通過兩階段結(jié)晶工藝進(jìn)行的磷酸生產(chǎn)的制作方法
【專利說明】通過兩階段結(jié)晶工藝進(jìn)行的磷酸生產(chǎn)
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年3月8日提交的序列號(hào)為61/775049的美國臨時(shí)申請(qǐng)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及磷酸的生產(chǎn)，且更特別地涉及一種采用進(jìn)料酸罐總成和回收溶液罐總成以生產(chǎn)具有P2O5的高回收的高強(qiáng)度磷酸的兩階段結(jié)晶和過濾工藝。
【背景技術(shù)】
[0004]磷酸(H3PO4)具有一些商業(yè)用途，其涵蓋從其在生產(chǎn)農(nóng)用產(chǎn)品，如肥料和動(dòng)物飼料的用途至其結(jié)合至食品產(chǎn)品中的用途。磷酸濃度可按幾種方式進(jìn)行表達(dá)，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)，其可使用下列轉(zhuǎn)換因子在濃度單位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換:
[0005]% H3PO4X 0.724 = % P2O5
[0006]% H3PO4X0.316 = % P
[0007]% P2O5XO- 436 = % P
[0008]為了進(jìn)行本申請(qǐng)且出于一致性和簡潔性，磷酸濃度將以P2O5濃度P2O5)進(jìn)行表達(dá)。磷酸的濃度或強(qiáng)度限定其對(duì)特定用途的適宜性。例如，商業(yè)級(jí)磷酸具有約50-54%的P2O5濃度或純度，而食品級(jí)P 205則具有約54-62%的濃度或純度。
[0009]用于農(nóng)用產(chǎn)品，如肥料和動(dòng)物飼料中的磷酸通常是通過濕法工藝生產(chǎn)的。在濕法工藝中，通過添加硫酸以生成磷酸和不溶的硫酸鈣副產(chǎn)品的方式溶解或酸化開采的磷酸鹽巖或磷酸鹽礦，如磷酸三鈣巖或磷灰石。簡化形式的總的化學(xué)反應(yīng)為:
[0010]Ca3 (P04) 2+3H2S04+6H20 = 3CaS04.2Η20+Η3Ρ04 (ΙΑ)
[0011]總的反應(yīng)可被分解為兩個(gè)單獨(dú)的步驟。首先，在下列反應(yīng)中通過磷酸鹽巖與添加至工藝中和/或再循環(huán)的過量磷酸的反應(yīng)形成磷酸一鈣:
[0012]Ca3 (Ρ04) 2+4H3P04= 3Ca (H2PO4)2 (2A)
[0013]其次，在下列反應(yīng)中使磷酸一鈣與硫酸反應(yīng)以形成額外的磷酸和硫酸鈣:
[0014]3Ca (H2PO4) 2+3H2S04= 3CaS0 4+6H3P04 (3A)
[0015]根據(jù)各種反應(yīng)物在上述反應(yīng)中的每一個(gè)中的濃度和反應(yīng)的溫度，可按各種結(jié)晶形式獲得硫酸鈣副產(chǎn)品。兩個(gè)特定形式的硫酸鈣包括硫酸鈣二水合物(CaSO4.2H20)或稱之為石膏和硫酸鈣半水合物(CaSO4.1/2H20)。前者或二水合物形式為穩(wěn)定的結(jié)晶形式，其易于在工藝中進(jìn)行過濾和沖洗。然而，由于其穩(wěn)定的結(jié)晶形式，磷酸鹽在其結(jié)構(gòu)中被捕獲，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的凈磷酸鹽損失、降低了系統(tǒng)的整體效率，其反過來轉(zhuǎn)化成增加的生產(chǎn)成本。此外，屆時(shí)被磷酸鹽污染的石膏可能不適于其最終用途，如用于水泥、灰泥或類似物。
[0016]另一方面，半水合物形式具有更不太穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，且如果不嚴(yán)密監(jiān)測和控制過濾條件，其則傾向于在過濾器上水合。在過濾器上的水合可導(dǎo)致使工藝停止和使生產(chǎn)成本最終增加的非過濾性質(zhì)量。
[0017]因此，濕法工藝的每個(gè)步驟和其各種參數(shù)，包括反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)溫度，必須通過使硫酸鈣副產(chǎn)品的可過濾性和/或磷酸鹽或P2O5回收最大化而仔細(xì)地進(jìn)行監(jiān)測、測量和控制以減少工藝變化性。已開發(fā)出各種濕法工藝以生產(chǎn)磷酸，主要是要明確這些目標(biāo)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0018]例如，Lopker的美國專利號(hào)4059674涉及一種用于生產(chǎn)磷酸和石膏的方法，其采用了三階段的結(jié)晶以增加磷酸鹽的回收。根據(jù)摘要部分，“磷酸鈣巖顆粒與再循環(huán)的磷酸和硫酸[相混合]......以形成額外的磷酸和硫酸鈣二水合物(石膏)......取出石膏漿料且將產(chǎn)物磷酸從其進(jìn)行分離并從工藝取出......石膏被傳遞至第一重結(jié)晶器，其中引入了硫酸且將石膏重結(jié)晶為半水合物。半水合物的漿料被傳遞至第二重結(jié)晶器，其中添加按如下所述而獲得的水并將半水合物重結(jié)晶為石膏......”
[0019]Davister等的美國專利號(hào)4777027涉及一種用于制備磷酸和硫酸鈣的連續(xù)工藝。如在第一列第5-19行所述，該方法包括“在流經(jīng)反應(yīng)區(qū)序列的含有硫酸鈣的混合中，使磷酸鈣受到硫酸和磷酸的混合物的沖擊，同時(shí)分離硫酸鈣并提取所生產(chǎn)磷酸的至少一部分......[該]硫酸鈣......副產(chǎn)品......可特別地由二水合物、α型半水合物、II型硬石膏或兩種或三種所述結(jié)晶形式的采用極為不同的比例的混合物......所組成”如在圖
2中所示，各個(gè)再循環(huán)和進(jìn)料線直接流入一系列反應(yīng)器中的第一個(gè)反應(yīng)器。
[0020]Ore等的美國專利號(hào)4853201公開了一種“從半水合物晶體回收P2O5值的工藝，該半水合物晶體是在用于制造磷酸的半水合物工藝中生成的，該工藝包括通過在結(jié)晶器中重結(jié)晶而將半水合物晶體轉(zhuǎn)換成二水合物晶體，其中該結(jié)晶器具有在P2O5的基礎(chǔ)上在約0.1%至約10%的范圍中的磷酸濃度以及約0.1%至10%范圍中的游離硫酸鹽濃度......結(jié)晶器以低的P2O5和高硫酸鹽水平運(yùn)行，從而減少水合時(shí)間，其對(duì)于該工藝來說是主要的益處。
[0021]同樣地，Cornells van Es等的美國專利號(hào)3632307公開了一種工藝，其中“從磷酸鹽巖通過用硫酸或硫酸和磷酸的混合物使其酸化而制備磷酸和石膏，從而在磷酸中形成CaSO4.1/2H20(硫酸鈣半水合物)的漿料。CaSO4.1/2H20被洗至移除的粘附磷酸并是從含有磷酸和硫酸的溶液進(jìn)行重結(jié)晶的，從而形成CaSO4.2H20[石膏]?！?br>[0022]所有這些工藝均在工藝中使用某種再循環(huán)形式，例如從過濾步驟進(jìn)行回收溶液的再循環(huán)和/或從過濾步驟進(jìn)行沖洗液的再循環(huán)。這些再循環(huán)線被直接送至初始反應(yīng)釜或酸化罐和/或過濾步驟。由于這些線中的每一個(gè)必須嚴(yán)密和準(zhǔn)確地進(jìn)行測量和監(jiān)測，且因流入不同操作單元的線的體積，會(huì)快速產(chǎn)生工藝可控性問題。例如，如果在測量系統(tǒng)中具有變化性以使再循環(huán)線中的一個(gè)或多個(gè)的測量為不準(zhǔn)確的，這則會(huì)使結(jié)晶器中的反應(yīng)物的濃度偏離目標(biāo)(例如，低硫酸鹽水平)，其導(dǎo)致結(jié)晶劑無法正確地運(yùn)行，從而導(dǎo)致例如小的晶體尺寸。反過來，這導(dǎo)致不良過濾或過濾變化性，其導(dǎo)致P2O5的損失并最終增加生產(chǎn)成本。同樣地，如果進(jìn)入的進(jìn)料控制不佳，即變性化太高，那么則會(huì)發(fā)生不需要的共結(jié)晶并具有類似的下游效果，并導(dǎo)致酸化罐中的不良消化。
[0023]仍需要一種通過減少發(fā)生測量錯(cuò)誤的可能性并從而減少系統(tǒng)和工藝的變化性而以高P2O5產(chǎn)出和高強(qiáng)度產(chǎn)物酸的方式生產(chǎn)磷酸的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種用于生產(chǎn)磷酸的兩階段結(jié)晶和過濾工藝。在一個(gè)實(shí)施例中，該工藝包括第一反應(yīng)器，其包括礦漿料罐和其中用磷酸和可選的硫酸溶解所開采的濕巖石以生成礦漿料的溶解器。然后，漿料被送至包括結(jié)晶器和半水合物過濾系統(tǒng)的第一結(jié)晶器/過濾總成。在結(jié)晶器中，礦漿料與硫酸反應(yīng)以生成產(chǎn)物磷酸和硫酸鈣半水合物。在第一過濾總成中從硫酸鈣半水合物提取產(chǎn)物酸，且將產(chǎn)物酸送至產(chǎn)物酸罐中。然后，沖洗濾餅且將沖洗液再循環(huán)回進(jìn)料酸罐。
[0025]該工藝進(jìn)一步包括第二結(jié)晶器/過濾總成，其包括轉(zhuǎn)化罐和二水合物過濾系統(tǒng)。濾餅從半水合物過濾系統(tǒng)被送至轉(zhuǎn)化罐，在轉(zhuǎn)化罐中，濾餅與再循環(huán)的二水合物回收溶液和沖洗液的組合物以及硫酸相反應(yīng)以按漿料的形式沉淀硫酸鈣二水合物或石膏。然后，將漿料送至其中對(duì)漿料進(jìn)行過濾的二水合物過濾系統(tǒng)且源于該初級(jí)過濾的回收溶液則被再循環(huán)回轉(zhuǎn)化罐。然后，用水沖洗所過濾的石膏，并從該工藝提取石膏。隨后，沖洗液也被再循環(huán)回轉(zhuǎn)化罐。
[0026]該工藝進(jìn)一步包括進(jìn)料酸罐，其用于混合源于二水合物初級(jí)過濾的回收溶液、源于半水合物沖洗過濾的沖洗液和源于產(chǎn)物酸罐的產(chǎn)物酸。進(jìn)料酸罐總成包括控制系統(tǒng)，其用于按需要在進(jìn)料酸罐中監(jiān)測或測量和調(diào)整P2O5濃度，以及溫度、流速和其他工藝參數(shù)。源于進(jìn)料酸罐總成在目標(biāo)P2O5濃度上的進(jìn)料酸被隨后直接送至礦漿料罐。進(jìn)料酸罐總成將監(jiān)測和調(diào)節(jié)進(jìn)料酸的單源提供至系統(tǒng)，而不是按現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中所要求的監(jiān)測各個(gè)進(jìn)料酸流。
[0027]該工藝還包括用于在硫酸鈣二水合物被再次引入該工藝前從硫酸鈣二水合物的初級(jí)過濾獲取回收溶液的回收溶液罐總成。類似于進(jìn)料酸罐，回收溶液罐總成提供了在該回收溶液被再循環(huán)至轉(zhuǎn)化罐中的一個(gè)或多個(gè)以作為反應(yīng)物、再循環(huán)至半水合物沖洗過濾步驟以作為用于半水合物濾餅的沖洗液、以及作為輸入再循環(huán)至進(jìn)料酸罐之前，對(duì)該回收溶液的濃度、溫度和/或流速進(jìn)行調(diào)整和控制的單點(diǎn)。
[0028]進(jìn)料酸罐總成和回收溶液罐總成中的每一個(gè)均分別將監(jiān)測和調(diào)節(jié)進(jìn)料酸和再循環(huán)的回收溶液的單源提供至系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)工藝更好的控制、在整個(gè)工藝過程在各流中具有更少的濃度變化性以及更少的過濾變化性，從而使該工藝為高效、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的，其同時(shí)從99%或更高的磷酸鹽礦產(chǎn)生具有39%或更高P2O5濃度和高P 205產(chǎn)出的高強(qiáng)度酸。
[0029]本發(fā)明上面的概述并不旨在描述本發(fā)明的每個(gè)所示實(shí)施例或每個(gè)實(shí)施方式。下面的附圖及【具體實(shí)施方式】更具體地舉例說明了這些實(shí)施例。
【附圖說明】
[0030]結(jié)合附圖考慮下面有關(guān)本發(fā)明的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述可更完全地理解本發(fā)明，其中:
[0031]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種用于生產(chǎn)磷酸的工藝的工藝流程圖。
[0032]雖然本發(fā)明可被修正成各種修改和替代形式，但是在附圖中以示例方式示出的細(xì)節(jié)仍進(jìn)行了詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解的是本發(fā)明并