БОРЬБА С ОБРАЗОВАНИЕМ НАКИПИ В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ
CONTROL OF SCALE FORMATION IN PHOSPHORIC ACID PRODUCTION AND PROCESSING PLANTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Настоящее изобретение относится к композициям и способам уменьшения образования накипи в установках для получения фосфорной кислоты и фосфата аммония.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
10
4
6
2
10
4
6-x
3
x
2+x
2
5
Образование накипи в установках для получения фосфорной кислоты и в установках для переработки фосфорной кислоты на протяжении десятилетий являлось основной проблемой в промышленности, связанной с производством фосфорной кислоты. При реакции фосфатных руд, таких как фторапатит Ca(PO)(F,OH) и/или франколит Ca(PO)(CO)(F,OH), с серной кислотой образуется требуемая фосфорная кислота вместе с взвешенными и/или растворенными твердыми веществами. Концентрацию фосфорной кислоты обычно выражают в процентах по массе PO.
[0003]
Основное уравнение реакции для получения фосфорной кислоты из серной кислоты и ионов кальция и фосфат-ионов из руд можно записать:
2+
3-
+
2-
4
4
3
4
4
3Ca+2PO+6H+3SO → 2HPO+3CaSO
[0004]
Такую реакцию между серной кислотой и фосфатной рудой обычно проводят в реакторе при повышенных температурах. После реакции фосфорная кислота обычно содержит растворенные и взвешенные твердые вещества - большую часть последних отфильтровывают. Затем отфильтрованную кислоту подают в испаритель, где ее концентрируют. Кислоту нагревают путем пропускания ее через теплообменник, нагреваемый паром под давлением; далее фосфорную кислоту концентрируют при пониженном давлении в паровой или испарительной камере в испарителе, где из фосфорной кислоты испаряется вода, так что кислота концентрируется. Другие взвешенные твердые вещества и/или растворенные твердые вещества в фосфорной кислоте оседают во время процесса концентрирования и образуют осадок в виде накипи на поверхности теплообменника и/или поверхностях камеры. Как правило, такая накипь содержит полиморфы сульфата кальция и некоторые другие минералы. Со временем накипь, которая накапливается на поверхности теплообменника, приводит к снижению его эффективности. Производство должно быть остановлено, а испаритель выключен для очистки, при этом такая приостановка работы приводит к потере времени производства и увеличению производственных затрат. Кроме того, образующаяся накипь является чрезвычайно твердой и крепко прилипает к поверхностям, на которые она осела, и, соответственно, является труднообрабатываемой и с трудом поддается очистке с поверхностей. Кроме того, накипь, которая осаждается и накапливается, имеет относительно низкую растворимость в воде. Таким образом, очистка включает значительные механические усилия (водоструйная очистка), ресурсы, такие как энергия, вода и материалы, а также рабочую силу. Один из видов очистки включает кипячение с разбавленной серной кислотой. Кроме того, твердая накипь, которая накапливается на поверхностях теплообменника, причастна к поломке хрупких трубок из пропитанного графита, которые может содержать теплообменник.
[0005]
Для уменьшения образования накипи к фосфорной кислоте можно добавить химические вещества, такие как ингибиторы образования накипи, но такие вещества не полностью предотвращают образование накипи, которая осаждается на различных поверхностях. Соответственно, существует потребность в новых способах и материалах, которые препятствуют, уменьшают и/или замедляют образование и/или накопление накипи на поверхностях, находящихся в контакте с фосфорной кислотой в установках для получения фосфорной кислоты или с фосфорной кислотой, поставляемой из указанных установок. Существует потребность в устранении воздействия накипи, накопившейся и прилипающей к теплообменнику и другим поверхностям испарителей, труб и тому подобное, которые находятся или находились в контакте с фосфорной кислотой, полученной в результате реакции фосфатных руд и серной кислоты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006]
В настоящем документе описан способ, включающий добавление водной композиции, уменьшающей образование накипи, к первой фосфатной композиции с получением второй фосфатной композиции; и приведение поверхности, скапливающей накипь, в контакт со второй фосфатной композицией. Водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит воду, полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат, сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и дополнительный компонент, выбранный из группы, состоящей из (i) полиметакриловой кислоты, (ii) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, (iii) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира, и (iv) любой их комбинации.
[0007]
Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает объединение фосфатной руды и серной кислоты с получением фосфатной реакционной смеси, поддержание фосфатной реакционной смеси при температуре от 65 °C до 120 °C в течение от 30 минут до пяти часов с получением неочищенной фосфорной кислоты; и фильтрование неочищенной фосфорной кислоты с получением первой фосфатной композиции.
[0008]
Кроме того, в настоящем документе описан способ, согласно которому сопло содержит поверхность, скапливающую накипь, причем указанная поверхность, скапливающая накипь, ограничивает в нем отверстие, при этом предложенный способ состоит в распылении второй фосфатной композиции из указанного отверстия в камеру. Согласно вариантам реализации камера содержит жидкий аммиак.
[0009]
Кроме того, в настоящем документе описан способ, включающий размещение второй фосфатной композиции в испарителе установки для производства фосфорной кислоты, при этом указанный испаритель содержит защитную оболочку для текучей среды, причем указанная защитная оболочка для текучей среды содержит один или более элементов, выбранных из испарительной камеры, теплообменника, выпускной трубы и впускной трубы, при этом указанная защитная оболочка для текучей среды содержит поверхность, скапливающую накипь; и нагревание второй фосфатной композиции, при этом вторая накипь накапливается на поверхности, скапливающей накипь.
[0010]
В настоящем документе описана композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат, сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и дополнительный компонент, выбранный из группы, состоящей из (i) полиметакриловой кислоты, (ii) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, (iii) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира, и (iv) любой комбинации (i), (ii) и (iii). Кроме того, в настоящем документе описана водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая композицию, уменьшающую образование накипи, и дополнительно содержащая воду.
[0011]
Кроме того, в настоящем документе описан испарительный агрегат, содержащий испаритель и любую из вторых фосфатных композиций, описанных в настоящем документе, при этом указанный испаритель содержит испарительную камеру и один или более элементов, выбранных из теплообменника, выпускной трубы и впускной трубы, при этом указанная испарительная камера и один или более элементов, выбранных из теплообменника, выпускной трубы и впускной трубы, сообщаются друг с другом по текучей среде и вместе образуют путь циркуляции, включающий поверхность, скапливающую накипь, при этом вторая фосфатная композиция размещается в пределах пути циркуляции и находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь. Согласно вариантам реализации вторая накипь прилипает к поверхности, скапливающей накипь, при этом указанная вторая накипь содержит сульфат кальция. Согласно вариантам реализации вторая накипь содержит гидрофосфат калия-алюминия. Согласно вариантам реализации вторая накипь по существу не содержит пентафторалюминат магния.
ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0012]
На фиг. 1 показана фотография промытой и высушенной накипи из теплообменника согласно предварительному испытанию B, описанному в примере 1.
[0013]
На фиг. 2 показана фотография высушенной на воздухе накипи из теплообменника согласно примеру 2.
[0014]
На фиг. 3 показана фотография накипи из теплообменника, без промывки или сушки, согласно примеру 3.
[0015]
На фиг. 4 показана фотография промытой и высушенной разрушенной накипи из теплообменника согласно примеру 3.
[0016]
На фиг. 5 показана фотография накипи, счищенной с трубок теплообменника с помощью стержня согласно примеру 4.
[0017]
На фиг. 6 показана фотография накипи, счищенной с трубок теплообменника с помощью стержня согласно примеру 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018]
Определения
[0019]
Следующие определения приведены для разъяснения того, как следует понимать термины, используемые в настоящей заявке, и, в частности, как следует понимать формулу изобретения. Расположение указанных определений предназначено только для удобства и не предполагает ограничения какого-либо из определений какой-либо конкретной категорией.
[0020]
Если не указано иное, все технические и научные термины, применяемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно использует специалист в данной области техники. В случае противоречия следует руководствоваться настоящим документом, включая определения. Ниже описаны предпочтительные способы и материалы, хотя при практическом применении или испытании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, аналогичные или эквивалентные способам и материалам, описанным в настоящем документе. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, в полном объеме включены посредством ссылки. Материалы, способы и примеры, описанные в настоящем документе, являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.
[0021]
Подразумевают, что термины «содержит(ат)», «включает(ют)», «имеющий», «имеет», «может», «содержит(ат) в своем составе» и их варианты, используемые в настоящем документе, представляют собой неограничивающие переходные выражения, термины или слова, которые не исключают возможность наличия дополнительных действий или структур. Формы единственного числа включают ссылки на формы множественного числа, если из контекста явно не следует иное. Настоящее описание также предусматривает и другие варианты реализации, «содержащие», «состоящие из» и «состоящие по существу из» вариантов реализации или элементов, представленных в настоящем документе, независимо от того, изложены они явно или нет.
[0022]
В настоящем документе термин «необязательный» или «необязательно» означает, что описанный далее компонент, событие или обстоятельство может, но не обязательно, присутствовать или происходить. Соответственно, настоящее описание раскрывает и включает случаи, в которых имеет место событие или обстоятельство, и случаи, в которых такое событие или обстоятельство отсутствует, или случаи, в которых описанный компонент присутствует, и случаи, в которых указанный компонент отсутствует.
[0023]
В настоящем документе термин «примерно», модифицирующий, например, количество ингредиента в композиции, концентрацию, объем, температуру, время, выход, скорость потока, давление и подобные значения и их диапазоны, применяемые при описании вариантов реализации изобретения, относится к отклонению численной величины, которое может иметь место, например, при проведении типичных процедур измерения и переработки, используемых для получения соединений, композиций, концентратов или применяемых составов; из-за неизбежной ошибки в таких процедурах; в результате различий в способах получения, источнике или чистоте исходных материалов или ингредиентов, используемых для реализации предложенных способов, в результате стандартной ошибки из-за неправильной работы машины и из-за подобных схожих факторов. Термин «примерно» также включает количества, которые различаются вследствие старения состава с определенной начальной концентрацией или смесью, и количества, которые отличаются в результате смешения или обработки состава с определенной начальной концентрацией или смесью. При модификации с помощью термина «примерно» формула изобретения, прилагаемая к настоящему документу, включает эквиваленты, соответствующие данному определению.
[0024]
В настоящем документе термин «по существу» означает «состоящий по существу из» в соответствии с толкованием данного термина в патентном праве США и включает «состоящий из» в соответствии с толкованием данного термина в патентном праве США. Например, раствор, который «по существу не содержит» указанного соединения или материала, может не содержать такого соединения или материала или может содержать незначительное количество такого соединения или материала, например, в результате непреднамеренного загрязнения или неполной очистки. «Незначительное количество» может представлять собой следовое количество, количество, не поддающееся измерению, количество, которое не ухудшает качество или свойство, или некоторое другое количество в соответствии с контекстом. Композиция, которая содержит «по существу только» приведенный списк компонентов, может состоять только из таких компонентов, или содержать следовое количество какого-либо другого компонента, или содержать один или более дополнительных компонентов, которые не оказывают существенного влияния на свойства композиции. За исключением тех случаев, когда в настоящем документе указано иное, «по существу» модифицирующий, например, тип или количество ингредиента в композиции, свойство, количество, поддающееся измерению, способ, значение или диапазон, используемые при описании вариантов реализации настоящего изобретения, относится к изменению, которое не влияет на всю указанную композицию, свойство, количество, способ, значение или его диапазон таким образом, который ухудшает предполагаемую композицию, свойство, количество, способ, значение или диапазон. При модификации с помощью термина «по существу» формула изобретения, прилагаемая к настоящему документу, включает эквиваленты, соответствующие данному определению.
[0025]
В настоящем документе термин «ppm» означает массовые части на миллион. За исключением тех случаев, когда указано иное, все концентрации, приведенные в настоящем документе, даны в расчете на массу.
[0026]
«Состоящий по существу из» означает, что способы и композиции могут включать дополнительные стадии, компоненты, ингредиенты или тому подобное, но только, если указанные дополнительные стадии, компоненты и/или ингредиенты существенно не изменяют основные и новые характеристики предложенных способов и композиций.
[0027]
3
4
В настоящем документе «фосфорная кислота» означает ортофосфорную кислоту, HPO.
[0028]
4
3-
В настоящем документе «фосфат» означает ортофосфат, PO.
[0029]
2
4
-
В настоящем документе «дигидрофосфат» означает ион HPO.
[0030]
6
2
6
2
6
6
6
2
6
2-
В настоящем документе, если не указано иное, «гексафторсиликат» означает соединение, содержащее один или более катионов и гексафторсиликат (SiF) или гексафторкремниевую кислоту (HSiF). Неограничивающие примеры гексафторсиликатов включают гексафторсиликат натрия, NaSiF; гексафторсиликат калия-натрия, KNaSiF; гексафторсиликат магния, MgSiF; и гексафторкремниевую кислоту, HSiF.
[0031]
3
14
4
8
2
3
14
4
8
2
В настоящем документе «гидрофосфат калия-алюминия» означает KAlH(PO).xHO, где x представляет собой целое число от 0 до 10 включительно. Соответственно, термин «гидрофосфат калия-алюминия» включает соединение, имеющее приблизительную эмпирическую формулу AlKH(PO).4HO.
[0032]
6
2
5
2
4
2
4
2
4
2
Если не указано иное, следует понимать, что химические названия ионных соединений или солей металлов включают соединения, содержащие любое количество кристаллизационной воды: например, в настоящем документе «гексафторсиликат магния» может относиться к соединению, имеющему формулу MgSiF.6HO; в настоящем документе «пентафторалюминат магния» может относиться к MgAlF.1.5HO; в настоящем документе сульфат кальция может относиться к ангидриту (CaSO.0HO), полугидрату (CaSO.0.5HO), гипсу (CaSO.2HO) или любой их комбинации.
[0033]
В настоящем документе, термин «фосфатная реакционная смесь» означает смесь, полученную путем комбинирования фосфатной руды и серной кислоты.
[0034]
В настоящем документе «неочищенная фосфорная кислота» означает фосфатную реакционную смесь, содержащую фосфорную кислоту. Согласно вариантам реализации реакция между фосфат-ионами и серной кислотой практически завершена.
[0035]
В настоящем документе, термин «пониженное давление» означает давление менее одной атмосферы. В настоящем документе «применение пониженного давления» означает уменьшение давления свободного пространства до уровня менее одной атмосферы, при этом указанное свободное пространство находится над жидкой смесью; и/или уменьшение давления внутри защитной оболочки, содержащей жидкую смесь.
[0036]
В настоящем документе, «жидкая смесь» означает смесь жидкости с одной или более другими жидкостями или смесь по меньшей мере одной жидкости с одним или более твердыми веществами.
[0037]
4
4
2
4
10
4
6-x
3
x
y
2+y
3-
2-
-
2+
В настоящем документе, «фосфатная руда» означает руду, содержащую PO, HPO и/или HPO. Согласно вариантам реализации руда содержит Ca. Неограничивающие примеры фосфатных руд включают апатиты, фторапатит, франколит и любые другие руды, содержащие фосфат-ионы. Согласно вариантам реализации апатит содержит или состоит из материала с общей формулой (Ca, Na, Mg)(PO)(CO) F (F,OH), где x представляет собой целое число от 1 до 5 и у=от 0,33 x до 0,5х.
[0038]
4
4
2
4
3
4
3-
2-
-
В настоящем документе «фосфатная композиция» означает смесь, содержащую PO, HPO, HPO и/или HPO. Согласно вариантам реализации фосфатная композиция представляет собой первую фосфатную композицию или вторую фосфатную композицию.
[0039]
В настоящем документе «первая фосфатная композиция» означает композицию, содержащую фосфорную кислоту и сульфат кальция. Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция представляет собой неочищенную фосфорную кислоту, которая была отфильтрована для удаления нерастворимого материала.
[0040]
В настоящем документе «вторая фосфатная композиция» означает композицию, содержащую первую фосфатную композицию и дополнительно содержащую одну из композиций, уменьшающих образование накипи, описанных в настоящем документе.
[0041]
В настоящем документе «композиция, уменьшающая образование накипи» означает композицию, которая уменьшает количество накипи, образующейся при испарении одного или более летучих веществ из фосфатной композиции, пока фосфатная композиция находится в контакте с одной или более поверхностями. При концентрировании фосфатной композиции вследствие испарения из нее одного или более летучих веществ и во время испарения вещества осаждаются из фосфатной композиции, прилипают к одной или более поверхностям и накапливаются на них. При пропускании фосфатной композиции через одну или более труб, накипь может осаждаться и/или образовывать осадок на внутренней поверхности одной или более труб. Согласно вариантам реализации одно или более летучих веществ содержат, состоят или по существу состоят из воды. В этом контексте «уменьшающая» означает изменение фосфатной композиции таким образом, что накипь, образованная во время испарения одного или более летучих веществ из фосфатной композиции, накапливается медленнее на одной или более поверхностях; и/или накипь является более мягкой, более податливой и/или легче удаляется с одной или более поверхностей.
[0042]
В настоящем документе «поверхность, скапливающая накипь» означает поверхность, на которой накапливается накипь, когда указанная поверхность находится в контакте с фосфатной композицией. Неограничивающие примеры поверхностей, скапливающих накипь, включают поверхности теплообменников, являющихся частью испарителя установки для получения фосфорной кислоты, внутренние поверхности труб, внутренние поверхности испарительных резервуаров, сопловые сегменты и тому подобное, которые находятся в контакте с фосфатными композициями.
[0043]
2
2
2
2
n
В настоящем документе «гидроксиполиэтокси (10) аллиловый эфир» означает полимер или смесь полимеров, имеющих формулу CH=CH-CH-(OCHCH)-OH, где n имеет значение или среднее значение от 9 до 11, согласно вариантам реализации примерно 10.
[0044]
В настоящем документе «прочистка стержнем» представляет собой процесс разбивания накипи с помощью твердого предмета, такого как стержень или щетка, для удаления накипи с поверхности и/или проталкивания накипи вдоль и из трубы или отверстия, например, питающей линии или трубок теплообменника.
[0045]
В настоящем документе «водоструйная очистка» представляет собой процесс разбивания накипи с помощью воды под высоким давлением для удаления накипи с поверхности и/или проталкивания накипи вдоль и из трубы или отверстия, например, питающей линии или трубок теплообменника.
[0046]
В настоящем документе «установка для переработки фосфорной кислоты» означает любое промышленное оборудование, на котором получают, используют и/или перерабатывают фосфорную кислоту. Согласно неограничивающим вариантам реализации такие установки для переработки фосфорной кислоты включают установки по производству фосфорной кислоты, установки по производству фосфатных удобрений, на которых перерабатывают фосфорную кислоту, и тому подобное.
[0047]
Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology
В случае, когда перечисленные выше определения или описание, приведенные в другом месте настоящей заявки, не соответствуют значению (явному или неявному), которое обычно используется в словаре или указано в источнике, включенном в настоящую заявку посредством ссылки, подразумевают, что термины в настоящей заявке и формуле изобретения, в частности, следует понимать согласно определению или описанию, приведенному в настоящей заявке, а не согласно общепринятому определению, определению в словаре или определению, которое включено посредством ссылки. В свете вышесказанного, если термин может быть понят только в случае, если он объяснен в словаре, если этот термин определен в , 5th Edition, (2005), (Published by Wiley, John & Sons, Inc.), такое определение должно устанавливать, как указанный термин должен быть определен в формуле изобретения. Все приведенные химические структуры также включают все возможные альтернативные структуры стереоизомеров.
Обсуждение
[0048]
4
4
3-
2+
2+
3-
При производстве фосфорной кислоты серную кислоту объединяют с одной или более фосфатными рудами. Фосфатную реакционную смесь получают путем объединения серной кислоты с одной или более фосфатными рудами, причем одна или более фосфатных руд содержат ионы PO и катионы, такие как ионы кальция Ca. В результате реакций между компонентами одной или более фосфатных руд и серной кислотой образуется фосфорная кислота, а также умеренно растворимые или нерастворимые вещества, такие как сульфат кальция. Поскольку фосфатные руды, применяемые при производстве фосфорных кислот, обычно содержат Ca и PO, реакцию фосфатных и кальциевых ионов в такой фосфатной руде с серной кислотой можно записать в виде упрощенного уравнения:
2+
3-
4
2
4
3
4
4
3Ca+2(PO)+3HSO → 2HPO+3CaSO
Между другими компонентами руды и серной кислотой могут протекать и другие реакции в зависимости от того, какие компоненты присутствуют в руде. В результате таких других реакций могут образоваться умеренно растворимые и/или нерастворимые продукты. В производственной среде часть фосфорной кислоты, образующейся при реакции фосфата и серной кислоты, может быть рециркулирована в фосфатную реакционную смесь для избежания пассивации фосфатной руды слоем труднообрабатываемого сульфата кальция путем содействия солюбилизации фосфата кальция в виде дигидрофосфата кальция (1) перед реакцией дигидрофосфата с серной кислотой (2):
3
4
2
3
4
2
4
2
(1) Ca(PO)+4HPO → 3Ca(HPO)
2
4
2+
2
4
3
4
4
(2) Ca(HPO)3HSO → 6HPO+3CaSO
[0049]
Продуктом такой реакции является неочищенная фосфорная кислота, содержащая сульфат кальция, а также другие соединения, которые могут способствовать образованию накипи. На следующей стадии после указанной реакции неочищенную фосфорную кислоту фильтруют для удаления твердого сульфата кальция и получения первой фосфатной композиции.
[0050]
Как правило, такие первые фосфатные композиции концентрируют путем нагревания в испарителе при пониженном давлении, причем указанный испаритель содержит теплообменник и испарительную камеру. Однако при последующем концентрировании первой фосфатной композиции (или неочищенной фосфорной кислоты) в испарителе сульфат кальция вместе с любыми другими умеренно растворимыми веществами в неочищенной фосфорной кислоте и/или мелковзвешенными нерастворимыми твердыми веществами осаждается и/или накапливается в виде накипи на одной или более поверхностях испарителя, таких как поверхности теплообменника и/или внутренние поверхности испарительной камеры. Образованию накипи также могут способствовать и другие процессы, включающие испарение летучих веществ из первой фосфатной композиции. Например, при распылении первой фосфатной композиции из сопла испарение из аэрозоля одного или более летучих веществ, таких как вода, может вызвать скопление накипи на одной или более поверхностях сопла.
[0051]
Многие фосфатные руды, такие как фторапатит и франколит, наряду с ионами фосфата и кальция содержат фторид. Фторид реагирует с серной кислотой с образованием фтористого водорода, а в присутствии диоксида кремния и/или силикатов с образованием гексафторсиликата. Точный стехиометрический состав руд варьирует, но основное уравнение реакции между фторидом и серной кислотой в присутствии диоксида кремния и/или силикатов может быть записано:
6F-+SiO2+3H2SO4 → SiF62-+3SO42-+2H2O+2H +
Таким образом, когда руды наряду с фосфатом содержат фторид, испарительное концентрирование получаемого из них продукта в виде фосфорной кислоты приводит к образованию очень твердых отложений, содержащих труднообрабатываемые смеси сульфата кальция с гексафторсиликатами, фторалюминатами, фторидами и тому подобным. На практике многие такие отложения являются мультиминеральными, то есть они содержат множество нерастворимых или умеренно растворимых осажденных минеральных материалов, содержащих анионы, такие как сульфат, карбонат, фторид, силикаты, гексафторсиликат, пентафторалюминат, фосфат, оксид и карбонат; катионы, такие как кальций, калий, алюминий, магний, натрий и железо; и удлиненные полимерные материалы, такие как диоксид кремния.
[0052]
Заявители обнаружили композиции, уменьшающие образование накипи, которые при добавлении к фосфатным смесям неожиданно уменьшают твердость накипи, образующейся и накапливающейся на поверхностях, которые находятся в контакте с фосфатными смесями, в частности, отложений, осаждающихся на поверхностях во время концентрирования фосфатных смесей, содержащих фосфорную кислоту. Кроме того, такие композиции, уменьшающие образование накипи, замедляют накопление указанных отложений. Это позволяет расширить цикл производства кислоты при получении фосфорной кислоты, поскольку вследствие более медленного накапливания накипи очистка требуется реже, а также потому, что благодаря мягкости накипи очистку можно осуществить легче и быстрее. Ингибиторы образования накипи часто нацелены на сульфат кальция, который является доминирующей фазой в испарителе. Однако указанные отложения является мультиминеральными, и фаза сульфата кальция представляет собой лишь одну из нескольких фаз. Мишенью должны быть и другие основные вещества, образующие накипь, при этом образующиеся соединения необходимо диспергировать для предотвращения их агломерации в большие твердые куски.
[0053]
Композиции, уменьшающие образование накипи, и/или водные композиции, уменьшающие образование накипи, добавляют к первой фосфатной композиции с получением второй фосфатной композиции. Во время концентрирования первых фосфатных композиций, например, путем нагревания композиции при пониженном давлении или распыления первой фосфатной композиции через сопло, на поверхностях, находящихся в контакте с первой фосфатной композицией, осаждаются очень твердые отложения. Однако во время концентрирования вторых фосфатных композиций на поверхностях, находящихся в контакте со второй фосфатной композицией, осаждаются и накапливаются мягкие отложения. Большим преимуществом является то, что такие мягкие отложения гораздо легче соскрести, смыть с поверхностей, к которым они прилипают, и механически разрушить, например, путем смывания их струей воды или другой жидкости под давлением. Поскольку указанные твердые отложения легче поддаются удалению, время простоя установки сокращается, использование материалов и энергопотребление во время удаления снижаются, как и риск повреждения теплообменника в ходе его очистки. Кроме того, происходит замедление образования накипи, то есть накипь образуется медленнее, чем при отсутствии композиций, уменьшающих образование накипи. Например, образование накипи в испарителе установки для получения фосфорной кислоты замедляется, при этом время между необходимыми процедурами очистки испарителя увеличивается. Получают больше фосфорной кислоты на производственный цикл и, тем самым, производительность установки увеличивается.
[0054]
Композиции, уменьшающие образование накипи
[0055]
Согласно вариантам реализации предложена водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая, состоящая или состоящая по существу из воды; полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната; сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; и дополнительного компонента, выбранного из группы, состоящей из (i) полиметакриловой кислоты, (ii) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, (iii) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира, и (iv) любой комбинации (i) - (iii).
[0056]
Согласно вариантам реализации предложена композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая, состоящая или состоящая по существу из: полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната; и любого одного или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из (a) комбинации полиметакриловой кислоты и сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (b) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, (c) сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и (d) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира.
[0057]
Согласно вариантам реализации предложена композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая, состоящая или состоящая по существу из любых трех или более полимерных компонентов, выбранных из группы, состоящей из полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната; полиметакриловой кислоты, тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты; сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; и сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира. Согласно некоторым таким вариантам реализации любые три или более полимерных компонента содержат полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат.
[0058]
Согласно вариантам реализации предложена композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая, состоящая или состоящая по существу из четырех массовых частей полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната на одну массовую часть сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; и второго полимерного компонента, выбранного из группы, состоящей из (a) двух массовых частей полиметакриловой кислоты на три массовые части сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (b) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, (c) сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (d) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира, и (e) любой комбинации (a) - (d).
[0059]
Согласно вариантам реализации тетраполимер содержит от примерно 80% до примерно 85% по массе остатка акриловой кислоты, примерно 5% по массе остатка 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, от примерно 3% до примерно 5% по массе остатка (N-трет-бутил)акриламида и от примерно 3% до примерно 5% по массе остатка итаконовой кислоты.
[0060]
Согласно вариантам реализации сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты содержит, состоит или состоит по существу из 60% по массе остатка акриловой кислоты и 40% по массе остатка 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты.
[0061]
Согласно вариантам реализации сополимер акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира содержит примерно 50% по массе остатка акриловой кислоты и примерно 50% по массе гидроксиполиэтокси аллилового эфира. Согласно некоторым таким вариантам реализации гидроксиполиэтокси аллиловый эфир представляет собой гидроксиполиэтокси (10) аллиловый эфир.
[0062]
Согласно вариантам реализации предложена водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержащая, состоящая или состоящая по существу из любой из композиций, уменьшающих образование накипи, описанных в настоящем документе, и дополнительно содержащая воду. Согласно вариантам реализации водную композицию, уменьшающую образование накипи, можно получить путем объединения любых двух или более водных растворов, выбранных из группы, состоящей из (i) водного раствора (a) полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната; (ii) водного раствора (b) сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; (iii) водного раствора (c) полиметакриловой кислоты; (iv) водного раствора (d) тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты; (v) водного раствора (e) сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира; и (vi) водного раствора любой комбинации (a) - (e).
[0063]
Согласно вариантам реализации концентрация твердых веществ по массе в любой из водных композиций, уменьшающих образование накипи, составляет от примерно 5% до примерно 70%, от 5% до примерно 60%, согласно вариантам реализации от примерно 10% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 15% до примерно 45%, или от примерно 20% до примерно 40%, или от примерно 20% до примерно 35%, или от примерно 25% до примерно 30%. Согласно некоторым таким вариантам реализации растворитель содержит, состоит или состоит по существу из воды.
[0064]
Согласно вариантам реализации водной композиции, уменьшающей образование накипи, содержащей полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат, указанная водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 2% до примерно 30%, согласно вариантам от примерно 3% до примерно 20%, или от примерно 4% до примерно 15%, или от примерно 5% до примерно 15% по массе полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната.
[0065]
Согласно вариантам реализации водной композиции, уменьшающей образование накипи, содержащей сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, указанная водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 2% до примерно 30%, согласно вариантам реализации от примерно 3% до примерно 20%, или от примерно 4% до примерно 15%, или от примерно 5% до примерно 15% по массе сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты.
[0066]
Согласно вариантам реализации водной композиции, уменьшающей образование накипи, содержащей полиметакриловую кислоту, указанная водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 30%, согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 20%, или от примерно 1% до примерно 15%, или от примерно 2% до примерно 10% по массе полиметакриловой кислоты.
[0067]
Согласно вариантам реализации водной композиции, уменьшающей образование накипи, содержащей сополимер акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира, указанная водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит от примерно 1% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 30%, согласно вариантам реализации от примерно 2% до примерно 20%, или от примерно 2% до примерно 15%, или от примерно 2% до примерно 10% по массе сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира.
[0068]
Согласно вариантам водной композиции, уменьшающей образование накипи, содержащей тетраполимер акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты, указанная водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 1% до примерно 30%, согласно вариантам реализации от примерно 2% до примерно 20%, или от примерно 2% до примерно 15%, или от примерно 2% до примерно 10% по массе тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты.
[0069]
Согласно вариантам реализации водная композиция, уменьшающая образование накипи, содержит, состоит или состоит по существу из от примерно 5% до примерно 15% по массе полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната, от примерно 5% до примерно 15% по массе сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, от примерно 1% до примерно 10% полиметакриловой кислоты и от примерно 1% до примерно 20% сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси (10) аллилового эфира.
[0070]
Описанные в настоящем документе композиции, уменьшающие образование накипи, и способы их использования применимы для уменьшения образования отложений, при этом указанные отложения являются мультиминеральными. Описанные в настоящем документе композиции, уменьшающие образование накипи, полезны при добавлении к фосфатным композициям, таким как композиции, содержащие фосфорную кислоту и сульфат кальция и/или другие умеренно растворимые компоненты. Такие фосфатные композиции обычно образуют отложения, содержащие сульфат кальция и другие нерастворимые или умеренно растворимые компоненты. Согласно вариантам реализации композиции, уменьшающие образование накипи, замедляют осаждение накипи и/или образуют размягченные отложения, осаждающиеся из фосфатной композиции при их добавлении в фосфатную композицию. Такие размягченные отложения легче счищаются с поверхностей, к которым они прилипают, и легче смываются с указанных поверхностей.
[0071]
Описанные в настоящем документе композиции, уменьшающие образование накипи, также полезны при добавлении к скрубберам для очистки от фтористого водорода при производстве фосфорной кислоты. Образующиеся в них отложения обычно содержат диоксид кремния и другие умеренно растворимые или нерастворимые компоненты. Описанные в настоящем документе композиции, уменьшающие образование накипи, также решают проблему таких отложений, поскольку они применимы для уменьшения образования мультиминеральных отложений. Соответственно, описанные в настоящем документе композиции, уменьшающие образование накипи, можно применять для уменьшения образования мультиминеральных отложений, содержащих сульфат кальция, и/или мультиминеральных отложений, содержащих диоксид кремния.
[0072]
Первая и вторая фосфатные композиции
[0073]
+
3-
2-
-
2+
2-
-
4
4
2
4
4
4
Согласно вариантам реализации предложена вторая фосфатная композиция, содержащая любую композицию, выбранную из композиций, уменьшающих образование накипи, или водных композиций, уменьшающих образование накипи, описанных выше, и дополнительно содержащая первую фосфатную композицию, при этом указанная первая фосфатная композиция содержит, состоит или состоит по существу из фосфорной кислоты и сульфата кальция. Согласно вариантам реализации фосфорная кислота и сульфат кальция являются продуктом реакции, образованным из фосфатной руды, объединенной с серной кислотой. Согласно некоторым таким вариантам реализации фосфатную руд и серную кислоту смешивают с получением фосфатной реакционной смеси. Согласно некоторым таким вариантам реализации полученная фосфатная реакционная смесь взаимодействует частично или согласно другим таким вариантам реализации взаимодействует полностью. Согласно вариантам реализации первую фосфатную композицию изготавливают путем измельчения фосфатной руды с получением измельченной фосфатной руды, смешивания измельченной фосфатной руды с серной кислотой с получением фосфатной реакционной смеси, поддержания фосфатной реакционной смеси при температуре от 65 °С до 120 °С в течение определенного периода времени с получением неочищенной фосфорной кислоты и фильтрования неочищенной фосфорной кислоты с получением первой фосфатной композиции. Согласно вариантам реализации указанный период времени составляет от одного часа до одного дня, согласно вариантам реализации от двух минут до одного часа, согласно вариантам реализации от пяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от десяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до пяти часов, или от 30 минут до одного часа, или от 30 минут до пяти часов, или от одного дня до одной недели. Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает перемешивание второй фосфатной композиции. Согласно некоторым вариантам реализации предложенный способ представляет собой периодический процесс. Согласно другим вариантам реализации предложенный способ представляет собой непрерывный процесс, в котором часть первой фосфатной композиции возвращают в фосфатную реакционную смесь и/или неочищенную фосфорную кислоту. Согласно вариантам реализации вторая фосфатная композиция содержит фосфорную кислоту и сульфат кальция. Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция содержит: H; PO, HPO и/или HPO; Ca; и SO и/или HSO. Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция содержит воду.
[0074]
3
4
Согласно вариантам реализации концентрация фосфорной кислоты (в виде HPO) в первой фосфатной композиции, во второй фосфатной композиции или как в первой, так и второй фосфатных композициях составляет от примерно 5% до примерно 40%, согласно вариантам реализации от примерно 10% до примерно 40%, согласно вариантам реализации от примерно 20% до примерно 40% или согласно вариантам реализации от примерно 20% до примерно 35% по массе.
[0075]
Согласно вариантам реализации концентрация твердых веществ в водной композиции, уменьшающей образование накипи, составляет от 5% до примерно 70% по массе, согласно вариантам реализации от примерно 10% до примерно 60%, согласно вариантам реализации от примерно 10% до примерно 50%, согласно вариантам реализации от примерно 15% до примерно 40%, согласно вариантам реализации от примерно 20% до примерно 35% или согласно вариантам реализации от примерно 20% до примерно 30% по массе. Согласно некоторым таким вариантам реализации вторая фосфатная композиция содержит от примерно 5 массовых частей до примерно 2000 массовых частей водной композиции, уменьшающей образование накипи, на один миллион массовых частей первой фосфатной композиции, согласно вариантам реализации от примерно 10 массовых частей до примерно 1500 массовых частей, согласно вариантам реализации от 50 массовых частей до примерно 1000 массовых частей, согласно вариантам реализации от примерно 100 массовых частей до примерно 500 массовых частей или согласно вариантам реализации от примерно 200 массовых частей до примерно 300 массовых частей водной композиции, уменьшающей образование накипи, на один миллион массовых частей первой фосфатной композиции.
[0076]
Согласно вариантам реализации фосфатная руда содержит, состоит или состоит по существу из апатита. Согласно некоторым таким вариантам реализации апатит содержит, состоит или состоит по существу из фторапатита, гидроксилапатита, хлорапатита или любой их комбинации.
[0077]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция дополнительно содержит воду.
[0078]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция содержит первый умеренно растворимый компонент. Согласно вариантам реализации первый умеренно растворимый компонент растворен, суспендирован в виде нерастворимого компонента или как растворен, так и суспендирован в первой фосфатной композиции.
[0079]
Согласно вариантам реализации вторая фосфатная композиция содержит второй умеренно растворимый компонент. Согласно вариантам реализации второй умеренно растворимый растворен, суспендирован в виде нерастворимого компонента или как растворен, так и суспендирован во второй фосфатной композиции.
[0080]
2+
2-
3-
-
2-
-
2+
3+
+
+
-
-
2-
2-
2-
2+
3+
2-
4
4
3
3
2
6
5
3
Согласно вариантам реализации первый умеренно растворимый компонент, второй умеренно растворимый компонент или как первый, так и второй умеренно растворимые компоненты содержат, состоят или по существу состоят из сульфата кальция. Согласно вариантам реализации первый умеренно растворимый компонент, второй умеренно растворимый компонент или как первый, так и второй умеренно растворимые компоненты содержат, состоят или по существу состоят из Ca и SO и еще одного компонента, выбранного из группы, состоящей из PO, F, CO, HCO, SiO, аниона силиката, Mg, Al, K, Na, Cl, OH, O, SiF, AlF, Fe, Fe, SO или любой их комбинации.
[0081]
Согласно вариантам реализации сульфат кальция представляет собой или содержит продукт реакции между серной кислотой и ионами кальция, содержащимися в фосфатной руде. Согласно вариантам реализации сульфат кальция содержит, состоит или состоит по существу из ангидрита, бассанита, гипса или любой их комбинации.
[0082]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция содержит, состоит или состоит по существу из воды; фосфорной кислоты; сульфата кальция; и осаждающего вещества, выбранного из группы, состоящей из малладрита, геклайта, якобссонита, альфа-кварца и любой их комбинации.
[0083]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция, вторая фосфатная композиция или как первая, так и вторая фосфатные композиции насыщены умеренно растворимым компонентом.
[0084]
Согласно вариантам реализации нагревание первой фосфатной композиции, воздействие на первую фосфатную композицию пониженным давлением или нагревание и воздействие на первую фосфатную композицию пониженным давлением приводит к осаждению первой накипи на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте с первой фосфатной композицией, то есть первая фосфатная композиция способна осаждать первую накипь на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте с первой фосфатной композицией.
[0085]
Согласно вариантам реализации нагревание второй фосфатной композиции, воздействие на вторую фосфатную композицию пониженным давлением или нагревание и воздействие на вторую фосфатную композицию пониженным давлением приводит к осаждению второй накипи на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте со второй фосфатной композицией, то есть вторая фосфатная композиция способна осаждать вторую накипь на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте со второй фосфатной композицией.
[0086]
Как правило, первая фосфатная композиция приводит к осаждению на поверхность первой накипи во время нагревания или испарения в реакторе, испарителе, трубе или другой части установки для получения фосфорной кислоты или удобрений. В испарителе такая проблема является критической, когда испаритель содержит теплообменник и первая накипь накапливается на поверхности теплообменника, скапливающей накипь. Первая накипь является труднообрабатываемой и с трудом поддается очистке с поверхности, при этом очистка требует абразивную обработку первой накипи. Такая абразивная обработка и/или жесткая очистка могут привести к поломке испарителя.
[0087]
Заявители обнаружили, что вторые фосфатные композиции, описанные в настоящем документе, приводят к осаждению второй накипи на поверхность, скапливающую накипь, во время нагревания или испарения, например, в реакторе, испарителе, скруббере, трубе, при распылении из отверстия сопла или другой части установки для получения фосфорной кислоты или удобрений. Однако в отличие от первой накипи, осажденной посредством первых фосфатных композиций в эквивалентных условиях на эту же поверхность, скапливающую накипь, вторая накипь является мягкой и податливой. Вторая накипь гораздо легче счищается с поверхности, скапливающей накипь, такой как поверхность теплообменника, скапливающая накипь. Согласно вариантам реализации вторую накипь можно удалить путем очистки без абразивной обработки и/или ее можно удалить путем промывания, разрушающего вторую накипь. Это очень выгодно, поскольку требует меньшего времени простоя для очистки установки или секции установки, в которой накипь накапливается на поверхности, скапливающей накипь. Кроме того, вторая накипь накапливается медленнее на поверхностях, находящихся в контакте со вторыми фосфатными композициями, чем первая накипь. Время между необходимыми процедурами очистки поверхностей, скапливающих накипь, увеличивается, и, следовательно, возрастает производительность установки.
[0088]
Способы получения второй фосфатной композиции
[0089]
Согласно вариантам реализации предложен способ получения второй фосфатной композиции, включающий: добавление к первой фосфатной композиции любой композиции, выбранной из композиций, уменьшающих образование накипи, или водных композиций, уменьшающих образование накипи, описанных в настоящем документе, с получением второй фосфатной композиции, при этом первая фосфатная композиция содержит фосфорную кислоту и сульфат кальция. Согласно вариантам реализации фосфорная кислота и сульфат кальция являются продуктами реакции фосфат-ионов и серной кислоты.
[0090]
Согласно вариантам реализации предложенный способ получения второй фосфатной композиции дополнительно включает: объединение фосфатной руды и серной кислоты с получением фосфатной реакционной смеси; поддержание фосфатной реакционной смеси при температуре от 65 °C до 120 °C в течение определенного периода времени с получением неочищенной фосфорной кислоты; и фильтрование неочищенной фосфорной кислоты с получением первой фосфатной композиции. Согласно вариантам реализации определенный период времени составляет от одного часа до одного дня, согласно вариантам реализации от двух минут до одного часа, согласно вариантам реализации от пяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от десяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до пяти часов, или от 30 минут до одного часа, или от 30 минут до пяти часов, или от одного дня до одной недели. Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает перемешивание второй фосфатной композиции. Согласно некоторым вариантам реализации предложенный способ представляет собой периодический процесс. Согласно другим вариантам реализации предложенный способ представляет собой непрерывный процесс, в котором часть первой фосфатной композиции возвращают в фосфатную реакционную смесь и/или неочищенную фосфорную кислоту.
[0091]
Согласно альтернативным вариантам реализации предложен способ получения второй фосфатной композиции, включающий: объединение фосфатной руды и серной кислоты с получением фосфатной реакционной смеси; поддержание фосфатной реакционной смеси при температуре от 65 °C до 120 °C в течение определенного периода времени с получением неочищенной фосфорной кислоты; фильтрование неочищенной фосфорной кислоты с получением первой фосфатной композиции; и добавление к фосфатной реакционной смеси и/или неочищенной фосфорной кислоте любой композиции, выбранной из композиций, уменьшающих образование накипи, или водных композиций, уменьшающих образование накипи, описанных в настоящем документе. Согласно вариантам реализации определенный период времени составляет от одного часа до одного дня, согласно вариантам реализации от двух минут до одного часа, согласно вариантам реализации от пяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от десяти минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до одного часа, согласно вариантам реализации от 15 минут до пяти часов, или от 30 минут до одного часа, или от 30 минут до пяти часов, или от одного дня до одной недели. Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает перемешивание второй фосфатной композиции.
[0092]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция способна осаждать первую накипь на поверхность, скапливающую накипь. В этом контексте «способный осаждать первую накипь» на поверхность, скапливающую накипь, означает, что когда первая фосфатная композиция находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь, вещества с низкой растворимостью и/или нерастворимые вещества в первой фосфатной композиции прилипают и накапливаются на поверхности, скапливающей накипь, в виде первой накипи.
[0093]
6
2
5
2
2
6
6
4
4
2
4
2
2
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция способна осаждать первую накипь на поверхность, скапливающую накипь. В этом контексте «способный осаждать первую накипь» означает, что во время любого процесса, в котором вода и/или другие летучие вещества испаряются из первой фосфатной композиции и при этом первая фосфатная композиция находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь, вещества с низкой растворимостью и/или нерастворимые вещества в первой фосфатной композиции прилипают и накапливаются на поверхности, скапливающей накипь, в виде первой накипи. Первые отложения являются твердыми, прочными и проявляют склонность накапливаться и крепко прилипать к поверхностям, на которых они скапливаются. Например, первую накипь трудно соскрести универсальным ножом. Такие поверхности включают поверхности труб, отверстий и трубок и включают металлические и графитовые поверхности. Первые отложения являются мультиминеральными и могут содержать одно или более соединений из MgSiF.6HO, MgAlF.1.5HO, NaSiF (малладрит), KNaSiF (геклайт), CaSO (ангидрит), CaSO.2HO (гипс), CaSO.0.5HO (бассанит) SiO (альфа-кварц) и их смеси. Как правило, первая накипь содержит одну или более форм сульфата кальция. Состав первой накипи зависит по меньшей мере от состава фосфатной руды, выщелоченной для получения первой фосфатной композиции.
[0094]
6
2
5
2
2
6
6
2
3
14
4
2
Согласно вариантам реализации вторая фосфатная композиция способна осаждать вторую накипь на поверхность, скапливающую накипь. В этом контексте способный осаждать накипь на поверхность, скапливающую накипь, означает, что при приведении второй фосфатной композиции в контакт с поверхностью, скапливающей накипь, вещества с низкой растворимостью и/или нерастворимые вещества во второй фосфатной композиции прилипают и накапливаются на поверхности, скапливающей накипь, в виде второй накипи. Авторы изобретения обнаружили, что вторые отложения являются мягкими, непрочными и слабо прилипают к поверхностям, на которых они скапливаются. Например, вторая накипь легко соскребается универсальным ножом или даже является мягкой и деформируемой на ощупь. Вторые отложения также являются мультиминеральными и, как правило, будут содержать одну или более форм сульфата кальция. При сравнении с первыми отложениями, полученными из таких же руд в одной и той же установке (но без применения композиций согласно настоящему изобретению, уменьшающих образование накипи), авторы изобретения обнаружили, что вторые отложения имеют химический состав, отличный от первых отложений. По сравнению с первыми отложениями согласно вариантам реализации вторые отложения имеют более низкую концентрацию MgSiF.6HO, более низкую концентрацию MgAlF.1.5HO, более низкую концентрацию NaSiF (малладрита), более низкую концентрацию KNaSiF (геклайта), более высокую концентрацию SiO(альфа-кварца), более высокую концентрацию AlKH(PO)5.4HO или любую их комбинацию.
[0095]
Согласно вариантам реализации вторая фосфатная композиция способна осаждать вторую накипь на поверхность, скапливающую накипь. В этом контексте «способный осаждать вторую накипь» означает, что во время любого процесса, в котором вода и/или другие летучие вещества испаряются из второй фосфатной композиции и при этом вторая фосфатная композиция находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь, вещества с низкой растворимостью и/или нерастворимые вещества во второй фосфатной композиции прилипают и накапливаются на поверхности, скапливающей накипь, в виде второй накипи.
[0096]
Примеры процессов, при которых вода и/или другие летучие вещества испаряются из фосфатной композиции, такой как первая фосфатная композиция и вторая фосфатная композиция, обычно включают процесс, при котором из фосфатной композиции испаряется вода. Согласно вариантам реализации такой процесс выбирают из группы, состоящей из испарения из открытой защитной оболочки, распыления фосфатной композиции через прорезь или отверстие, ограниченное поверхностью, приложения к фосфатной композиции тепла, приложения к фосфатной композиции пониженного давления или любой их комбинации.
[0097]
Согласно вариантам реализации первая фосфатная композиция дополнительно содержит воду.
[0098]
Согласно вариантам реализации умеренно растворимый компонент присутствует в виде одного или более растворенных веществ в первой фосфатной композиции, второй фосфатной композиции или как в первой, так и второй фосфатных композициях.
[0099]
Согласно некоторым вариантам реализации умеренно растворимый компонент присутствует в виде одного или более нерастворенных твердых веществ в первой фосфатной композиции, второй фосфатной композиции или как в первой, так и второй фосфатных композициях.
[00100]
Согласно вариантам реализации умеренно растворимый компонент присутствует как в виде одного или более растворенных веществ, так и в виде одного или более нерастворенных твердых веществ в первой фосфатной композиции, второй фосфатной композиции или как в первой, так и второй фосфатных композициях.
[00101]
Согласно вариантам реализации умеренно растворимый компонент содержит, состоит или состоит по существу из сульфата кальция. Согласно вариантам реализации сульфат кальция представляет собой продукт реакции между серной кислотой и ионами кальция, содержащимися в фосфатной руде.
[00102]
Нагревание первой фосфатной композиции, воздействие на первую фосфатную композицию пониженным давлением или нагревание и воздействие на первую фосфатную композицию пониженным давлением приводит к осаждению первой накипи на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте с первой фосфатной композицией. Первая фосфатная композиция способна осаждать первую накипь на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте с первой фосфатной композицией.
[00103]
При прокачке через трубу нерастворимое вещество в первой фосфатной композиции осаждается внутри и/или накапливается в виде первой накипи на внутренней поверхности трубы. Труба имеет по меньшей мере одну внутреннюю поверхность и по меньшей мере одну наружную поверхность, при этом по меньшей мере часть внутренней поверхности представляет собой поверхность, скапливающую накипь, описанную в настоящем документе.
[00104]
Трубу можно очистить от первой накипи путем прочистки стержнем и/или посредством водоструйной очистки водой и/или путем кипячения. Водоструйную очистку водой осуществляют при давлении от примерно 6000 psi (примерно 41369 кПа) до примерно 30000 psi (примерно 206843 кПа), или от примерно 6000 psi (примерно 41369 кПа) до примерно 20000 psi (примерно 137895 кПа), или от примерно 6000 psi (примерно 41369 кПа) до примерно 15000 psi (примерно 103421 кПа), или от примерно 6000 psi (примерно 41369 кПа) до примерно 10000 psi (примерно 68948 кПа), или от примерно 10000 psi (примерно 68948 кПа) до примерно 20000 psi (примерно 137895 кПа); при этом такая водоструйная очистка позволяет удалить от 100% до примерно 80%, или от примерно 95% до примерно 85%, или от 100% до примерно 90% накипи, накопившейся на внутренней поверхности трубы.
[00105]
Нагревание второй фосфатной композиции, воздействие на вторую фосфатную композицию пониженным давлением или нагревание и воздействие на вторую фосфатную композицию пониженным давлением приводит к осаждению второй накипи на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте со второй фосфатной композицией. Вторая фосфатная композиция способна осаждать вторую накипь на поверхность, скапливающую накипь, находящуюся в контакте со второй фосфатной композицией.
[00106]
Согласно вариантам реализации при прокачке через трубу нерастворимое вещество во второй фосфатной композиции осаждается внутри и/или накапливается в виде второй накипи на внутренней поверхности трубы. Труба имеет по меньшей мере одну внутреннюю поверхность и по меньшей мере одну наружную поверхность, при этом по меньшей мере часть внутренней поверхности представляет собой поверхность, скапливающую накипь, описанную в настоящем документе.
[00107]
Согласно вариантам реализации трубу можно очистить от второй накипи путем прочистки стержнем и/или посредством водоструйной очистки водой. Согласно вариантам реализации водоструйную очистку водой осуществляют при давлении от примерно 3000 psi (примерно 20684 кПа) до примерно 5750 psi (примерно 39645 кПа), согласно вариантам реализации от примерно 4000 psi (примерно 27579 кПа) до примерно 5500 psi (примерно 37921 кПа), или согласно вариантам реализации от примерно 4000 psi (примерно 27579 кПа) до примерно 5000 psi (примерно 34474 кПа), или согласно вариантам реализации примерно 5000 psi (примерно 34474 кПа); при этом такая водоструйная очистка позволяет удалить от примерно 80% до 100%, согласно вариантам реализации от примерно 85% до примерно 95% или согласно вариантам реализации от примерно 90% до 100% по массе накипи, накопившейся на внутренней поверхности трубы.
[00108]
Согласно вариантам реализации фосфатная руда содержит, состоит или состоит по существу из апатита. Согласно вариантам реализации апатит содержит, состоит или состоит по существу из фторапатита, гидроксилапатита, хлорапатита или любой их комбинации.
[00109]
Согласно вариантам реализации добавление композиции, уменьшающей образование накипи, к первой фосфатной композиции осуществляют партиями или в поток первой фосфатной композиции. Согласно вариантам реализации композицию, уменьшающую образование накипи, добавляют во входящий поток, в выходящий поток или как во входящий поток, так и в выходящий поток испарительной камеры испарителя установки по производству фосфорной кислоты.
[00110]
Согласно вариантам реализации водную композицию, уменьшающую образование накипи, добавляют к первой фосфатной композиции в соотношении от примерно 10 массовых частей до примерно 1000 массовых частей водной композиции, уменьшающей образование накипи, на миллион массовых частей первой фосфатной композиции, согласно вариантам реализации от примерно 50 массовых частей до примерно 750 массовых частей водной композиции, уменьшающей образование накипи, на миллион массовых частей первой фосфатной композиции, согласно вариантам реализации от 50 массовых частей до примерно 500 массовых частей, или от примерно 100 массовых частей до примерно 400 массовых частей, или от примерно 200 массовых частей до примерно 300 массовых частей водной композиции, уменьшающей образование накипи, на миллион массовых частей первой фосфатной композиции.
[00111]
Способы концентрирования вторых фосфатных композиций
[00112]
Согласно вариантам реализации предложен способ концентрирования второй фосфатной композиции, включающий любой из описанных в настоящем документе способов получения второй фосфатной композиции и дополнительно включающий: размещение второй фосфатной композиции в испарителе, содержащем защитную оболочку для текучей среды, при этом указанная защитная оболочка для текучей среды содержит поверхность, скапливающую накипь; и нагревание второй фосфатной композиции, при этом указанная вторая фосфатная композиция находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь. Согласно вариантам реализации вторую фосфатную композицию нагревают до температуры от примерно 50 °C до примерно 110 °C, согласно вариантам реализации от 60 °C до примерно 100 °C, или от примерно 65 °C до примерно 95 °C, или от примерно 70 °C до примерно 95 °C, или от примерно 85° до примерно 95 °C, или примерно 90 °C. Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает приложение к защитной оболочке для текучей среды пониженного давления. Согласно некоторым таким вариантам реализации пониженное давление составляет от примерно 0,01 атм до примерно 0,9 атм, согласно вариантам реализации от примерно 0,03 атм до примерно 0,5 атм или согласно вариантам реализации от примерно 0,045 атм до примерно 0,35 атм.
[00113]
3
4
Согласно вариантам реализации во время нагревания или нагревания и приложения пониженного давления из фосфатной композиции испаряется вода (будь то вторая фосфатная композиция или первая фосфатная композиция, т.е. независимо от того, содержит ли фосфатная композиция композицию, уменьшающую образование накипи, или нет, соответственно), в результате чего концентрация фосфорной кислоты (HPO) в фосфатной композиции увеличивается.
[00114]
В некоторых установках для получения фосфорной кислоты концентрацию повышают поэтапно в серии испарителей. Например, концентрацию фосфорной кислоты увеличивают от примерно 25% до примерно 40% в первом испарителе, а затем от примерно 40% до примерно 54% во втором испарителе. Однако увеличение концентрации можно обеспечить и в одном испарителе или в более чем в двух испарителях, причем концентрация фосфорной кислоты может быть увеличена до 97%, при этом такую фосфорную кислоту называют «суперфосфорной кислотой».
[00115]
Согласно вариантам реализации концентрацию фосфорной кислоты во второй фосфатной композиции увеличивают от примерно 20% до примерно 98%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 97%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 70%, от 25% до примерно 60%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 55%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 52%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 45%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 40%, согласно вариантам реализации от примерно 25% до примерно 35%, согласно вариантам реализации от примерно 40% до примерно 60%, согласно вариантам реализации от примерно 40% до примерно 55%, согласно вариантам реализации от примерно 35% до примерно 55%, согласно вариантам реализации от примерно 45% до примерно 60% или согласно вариантам от примерно 45% до примерно 55%.
[00116]
Согласно некоторым вариантам реализации испаритель представляет собой испаритель установки для получения фосфорной кислоты. Согласно некоторым вариантам реализации защитная оболочка для текучей среды содержит один или более элементов, выбранных из теплообменника, испарительной камеры, выпускной трубы и впускной трубы. Защитная оболочка для текучей среды содержит поверхность, скапливающую накипь.
[00117]
Согласно вариантам реализации теплообменник имеет одну или более стенок, ограничивающих путь потока текучей среды через теплообменник. Согласно вариантам реализации путь потока текучей среды адаптирован для возможности содержания и обеспечения потока жидкой фосфатной композиции через путь потока текучей среды и, тем самым, через испаритель. Согласно вариантам реализации одна или более стенок находятся в термическом контакте с источником тепла. Согласно вариантам реализации источником тепла является пар.
[00118]
Согласно вариантам реализации испарительная камера содержит по меньшей мере одну внутреннюю поверхность.
[00119]
Согласно вариантам реализации испарительная камера сообщается по текучей среде с выпускной трубой, впускной трубой и теплообменником. Согласно вариантам реализации испарительная камера, выпускная труба, теплообменник и впускная труба вместе образуют путь циркуляции. Согласно вариантам реализации одно или более устройство для циркуляции фосфатной композиции, такой как первая или вторая фосфатная композиция, расположено в пределах пути циркуляции. Согласно вариантам реализации устройство для циркуляции фосфорной кислоты содержит или состоит из насоса.
[00120]
Согласно вариантам реализации предложенный способ после размещения дополнительно включает циркуляцию второй фосфатной композиции вокруг пути циркуляции. Согласно вариантам реализации циркуляцию осуществляют путем прокачки второй фосфатной композиции вокруг пути циркуляции от внутренней части испарительной камеры к выпускной трубе, через выпускную трубу к теплообменнику, через путь потока текучей среды теплообменника и в контакте с одной или более стенками к впускной трубе и через впускную трубу обратно в испарительную камеру. Согласно вариантам реализации такую циркуляцию осуществляют путем нагревания второй фосфатной композиции в испарительной камере, при этом указанная вторая фосфатная композиция протекает вокруг пути циркуляции за счет конвекции.
[00121]
Согласно вариантам реализации после размещения второй фосфатной композиции в испарителе предложенный способ включает нагревание второй фосфатной композиции в защитной оболочке для испарения одного или более летучих веществ из второй фосфатной композиции и, тем самым, для концентрирования второй фосфатной композиции. Согласно вариантам реализации нагревание осуществляют путем приведения теплообменника в контакт со второй фосфатной композицией. Согласно некоторым таким вариантам реализации приведение в контакт осуществляют путем циркуляции второй фосфатной композиции вокруг пути циркуляции, при этом указанная вторая фосфатная композиция находится в контакте с одной или более стенками теплообменника, при этом одна или более стенок находятся в термическом контакте с источником тепла. Согласно некоторым таким вариантам реализации температура второй фосфатной композиции на пути циркуляции составляет от примерно 50 °C до примерно 110 °C, согласно некоторым вариантам реализации от 60 °C до примерно 100 °C, или от примерно 65 °C до примерно 95 °C, или от примерно 70 °C до примерно 95 °C, или от примерно 85 °C до примерно 95 °C или примерно 90 °C. Согласно некоторым вариантам реализации нагревание включает или состоит из нагревания второй фосфатной композиции при пониженном давлении. Согласно некоторым таким вариантам реализации пониженное давление составляет от примерно 0,01 атм до примерно 0,9 атм, согласно вариантам реализации от примерно 0,03 атм до примерно 0,5 атм или согласно вариантам реализации от примерно 0,045 атм до примерно 0,35 атм.
[00122]
Согласно вариантам реализации во время нагревания вторая накипь образуется на поверхности, скапливающей накипь, выбранной из: (a) по меньшей мере одной внутренней поверхности; (b) одной или более стенок; (c) внутренней поверхности выпускной трубы, (d) внутренней поверхности впускной трубы или (e) любой комбинации (a) - (d). Вторая накипь может образовываться на любой части испарителя, находящегося в контакте со второй фосфатной композицией. Согласно некоторым таким вариантам реализации вторая накипь содержит гидрофосфат калия-алюминия. Согласно вариантам реализации вторая накипь по существу не содержит пентафторалюминат магния.
[00123]
Согласно некоторым таким вариантам реализации после приведения теплообменника в контакт со второй фосфатной композицией предложенный способ дополнительно включает: слив второй фосфатной композиции из защитной оболочки и удаление накипи с поверхности, скапливающей накипь. Согласно вариантам реализации удаление накипи включает или состоит из смывания накипи с поверхности, скапливающей накипь. Согласно некоторым таким вариантам реализации такое смыванием осуществляют с помощью воды. Согласно некоторым таким вариантам реализации смывание состоит из опрыскивания накипи с помощью шланга, при этом накипь разрушается под давлением шланга и смывается с поверхности, скапливающей накипь, без какой-либо дополнительной механической абразивной обработки накипи.
[00124]
Заявители обнаружили, что неожиданно и выгодно вторые отложения оказались намного мягче, чем первые отложения. То есть накипь, которая скапливается во время нагревания при пониженном давлении любой из вторых фосфатных композиций, является мягкой, что резко отличает ее от очень твердой и труднообрабатываемой накипи, которая образуется при тех же условиях температуры и давления при воздействии такой же композиции в отсутствие композиций согласно настоящему изобретению, уменьшающих образование накипи. Кроме того, заявители обнаружили, что неожиданно и выгодно вторая накипь является намного более мягкой, когда композиции, уменьшающие образование накипи, содержат по меньшей мере три компонента из I-V, где I состоит или состоит по существу из полиамино полиэфир метилен тетрафосфоната; II состоит или состоит по существу из комбинации полиметакриловой кислоты и сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; III состоит или состоит по существу из тетраполимера акриловой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, (N-трет-бутил)акриламида и итаконовой кислоты; IV состоит или состоит по существу из сополимера акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты; и V состоит или состоит по существу из сополимера акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси аллилового эфира. Один из критериев, по которому оценивают мягкость накипи, состоит в том, насколько легко соскрести указанную накипь острым инструментом, таким как канцелярский нож. Другим критерием является легкость, с которой накипь удаляют с поверхности, к которой она прилипает, например, путем очистки скребком или щеткой или смывания струей жидкости под давлением. Заявители обнаружили, что химический состав накипи зависит, помимо прочего, от состава композиции, уменьшающей образование накипи.
[00125]
Заявители обнаружили, что композиции согласно настоящему изобретению, уменьшающие образование накипи, влияют на химический состав отложений, которые образуются во время испарения одного или более летучих веществ из фосфатных композиций. Например, согласно вариантам реализации отложения, которые образуются во время испарения одного или более летучих веществ из вторых фосфатных композиций, не содержат или по существу не содержат пентафторалюминат магния. Согласно вариантам реализации вторые фосфатные композиции согласно настоящему изобретению при воздействии на них нагревания и/или пониженного давления или при распылении их из сопла образуют отложения, содержащие гидрофосфат калия-алюминия.
[00126]
Согласно вариантам реализации поверхность, скапливающая накипь, согласно любому из вариантов реализации, описанных в настоящем документе, выбирают из группы, состоящей из металлической поверхности, поверхности графита, поверхности натурального каучука, поверхности синтетического каучука, поверхности карбида вольфрама и поверхности карбида кремния.
[00127]
Согласно вариантам реализации металлическую поверхность выбирают из группы, состоящей из поверхности хромоникелемолибденового сплава, поверхности нержавеющей стали, поверхности железоникелехромового сплава, поверхности хромоникелемолибденовой нержавеющей стали, поверхности алюминия, поверхности медного сплава и поверхности аустенитного хромоникелевого сплава.
[00128]
Согласно вариантам реализации поверхность, скапливающая накипь, представляет собой поверхность предмета, содержащего, состоящего или состоящего по существу из сплава, содержащего кобальт, хром, молибден, железо, кремний, марганец, углерод, никель или любую их комбинацию.
[00129]
В этом контексте поверхность графита и тому подобное означает поверхность предмета, содержащего, состоящего или состоящего по существу из графита.
[00130]
Согласно вариантам реализации вторую поверхность, скапливающую накипь, можно очистить от второй накипи путем прочистки стержнем и/или посредством водоструйной очистки водой и/или путем кипячения. Согласно вариантам реализации водоструйную очистку водой выполняют при давлении от примерно 3000 psi (примерно 20684 кПа) до примерно 5750 psi (примерно 39645 кПа), согласно вариантам реализации от примерно 4000 psi (примерно 27579 кПа) до примерно 5500 psi (примерно 37921 кПа), или согласно вариантам реализации от примерно 4000 psi (примерно 27579 кПа) до примерно 5000 psi (примерно 34474 кПа), или согласно вариантам реализации примерно 5000 psi (примерно 34474 кПа); при этом такая водоструйная очистка позволяет удалить от 100% до примерно 80%, согласно вариантам реализации от примерно 95% до примерно 85% или согласно вариантам реализации от 100% до примерно 90% накипи, накопившейся на внутренней поверхности трубы. Согласно вариантам реализации вторую накипь удаляют с поверхностей, скапливающих накипь, путем водоструйной очистки указанных поверхностей при давлениях, ниже давлений, которые требуются для удаления первой накипи с поверхности, скапливающей накипь. Более низкие давления отражают тот факт, что вторая накипь легче удаляется с поверхности, чем первая накипь, что, таким образом, уменьшает время простоя и увеличивает время производства. Кроме того, применение для очистки более низких давлений может уменьшить износ оборудования, очищенного таким образом, и даже уменьшить поломку хрупких деталей, таких как трубки из пропитанного графита, которые может содержать теплообменник.
[00131]
Способы распыления второй фосфатной композиции
[00132]
Согласно вариантам реализации предложен способ распыления второй фосфатной композиции, включающий любой из описанных в настоящем документе способов получения второй фосфатной композиции или любой из описанных в настоящем документе способов концентрирования второй фосфатной композиции, и дополнительно включающий: приведение поверхности сопла, скапливающей накипь, в контакт со второй фосфатной композицией, при этом указанное сопло содержит поверхность, скапливающую накипь, при этом поверхность, скапливающая накипь, ограничивает отверстие. Согласно вариантам реализации вторая накипь осаждается на поверхность, скапливающую накипь. Согласно вариантам реализации предложенный способ дополнительно включает распыление второй фосфатной композиции из сопла и/или через отверстие в камеру. Согласно вариантам реализации указанная камера содержит жидкий аммиак. Согласно вариантам реализации вторая накипь не содержит или по существу не содержит пентафторалюминат магния. Согласно вариантам реализации вторая накипь содержит гидрофосфат калия-алюминия.
[00133]
Испарительные агрегаты
[00134]
Согласно вариантам реализации предложен испарительный агрегат, содержащий испаритель, при этом указанный испаритель содержит испарительную камеру и один или более элементов, выбранных из выпускной трубы, впускной трубы и теплообменника. Испарительная камера и один или более элементов, выбранных из выпускной трубы, впускной трубы и теплообменника, сообщаются друг с другом по текучей среде и вместе образуют защитную оболочку для текучей среды. Другими словами, любой из одного или более элементов, выбранных из выпускной трубы, впускной трубы и теплообменника, при наличии, сообщаются по текучей среде с испарительной камерой и друг с другом. Испарительный агрегат дополнительно содержит любую вторую фосфатную композицию, описанную в настоящем документе, при этом указанная вторая фосфатная композиция размещается в защитной оболочке для текучей среды и находится в контакте с поверхностью, скапливающей накипь. «В защитной оболочке для текучей среды» означает внутри испарительной камеры, внутри теплообменника (при наличии), внутри выпускной трубы (при наличии), внутри впускной трубы (при наличии) или внутри любой их комбинации. Согласно вариантам реализации защитная оболочка для текучей среды содержит поверхность, скапливающую накипь.
[00135]
Теплообменник может представлять собой кожухотрубный теплообменник, теплообменник с графитовым блоком или теплообменник с открытым нагревательным элементом.
[00136]
Согласно вариантам реализации испарительный агрегат дополнительно содержит вторую накипь, прилипающую к поверхности, скапливающей накипь. Согласно вариантам реализации вторая накипь не содержит или по существу не содержит пентафторалюминат магния. Согласно вариантам реализации вторая накипь содержит гидрофосфат калия-алюминия.
[00137]
Приведенное выше описание можно лучше понять, обратившись к следующим примерам, которые приведены в целях иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения. В частности, в представленных примерах продемонстрированы репрезентативные примеры принципов, присущих изобретению, при этом указанные принципы строго не ограничены конкретным условием, приведенным в таких примерах. Таким образом, следует понимать, что настоящее изобретение включает различные изменения и модификации примеров, описанных в настоящем документе, при этом такие изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема изобретения и без ущерба для его предполагаемых преимуществ. Следовательно, подразумевается, что указанные изменения и модификации охвачены прилагаемой формулой изобретения.
[00138]
Способы удаления осажденных вторых отложений и/или вторых отложений, образовавших накипь
[00139]
Согласно вариантам реализации любую из описанных в настоящем документе поверхностей, скапливающих накипь, очищают от второй накипи путем прочистки стержнем, водоструйной очистки и/или кипячения или с применением любой их комбинации. Согласно вариантам реализации водоструйную очистку осуществляют при давлении от примерно 3000 psi (примерно 20684 кПа) до примерно 5750 psi (примерно 39645 кПа), согласно вариантам реализации от примерно 4000 psi (примерно 27579 кПа) до примерно 5500 psi (примерно 37921 кПа) или согласно вариантам реализации примерно 5000 psi (примерно 34474 кПа). Согласно некоторым таким вариантам реализации прочистка стержнем и/или водоструйная очистка позволяют удалить от примерно 80% до 100%, согласно вариантам реализации от примерно 85% до примерно 95% или согласно вариантам реализации от 90% до 100% по массе накипи на поверхности, скапливающей накипь. Согласно некоторым таким вариантам реализации водоструйная очистка позволяет удалить от примерно 80% до 100%, согласно вариантам реализации от примерно 85% до примерно 95% или согласно вариантам реализации от 90% до 100% по массе накипи на поверхности, скапливающей накипь.
[00140]
Согласно вариантам реализации водоструйную очистку осуществляют на одной или более трубках кожухотрубного теплообменника, одной или более трубах, одном или более соплах, одном или более сверленых отверстиях теплообменника с графитовым блоком, одной или более трубах теплообменника с открытым нагревательным элементом или любой их комбинации.
[00141]
Относительно низкие давления, необходимые при водоструйной очистке для удаления второй накипи, отражают тот факт, что описанные в настоящем документе вторые отложения прилипают к любой из поверхностей, скапливающих накипь, менее крепко, чем первые отложения, описанные в настоящем документе, вторые отложения мягче первых отложений, вторые отложения менее прочные, чем первые отложения, и/или имеет место любая их комбинация.
[00142]
Согласно вариантам реализации текучая среда, применяемая для водоструйной очистки, содержит, состоит или состоит по существу из воды, пара, серной кислоты, соляной кислоты, фосфорной кислоты или любой их комбинации. Согласно вариантам реализации текучая среда, применяемая для водоструйной очистки, содержит, состоит или состоит по существу из рециркуляционной или оборотной воды. Согласно вариантам реализации текучая среда содержит, состоит или состоит по существу из водопроводной воды, прудовой воды или их комбинации.
[00143]
Применение композиций, уменьшающих образование накипи
[00144]
Согласно вариантам реализации любую из описанных в настоящем документе композиций, уменьшающих образование накипи, используют для снижения скорости осаждения накипи на любую из описанных в настоящем документе поверхностей, скапливающих накипь:
[00145]
(i) для снижения скорости осаждения накипи на поверхность, скапливающую накипь; (ii) для сокращения времени удаления накипи с поверхности, скапливающей накипь, путем (a) водоструйной очистки, (b) прочистки стержнем, (в) кипячения; или любой их комбинации. Согласно некоторым таким вариантам реализации водоструйную очистку осуществляют при давлении от примерно 20684 кПа до примерно 39645 кПа, при этом с поверхности, скапливающей накипь, удаляется от примерно 80% до 100% накипи.
ПРИМЕРЫ
[00146]
Пример 1
[00147]
Предварительное испытание A
[00148]
После проведения цикла из теплообменника испарителя установки для получения фосфорной кислоты удаляли накипь. Накипь промывали и высушивали. Накипь была твердой и ее было трудно удалить из теплообменника.
[00149]
Предварительное испытание B
[00150]
После проведения цикла из теплообменника того же испарителя, что и в предварительном испытании А, удаляли накипь. Накипь промывали и высушивали, полученная накипь показана на фиг. 1. Накипь была твердой и ее было трудно удалить из теплообменника. При царапании накипи канцелярским ножом образовались неглубокие царапины, как показано на фиг. 1.
[00151]
Образцы накипи, полученные при предварительном испытании A и предварительном испытании B, анализировали с помощью рентгеновской флуоресценции для определения оксидного состава и с помощью дифракции рентгеновских лучей для определения минерального состава/состава. Результаты приведены в таблице 3 и таблице 4, соответственно.
[00152]
Пример 2
[00153]
Испаритель той же установки для получения фосфорной кислоты, что и в примере 1, останавливали и очищали. Испаритель запускали повторно, и композицию, приведенную в таблице 1, добавляли к фосфорной кислоте в испарителе в количестве 150 массовых частей композиции на миллион массовых частей неочищенной фосфорной кислоты, поступающей в испаритель. После 30-дневного цикла испаритель останавливали для очистки, удаляли из теплообменника накипь и анализировали накипь с помощью рентгеновской флуоресценции для определения элементного/оксидного состава и с помощью рентгеновской дифракции для определения минерального состава/состава. Результаты приведены в таблице 3 и таблице 4, соответственно. Полученная накипь показана на фиг. 2. Полученная накипь была не такой твердой, как в примере 1, но все же ее было трудно удалить без значительных усилий.
[00154]
Таблица 1: Состав ингибитора образования накипи, добавленного к фосфорной кислоте в примере 2
<b>Компонент</b>
<b>Массовые части</b>
Полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат
20
Сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (60-40% по массе)
5
Вода
75
[00155]
Пример 3
[00156]
Испаритель той же установки для получения фосфорной кислоты, что и в примерах 1 и 2, останавливали и очищали. Испаритель запускали повторно, и композицию, приведенную в таблице 2, добавляли к фосфорной кислоте в испарителе в количестве 235 массовых частей композиции на миллион массовых частей неочищенной фосфорной кислоты, поступающей в испаритель.
[00157]
Таблица 2: Композиция, добавленная к фосфорной кислоте в примере 3
<b>Компонент</b>
<b>Массовые части</b>
Полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат
12,8
Сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (60-40% по массе)
7,0
Полиметакриловая кислота
2,6
Сополимер акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси (10) аллилового эфира (50-50% по массе)
6,1
Вода
71,5
[00158]
После 29-дневного цикла испаритель останавливали для очистки, удаляли из теплообменника накипь и анализировали накипь с помощью рентгеновской флуоресценции для определения элементного/оксидного состава и рентгеновской дифракции для определения минерального состава/состава. Результаты приведены в таблице 3 и таблице 4, соответственно. Полученная накипь показана на фиг. 3. Накипь была очень мягкой и легко удалялась из испарителя. Накипь с трудом сохраняла целостность и полностью разрушалась во время промывания. Накипь после промывания и высушивания показана на фиг. 4.
[00159]
Таблица 3: Результаты рентгеновской флуоресценции
M
<b>Пример 1</b>
<b>Пример 2</b>
<b>Пример 3</b>
<b>Содержание</b>
<b>Предварительное испытание A</b>
<b>Предварительное испытание B</b>
F
37
41
18
26
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
19
16
18
30
Mg
12
5
1
1
SO<sub>3</sub>
10
10
25
8
Al
7
5
1
1
CaO
6
6
20
7
Si
2
4
5
6
Na
3
6
5
6
K
2
6
6
13
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
-
-
1
[00160]
Таблица 4: Результаты рентгеновской дифракции
<b>Пример 1</b>
<b>Пример 2</b>
<b>Пример 3</b>
<b>Содержание</b>
<b>Предварительное испытание A</b>
<b>Предварительное испытание B</b>
Гексафторсиликат магния
M
-
t
-
Пентафторалюминат магния
M
M
t
-
Гексафторсиликат натрия
M
m
t
m
Ангидрит CaSO<sub>4</sub>
m
m
M
-
Гипс CaSO<sub>4</sub>.2H<sub>2</sub>O
M
m
m
-
Полугидрат CaSO<sub>4</sub>.½H<sub>2</sub>O
-
-
-
M
Диоксид кремния (альфа-кварц)
-
-
M
-
Гексафторсиликат калия-натрия
-
M
t
m
Гидрофосфат калия-алюминия
-
-
-
M
M=основной компонент, m=второстепенный компонент, t=компонент в следовых количествах, -=не обнаружен
[00161]
Результаты показывают, что накипь, полученная в примере 3, была намного мягче накипи, полученной в примере 2, и мягче отложений, полученных при двух предварительных испытаниях в примере 1. Накипь, полученная в примере 3, была намного более мягкой и более податливой, чем накипь, полученная в примере 2, даже несмотря на то, что процентное содержание активных ингредиентов было немного выше в примере 2, что демонстрирует преимущество совместно используемых компонентов композиции, уменьшающей образование накипи, применяемой в примере 3.
[00162]
Пример 4
[00163]
Производственное испытание, состоящее из двух циклов, проводили на установке по производству фосфорной кислоты, при этом каждый цикл включал после очистки испарителя период производства, за которым следовал период очистки. Соответственно, после процедуры очистки установку эксплуатировали с получением фосфорной кислоты, производство останавливали для очистки теплообменника, затем осуществляли второй цикл эксплуатации с последующей очисткой. При производственном испытании в этом примере не использовали добавленную композицию, уменьшающую образование накипи.
[00164]
Фосфатную руду объединяли с серной кислотой в реакторе с получением суспензии неочищенной фосфорной кислоты, указанную суспензию фильтровали и осветляли, и полученную фосфорную кислоту направляли в качестве основного потока через питающую линию (трубу), составляющую примерно 1500 футов (примерно 457 метров) в длину, в испарительный резервуар испарителя. Основной поток фосфорной кислоты из осветлителя регулировали с помощью управляемого компьютером подпиточного клапана. Непосредственно перед питающей линией, соединенной с испарительным резервуаром, находился ручной запорный клапан, который в плановом порядке открывался и закрывался (при наличии такой возможности) один раз за смену.
[00165]
Испаритель содержал испарительный резервуар, сообщающийся по текучей среде с кожухотрубным теплообменником, содержащим приблизительно 900 трубок на пучок (при этом указанный пучок содержал кожух и находящиеся внутри трубки). Фосфорная кислота в испарительном резервуаре циркулировала из испарительного резервуара через нижнюю выпускную трубу и рециркуляционный насос в теплообменник и через трубки теплообменника, где она нагревалась. Затем нагретая таким образом фосфорная кислота поступала из трубок теплообменника через впускную трубу обратно в испаритель.
[00166]
Накипь скапливалась внутри питающей линии, подсоединенной к испарителю, уменьшая поток, проходящий в указанной линии. По мере уменьшения потока управляемый компьютером подпиточный клапан открывался, чтобы восстановить прежний поток, до тех пор, пока он не был полностью открыт и поток не увеличился. Затем испаритель отключали от линии и питающую линию закрывали и очищали путем подачи через питающую линию конденсата в течение несколько часов для удаления накипи с внутренней части питающей линии. Следуя указанной процедуре в среднем один раз каждые семь-десять дней, операторы установки прекращали подачу фосфорной кислоты в испаритель и очищали внутреннюю часть питающей линии. Такую очистку питающей линии обычно осуществляют от 2 до 3 раз в каждом цикле, который в среднем продолжается 25 дней. Во время такой очистки питающей линии трубки теплообменника не очищают и в испарителе рециркулируют кислоту.
[00167]
Кроме того, накипь скапливалась в ручном запорном клапане, при этом накапливающаяся в течение некоторого времени накипь требовала со временем повышенного усилия для закрытия или открытия такого клапана. Когда клапан больше было невозможно закрыть, операторы оставляли клапан открытым до тех пор, пока не будет очищена питающая линия.
[00168]
Накипь также скапливалась внутри теплообменника на внутренней поверхности его трубок. В конце цикла производство прекращали для поддержания потока кислоты через теплообменник и сохранения эффективного теплообмена от кожуха к кислоте внутри трубок. Затем заблокированные и частично заблокированные трубки (примерно 300 трубок) очищали посредством водоструйной очистки водой при давлении от примерно 6000 фунтов на квадратный дюйм (psi) (примерно 48263 кПа) до примерно 10000 psi (68948 кПа). Такое давление было необходимо для удаления накипи с внутренней части закупоренных трубок. Обеспеченные в результате время производства и непроизводственное время, связанное с очисткой во время двух циклов, приведены в таблице 5.
[00169]
Таблица 5: Общее время производства и время очистки для двух циклов в примере 4
Общее время, два цикла
53,3 дня
Время производства
44,92 дня
Непроизводственное время
8,38 дней
Очистка питающей линии
Количество очисток
6
Время остановки на очистку
0,56 дня
Общее время очистки
3,5 дня
Очистка испарителя
Общее время очистки
3,2 дня
Общее время очистки
6,70 дней
Время производства/время очистки
6,7
Производство P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
16676 тонн
Предполагаемое производство P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> за 330 дней в году
103264 тонн
Накипь, счищенная с трубок теплообменника с помощью стержней, показана на фиг. 5. Накипь была относительно твердой, и ее было трудно соскрести универсальным ножом.
[00170]
Пример 5
[00171]
После производственного испытания, описанного в примере 4, было проведено испытание одного цикла продолжительностью 42,17 дней с применением водной композиции, уменьшающей образование накипи, имеющей состав, приведенный в таблице 6.
[00172]
Таблица 6: Композиция, добавленная к фосфорной кислоте в примере 5
<b>Компонент</b>
<b>Массовые части</b>
Полиамино полиэфир метилен тетрафосфонат
10,7
Сополимер акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (60-40% по массе)
7,4
Полиметакриловая кислота
3,2
Сополимер акриловой кислоты и гидроксиполиэтокси (10) аллилового эфира (50-50% по массе)
5,6
Вода
73,1
[00173]
Водную композицию, уменьшающую образование накипи, добавляли в двух местах. Первая точка дозирования находилась прямо у выхода из резервуара, содержащего осветленную кислоту. Вторая точка дозирования находилась на расстоянии примерно десять метров от точки входа осветленной кислоты в верхнюю часть теплообменника.
[00174]
В другом случае цикл проводили по существу тем же способом, что и в примере 4. Время производства и время очистки приведены в таблице 7.
[00175]
Таблица 7: Время производства и время очистки в примере 5
Общее время цикла
42,17 дня
Время производства
39,67 дней
Непроизводственное время
2,5 дня
Очистка питающей линии
Количество очисток
2
Время остановки на очистку
0,33 дня
Общее время очистки
0,67 дня
Очистка испарителя
Общее время очистки
1,4 дня
Общее время очистки
2,07 дня
Время производства/время очистки
19,2
Производство P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
15058 тонн
Предполагаемое производство P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> за 330 дней в году
117846 тонн
[00176]
Без добавления композиции, уменьшающей образование накипи, приведенной в таблице 6, отношение времени производства и времени очистки составляло 6,7, тогда как при добавлении к кислоте в реакторе состава, приведенного в таблице 6, указанное отношение увеличивалось до 19,2. При добавлении композиции, уменьшающей образование накипи, требовалось меньше остановок за время цикла. Это свидетельствует о более медленном накоплении накипи в теплообменнике и питающей линии.
[00177]
Кроме того, для очистки питающей линии требовалось меньше времени на остановку (0,33 дня по сравнению с 0,59 днями для очистки с помощью водоструйной очистки). Это отражает тот факт, что фактическая полученная накипь была более мягкой и легче поддавалась удалению, чем накипь, полученная в отсутствие композиции, уменьшающей образование накипи.
[00178]
Общий эффект перечисленных улучшений включал увеличение производства кислоты в единицу времени вследствие меньшего времени простоя для очистки от накипи, продление цикла и производство большего количества кислоты за рабочий день за счет поддержания сравнительно высокого коэффициента теплообмена на протяжении всего цикла.
[00179]
Пример 6
[00180]
После цикла, проведенного в примере 5, прекращали добавление к фосфорной кислоте композиции, уменьшающей образование накипи. Однако после цикла с применением описанной в примере 5 водной композиции, уменьшающей образование накипи, среднее время очистки трубок теплообменника уменьшилось примерно на 50%. Примерно 74% трубок можно было очистить путем водоструйной обработки в течение менее 40 секунд, а трубки, которые трудно поддавались очистке, были очищены посредством водоструйной обработки в течение двух минут, тогда как до испытания, описанного в примере 5, водоструйная очистка трубок, которые было трудно прочистить с помощью стержня, занимала примерно пять минут.
[00181]
Кроме того, для удаления накипи из трубок теплообменника водоструйной очистке требовалось давление только примерно 5000 psi (34473,79 кПа).
[00182]
Пример 4 выполняли без применения композиции, уменьшающей образование накипи. Пример 5 выполняли в соответствии с примером 4. В примере 5 добавляли композицию, уменьшающую образование накипи (состав, приведенный в таблице 6). Испытание в настоящем примере 6 соответствовало испытанию, описанному в примере 5, и проводилось без применения композиции, уменьшающей образование накипи.
[00183]
Накипь, накапливающаяся в трубках теплообменника в настоящем примере, была более мягкой, чем накипь, полученная в примере 4. Это указывает на то, что добавление описанной в примере 5 композиции, уменьшающей образование накипи, оказывало положительное влияние, которое продолжалось после того, как ее применение было прекращено, т.е. накипь оставалась более мягкой и легче поддавалась очистке, хотя применение композиции, уменьшающей образование накипи, было прекращено. Типичная накипь, счищенная с трубок с помощью стержня, показана на фиг. 6. Такую накипь можно было легко соскрести универсальным ножом.
[00184]
Пример 7
[00185]
Два испытания были проведены на установке для получения фосфорной кислоты. Испаритель содержал испарительный резервуар, сообщающийся по текучей среде с блочным теплообменником. Блочный теплообменник высотой примерно от 20 (примерно 6 м) до 30 футов (примерно 9 м) содержал примерно от восьми до десяти графитовых блоков. Каждый графитовый блок ограничивал два набора сверленых отверстий - один набор сверленых отверстий, через которые пропускали кислоту, и второй набор, через который пропускали пар. Первый набор сверленых отверстий был расположен ортогонально ко второму набору сверленых отверстий. Первый набор сверленых отверстий и второй набор сверленых отверстий не сообщались друг с другом по текучей среде.
[00186]
Фосфорная кислота в испарительном резервуаре испарителя циркулировала из испарительного резервуара через нижнюю выпускную трубу через рециркуляционный насос к теплообменнику и через сверленые отверстия в графитовом теплообменнике, где она нагревалась. Затем нагретая таким образом фосфорная кислота поступала из теплообменника через впускную трубу обратно в испаритель, при этом труба для сбора концентрированной кислоты находилась вблизи верхней части уровня кислоты.
[00187]
В первом испытании к фосфорной кислоте не добавляли композицию, уменьшающую образование накипи. Во втором испытании ту же композицию, уменьшающую образование накипи, которую использовали в примере 5 (состав приведен в таблице 6), добавляли к фосфорной кислоте, подаваемой в теплообменник.
[00188]
Производство останавливали, при необходимости, для очистки теплообменника в зависимости от потока пара, потока подаваемой в теплообменник кислоты и давления пара в теплообменнике.
2
5
В испытании 1 стадия производства продолжалась примерно 126 часов, после чего производство необходимо было остановить для очистки теплообменника. В испытании 2 стадия производства продолжалась примерно 166 часов, после чего производство необходимо было остановить для очистки теплообменника. Применение композиции, уменьшающей образование накипи, позволило увеличить время производства примерно на 40 часов. Кроме того, в испытании 2 было получено в среднем на 49 тонн больше концентрированной кислоты или 24 тонны PO в день.