專利名稱：磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于溶液濃縮結晶分離領域，特別涉及一種利用硫酸吸濕能力 進行磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備。
背景技術：
用硫酸分解磷礦石制得粗級濕法磷酸水溶液，含多種礦物雜質，工業 上采取各種分離提純方法獲取不同純度等級的磷酸產品，蒸發濃縮和結晶是最常用的兩種 方法。工業上磷酸濃縮的溫度高于50°C并需要通過間壁加熱或熱氣流噴霧的方式提供熱 源(陳玉如，孫國超，胡珊珊.濕法磷酸兩效蒸發技術探討，磷肥與復肥，2009，24 (4) :20 24)，這就限制了粗級濕法磷酸水溶液不能在更低溫度下蒸發濃縮析出雜質結晶。工業上 磷酸結晶需要通過間壁冷卻或噴射真空蒸發的方式移走結晶熱(朱家驊，夏素蘭.節能型 三級真空蒸發濃縮結晶方法，ZL 200410040445. 9)，并且為達到結晶所需的磷酸濃度要在 230-440°C溫度下對磷酸溶液進行蒸發濃縮(李軍，鐘本和，李艷鳳等.濕法磷酸分級利用 的方法，CN1907843)，所以磷酸結晶過程與裝備復雜、能耗高。發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，公開一種利用硫酸吸濕能力 進行磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備。在一臺設備中至少有兩個液相互不相通 但氣相連通的溶液分布區，其中一個用于分布磷酸溶液而另一個用于分布硫酸溶液。上述 硫酸液面上的水蒸氣壓比磷酸液面上水蒸氣壓至少低40Pa，使磷酸液面上持續蒸發的水蒸 氣被硫酸液面吸收，由此實現低于20°C條件下磷酸溶液蒸發濃縮，從而達到從粗級濕法磷 酸溶液析出雜質結晶或從濃縮磷酸溶液結晶提純磷酸的目的。本發明方法技術思想是使磷酸溶液中的水份在液面上蒸發而使溶液濃縮，蒸發 所需潛熱可以來自磷酸溶液自身釋放顯熱，蒸發的水蒸氣通過氣相連通空間直接到達硫酸 液面而被吸收，由此維持磷酸溶液蒸發濃縮過程持續進行。磷酸溶液蒸發條件下液面上的 水蒸氣分壓Pw,p與硫酸溶液吸收水蒸氣條件下液面上的水蒸氣分壓Pw,s之差Ap = pw,p-pw,sA p即是該過程的推動力。蒸發所致磷酸溶液濃度上升和溫度下降都有利于結晶。 根據磷酸溶液和硫酸溶液的熱力學性質，在本發明所述范圍內，磷酸溶液H3PO4質量百分濃 度26% 95%、溫度-20°c 50°C，硫酸溶液H2S04質量百分濃度85% 98%、溫度不高于 60°C，均可使該方法的過程推動力Ap不低于40Pa，實現從粗級濕法磷酸水溶液通過結晶 析出氟硅酸鹽雜質而使磷酸預凈化、或從濃縮磷酸溶液通過結晶析出半水磷酸結晶而提純 磷酸的目的。實現本發明方法的設備結構要點是1)在同一臺設備中至少有兩個溶液分布區， 其中一個是硫酸溶液分布區，另一個是磷酸溶液分布區，兩個溶液分布區的液相空間互不 相通而氣相空間連通使從磷酸溶液表面蒸發的水蒸氣直接向硫酸溶液表面流動；2)上述 硫酸溶液分布區布液方式可以是降膜分布或充填塔式分布中的任一種(見[日]尾花英 朗著，徐中權譯，《熱交換器設計手冊下冊》，石油工業出版社，1982年第1版，pp. 376 383， pp. 627 632)，比表面積達到300 500m2/m3 ；3)上述磷酸溶液分布區布液方式可以是篩 孔塔板或降膜分布方式中的任一種(見葉世超，夏素蘭，易美桂等，《化工原理下冊》，科學 出版社，2006年第2版，PP. 129 133)，比表面積達到200 300m2/m3 ；4)上述兩個溶液分布區的相對位置可以是水平并列，也可以是硫酸溶液分布區在上、磷酸溶液分布區在下 (通過實施例予以說明)；5)在連通兩個布液區氣相空間的通道中間布置絲網或折流板除 沫器(見化學工程手冊編輯委員會，《化學工程手冊》第2卷，化學工業出版社，1989年第 1版，pp. 9-83 9-85)以分離水蒸氣中的霧沫夾帶；6)磷酸溶液分布區下方直接與結晶區 相通，濃縮、降溫后的磷酸溶液在該區發生結晶過程。本發明的有益效果是磷酸在低溫下蒸發、濃縮、結晶，無需高溫熱源、低溫冷源和 間壁換熱過程與設備，節能并且簡化流程，通過結晶使粗級濕法磷酸中的氟硅酸鹽雜質分 離、減輕磷酸溶液后續加工過程的難度，或從濃縮磷酸析出2H3P04 H20半水磷酸結晶達到 提純磷酸產品的目的。


圖1是本發明所述磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備第一種示意圖；圖2是本發明所述磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備第二種示意圖；圖中，1-設備殼體、2-磷酸溶液分布區、3-磷酸布液器、4-結晶區、5-硫酸溶液分 布區、6-硫酸布液器、7-除沫器。
具體實施方式
結合附圖對本發明所述磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與 設備作進一步說明。實施例1本實施例中，粗級濕法磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備如圖1所示兩 個溶液分布區是水平并列。溫度不低于40°C、H3P04質量百分濃度不低于27. 6%的粗級濕 法磷酸從連接在設備殼體1上的布液管進入磷酸分布區2，在降膜分布器3的氣液表面發 生蒸發、濃縮和降溫，到達結晶區4的磷酸溫度不低于-20°C、H3P04質量百分濃度不低于 29. 9%，磷酸在結晶區4的平均停留時間30分鐘、析出冰與氟硅酸鹽復合晶體顆粒、含該顆 粒的磷酸晶漿從結晶區4的底部離開設備。磷酸分布區2的氣相空間水蒸氣壓力pw,p不低 于60Pa (劉光啟，馬連湘，劉杰.化學化工物性數據手冊，化學工業出版社，2002年第一版， p. 17和p. 224)，溫度不低于-20°C，水蒸氣通過除沫器7后進入硫酸溶液分布區5的氣相空 間；溫度不高于40°C、H2S04質量百分濃度98%的濃硫酸從連接在設備殼體1上的布液管進 入硫酸分布區5，在降膜分布器6的氣液表面吸收水蒸氣被稀釋到H2S04質量百分濃度不低 于90%、溫度上升到不高于60°C、然后從硫酸分布區5的底部離開設備。硫酸分布區5的 氣相空間水蒸氣壓力Pw, s不高于20Pa (劉光啟，馬連湘，劉杰.化學化工物性數據手冊，化 學工業出版社，2002年第一版，p. 210)，溫度不高于60°C。水蒸氣從磷酸分布區2向硫酸分 布區5流動的推動力Ap = pw,p-pw,s 彡 40Pa本實施例的結果使粗級濕法磷酸質量百分濃度提高2%以上，并以復合與混合物 結晶形式脫除粗級濕法磷酸所含氟硅酸鹽雜質的80%以上。實施例2本實施例中，濃縮磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備如圖2所示硫酸溶 液分布區在上、磷酸溶液分布區在下。溫度不低于80°C、H3P04質量百分濃度不低于85%的 濃縮磷酸從連接在設備殼體1上的布液管進入磷酸分布區2，通過篩孔板分布器3在自由降落的液柱與液滴表面發生蒸發，溶液進一步濃縮和降溫，到達結晶區4的磷酸溫度不高 于10°C、H3P04質量百分濃度不低于90. 5%，磷酸在結晶區4的平均停留時間40分鐘析出 2H3P04 H20半水磷酸結晶、然后磷酸晶漿從結晶區4的底部離開設備。磷酸分布區2的氣 相空間水蒸氣壓力Pw,p不低于60Pa (劉光啟，馬連湘，劉杰.化學化工物性數據手冊，化學 工業出版社，2002年第一版，p. 17和p. 224)，溫度不低于10°C，水蒸氣通過除沫器7后進入 硫酸溶液分布區5的氣相空間；溫度不高于30°C、H2S04質量百分濃度98%的濃硫酸從連接 在設備殼體1上的布液管進入硫酸分布區5，在降膜分布器6的氣液表面吸收水蒸氣被稀釋 到H2S04質量百分濃度不低于90%、溫度上升到不高于50°C、然后從硫酸分布區5的底部離 開設備。硫酸分布區5的氣相空間水蒸氣壓力pw,s不高于10Pa(劉光啟，馬連湘，劉杰.化 學化工物性數據手冊，化學工業出版社，2002年第一版，p.210)，溫度不高于50°C。水蒸氣 從磷酸分布區2向硫酸分布區5流動的推動力△p = pw,p-pw,s ≥ 50Pa本實施例的結果是從H3P04質量百分濃度85%的濃縮磷酸得到2H3P04 H20半水 憐酸結晶(William H.Ross and Russell M. Jones, The solubility and freezing-point curves of hydrated and anhydrous orthophosphoric acid, J. Am. Chem. Soc. 47(1925), pp.2165-2170)。
權利要求
一種磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法，其特征在于用一臺設備中兩個液相互不相通但氣相連通的溶液分布區，其中一個用于分布磷酸溶液而另一個用于分布硫酸溶液。磷酸溶液利用自身釋放的顯熱而蒸發，水蒸氣通過氣相連通空間直接到達硫酸液面而被吸收。上述磷酸液面上水蒸氣壓比硫酸液面上的水蒸氣壓至少高40Pa，推動水蒸氣流動，由此實現低于20℃條件下磷酸溶液蒸發濃縮，從而達到從初級濕法磷酸溶液析出雜質結晶或從濃縮磷酸溶液結晶提純磷酸的目的。
2.根據權利要求1所述的磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法，其特征在于用溫度不 高于40°C、H2S04質量百分濃度不高于98%的濃硫酸吸收水蒸氣，使溫度不低于40°C、H3P04 質量百分濃度不低于27. 6%的粗級濕法磷酸溶液在水蒸氣壓力不低于60Pa的條件下蒸 發、濃縮、降溫并在溫度不低于-20°C、H3P04質量百分濃度不低于29. 9%條件下析出氟硅酸 鹽復合晶體顆粒，使粗級濕法磷酸質量百分濃度提高2%以上、所含氟硅酸鹽雜質以結晶形 式脫除80%以上。
3.根據權利要求1所述的磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法，其特征在于用溫度不 高于30°C、H2S04質量百分濃度不高于98%的濃硫酸吸收水蒸氣，使溫度不低于80°C、H3P04 質量百分濃度不低于85%的濃縮磷酸溶液在水蒸氣壓力不低于60Pa的條件下蒸發、濃縮、 降溫并在溫度不低于10°C、H3P04質量百分濃度不低于90. 5%條件下析出2H3P04 H20半水 磷酸結晶，達到提純磷酸產品的目的。
4.一種磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的設備，其特征在于設備中至少有兩個溶液分布 區，其中一個是硫酸溶液分布區，另一個是磷酸溶液分布區，兩個溶液分布區的液相空間互 不相通而氣相空間連通。
5.根據權利要求4所述的磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的設備，其特征在于兩個溶液 分布區的相對位置可以是水平并列，也可以是硫酸溶液分布區在上、磷酸溶液分布區在下。
6.根據權利要求4所述的磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的設備，其特征在于連通兩個 布液區氣相空間的通道中間布置了除沫器。
7.根據權利要求4所述的磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的設備，其特征在于磷酸溶液 分布區下方直接與結晶區相通。
全文摘要
一種利用硫酸吸濕能力進行磷酸溶液低溫蒸發濃縮和結晶的方法與設備。在一臺設備中至少有兩個液相互不相通但氣相連通的溶液分布區，其中一個用于分布磷酸溶液而另一個用于分布硫酸溶液。磷酸降溫蒸發，其水蒸氣壓比硫酸液面上的水蒸氣壓至少高40Pa，推動水蒸氣向硫酸液面流動被硫酸吸收，由此實現低于20℃條件下磷酸溶液蒸發濃縮，從而達到從粗級濕法磷酸溶液結晶脫除雜質氟硅酸鹽減輕后續加工難度或從濃縮磷酸溶液結晶提純磷酸產品的目的。
文檔編號C01B25/234GK101857209SQ20101020235
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者夏素蘭, 張峰榛, 朱家驊, 鄭曉軍, 陳建利 申請人:四川大學