[发明专利]磷酸溶液低温蒸发浓缩和结晶的方法与设备

说明书

技术领域  本发明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。

背景技术  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℃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℃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。

发明内容  本发明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℃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。

本发明方法技术思想是：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p_w，p与硫酸溶液吸收水蒸气条件下液面上的水蒸气分压p_w，s之差

Δp＝p_w，p-p_w，s

Δp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，在本发明所述范围内，磷酸溶液H₃PO₄质量百分浓度26％～95％、温度-20℃～50℃，硫酸溶液H₂SO₄质量百分浓度85％～98％、温度不高于60℃，均可使该方法的过程推动力Δp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。

实现本发明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：[日]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。

本发明的有益效果是：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2H₃PO₄·H₂O半水磷酸结晶达到提纯磷酸产品的目的。

附图说明

图1是本发明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；