脫重磷酸澄清技術研究與應用

解 秘，李建聞，朱桂華

（云南磷化集團有限公司，云南 昆明 650600）

磷酸是生產飼料級磷酸鈣鹽的基礎原料，為達到產品標準，必須對磷酸進行凈化處理，脫除砷、鉛、氟等雜質［1-3］。磷酸凈化生產中主要采用化學沉淀法，在酸中加入Na2S，使磷酸中的As3+、Pd2+等轉化成As2S3、PdS 等沉淀物而脫除［4-8］。磷酸脫除重金屬過程形成的硫化物沉淀顆粒細小，在黏度較大的濃磷酸中難以沉淀。在以往的生產過程中，大多采取簡單的添加絮凝澄清劑進行澄清［9-12］，但由于磷酸雜質成分和含量波動較大，絮凝澄清劑的適應性較差，經常出現脫重磷酸不沉降的問題。在云南磷化集團有限公司磷酸鹽廠飼料級磷酸實際生產過程中，為了進一步降低清酸固含量以滿足成品酸要求，對脫重磷酸上層清酸采用超膜過濾機進行二次固液分離［13］，從而得到高品質清酸。以往生產中使用絮凝澄清劑澄清后的磷酸固含量較高，易造成超膜過濾機膜棒堵塞，造成較大的經濟損失。

為了解決實際生產中脫重磷酸難澄清和清酸固含量較高的問題，通過研究澄清劑類型、澄清劑用量、澄清溫度、澄清時間、澄清劑添加方式等因素對脫重磷酸澄清的影響，得出最佳澄清工藝條件，并對裝置生產工藝進行優化改造。

1 磷酸脫重金屬生產工藝流程

磷酸經濃縮后進入脫重工序進行重金屬脫除，脫重后的濃磷酸經澄清后，上層清酸采用超膜過濾機進行深度過濾；下層渣酸用板框壓濾機進行固液分離后，液相與膜過濾后清酸一起進入深度脫氟工序。具體生產工藝流程如圖1所示。

圖1 磷酸脫重金屬生產工藝流程

脫重磷酸澄清過程使用聚丙烯酰胺類絮凝劑作為澄清劑，直接從輸酸管道中加入與酸混合，添加過程采用人工調節控制。由于脫重磷酸澄清效果較差、效率較低，造成超膜過濾機堵塞，嚴重影響飼料級磷酸的生產。另外，由于出酸量波動，人工調節波動較大，造成澄清劑消耗高，增加了生產成本。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

脫重磷酸：w（固）為2.38%，w（P2O5）為41.6%，相對密度為1.507；澄清劑：聚丙烯酰胺類、改性聚丙烯酰胺類、聚天冬氨酸類、聚乙烯酸鈉類。

2.2 實驗方法

取一定量澄清劑，將其配制成質量分數為0.1%的溶液使用。分別取一定量固含量和密度相同的脫重磷酸1 000 g 于同等型號的燒杯中，保持各組實驗液位高度一致。將燒杯置于一定溫度的恒溫水浴鍋中，加入一定量澄清劑，測定上層清液高度并檢測清液固含量。采用單一變量分別探究澄清劑類型、澄清劑用量、澄清溫度、澄清時間、澄清劑添加方式等因素對脫重磷酸澄清效果的影響。通過上層清液高度的變化表征固體顆粒沉降速率，通過上層清液固含量表征澄清效果。

3 結果與討論

3.1 澄清劑類型對脫重磷酸澄清效果的影響

在70 ℃、澄清劑添加量為脫重磷酸質量0.004 0%、澄清時間30 min、澄清劑一次性添加的條件下，研究聚丙烯酰胺類、改性聚丙烯酰胺類、聚天冬氨酸類、聚乙烯酸鈉類澄清劑的澄清效果，結果見表1。

表1 不同澄清劑實驗結果

由表1 可看出，使用澄清劑可大大加快沉降速率，降低上層清液固含量；脫重磷酸使用不同澄清劑后沉降速率和澄清效果均不同。澄清30 min 后，使用聚乙烯酸鈉類澄清劑的脫重磷酸上層清液高度最高，說明沉降最快，但上層清液固含量較高，澄清效果較差；使用聚天冬氨酸類澄清劑的脫重磷酸上層清液高度低于使用聚乙烯酸鈉類澄清劑的脫重磷酸，但上層清液固含量最低，澄清效果最佳。考慮到脫重磷酸澄清主要指標為清液固含量，因此選用聚天冬氨酸類澄清劑作為脫重磷酸澄清劑最佳。

3.2 澄清劑用量對脫重磷酸澄清效果的影響

在70 ℃、聚天冬氨酸類澄清劑作澄清劑、澄清時間30 min、澄清劑一次性添加的條件下，考察澄清劑用量對脫重磷酸澄清效果的影響，上層清液高度隨澄清劑用量變化如表2所示。

表2 脫重磷酸上層清液高度隨澄清劑用量變化

由表2 可看出，隨著澄清劑用量增加，脫重磷酸上層清液高度變化不大，說明澄清劑用量對沉降快慢的影響并不明顯。

脫重磷酸澄清后上層清液固含量隨澄清劑用量變化如圖2所示。

圖2 上層清液w（固）隨澄清劑用量的變化

由圖2 可看出，隨著聚天冬氨酸類澄清劑用量增加，澄清后脫重磷酸上層清液固含量逐漸降低，當用量大于0.005 0%后，上層清液固含量幾乎不變。因此，聚天冬氨酸類澄清劑在脫重磷酸澄清中的最佳用量為0.005 0%。

3.3 澄清溫度對脫重磷酸澄清效果的影響

在聚天冬氨酸類澄清劑用量為脫重磷酸質量的0.005 0%、澄清時間30 min、澄清劑一次性添加的條件下，考察澄清溫度對脫重磷酸澄清效果的影響，結果見表3。

表3 上層清液高度和w（固）隨澄清溫度變化

由表3 可知，溫度對脫重磷酸澄清的影響較小，當溫度從60 ℃升至70 ℃時，上層清液高度增加0.1 cm，繼續升高溫度清液高度不再變化；上層清液固含量隨溫度的升高而降低，但變化幅度并不明顯。在實際生產過程中，脫重磷酸溫度為70 ～80 ℃，可不考慮溫度因素的影響。

3.4 澄清時間對脫重磷酸澄清效果的影響

在70 ℃、聚天冬氨酸類澄清劑用量為脫重磷酸質量0.005 0%、澄清劑一次性添加條件下，考察澄清時間對脫重磷酸澄清效果的影響，結果見圖3。由圖3 可看出，隨著澄清時間增加，脫重磷酸上層清液高度先快速增大后逐漸保持穩定，澄清30 min 后固體顆粒沉降變緩，60 min 時達到沉降終點；上層清液固含量在前20 min內快速降低，澄清60 min時w（固）降至0.14%后不再變化。

圖3 上層清液高度和w（固）隨澄清時間的變化

3.5 澄清劑添加方式對脫重磷酸澄清效果的影響

在70 ℃、聚天冬氨酸澄清劑添加量為脫重磷酸質量的0.005 0%、澄清時間60 min條件下，考察澄清劑添加方式對澄清效果的影響，結果見表4。

表4 上層清液高度和w（固）隨澄清劑添加方式變化

由表4可知，澄清劑3種方式加入脫重磷酸中，澄清后上層清液高度均相同，但澄清劑以等比預混添加澄清后的上層清液固含量最低，澄清效果最好。

4 生產工藝優化改造

將聚天冬氨酸類澄清劑配制成質量分數為0.1%的溶液使用，按脫重磷酸質量的0.005 0%添加澄清劑，引入自動控制技術將澄清劑和脫重磷酸按體積流量1.0 ∶14.5 添加，并在管道中增加預混器，澄清劑從預混器中加入使其與脫重磷酸充分混合，并通過多槽搭配使用保證脫重磷酸有足夠的澄清時間。改造后澄清工藝流程見圖4。

圖4 改造后澄清工藝流程

改造后，脫重磷酸澄清上層清液固含量降低40%以上，滿足超膜過濾機指標要求，清酸產量增加約30%；生產P2O51 t 澄清劑用量穩定在121 g，比人工調節降低了6.9%。

5 結論

本實驗考察了澄清工藝條件對澄清效果的影響，并對裝置生產工藝進行優化改造。實驗得出以下結論：

（1）使用澄清劑可大大加快沉降速率，降低上層清液固含量；使用不同澄清劑脫重磷酸沉降速率和澄清效果均不同，使用聚乙烯酸鈉類澄清劑時沉降最快，但上層清液固含量較高，澄清效果較差；使用聚天冬氨酸類澄清劑的脫重磷酸上層清液固含量最低，澄清效果最佳。

（2）隨著聚天冬氨酸類澄清劑用量增加，澄清后脫重磷酸上層清液固含量逐漸降低，當用量大于0.005 0%后，上層清液固含量幾乎不變；澄清劑用量對沉降快慢的影響不明顯。

（3）溫度對脫重磷酸澄清的影響較小。

（4） 選用聚天冬氨酸類作為澄清助劑，在70 ℃條件下按0.005 0%的添加量一次性加入脫重磷酸中，隨著澄清時間延長，脫重磷酸上層清液高度先快速增大后逐漸保持穩定，澄清30 min 后固體顆粒沉降變緩，60 min 時達到沉降終點；上層清液固含量在前20 min內快速降低，澄清60 min時w（固）降至0.14%后不再變化。

（5）澄清劑以等比預混添加澄清后的上層清液固含量最低，澄清效果最好。

（6）根據實驗探究結果對生產工藝進行優化和改造后，脫重磷酸澄清上層清液固含量降低40%以上，滿足超膜過濾機指標要求，清酸產量增加約30%；使用等比自動控制技術后，生產P2O51 t澄清劑用量穩定在121 g，較人工調節降低了6.9%。