湿法制磷酸

湿法磷酸工艺按其所用无机酸的不同可分为硫酸法、硝酸法、盐酸法等。

矿石分解反应式表示如下：
Ca5F(PO4)3+10HNO3 == 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF
Ca5F (PO4)3 + 10HCl == 3H3PO4 + 5CaCl2 + HF
Ca5F(PO4)3+5H2SO4+ nH2O == 3H3PO4 + 5Ca SO4•nH2O +HF
这些反应的共同特点是都能够制得磷酸。

但是，磷矿中的钙生成什么形式的钙盐不尽相同，各有其特点。

反应终止后，如何将钙盐分离出去，并能经济地生产出磷酸则是问题的关键。

(1) 硝酸法
最早由奥达公司开发，称为奥达法。

它是用硝酸分解磷矿生成磷酸和水溶性硝酸钙，然后采用冷冻、溶剂萃取、离子交换等方法分离出硝酸钙。

受硝酸价格、能耗高、流程长等条件的影响，目前工业应用极少。

(2) 盐酸法
上世纪60年代初，以色列矿业工程公司（I.M.I）开发了著名的IMI法，首次实现了盐酸法生产磷酸的工业化[5]。

它是将磷矿与盐酸反应，生成磷酸和氯化钙水溶液，然后用有机溶剂（如脂肪醇、丙酮、三烷基磷酸脂、胺或酰胺等）萃取分离出磷酸。

但该法存在工艺复杂、副产物氯化钙难以经济回收等问题。

(3) 硫酸法
通常所称的“湿法磷酸”实际上是指硫酸法湿法磷酸，即用硫酸分解磷矿生产得到的磷酸。

硫酸法的特点是矿石分解后的产物磷酸为液相，副产物硫酸钙是溶解度很小的固相。

两者的分离是简单的液固分离，具有其他工艺方法无可比拟的优越性。

因此，硫酸法生产磷酸工艺在湿法磷酸生产中处于主导地位。

反应式（6）中n的值取决于硫酸钙结晶的形式，可以是0，1/2，2。

在不同的反应温度和磷酸浓度下，可以生成无水硫酸钙（CaSO4），半水硫酸钙（CaSO4•0.5H2O）和二水硫酸钙（CaSO4•2H2O）。

相应地，湿法磷酸的生产工艺可分为无水物法、半水法、二水法及半水-二水法等。

其中，二水法由于技术成熟、操作稳定可靠、对矿石的适应性强等优点，在湿法磷酸工艺中居于主导地位。

目前，我国80%以上的磷酸都采用湿法磷酸二水法流程生产。

二水法流程具有工艺简单、技术成熟、对矿石种类适应性强的特点，特别适用于中低品位矿石，在湿法磷酸生产中居于统治地位。

但是，二水法流程至今仍存在着一些难以克服的缺陷。

由于加工工艺粗放，矿石中的有害杂质大部分进入磷酸中。

特别是氟元素，一旦进入液相，很难再分
离出来。

更严重的是，产生大量的磷石膏废料，造成严重的污染和浪费。

因此，相关专家通过研究，对现行的工艺过程进行了改进，分两步进行反应。

第一步：采用磷酸浸取磷矿石，从控制化学反应的条件出发，减少化学反应本身对目标产物的污染。

磷酸与磷矿的主要反应方程式如下：
Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 +5 H2O → 5Ca(H2PO4)2•H2O + HF
第二步：提供适宜的结晶条件，使副产磷石膏中的杂质含量，尤其是磷含量显著降低，提高磷回收率，使磷石膏满足建筑材料生产的要求，从源头上解决磷石膏污染的难题。

硫酸的离子化反应可瞬时完成：
Ca(H2PO4)2•H2O + H2SO4 +（n-1）H2O → CaSO4•nH2O 2H3PO4
这种分步反应的思想方法与“先污染后治理”的传统思路完全不同，符合绿色化学的基本原理，完全符合可持续发展战略的要求。