五氧化二磷的生產方法技術

本發明專利技術涉及一種五氧化二磷的生產方法，其包括使用鈣與二氧化硅摩爾比小于１．０的饋料團塊形成窯床，和沿床長度的至少５０％，維持床溫度在１１８０℃下或超過１１８０℃，且沿整個床長度，床溫度不超過１３８０℃。投入窯爐的團塊中的磷酸鹽有不足１０％以磷酸鹽形式留在窯爐殘留物中。另一種方法包括沿床長度的一部分，維持床溫度在１１８０℃下或超過１１８０℃，和使床的表面積－體積比乘以床加熱到１１８０℃所需的時間小于５０分鐘－英尺２／英尺３。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及在逆流式回轉窯中進行生產五氧化二磷的方法。
技術介紹
—種已知用于生產五氧化二磷(P^5，通常以二聚體P4(V形式存在于氣相中)的方 法包含在回轉窯的床中處理含有磷礦石、二氧化硅和焦炭的原料團塊，從而以化學方式還 原磷礦石且產生氣態磷金屬(P4)和一氧化碳(CO)廢氣通到窯爐干舷中，這些廢氣在窯爐 干舷中遇空氣燃燒(氧化)，從而提供工藝用熱。此法可稱為窯法磷酸(KPA)工藝。氧化的 磷金屬是一種可使用磷酸(H3P04)溶液和水從窯爐廢氣中洗刷出來以產生合適的磷酸產物 的磷氧化物(通常是PA。)。 KPA工藝化學類似于另一種稱為熔爐制酸工藝的磷酸制造工藝。在熔爐工藝中，原 料經加熱且部分熔化。在一個稱為電爐的容器中發生吸熱還原反應，此容器中通過在床中 使用電阻加熱來供熱。在冷水噴淋下從熔爐廢氣中回收磷金屬，其呈液態磷金屬形式，可輸 送到另一個稱為燃燒器的容器中，在燃燒器中遇空氣燃燒時會產生大量熱量。所得磷氧化 物被吸收到水中，形成高純度濃磷酸。 在熔爐工藝中，電爐不使用由發生在燃燒器中的磷金屬燃燒所產生的熱量。電爐 也不使用由一氧化碳燃燒所產生的熱量。雖然上世紀廣泛用于生產磷酸，但是電力成本相 比于硫酸成本，會導致大部分熔爐制酸廠關閉，從而支持另一種稱為硫酸工藝的磷酸制造 工藝。 如果燃燒來自熔爐工藝還原反應的廢氣所產生的熱量可用來提供還原過程所需 的熱量，從而代替電加熱，那么可實現節約。熔爐工藝碳還原劑轉變成二氧化碳可產生充 足熱量，如果有效加以利用，那么可代替熔爐工藝中通過電力添加的全部熱量。多年來， 對這種可能性的幻想剌激著許多研究人員研發可實現熱集成的概念。以下參考文獻描述 各種嘗試萊弗莫爾(Levermore)(美國專利第2， O75， 212號)、拉帕(L即ple)(美國專利 第3， 235， 330號和第3， 241， 917號)、薩爾瑪(Saeman)(美國專利第3， 558， 114號)、梅根 (Megy)(美國專利第4， 351， 809號和第4， 351， 813號)、哈德(Hard)(美國專利第4， 389， 384 號)和帕克(Park)(美國專利第4， 420， 466號)。所有所述工藝都使用具有還原床和氧化 干舷的回轉窯，且全體都在KPA工藝領域內。 雖然在萊弗莫爾專利中提出的窯爐概念內的窯爐通過合理概念方式解決了熱集 成的問題，但是其并不可行，因為無法獲得構造內部窯爐的材料。萊弗莫爾工藝在位于外部 窯爐內的內部窯爐中加熱含有磷礦石、二氧化硅和含碳物質的成團固體且進行吸熱還原反 應。來自內部窯爐中的還原反應的P4和CO廢氣會穿過內部窯爐外壁與外部窯爐內壁之間，使空氣進入，氧化P4和C0，從而產生足以滿足內部窯爐需求的熱量。然后，熱量通過內部窯爐的外壁。 拉帕和梅根專利認識到獨立的氧化干舷和還原床可在沒有分離壁的情況下維持 在窯爐中，但是由于磷酸鹽還原反應期間的熔化問題而失敗。拉帕和梅根說明饋入窯爐的5饋料中f丐與二氧化硅的摩爾比大于1. 0。 帕克專利描述一種需要二氧化硅比廉價獲得的礦石的二氧化硅少的礦石和極熱 窯爐操作的工藝，到目前為止尚未有足夠吸引力促進商業化。 薩爾瑪專利中的工藝包含在含于窯爐外殼內的熔化漿料中進行回轉窯還原反應， 通過在窯壁內部上冷凍一層固體來保護窯爐外殼。已放棄此工藝。 哈德專利中的工藝充滿前景，且20世紀80年代初已在本專利技術者的指導下操作基 于33英寸直徑X30英尺長窯爐的連續試驗工廠。雖然結果發表在萊德(Leder)等人，用于 工業級磷酸的新工藝(A New Process for Technical Grade Phosphoric Acid).工業工 程化學和工藝設計發展(Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev.) ， 1985， 24， 888-897中，但是由 于其教示并不足以完整地展示如何進行節約型工業化工藝，所以放棄此工藝。試驗工廠產 率低，在無底焦的情況下以工業模式運行時最大產率是72%，以及在使用大量底焦時最大 產率是86%。其它問題包括l)生產率低，表明此工藝需要高資本成本；2)高溫操作(超 過1435°C )來實現高產率，這使操作靠近熔化問題且需要窯爐饋料中的二氧化硅混合物高 于工業操作所希望；和3)高維護問題。高溫和來自窯爐固體的碳的部分氧化導致大量氟、 鈉、鉀和硫轉移到窯爐廢氣中，在窯爐后端和廢氣管中堆積，從而污染產物酸，以及產生與 洗刷來自這一工藝的酸性氣體相關的額外費用。還原這一工藝的廢氣需要后燃器，從而增 加成本。這些問題綜合起來，使得無人嘗試將哈德工藝商業化，即使從試驗工廠操作以來目 前已超過20年之久。 從上文所述的先前困難可了解，可進一步改進KPA工藝。 附圖說明 參考以下附圖，本專利技術的優選實施例描述如下。 圖1是根據本專利技術的一個方面的KPA工藝的方塊圖。 圖2是關于實例1的圖，其展示相對于鈣與二氧化硅摩爾比的熔化溫度，且展示相 對于鈣與二氧化硅摩爾比在1小時、2小時和4小時內產率超過97%的溫度。 圖3是展示各要素相對于溫度的揮發性的圖。具體實施例方式通過研究和發展KPA工藝，所作出的觀察、研究和領會引起若干工藝改進，所述改 進克服了上文
技術介紹
章節中所提到的哈德和其它參考文獻中所述工藝的缺點。本專利技術的 各方面提供高磷酸產率，有效使用含碳原料需求，窯爐產量高，耐熔期長，有限地形成氧氮 硅石(312^0)，氧化廢氣，以及能夠限制窯爐固體中鈉、鉀、氟和硫的損失。 目前已研究確定哈德連續試驗工廠中所存在的產率限制主要原因在于當團塊加 熱超過118(TC (在此溫度下開始還原磷礦石)時，在團塊外部部分上形成的外殼中的碳燃 盡。碳與來自窯爐干舷的氧化氣體(例如(A、P4(V和H20)反應，由此自球形外表面燃盡 (氧化)。假設團塊呈1.0厘米球形且30重量％ (wt%)的碳燃盡，那么在此球外部形成約 800微米厚的白色外殼。甚至在到達反應溫度后，由于外殼中已無碳來還原磷礦石，因此磷 礦石未被還原，且產率受到限制。 雖然鈉、鉀、硫和氟大部分也從外殼揮發，但是會保留在含有殘留碳的核心中。因此，限制碳燃盡可減少床中鈉、鉀、硫和氟的損失。 通過本文所述的研究，新近發現在磷酸鹽開始還原且磷金屬蒸氣開始在團塊核心 中形成后，磷金屬可在球的氧化外殼中或在各球之間的床中遇到氧化氣體。從核心出現的 P4可氧化成P401Q， P401Q可與外殼中未反應的磷礦石反應，從而形成偏磷酸鈣。偏磷酸鈣的 熔點是973°C (低于還原溫度)，且不易在窯爐溫度下歧化形成焦磷酸鈣和P401Q，只要P401Q 的蒸氣壓超過1毫米汞柱即可。所述形成偏磷酸鈣可能進一步限制哈德工藝的產率，超過 直接與碳燃盡相關的產率損失。 然而，嘗試限制碳燃盡也可減少P401Q轉移到床中，因而減少P401Q與礦石反應以及 偏磷酸鈣形成。因此，加倍重要的是減少床中的碳燃盡，以限制所示逆反應，從而進一步改 進產率以及保留更多的鈉、鉀、硫和氟以免其從床中損失。 如果來自還原反應的磷金屬蒸氣和相關一氧化碳足夠快速地放出，那么其會從床 中掃除氧化氣體，而且限制床中碳的進一步氧化。放出力量直接與床的表面積_體積比相 關。在足夠大本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種五氧化二磷的生產方法，其包含：　　在逆流式回轉窯中使用饋料團塊形成窯床，所述床具有一定長度，　　所述團塊含有磷礦石顆粒、含碳物質顆粒和充足二氧化硅顆粒，使所述團塊顯示小于１．０的鈣與二氧化硅摩爾比；　　沿所述床長度的至少５０％，維持床溫度在１１８０℃下或超過１１８０℃，且沿所述整個床長度，所述床溫度不超過１３８０℃；和　　產生窯爐廢氣且從所述窯爐廢氣收集五氧化二磷，所述窯爐排放出含有經過加工的團塊的殘留物，投入所述窯爐的所述團塊中的磷酸鹽有不足１０％以磷酸鹽形式留在所述殘留物中。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：約瑟夫A梅吉，
申請(專利權)人：約瑟夫A梅吉，
類型：發明
國別省市：US[美國]