СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ И СПОСОБ ЕЕ ОЧИСТКИ
METHOD OF PRODUCING THERMAL ORTHOPHOSPHORIC ACID

Изобретение относится к способам получения и очистки термической ортофосфорной кислоты, которая применяется в высокотехнологичных областях техники, например в производстве электронных компонентов.
Как известно, ортофосфорную кислоту, получившую название термической, получают окислением элементарного фосфора до фосфорного ангидрида с последующей его гидратацией до образования кислоты. В качестве окислителя используют кислород (RU 1555276, С01В 25/20,1988; CN 101531353, С01В 25/20, 2009), бромистоводородную кислоту, бромиды либо гипохлориды металлов, перекись водорода (JP 7026504, С01В 25/20, 1995), азотную кислоту (US 2901340, 71-37,1959). Наиболее применимыми окислителями, как следует из анализа уровня техники, являются азотная кислота и кислород. Азотную кислоту в известных способах применяют либо в разбавленном, либо в концентрированном виде. Например, в случае применения азотной кислоты с концентрацией менее чем 32 мас.% процесс в проводят при 65-75°С (US 2901340), а в случае применения более концентрированной кислоты, а именно 50-64%-ной азотной кислоты, процесс окисления в другом известном способе проводят уже при 97-115°С (SU №701934, С01В 25/20, 1979). Последний способ является наиболее близким по технической сущности к новому способу получения термической ортофосфорной кислоты и выбран в качестве прототипа. Однако этим известным способом получают ортофосфорную кислоту в смеси с азотной кислотой и при этом не рассматривается получение отдельно ортофосфорной кислоты.
4
3
Известно, что ортофосфорная кислота, получаемая из элементарного фосфора или промышленных фосфорсодержащих отходов, содержит примеси неорганического происхождения в виде катионов и анионов, таких как Fe, Mg, Pb, As, Cu, Mn, Ni, SO, Cl, NO и др. в растворенном виде. Поскольку чистота конечного продукта и отсутствие в нем определенных примесей являются одними из основных требований, предъявляемых к ортофосфорной кислоте, применяемой в высокотехнологичных областях техники, то интерес представляют и известные, описанные ранее способы очистки ортофосфорной кислоты.
Для очистки ортофосфорной кислоты применяют такие известные методы очистки как химическая обработка (SU 1209600, С01В 25/18, 1986; SU 1641772, С01В 25/234, 1991), кристаллизация (RU 2209178, С01В 25/20, 1995), фильтрация (US 4313919, С01В 25/20, 1986), обработка на ионообменниках (RU 2102313, С01В 25/234, 1993; SU 512996, С01В 25/234, 1976), продувание инертным газом (CN 101531353, С01В 25/20, 2009).
3
-4
-5
Среди цитированных изобретений наиболее близким по технической сущности новому способу является известный способ очистки термической ортофосфорной кислоты (RU 2209178, С01В 25/10, 1995). В этом изобретении термическую ортофосфорную кислоту, полученную обработкой элементарного фосфора кислородом и парами воды, очищают кристаллизационным методом до получения продукта особой чистоты. Процесс в известном способе проводят концентрированием исходной кислоты до плотности не менее 1,685 г/см, нагреванием полученного раствора до температуры 40-50°С и последующей кристаллизацией при охлаждении до 4-9°С с введением затравки - кристаллов ортофосфорной кислоты при охлаждении до 0-7°С в течение не менее 7 часов, выдержкой полученной суспензии не менее 60 минут и последующим отделением конечного продукта от маточного раствора центрифугированием. В полученной этим способом особо чистой ортофосфорной кислоте содержание отдельных примесей катионов и анионов находятся на уровне 10-10 мас.%.
В связи с возросшими требованиями к чистоте продукта и необходимостью получения ортофосфорной кислоты квалификации «осч» именно из элементарного фосфора, в частности фосфора, содержащегося в отходах фосфорной промышленности, разработан новый способ получения термической ортофосфорной кислоты и способ ее очистки. Термическую ортофосфорную кислоту новым способом получают из элементарного фосфора, в который добавляют 0,5-0,6 мас.% йода, при этом фосфор подают в токе осушенного инертного газа или воздуха и обрабатывают 55-64%-ной азотной кислотой при температуре 95-100°С, после чего через реакционную массу при температуре 135-145°С пропускают осушенный инертный газ или осушенный воздух и выделяют ортофосфорную кислоту.
Исходный загрязненный фосфор предварительно очищают на фильтре из стеклоткани в токе осушенного инертного газа или воздуха.
В качестве исходного продукта используют фосфор, содержащийся в отходах фосфорного производства.
2
Термическую ортофосфорную кислоту, полученную обработкой элементарного фосфора 55-64%-ной азотной кислотой и выделенную из реакционной массы пропусканием через нее осушенного инертного газа или воздуха, подвергают кристаллизационной очистке при температуре 10-22°С с внесением затравки - кристаллов ортофосфорной кислоты, после чего кристаллическую ортофосфорную кислоту растворяют в дистиллированной воде и полученную разбавленную кислоту пропускают сначала через катионообменные сорбенты со скоростью 0,5-1,5 л/час/м, а затем при давлении 1,0-1,5 атм пропускают через пористую фильтрующую мембрану, после чего упаривают и очищают повторной кристаллизацией при температуре 10-16°С с внесением затравки - кристаллов ортофосфорной кислоты особой чистоты.
Очищаемую ортофосфорную кислоту пропускают через пористую фильтрующую мембрану с размером пор 0,1-0,5 мкм.
Очищаемую кислоту упаривают при температуре 50-70°С при давлении 160-200 мм рт.ст.
Сорбционную очистку проводят в следующей последовательности: сначала на смолах КРФ-20, а затем на смолах КУ-2
В изобретении рассматриваются два объекта: способ получения термической ортофосфорной кислоты и способ ее очистки. Оба объекта технически связаны между собой, поскольку осуществляются последовательно на единой установке, включающей блок синтеза и блоки очистки. В новом способе, как и в способе-прототипе (SU №1641672), получают термическую ортофосфорную кислоту обработкой элементарного фосфора 55-64%-ной азотной кислотой азотной (в способе-прототипе 50-64%-ной азотной кислотой) и при схожих температурных условиях: в способе-прототипе при 97-115°С, а в новом способе при 95-100°С. Однако в новом способе в качестве исходного продукта используют элементарный фосфор, содержащий 0,5-0,6 мас.% йода, который подают в реактор в токе осушенного инертного газа или осушенного воздуха Кроме того, для отделения полученной ортофосфорной кислоты от азотной кислоты через реакционную массу при температуре 134-145°С пропускают осушенный инертный газ или воздух.
В качестве прототипа способа очистки взят известный способ кристаллизационной очистки термической ортофосфорной кислоты (RU 2209178). Новый процесс очистки отличается от известного иными температурными параметрами, а также наличием дополнительных стадий очистки, а именно, он включает стадию обработки синтезированной ортофосфорной кислоты осушенным инертным газом или осушенным воздухом для отделения от азотной кислоты и окислов азота, а также включает сорбционную очистку на катионитах и микрофильтрационную очистку на пористой мембране с определенным размером пор (0,1-0,5 мкм). Рассматриваемый технологический процесс осуществляют на единой установке, состоящей из блока синтеза и блоков очистки. Блок синтеза ортофосфорной кислоты включает в себя реактор, выполненный из фторопласта, и электропечь.
Существенным признаком стадии синтеза является использование элементарного фосфора, к которому предварительно для ускорения процесса синтеза добавляется 0,5-0,6 мас.% йода. Завышение либо занижение количества йода нецелесообразно, потому что в в первом случае оно приводит к потерям сырья, а во втором случае значительно снижается каталитическая активность йода. В качестве окислителя используется азотная кислота, содержащая 55-64 мас.% основного вещества. Процесс синтеза протекает при температуре 95-100°С по схеме:
3
2
3
4
2
2Р+4HNO+HO=2HPO+3NO+NO
Выбор указанного температурного интервала объясняется тем, что именно эти режимы являются оптимальными для синтеза ортофосфорной кислоты, а не побочных продуктов, например метафосфорной кислоты. В случае использования в качестве исходного продукта загрязненного фосфора, например из отходов фосфорсодержащего производства, его предварительно очищают фильтрацией на стеклоткани, осуществляемой в токе осушенного инертного газа, например азота или воздуха. В процессе фильтрации происходит отделение неорганических включений от фосфора. Далее синтезированная ортофосфорная кислота очищается от азотной кислоты пропусканием через образовавшуюся реакционную массу осушенного инертного газа или воздуха при температуре 134-145°С через реакционную массу. При таких температурных условиях происходит испарение азотной кислоты, пары которой уносятся током инертного газа, например азота, или воздуха и направляются в холодильник, где азотная кислота конденсируется и, в случае необходимости, рециклизуется.
Процесс очистки, как и прототип, включает кристаллизационную очистку, но в новом способе кристаллизационная очистка осуществляется при постоянном перемешивании и при иных температурных режимах, чем в способе-прототипе, а именно при 10-22°С. Выбор того или иного температурного режима в пределах указанного температурного интервала зависит от внешних условий (от температуры внешней среды). Кристаллизация осуществляется с внесением в очищаемую кислоту затравки кристаллов ортофосфорной кислоты особой чистоты. Кристаллизацию ведут при перемешивании, чтобы избежать инкрустации на стенках кристаллизатора.
+
+
Далее после растворения в дистиллированной воде и получения разбавленной ортофосфорной кислоты, кислоту подвергают сорбционной очистке на катионообменных сорбентах и, предпочтительно, в следующей последовательности: сначала на смоле КРФ-20Т в Н форме а затем на смоле КУ-2 в Н форме. Для этого разбавленную кислоту со скоростью 0,5-1,5 л/час подают на сорбционную колонну со смолой. Причем в случае использования выше названных смол оптимально кислоту пропускать сначала через колонну со смолой КРФ-20, а затем КУ-2. Величина скорости пропускания кислоты существенно влияет на эффективность сорбционной очистки. Как показали дополнительные экспериментальные исследования, в случае занижения этой величины ниже 0,5 л/час уменьшается производительность процесса, а в случае увеличения выше 1,5 л/ происходит неполная очистка. На этом этапе процесса ортофосфорная кислота очищается от примесей переходных металлов (Fe, Cr, Ni, Mn и др.) Однако, в связи с тем, что на этом этапе возможно загрязнение очищаемой кислоты частицами ионита, вслед за этой сорбционной стадией очистки разбавленную ортофосфорную кислоту пропускают под давлением 1,0-1,5 атм через фильтрующую ячейку, снабженную пористой мембраной с размером пор, предпочтительно 0,1-0,5 мкм. На этом этапе происходит также очистка кислоты от твердых микрочастиц..
Затем разбавленную кислоту перед стадией повторной кристаллизационной очистки подвергают упариванию, предпочтительно при температуре 50-70° и давлении 160-200 мм рт.ст. Указанные режимы процесса упаривания являются предпочтительными, поскольку при них наблюдаются наименьшие энергетические затраты для осуществления процесса упаривания.
Конечный этап процесса - повторная кристаллизационная очистка концентрированной ортофосфорной кислоты - проводится при температуре 10-16°С при внесении затравки особо чистой ортофосфорной кислоты.
3
Процесс осуществляют во фторопластовом аппарате при постоянном перемешивании. Выпавшие кристаллы отделяют от маточника и расплавляют. Расплав представляет собой 90%-ный раствор ортофосфорной кислоты с плотностью 1,745-1,760 г/см при 20°С. Далее из расплава получают ортофосфорную кислоту особой чистоты нужной концентрации. Рассматриваемый процесс включает весь цикл получения ортофосфорной кислоты особой чистоты, в результате чего получается продукт, удовлетворяющий современным требованиям, предъявляемым к продуктам, применяемым в электронной промышленности.
-5
-5
-5
-5
-6
-5
-6
-4
-6
-5
-5
-5
-6
-6
-5
-5
Данным способом получают ортофосфорную кислоту квалификации «осч», содержащую следующие лимитированные примеси (мас.%, не более): Al - 1·10, Ba - 5·10, В - 5·10, Bi - 3·10, Ga - 1·10, Fe - 5·10, Au - 1·10, Са - 1·10, Со - 3·10, Mn -3·10, Cu - 5·10, As - 5·10, - 3·10, Pb - 3·10, Ti - 5·10, Zn - 5·10.
Преимуществом данного способа перед известными способами получения особо чистой ортофосфорной кислоты является и тот факт, что в качестве исходного продукта может использоваться и фосфор, загрязненный твердыми включениями неорганического характера в виде отходов фосфорной промышленности. Учитывая наличие больших объемов отходов фосфорной промышленности и необходимость их утилизации данный процесс приобретает свою значимость и возможность промышленной реализации. Ниже способ иллюстрируется следующими примерами, которые не ограничивают возможность проведения процесса при других параметрах, не выходящих за объем притязаний.
Пример 1
3
В реактор, выполненный из фторопласта, загружают в токе инертного газа (азота) элементарный фосфор (50 г), содержащий 0,6 мас.% кристаллического йода (0,3 г), а затем добавляют 55%-ную азотную кислоту (350 см). Затем включают электропечь и доводят температуру до 100°С и после полного растворения фосфора и окончания выделения окислов азота электропечь отключают, а жидкую реакционную массу сливают в кварцевую кювету, которую затем помещают в электропечь.
Через реакционную массу при температуре 145°С пропускают осушенный азот. Испарившуюся из кюветы азотную кислоту током азота переносят в холодильник и собирают в приемник, а содержимое кюветы (ортофосфорную кислоту) сливают в кристаллизатор.
-4
-4
Охлаждение и кристаллизацию кислоты проводят при непрерывном перемешивании в кристаллизаторе. Охлаждают кислоту до 10°С, вносят затравку - несколько кристаллов ортофосфорной кислоты, и охлаждают разогревшуюся реакционную массу до 12°С, кристаллы выгружают на воронку Бюхнера и промывают дистиллированной водой. Общее время кристаллизации 8 часов. Полученная на этом этапе частично очищенная ортофосфорная кислота (83 г) по своим качественным показателям соответствует требованиям, предъявляемым к кислоте категории «хч», и содержит 87 мас.% основного вещества, а также содержит анионные примеси (нитраты, сульфаты, хлориды) на уровне 1-5·10 мас.% каждого, железо и тяжелые металлы на уровне 5·10 мас.% каждого.
Затем ортофосфорную кислоту квалификации «хч» подвергают глубокой очистке до получения продукта особой чистоты. Для этого 90%ную ортофосфорную кислоту квалификации «хч» (1,8 кг) растворяют в дистиллированной воде до получения разбавленной кислоты, например 10%-го раствора, и после этого раствор подают а колонну со смолой КРФ-20Т со скоростью 0,5 л/час, а затем с той же скоростью на колонну со смолой КУ-2. Отобранную очищенную ортофосфорную кислоту пропускают под давлением 1,5 атм через фильтрующую ячейку, снабженную пористой мембраной на основе фторопласта с размером пор 0,5 мкм, после чего упаривают в роторном испарителе ИР-1М, снабженном кварцевой колбой. Упаривание проводят при температуре 50°С при остаточном давлении 160 мм рт.ст. Упаренная ортофосфорная кислота имеет концентрацию 90%. Далее упаренную концентрированную кислоту помещают во фторопластовый аппарат емкостного типа, охлаждают до температуры 10°С, вносят затравку особо чистой ортофосфорной кислоты и перемешивают. Выпавшие кристаллы отделяют от маточника на воронке Бюхнера.
3
Кристаллическую ортофосфорную кислоту отделяют от маточника и расплавляют. Расплав представляет из себя 90%-ный раствор ортофосфорной кислоты с плотностью 1,745 г/см при 20°С. Из этого расплава приготавливают раствор особо чистой ортофосфорной кислоты требуемой концентрации, разбавляя ее особо чистой водой.
-5
-5
-5
-5
-6
-5
-6
-4
-6
-5
-5
-5
-6
-6
-5
-5.
Получают ортофосфорную кислоту, содержащую (мас.%): Al - 1·10, Ва - 5·10, В - 4·10, Bi - 3·10, Ga - 1·10, Fe - 5·10, Au - 1·10, Са - 1·10, Со - 2·10, Mn - 4·10, Cu - 3·10, As - 6·10, Ag - 2·10, Pb - 3·10, Ti - 5·10, Zn - 5·10
Пример 2
В качестве исходного продукта используют фосфорсодержащие производственные отходы.
Предварительно до стадии синтеза загрязненный фосфор очищают фильтрацией. Для этого загрязненный фосфор (50 г) в атмосфере осушенного воздуха помещают на днище блюдца со сквозными отверстиями, выстланное стеклотканью, служащей фильтром. Данное блюдце через фторопластовый шток соединено с реактором. По этому штоку в пространство реактора, заполненное осушенным воздухом, загружают предварительно очищенный фосфор.
Далее процесс синтеза и очистки проводят аналогично примеру 1, изменяя только следующие параметры:
синтез ортофосфорной кислоты проводят при 95°С и при использовании элементарного фосфора, содержащего 0,5 мас.% кристаллического йода в качестве катализатора и 64%-ной азотной кислоты; синтезированную кислоту очищают от азотной кислоты пропусканием через нее осушенного воздуха при температуре 135°С;
кристаллизацию ортофосфорной кислоты, предварительно очищенной от азотной кислоты осуществляют в кристаллизаторе, сначала имеющем температуру 16°С, а затем после внесения затравки - температуру 22°С;
сорбционную очистку ортофосфорной кислоты проводят на колонне со смолой КРФ-20Т со скоростью пропускания 1,5 л/час;
фильтрацию разбавленной ортофосфорной кислоты после стадии сорбционной очистки проводят под давлением 1 атм через пористую мембрану, выполненную из полихлорвинила с размером пор 0,1 мкм;
упаривание ортофосфорной кислоты перед конечной стадией кристаллизации проводят при температуре 70°С и давлении 200 мм рт.ст.;
конечную кристаллизационную очистку проводят при температуре 16°С.
-5
-5
-5
-5
-6
-5
-6
-4
-6
-5
-5
-5
-6
-6
-5
-5
Получают ортофосфорную кислоту особой чистоты, содержащую следующие примеси (мас.%): Al - 1·10, Ва - 4·10, В - 5·10, Bi - 3·10, Ga - 1·10, Fe - 5·10, Au - 1·10, Ca - 1·10, Co - 3·10, Mn - 3·10, Cu - 3·10, As - 5·10, Ag - 3·10, Pb - 3·10, Ti - 5·10, Zn - 5·10.