[发明专利]磷酸铵的生产

说明书

技术领域

本发明一般性涉及由含磷溶液生产磷酸铵。

背景技术

磷酸盐岩（磷灰石）是磷的主要商业来源。世界磷酸盐生产大部分用于制造化肥以维持农业生产。磷储备的质量正在下降并且提取和加工成本正在上升。在磷酸盐岩中可能存在需要分离的高水平的相关重金属，例如置换钙的镉。多个国家限制化肥中的重金属含量。例如，在瑞典对镉含量超过5mg Cd/kg P的磷肥征税。一些欧洲化肥生产商已经选择仅进口已设定镉限制的原料的供应商。

所有水溶性磷酸盐例如可溶性化肥均衍生自磷酸。磷酸通过“湿法”或热处理进行商业化生产。磷酸盐岩的湿消化是最常用的工艺。热处理的耗能大并因此成本高昂。为此原因，热法生产的酸量非常少并且主要用于生产工业磷酸盐。

化肥生产用的磷酸几乎都是基于磷酸盐岩的湿消化。该工艺主要基于用硫酸溶解磷灰石。在矿石溶解后，经过滤分离硫酸钙（石膏）和磷酸。为了生产商品级磷酸，需要高的酸浓度并且蒸发水。根据主要的条件例如温度、浆料中的磷浓度以及游离硫酸盐的含量，硫酸钙以多种不同的晶型存在。硫酸钙沉淀为二水合物（CaSO₄?2H₂O）或半水合物（CaSO₄?1/2H₂O）。通过该工艺生产的磷酸的特征是低纯度。

所有的磷酸铵盐均衍生自磷酸。用氨中和含浓度为约54%P₂O₅的商品级磷酸，通过在中和工艺过程中控制氨与磷酸的摩尔比以形成磷酸单铵（MAP）或磷酸二铵（DAP）。氨以液体或气体形式使用。通常优选无水液氨，因为有必要利用来自其它系统的余热将液氨蒸发成气体形式。氨对商品级磷酸的中和通常利用多个反应容器以多阶段进行。在预反应器中氨与磷酸的摩尔比一般保持在使浆料具有最大溶解度的水平（用于生产DAP时为1.4~1.45，用于生产MAP时通常低于1）。对于操作控制而言，通过监测浆料的pH来决定氨与磷酸的摩尔比。通过向反应器中加水来从预中和器中移除反应余热。水的蒸发使浆料冷却。当氨与磷酸的摩尔比增加至超过1时，未反应的氨从反应器中逸出并且必须用酸洗涤释放的蒸气。来自预中和反应器的浆料一般含有16~23%的水，该浆料通常进料至氨化造粒机中以完成对所需产品的加氨。中和与附加的水蒸发的完成导致形成固体颗粒。有必要通过酸洗从气态蒸气中回收未反应的氨。其后，固体磷酸铵通常在单独的反应器中干燥以减少含水量。干燥器中的氨损失通常通过酸洗回收。一般通过使空气穿过冷却反应器来冷却固体磷酸铵。

对于几种应用例如加肥灌溉（在灌溉水中施加水溶性化肥）和叶面施肥（在叶面上喷洒化肥），需要完全可溶的磷酸铵以避免加肥灌溉设备被不溶性固体堵塞。湿法磷酸含有大量的杂质例如铁、铝、钙、镁、镉等，它们在被氨中和后形成水不溶性固体，所以化肥级磷酸铵并不是完全水溶性的。因此，用于加肥灌溉目的的完全可溶性磷肥必须由纯化磷酸专门生产。

目前的磷酸纯化技术是基于以下工艺：将不纯的湿法磷酸萃取到有机溶剂（酮类、三烷基磷酸酯类、醇类等）中，接着用水进行反萃取形成稀释的纯磷酸，随后通过水蒸发浓缩。其后，根据上述过程，用氨中和纯化的磷酸以形成完全可溶性的磷酸铵产品。

一般而言，可以确定两种磷酸溶剂萃取方法：a) 从浓溶液中部分萃取磷酸，和b) 在其它的酸或盐存在下完全萃取磷酸。

从利用硫酸消化磷灰石生产的浓磷酸中部分萃取磷酸是最常用的工艺。在该工艺中，只有部分磷酸被萃取到有机相中。剩余的未萃取磷酸与金属杂质一起用于生产低品级磷酸盐，例如不同的化肥。任何能够溶剂化磷酸的溶剂都可用于该工艺，包括在低至相当低的浓度下仍具有相当恒定的分配系数的溶剂例如醇类，以及对于低于特定阈值浓度的磷酸表现出极低萃取能力即分配系数具有极强的浓度依赖性的溶剂例如醚类、酯类和选定的酮类。

不同的方法是在高浓度的其它酸或盐存在下获得磷酸的完全萃取。添加第二酸例如H₂SO₄（英国专利3573005）或盐例如CaCl₂（英国专利3304157）可以改善甚至在相当低的磷酸浓度下的磷酸分配系数（溶质在有机相和水相之间的分配比）。虽然，所添加的酸也被溶剂萃取，但是其在有机溶剂中的比例一般低于其在进料溶液中的比例。合适的溶剂为醇类、三烷基磷酸酯例如磷酸三丁酯等，它们在低至相当低的浓度下仍具有相当恒定的分配系数。该方法推荐用于从由部分萃取工艺得到的剩余的不纯磷酸中萃取磷酸。该方法的主要缺点在于最终的水相富含所添加的酸（即硫酸）或盐以及杂质，其可能不具备最终用途。