磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备技术

一种利用硫酸吸湿能力进行磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备。在一台设备中至少有两个液相互不相通但气相连通的溶液分布区，其中一个用于分布磷酸溶液而另一个用于分布硫酸溶液。磷酸降温蒸发，其水蒸气压比硫酸液面上的水蒸气压至少高４０Ｐａ，推动水蒸气向硫酸液面流动被硫酸吸收，由此实现低于２０℃条件下磷酸溶液蒸发浓缩，从而达到从粗级湿法磷酸溶液结晶脱除杂质氟硅酸盐减轻后续加工难度或从浓缩磷酸溶液结晶提纯磷酸产品的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于溶液浓缩结晶分离领域，特别涉及一种利用硫酸吸湿能力 进行磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备。
技术介绍
用硫酸分解磷矿石制得粗级湿法磷酸水溶液，含多种矿物杂质，工业 上采取各种分离提纯方法获取不同纯度等级的磷酸产品，蒸发浓缩和结晶是最常用的两种 方法。工业上磷酸浓缩的温度高于50°C并需要通过间壁加热或热气流喷雾的方式提供热 源(陈玉如，孙国超，胡珊珊.湿法磷酸两效蒸发技术探讨，磷肥与复肥，2009，24 (4) :20 24)，这就限制了粗级湿法磷酸水溶液不能在更低温度下蒸发浓缩析出杂质结晶。工业上 磷酸结晶需要通过间壁冷却或喷射真空蒸发的方式移走结晶热(朱家骅，夏素兰.节能型 三级真空蒸发浓缩结晶方法，ZL 200410040445. 9)，并且为达到结晶所需的磷酸浓度要在 230-440°C温度下对磷酸溶液进行蒸发浓缩(李军，钟本和，李艳凤等.湿法磷酸分级利用 的方法，CN1907843)，所以磷酸结晶过程与装备复杂、能耗高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，公开一种利用硫酸吸湿能力 进行磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备。在一台设备中至少有两个液相互不相通 但气相连通的溶液分布区，其中一个用于分布磷酸溶液而另一个用于分布硫酸溶液。上述 硫酸液面上的水蒸气压比磷酸液面上水蒸气压至少低40Pa，使磷酸液面上持续蒸发的水蒸 气被硫酸液面吸收，由此实现低于20°C条件下磷酸溶液蒸发浓缩，从而达到从粗级湿法磷 酸溶液析出杂质结晶或从浓缩磷酸溶液结晶提纯磷酸的目的。本专利技术方法技术思想是使磷酸溶液中的水份在液面上蒸发而使溶液浓缩，蒸发 所需潜热可以来自磷酸溶液自身释放显热，蒸发的水蒸气通过气相连通空间直接到达硫酸 液面而被吸收，由此维持磷酸溶液蒸发浓缩过程持续进行。磷酸溶液蒸发条件下液面上的 水蒸气分压Pw,p与硫酸溶液吸收水蒸气条件下液面上的水蒸气分压Pw,s之差Ap = pw,p-pw,sA p即是该过程的推动力。蒸发所致磷酸溶液浓度上升和温度下降都有利于结晶。 根据磷酸溶液和硫酸溶液的热力学性质，在本专利技术所述范围内，磷酸溶液H3PO4质量百分浓 度26% 95%、温度-20°c 50°C，硫酸溶液H2S04质量百分浓度85% 98%、温度不高于 60°C，均可使该方法的过程推动力Ap不低于40Pa，实现从粗级湿法磷酸水溶液通过结晶 析出氟硅酸盐杂质而使磷酸预净化、或从浓缩磷酸溶液通过结晶析出半水磷酸结晶而提纯 磷酸的目的。实现本专利技术方法的设备结构要点是1)在同一台设备中至少有两个溶液分布区， 其中一个是硫酸溶液分布区，另一个是磷酸溶液分布区，两个溶液分布区的液相空间互不 相通而气相空间连通使从磷酸溶液表面蒸发的水蒸气直接向硫酸溶液表面流动；2)上述 硫酸溶液分布区布液方式可以是降膜分布或充填塔式分布中的任一种(见尾花英 朗著，徐中权译，《热交换器设计手册下册》，石油工业出版社，1982年第1版，pp. 376 383， pp. 627 632)，比表面积达到300 500m2/m3 ；3)上述磷酸溶液分布区布液方式可以是筛 孔塔板或降膜分布方式中的任一种(见叶世超，夏素兰，易美桂等，《化工原理下册》，科学 出版社，2006年第2版，PP. 129 133)，比表面积达到200 300m2/m3 ；4)上述两个溶液分布区的相对位置可以是水平并列，也可以是硫酸溶液分布区在上、磷酸溶液分布区在下 (通过实施例予以说明)；5)在连通两个布液区气相空间的通道中间布置丝网或折流板除 沫器(见化学工程手册编辑委员会，《化学工程手册》第2卷，化学工业出版社，1989年第 1版，pp. 9-83 9-85)以分离水蒸气中的雾沫夹带；6)磷酸溶液分布区下方直接与结晶区 相通，浓缩、降温后的磷酸溶液在该区发生结晶过程。本专利技术的有益效果是磷酸在低温下蒸发、浓缩、结晶，无需高温热源、低温冷源和 间壁换热过程与设备，节能并且简化流程，通过结晶使粗级湿法磷酸中的氟硅酸盐杂质分 离、减轻磷酸溶液后续加工过程的难度，或从浓缩磷酸析出2H3P04 H20半水磷酸结晶达到 提纯磷酸产品的目的。附图说明图1是本专利技术所述磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备第一种示意图；图2是本专利技术所述磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备第二种示意图；图中，1-设备壳体、2-磷酸溶液分布区、3-磷酸布液器、4-结晶区、5-硫酸溶液分 布区、6-硫酸布液器、7-除沫器。具体实施方式结合附图对本专利技术所述磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与 设备作进一步说明。实施例1本实施例中，粗级湿法磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备如图1所示两 个溶液分布区是水平并列。温度不低于40°C、H3P04质量百分浓度不低于27. 6%的粗级湿 法磷酸从连接在设备壳体1上的布液管进入磷酸分布区2，在降膜分布器3的气液表面发 生蒸发、浓缩和降温，到达结晶区4的磷酸温度不低于-20°C、H3P04质量百分浓度不低于 29. 9%，磷酸在结晶区4的平均停留时间30分钟、析出冰与氟硅酸盐复合晶体颗粒、含该颗 粒的磷酸晶浆从结晶区4的底部离开设备。磷酸分布区2的气相空间水蒸气压力pw,p不低 于60Pa (刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册，化学工业出版社，2002年第一版， p. 17和p. 224)，温度不低于-20°C，水蒸气通过除沫器7后进入硫酸溶液分布区5的气相空 间；温度不高于40°C、H2S04质量百分浓度98%的浓硫酸从连接在设备壳体1上的布液管进 入硫酸分布区5，在降膜分布器6的气液表面吸收水蒸气被稀释到H2S04质量百分浓度不低 于90%、温度上升到不高于60°C、然后从硫酸分布区5的底部离开设备。硫酸分布区5的 气相空间水蒸气压力Pw, s不高于20Pa (刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册，化 学工业出版社，2002年第一版，p. 210)，温度不高于60°C。水蒸气从磷酸分布区2向硫酸分 布区5流动的推动力Ap = pw,p-pw,s 彡 40Pa本实施例的结果使粗级湿法磷酸质量百分浓度提高2%以上，并以复合与混合物 结晶形式脱除粗级湿法磷酸所含氟硅酸盐杂质的80%以上。实施例2本实施例中，浓缩磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备如图2所示硫酸溶 液分布区在上、磷酸溶液分布区在下。温度不低于80°C、H3P04质量百分浓度不低于85%的 浓缩磷酸从连接在设备壳体1上的布液管进入磷酸分布区2，通过筛孔板分布器3在自由降落的液柱与液滴表面发生蒸发，溶液进一步浓缩和降温，到达结晶区4的磷酸温度不高 于10°C、H3P04质量百分浓度不低于90. 5%，磷酸在结晶区4的平均停留时间40分钟析出 2H3P04 H20半水磷酸结晶、然后磷酸晶浆从结晶区4的底部离开设备。磷酸分布区2的气 相空间水蒸气压力Pw,p不低于60Pa (刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册，化学 工业出版社，2002年第一版，p. 17和p. 224)，温度不低于10°C，水蒸气通过除沫器7后进入 硫酸溶液分布区5的气相空间；温度不高于30°C、H2S04质量百分浓度98%的浓硫酸从连接 在设备壳体1上的布液管进入硫酸分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法，其特征在于用一台设备中两个液相互不相通但气相连通的溶液分布区，其中一个用于分布磷酸溶液而另一个用于分布硫酸溶液。磷酸溶液利用自身释放的显热而蒸发，水蒸气通过气相连通空间直接到达硫酸液面而被吸收。上述磷酸液面上水蒸气压比硫酸液面上的水蒸气压至少高４０Ｐａ，推动水蒸气流动，由此实现低于２０℃条件下磷酸溶液蒸发浓缩，从而达到从初级湿法磷酸溶液析出杂质结晶或从浓缩磷酸溶液结晶提纯磷酸的目的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱家骅，夏素兰，张峰榛，陈建利，郑晓军，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]