7664-38-2 / 磷酸的應用

【背景及概述】^[1][2][3]

磷酸是五氧化磷和水化合后所產生的酸的總稱。包括偏磷酸(HPO3)、焦磷酸(H4O7P2)，聚磷酸(H6P4O13)，但一般指的是正磷酸(H3PO4)。為無色透明的糖漿狀液體，無臭、味酸、易吸收空氣中的濕氣，極易溶于水及乙醇，溶解時放出大量熱。88%的磷酸冷卻后即為結晶狀，加熱至150℃失去水分，200℃則為焦磷酸，300℃以上為偏磷酸。磷酸無毒，有腐蝕性，可腐蝕石英。用于制磷酸鹽、復合肥料、磷酸酯萃取劑、染料、合成洗滌劑、醫藥、還用于金屬酸洗及防銹。工業上用磷灰石Ca3(PO4)2跟硫酸反應制得，用硝酸跟磷反應可制得較純磷酸。磷酸是一種無氧化性的不揮發性酸。加熱到213℃失去水而轉化為焦磷酸，進一步失水得偏磷酸。酸性中等，對皮膚有一定腐蝕性。P4O10溶于水可得到偏磷酸、焦磷酸與正磷酸的混合溶液。P4O10與水的作用是個可逆過程，P4O10與水結合時放熱。升溫時磷酸失水傾向增大，可轉變為焦磷酸，最后，可成無色的玻璃狀的偏磷酸。所有磷酸的結構都以“PO4”四面體為基本單元。正磷酸中存在單個的PO3-4離子；而在焦磷酸、三聚磷酸根、四聚磷酸根等離子中，分別由兩個、3個或4個PO4四面體通過氧原子而連接起來。它們是磷酸的縮聚形式，所含磷原子數都多于1，叫多磷酸，環狀多磷酸就是偏磷酸。磷酸主要用于制藥、食品、肥皂等工業，也用來作化學試劑。工業上用濃硫酸處理磷灰石Ca5(PO4)3F制取磷酸；高純度的試劑磷酸是以白磷為原料，將其燃燒后所得的P4O10溶于水即得磷酸。也可采用鹵化磷、磷化鈣或其他磷化物水解的方法來制取。

【合成】[3]

1.濕法磷酸

濕法磷酸是由酸性較強的無機酸或者酸式鹽分解磷礦而生產出的磷酸。

磷酸的應用

工業上的濕法磷酸指用硫酸分解磷礦制得的磷酸，也稱“萃取磷酸”。在生產過程中，根據反應過程料漿溫度、磷酸濃度、硫酸用量等工藝條件不同，硫酸鈣水合物存在3 種結晶形式，即二水物( CaSO₄·2H₂O) 、半水物( CaSO4·1 /2H₂O) 、無水物( CaSO₄)

2. 熱法磷酸

熱法磷酸工藝較濕法磷酸工藝復雜，且技術入門門檻較高，主要體現在黃磷電爐和余熱副產蒸汽燃磷塔設備制造和運行維護上。

1）熱法磷酸的生產原理：熱法磷酸的生產包括磷的燃燒與酸酐的水合。

A：黃磷的燃燒。在燃燒水合塔內磷與大量空氣進行氧化生成磷酸酐P₂O₅，在359 ℃時磷酸酐升華，由于處于高溫狀態，它的蒸汽聚合成P₄O₁₀。磷的燃燒反應是一個復雜的多級反應，反應產物中不僅有P₄O₁₀，還存在著少量磷的低級氧化物P₄O，P₄O₂，P₄O₆等。磷的低級氧化物經水合后，便生成次磷酸與亞磷酸。一般在工業生產中，采用過量空氣進行燃燒反應。

B：磷酸酐的水合。聚合P₄O₁₀或氣態P₂O₅作為中間反應氧化物能強烈吸收空氣中的水分，特別在高溫燃燒條件下，生成偏磷酸。隨著磷酸酐的水合，整個反應向生成磷酸的方向進行。不同溫度下，水合反應也不同。700 ℃時，生成偏磷酸。

2）熱法磷酸生產工藝

熱法磷酸的生產方法包括一段法和二段法。一段法是指早期的磷酸生產時直接利用制磷電爐中出來的磷蒸汽燃燒水合制得磷酸，現已淘汰。二段法是指將電爐中制得的磷蒸汽冷凝為液體磷后，再燃燒水合制得磷酸的方法，也是現在大部分熱法磷酸工廠所采用的生產方法。

A：燃燒水合一步法：燃燒水合一步法就是黃磷的燃燒氧化及五氧化二磷氣體的水合吸收在同一塔內進行。在該流程中，燃燒水合塔是該工藝最重要的部分。黃磷在塔內進行霧化并在空氣氣流中燃燒生成五氧化二磷，最后進行水化。這2 個工藝步驟都在燃燒水合塔中進行，反應式如下：

磷酸的應用

B：燃燒水合二步法：燃燒水合二步法就是將黃磷的燃燒與五氧化二磷的水合過程分別在2 臺設備中進行。在該流程中，在磷噴嘴中用壓縮空氣使液磷物化為極微細的粒子，與空氣充分混合接觸氧化。燃燒生成的P₂O₅氣體進入水合塔與循環冷磷酸逆流接觸，吸收水合成磷酸，在這個過程中，氣體中的大量熱量也被帶走。吸收P₂O₅氣后，循環磷酸濃度逐漸增高，溫度也隨之增高。為了使磷酸能繼續使用，必須利用熱交換器進行冷卻。另外水合塔內未吸收的P₂O₅，以酸霧形式進入尾氣處理系統進行處理。尾氣的吸收形式多種多樣，一般常采用電除霧器、纖維除霧器及文丘里除霧器等。

2 種流程的比較如表所示：

磷酸的應用