Bài giảng Công nghệ sản xuất photpho và acid photphoric

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHOTPHO VÀ ACID PHOTPHORIC
 Photpho có 2 dạng thù hình: Photpho trắng ( hay vàng ) ,Photpho đỏ. 
            -   Photpho trắng rất độc ,được sử dụng nhiều tạo chất khói,chất tự bốc lửa. 
            -   Photpho không độc ,được dùng sản xuất diêm và một số chất khác. 
            Trước đây dùng Photpho chủ yếu để làm phân các loại ,hiện nay dùng Photpho nhiều vào sản xuất tổng hợp hữu cơ Photpho .
I. Công nghệ sản xuất Photpho:
1. Công nghệ sản xuất Photpho trắng: 
Dùng than khử Canxiphotphat ở nhiệt độ 12000C với SiO2.
	Ca3(PO4)2 + 5C + 3SiO2 g 2P + 5CO + 3CaSiO3
            Phản ứng này được thực hiện trong lò điện ,Photpho tạo thành thăng hoa cùng với CO. 
Sơ đồ lưu trình công nghệ điều chế Photpho trắng. 
1:Lò điện ; 2:Thiết bị ngưng tụ Photpho ; 3:Bể chứa Photpho ; 4: Thùng làm sạch Photpho 
	Photpho thiên nhiên và than được nghiền và sấy riêng biệt rồi đem trộn đưa vào lò điện kín (1). Trong lò có SiO2 và quặng Photphat theo tỷ lệ SiO2 / CaO : (0.85 - 0.9) / 1. 
	Sản phẩm tạo thành trong lò điện là hơi Photpho và khí CO ,xỉ và một số oxit (Al2O3 ,MgO ...). 
Hiệu suất tạo thành Photpho thăng hoa khoảng 88% ( 92%) .Hổn hợp khí ra khỏi lò điện có nhiệt độ 250 ( 350oC được đưa vào hệ thống thiết bị ngưng tụ thành những giọt lỏng chảy xuống bể chứa (3). Hiệu suất ngưng tụ đạt được khoảng 96 ® 97%. 
Ðể làm sạch Photpho người ta nó vào thùng gia nhiệt (4). Photpho nặng sẽ lắng xuống đáy thùng, còn các tạp chất cùng với nước tạo thành bùn nổi lên trên. 
2. Công nghệ sản xuất Photpho: 
Lò thăng hoa dùng trong công nghiệp là là hổn hợp 3 pha. 
            Lò Photpho tuyệt đối kín. Thổi khí trơ vào bunke chứa quặng phải có nắp đậy kín các bộ phận khác . 
Lò : vỏ bằng thép bên trong lót amian và xây gạch chịu lửa (chỗ nào có nhiệt độ cao thì xây gạch chịu lửa). 
Các điện cực tường lò bằng đường kín điện cực . 
Quăng từ các bunke (8) chảy xuống qua nắp lò (4) và phân bố đều quanh các điện cực (5). Hổn hợp chứa Photpho qua cửa (6) sang hệ thống thiết bị ngưng tụ ,còn xỉ được tháo qua lỗ (7).
3. Ðiều chế Photpho đỏ: 
            Photpho đỏ là dạng thù hình phổ biến của Photpho trắng .Photpho trắng có thể chuyển thành Photpho đỏ dưới tác dụng của nhiệt độ ,ánh sáng xúc tác . 
Trong công nghệ luyện Photpho đỏ bằng cách : đốt lâu Photpho trắng ở điều kiện không tiếp xúc không khí ,nhiệt độ chuyển hóa 2500C quá trình luyện thường khoảng 40h - 60h (thông thường tới 100h).
II. Công nghệ sản xuất Acid Photphoric:
	Có 2 phương pháp điều chế acid Photphoric: 
-        Phương pháp trích ly. 
-        Phương pháp nhiệt luyện
1.  Phương pháp nhiệt luyện:
            Ðiều chế H3PO4 bằng cách Oxi hóa Photpho trong không khí : 
	4P + 5O2 = 2P2O5 
	2P2O5 + H2O = 2HPO3 	Acid metaPhotphoric 
	HPO3 + H2O = H3PO4 	Acid octoPhotphoric 
            Photpho rắn đưa vào thùng (1) để nấu chảy bằng hơi nước Photpho đưa lên thùng cung ứng (2) rồi đưa qua thùng hoãn xung (3) để vào vòi phun (4) của buồng đốt (5) làm bằng gạch chịu acid ,Photpho cháy trong không khí tạo thành P2O5 và HPO3 qua ống dẫn khí (6) vào tháp hydrat hóa (7).Nước hoặc acid loãng được phun trong ống (8) vào tháp .Trong tháp (7) P2O5 chuyển hóa hoàn toàn thành HPO3 . 
            Tùy theo điều kiện nhiệt độ hơi nước , chúng được hydrat hoá thành H3PO4 hoặc các acid polyPhotphoric (H4P2O7 hoặc H5P3O10 , H6P4O13 ) H3PO4 lấy ra khỏi tháp với nồng độ 45 ( 60%. 
            Một phần tồn tại dưới dạng mùn theo đường ống (9)vào tháp lọc điện (10) có điện cực ngưng tụ (11) bằng than và điện cực phóng điện (12) bằng bạc làm việc ở nhiệt độ 150oC và ngưng tụ tới 90 ( 99% acid có trong thùng.
Sơ đồ lưu trình công nghệ sản xuất acid Photphoric nhiệt luyện.
1: Thùng nấu chảy Photpho ; 2: Thùng cung ứng ;3: Thùng hoãn xung ; 4: Vòi phun ; 5: Buồng đốt : 6,9: Ống dẫn khí ;
 7: Tháp hydrat hóa ; 8: Ống phun nước ; 10: Tháp lọc điện; 11: Ðiện cực ngưng tụ ; Ðiện cực phóng điện.
2. Phương pháp trích ly:
	Phương pháp này thực hiện bằng cách xừ lý Photphat thiên nhiên (thường là Apatit) bằng H2SO4 . 
	Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF 
	Trong quặng còn ít quặng Cacbonat cũng phản ứng với H2SO4 
	CaCO3 + H2SO4 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2 
	CaCO3.MgCO3 + H2SO4 = CaSO4.2H2O + MgSO4 + CO2 
	HF tạo thành sẽ tác dụng với SiO2 : 
	6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O 
	Quá trình phải được thực hiện ở nhiệt độ 70 ( 80oC. 
	Tỷ lệ : lỏng / rắn = 2 - 3 / 1. 
	Dung dịch phải có lượng SO42- dư nhỏ.
3. Cô đặc acid Photphoric:
Acid Photphoric Ðiều chế bằng phương pháp trích ly có nồng độ khoảng 18 (23% nên thường được cô đặc đến nồng độ 38 ( 40% H3PO4 . 
Trong công nghiệp ,người ta dùng 2loại thiết bị cô đặc H3PO4: 
-   Sục bọt . 
-   Hút chân không . 
Nguyên lý cô đặc kiểu suc bọt là cho khí cho khí lò sục qua lớp acid, thiết bị cô đặc kiểu sục bọt gồm có :1 buồng bằng thép , bên trong có gạch chịu acid. Phương pháp cô đặc kiểu sục bọt có ưu điểm là nhanh , nhưng có nhược điểm là tạo nhiều mùn acid. 
Quá trình cô đặc chân không được thực hiện trong thiết bị bay hơi chân không kiểu ống chùm ngang .Hơi đi trong ống , còn acid đi trong không gian ngoài ống ,thiết bị được hút chân không bằng hệ thống phun tia - ngưng tụ . 
Thiết bị cô đặc kiểu hút chân không có nhược điểm là cấu tạo phứt tạp tốn nhiều chì và kim loại chịu acid, điều kiện làm việc phức tạp, thiết bị dễ đọng kết tủa.