùn phốt phát trên và hỗn hợp axít được chuyển tới thiết bị phân huỷ photphat để tạo thành axít photphoric.
Điều khiển nhiệt độ bằng cách thổi không khí trên bề mặt bùn qua một số ống và giữ nhiệt khoảng 85-9000C, có khoảng 80% photphat được phân huỷ.
Axít photphoric ngậm 1/2 nước là chất không ổn định được đưa vào công đoạn tiếp theo.
- Công đoạn 3 : Kết tinh
Ra khỏi thiết bị cuối cùng, bùn nóng được đưa khỏi thiết bị kết tinh liên tục qua máng chảy tràn trong thiết bị kết tinh được làm nguội giữ ở nhiệt độ 55 -600C bằng cách thổi không khí để đạt nhiệt độ bùn tối ưu cho kết tinh và hidrat hoá gíp ngậm ½ H2O chuyển thành gíp ngậm 2H2O.
Cuối cùng thu được axít photphoric chứa 28 - 30% P2O5 và gíp ngậm 2H2O có chất lượng mong muốn.
-Công đoạn 4 : Lọc
Ra khỏi thiết bị kết tinh, bùn được bơm đi lọc gồm 3 bậc lọc để tách bùn ra khỏi axít photphoric lẫn gíp.
Axít sản phẩm là nước lọc 1 của bậc lọc thứ 1 được chứa trong thùng và chuyển tới công đoạn cô đặc. Nước lọc 2 của bậc lọc lần 2 là axít nồng độ trung bình được chuyển tới công đoạn phân huỷ được gọi là axít tuần hoàn. Sau khi điều chỉnh nồng độ P2O5 bằng cách thêm vào 1 lượng nhỏ của nước lọc lần 1.
Nước lọc 3 từ bậc lọc thứ 3 được dùng làm nước rửa cho bậc lọc 2. Nước lọc 4 được dùng làm nước rửa cho bậc lọc 3. Bã gíp ướt được chuyển tới bãi chất đống gíp ở bên ngoài băng tải.
- Công đoạn 5 : Cô đặc axít
Thiết bị có 2 cụm cô đặc gồm buồng bốc hơi, bơm tuần hoàn cho buồng bốc hơi, bộ phận gia nhiệt và máy tạo chân không.
Axít tuần hoàn được gia nhiệt khi nó qua các ống của bộ phận gia nhiệt và nước trong axít được bay hơi trong buồng bốc hơi.
Nguồn nhiệt cung cấp cho bộ phận gia nhiệt là hơi nước áp suất thấp buồng bốc hơi duy trì chân không nhờ hệ thống tạo chân không. Khí flo bay hơi trong khi cô đặc được thu hồi ở dạng dung dịch 20% H2SiF6 (theo trọng lượng) bằng tháp rửa khí flo.
Hình. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất a xít Phôtphoric ( theo công nghệ bản quyền của Prayon-Mark IV – Bỉ)
Quá trình sản xuất axit photphoric sẽ phát sinh chất thải gồm khí thải và chất thải rắn. Khí thải chủ yếu là HF và SiF4 (trong khí thải thu được từ phản ứng giữa H2SO4 với quặng apatít để tạo H3PO4). Chất thải rắn là gyps (CaSO4.2H2O).
- Nguyên liệu sử dụng: quặng apatit 32% P2O5 (tính trên cơ sơ khô).
- Sản phẩm đầu ra: acid H3PO4 52% P2O5. Thành phần chất thải: là bã gíp với thành phần chính là thạch cao: CaSO4 .2H2O. Chất thải khí: Hàm lượng Flo≤ 5mg/Nm3; bụi≤ 49mg/Nm3.
Sản xuất photphoric theo phương pháp khô:
Nguyên liệu dùng để sản xuất axit photphoric gồm photpho, không khí và nước. Quá trình sản xuất gồm các bước sau:
- Bước 1: Quá trình cháy.
- Bước 2: Quá trình hydrat hóa.
- Bước 3: Quá trình tinh chế và lưu trữ.
Nguyên liệu được đưa vào thiết bị phản ứng, trong quá trình đốt, chất lỏng nguyên tố phốt pho được đốt cháy (oxy hóa), trong không khí xung quanh trong buồng đốt ở nhiệt độ 1650 – 27600C (3000 – 50000F) để tạo thành phốt pho pentôxít. Photpho sau đó chuyển qua thuyết bị hấp thụ để ngậm nước, pha loãng H3PO4. Cuối cùng, loại bỏ phosphoric acid sương mù từ dòng khí đốt trước khi thải vào không khí, thực hiện với áp suất thấp và cô đặc axit photphoric lưu trữ hay để pha chế sản xuất các sản phẩm khác.
P4 + 5O2 → 2P2O5
2P2O5 + 6H2O → 4H3PO4
Nồng độ H3PO4 sản xuất từ quá trình nhiệt bình thường khoảng từ 75 đến 85 phần trăm. Điều này có nồng độ cao là cần thiết cho sản xuất hóa chất cao cấp và các sản phẩm sản xuất. Hiệu quả các nhà máy thu hồi khoảng 99,9 phần trăm của các nguyên tố phốt pho cháy như axit photphoric.
Sơ đồ quy trình sản xuất axit photphoric bằng phương pháp khô
.
4.Ứng dụng:
Axít phốtphoric đậm đặc, có thể chứa tới 70% - 75% P2O5 là rất quan trọng đối với ngành nông nghiệp do nó được dùng để sản xuất phân bón. Nhu cầu toàn cầu về phân bón đã dẫn tới sự tăng trưởng đáng kể trong sản xuất phốtphat (PO43-) trong nửa sau của thế kỷ 20…
