14.4. Виробництво фосфору і фосфатної кислоти

Важливе місце серед електротермічних процесів посідає електротермічна сублімація фосфору з природних фосфатів. Цей спосіб полягає у тому, що при 1500–1600 °С SiO₂ заміщує Р₂О₅ в його сполуках, а наявний тут вуглець відновлює Р₂О₅ до фосфору.

Сублімація фосфору здійснюється в електропечах або у печах типу домен, куди завантажується суміш з кусків фосфату, піску або подрібненого кварцу і коксу чи антрациту. При відповідній температурі відбувається процес сублімації який можна зобразити такою сумарною реакцією:

2Ca₃(PO₄)₂ + nSiO₂ + 10С = Р₄ + 10СО + 6СаО ∙ nSiO₂ – Q.

Залежно від складу шихти значення п змінюється від 4 до 7. При п=6 реакція відбувається з поглинанням 3557 кДж теплоти на 1 моль Р₄.

Крім основної реакції у печі відбуваються також реакції відновлення заліза:

Fe₂O₃ + 3С = 2Fe + 3СО.

Відновлене залізо реагує з фосфором, утворюючи ферофосфор:

2Fe + Р = Fe₂P.

Тому у нижній частині печі разом з рідким шлаком збирається рідкий фосфористий чавун (ферофосфор). Через нижню льотку періодично випускається з печі рідкий сплав, а зверху безперервно відводяться пари фосфору і гази. Після електрофільтрів парогазова суміш охолоджується, і пари фосфору конденсуються під водою у білий фосфор. Рідкий фосфор, що утворюється внаслідок сублімації, перекачують насосами на склад і у цистерни для транспортування або переробляють тут же на заводі у фосфатну кислоту. Білий фосфор через його отруйність і здатність самозайматись широкого застосування не знаходить. Тому основну його масу переробляють на червоний фосфор – найбільш стійку алотропічну видозміну. Для цього білий фосфор поміщають у закритий обертовий барабан і поступово нагрівають. Оскільки леткість парів білого фосфору дуже висока, то спочатку нагрівають його до 270‑280 °С і тільки після того, як значна частина білого фосфору перетвориться у червоний, температуру підвищують до 330‑340 °С. Процес перетворення білого фосфору у червоний – екзотермічний триває 40‑60 год. Галогени дещо прискорюють цей процес. Для очищення червоного фосфору від білого його обробляють розчином лугу, який реагує тільки з білим фосфором.

Виробництво термічної фосфатної кислоти з фосфору здійснюють у спеціальних колонах, футерованих кислототривкою керамікою, двома способами. За першим (одноступеневим) способом гази, що виходять з печі для виробництва фосфору, спалюють повністю. За другим (двоступеневим) – фосфор спочатку відділяють конденсацією, а потім спалюють. Розплавлений фосфор подається у форсунки з хромонікелевої сталі і розпилюється повітрям, яке подається з надлишком у два-три рази проти стехіометричної кількості, потрібної для реакції:

2Р₂ + 5О₂ = 2Р₂О₅.

Надлишок повітря дає змогу уникнути утворення нижчих оксидів фосфору. Кількість води, що впорскується для утворення кислоти, розраховується так, щоб утворювалась приблизно 90 %-на ортофосфорна кислота:

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄.

Кислота виводиться у гумовані стальні збирачі, футеровані кислототривкими плитами. У башті заввишки 10 м, діаметром 2,5 м виробляють за добу близько 38 т 100 %-ої фосфатної кислоти, переробляючи 12 т фосфору.

Окиснення фосфору можна вести водяною парою за такими рівняннями реакцій:

Р₂ + 5Н₂О = P₂O₅ + 5Н₂,

або

P₂ +8H₂O=2Н₃РO₄ + 5Н₂.

Ці процеси відбуваються при високих температурах (близько 1000 °С) і наявності каталізаторів. Водень, що утворюється під час окиснення фосфору, можна використовувати для виробництва NH₃. Виробництво фосфатної кислоти термічним способом дає змогу добувати чисту кислоту будь-якої концентрації (до 100 %).

Питання до розділу 14

1. Які процеси називаються електротермічними?

2. На основі якого закону проводяться електротермічні розрахунки?

3. Які переваги електричних печей?

4. Дати характеристику основних типів електричних печей.

5. Описати технологію виробництва кальцію карбіду.

6. Як отримують кальцію ціанамід?

7. Як отримують фосфор?

8. Описати виробництво фосфатної кислоти з фосфору.

Розділ 15. ОСНОВНІ ВИРОБНИЦТВА У ХІМІЧНІЙ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ДЕРЕВИНИ