磷酸萃取工序.ppt

磷酸生产过程中的化学反应 湿法磷酸是使用硫酸或者其他强酸分解磷矿所制得磷酸的方法的统称。 使用硫酸对磷矿进行分解的反应式为： 磷酸生产过程中的化学反应 磷矿的酸解分为两步进行: 第一步是磷矿石和循环料浆（返回系统的磷酸）进行预分解反应，磷矿首先溶解在过量的磷酸溶液中，反应生成磷酸一钙： 磷酸生产过程中的化学反应 第二步为预分解后生成的磷酸一钙料浆与稍过量的硫酸反应，生成硫酸钙结晶与磷酸溶液： 磷酸生产过程中的化学反应 硫酸钙的结晶形态 硫酸钙可以以三种不同的水和结晶从磷酸溶液中沉淀出来. 其生成条件主要取决于溶液中磷酸的浓度、温度以及游离硫酸的浓度。 根据生产条件的不同，可以生成二水硫酸钙、半水硫酸钙和无水硫酸钙三种，故上述中的n可以等于2、1/2或0，对应的方法分别称为二水法、半水法和无水法。 磷酸生产过程中的化学反应 磷矿酸解中的副反应 磷矿石分解的反应机理 磷矿石被磷酸分解是一个液固相非催化反应，在反应的过程中，磷矿石不断地溶解在酸中，在无包裹现象发生的情况下，矿粉随反应进行粒径逐渐减小，直至消失。反应过程符合粒径减小的缩芯模型。 磷矿石分解的反应机理 对于这种情况，整个反应过程将经历三个步骤： 1、液体反应物通过液膜扩散到矿粒表面； 2、液体反应物与矿粒发生化学反应，生成产物； 3、反应产物通过液膜扩散到液相主体。 磷矿石分解的反应机理 如果反应过程中有包裹现象的发生，矿粒在反应的过程中粒径不变，液相反应物不断地通过扩散进入矿粒内部与之发生反应，反应产物不断地附着在矿粒表面，而反应物所占部分越来越小，直至全部反应。反应过程符合粒径不变的缩芯模型。 磷矿石分解的反应机理 对于这种情况，整个反应将经历五个步骤： 1、液体反应物通过液膜扩散到颗粒的外表面（外扩散）； 2、液体反应物通过硫酸钙层扩散到未反应芯的界面（内扩散）； 3、液体反应物与矿粒发生化学反应，生成产物； 4、反应产物从反应界面通过硫酸钙层扩散到颗粒外表面（内扩散）； 5、反应产物从颗粒外表面通过液膜层扩散到液相主体（外扩散）。 磷矿石分解的反应机理 对于液固相反应，反应中存在有液膜扩散、固体产物层（也称灰层）扩散和化学反应三个步骤，所以存在过程为液膜扩散控制、固体产物层（灰层）扩散控制和化学动力学控制三种特殊情况，对于无包裹现象产生的反应，则不存在固体产物层扩散。 磷矿石分解的反应机理 对于不同的控制类型，液相反应物浓度在反应物颗粒内的浓度分布也不同。 图中A标示液相反应物，下标g、s、c、e分别标示液相主体、颗粒外表面、未反应芯表面和反应温度下的平衡浓度。通过图可知： 磷矿石分解的反应机理 1、液膜扩散控制： 当液膜扩散阻力远大于其他各步阻力时，过程属于液膜扩散控制。 对于可逆反应：CAs ≈CAc≈CAe 对于不可逆反应: CAs ≈CA ≈0 磷矿石分解的反应机理 2、固体产物层（灰层）扩散控制： 液膜扩散阻力和化学动力学阻力都远远小于灰层内的扩散阻力。 CAg ≈ CAs CAc≈CAe 此时过程属于固体产物层（灰层）内扩散控制。 磷矿石分解的反应机理 3、化学动力学控制 当液体湍动程度很高，固体产物层孔隙率很大时，化学反应阻力远比其他步骤大。此时 ： CAg ≈ CAs ≈ CAcCAe 此时过程属于化学动力学控制。 磷矿石分解的反应机理 在没有包裹现象发生的情况下，整个反应过程只经历了三个步骤，而有包裹现象时，则经历了5个步骤，而整个化学反应发生的速率，为反应各步骤所用的时间之和。 通常来说液体通过固体层向内扩散和产物通过固体层向外扩散的速度往往是整个反应中最慢的，所以在有包裹现象发生时，反应速率要比没有时慢得多。 影响磷矿石分解反应速率的因素 1、温度的影响 对于不同控制类型的反应，受温度的影响是不同的。因为在受扩散控制过程中，扩散系数D与温度呈直线关系： 影响磷矿石分解反应速率的因素 而在化学反应控制的过程中，反应速率常数k与温度的关系服从阿累尼乌斯方程式： 影响磷矿石分解反应速率的因素 通过上述两个公式可以看出，当热力学温度T成倍增长时，扩散系数D也成倍增长，而反应速率常数k却成百倍的增长。所以，属于化学反应控制类型的反应过程中，提高温度可以使反应速率明显提高，而在扩散控制类型的反应中，随温度升高反应速率的增长并不大。 影响磷矿石分解反应速率的因素 2、氢离子浓度的影响 溶液中的氢离子来自于反应物硫酸，通过磷矿分解的化学方程式可知，提高反应物的浓度，有利于反应过程正向进行。同时，液相主体中氢离子浓度的提高，也可以增加其向矿粒表面的扩散量，从而提高反应的速率。 影响磷矿石分解反应速率的因素 3、矿粒的有效表面积 磷矿石酸解的反应是在矿石表面进行的，提高矿粒的有效表面积，可以显著的提高反应速率。 影响磷矿石分解反应速率