食品級磷酸是目前世界各國應(yīng)用廣泛的食品添加劑和食品級磷酸鹽產(chǎn)品的主要原料，一般由工業(yè)熱法磷酸經(jīng)脫砷、脫重金屬后制得。

1 食品級磷酸生產(chǎn)原理、工藝流程及主要設(shè)備

1.1 生產(chǎn)原理

食品級磷酸工業(yè)生產(chǎn)通常用H₂S作為脫砷劑脫除工業(yè)磷酸中的砷和重金屬。沉淀下來的As₂S₃（三硫化二砷）和PbS（硫化鉛）經(jīng)過濾除去，然后由空氣鼓泡氣提除去磷酸中殘留的硫化氫氣體即可制得食品級磷酸。

1.2 工藝流程

云南磷肥工業(yè)有限公司下屬昆明寶益磷化工有限公司的3kt/a食品級磷酸裝置采用傳統(tǒng)的過濾盤過濾工藝，生產(chǎn)工藝包括反應(yīng)、分離、曝氣等過程。

工業(yè)磷酸和脫砷劑（硫化鈉溶液）按比例加入帶攪拌的反應(yīng)釜中，然后流入溢流槽，砷和重金屬離子在反應(yīng)釜和溢流槽中與硫化氫進(jìn)行反應(yīng)，生成As₂S₃和PbS沉淀；將帶有沉淀的酸懸浮液放入鋪有硅藻土過濾層的過濾盤中，經(jīng)真空抽濾送入循環(huán)酸槽，然后再用泵送入脫氣塔，由空氣鼓泡氣提吹出酸中殘余的硫化氫氣體。脫除了硫化氫氣體的酸即為成品食品級磷酸。反應(yīng)釜、溢流槽、循環(huán)酸槽都設(shè)有夾套，用蒸汽加熱，以保證物料有適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度。進(jìn)入脫氣塔的空氣需先經(jīng)蒸汽加熱。

1.3 主要設(shè)備

3kt/a食品級磷酸裝置的主要設(shè)備如下：

 2 傳統(tǒng)工藝存在的問題

從裝置整體來看，在反應(yīng)、過濾和脫氣三大系統(tǒng)中，除反應(yīng)系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求外，過濾、脫氣兩系統(tǒng)僅能滿足年產(chǎn)1kt的生產(chǎn)規(guī)模。其主要原因是：

（1）過濾盤生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低。經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場考核，過濾盤的抽濾能力只能滿足日產(chǎn)3t的需要，過濾強(qiáng)度僅為55kg/(㎡·h)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于185kg/(㎡·h)的設(shè)計(jì)過濾強(qiáng)度和日產(chǎn)10t的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

（2）脫氣塔和脫氣風(fēng)機(jī)能力過小。經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場考核，脫氣系統(tǒng)能力亦僅能滿足每日3t的需要。

從產(chǎn)品質(zhì)量看，產(chǎn)品可以滿足w（As）低于1×10^-6的國標(biāo)要求，但難于滿足w（As）低于0.5×10^-6的用戶要求，原因在于過濾中未能除盡酸中的固體物質(zhì)。

3 技術(shù)改造

食品級磷酸的產(chǎn)能不足已成為制約企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。因此公司決定在原有裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，使裝置食品級磷酸生產(chǎn)能力達(dá)到10kt/a，以滿足生產(chǎn)經(jīng)營的需要。

3.1 改造思路

從反應(yīng)系統(tǒng)看，原反應(yīng)釜+溢流槽容量為2300L，按反應(yīng)停留時(shí)間2h計(jì)算，可達(dá)到日產(chǎn)量50t、年產(chǎn)量15kt，能滿足食品級磷酸年產(chǎn)10kt的技改目標(biāo)要求。制約裝置產(chǎn)能的關(guān)鍵在于現(xiàn)有裝置過濾和脫氣系統(tǒng)能力不足，因此技改重點(diǎn)放在過濾和脫氣工藝的改造上。

針對原過濾系統(tǒng)能力低的問題，考慮采用離心機(jī)過濾工藝替代原有的固定盤式過濾器過濾工藝。離心機(jī)一般應(yīng)用于固液分離，特別是在水相和固相的分離中應(yīng)用廣泛。水相和固相分離，當(dāng)固相顆粒較粗、液相黏度較小時(shí)，固液分離容易，離心機(jī)中僅需鋪設(shè)濾布即可滿足分離要求。含有砷渣的磷酸中雖然固含量相對較少，但砷渣主要是由大量又黏又細(xì)的被還原硫黃和少量的三硫化二砷、重金屬硫化物組成，并且磷酸還具有腐蝕性，因此過濾操作較一般的固液分離困難，離心機(jī)中除鋪設(shè)濾布外還須鋪設(shè)硅藻土作為主過濾層。由于離心機(jī)過濾具有生產(chǎn)強(qiáng)度大、占地少、投資省以及不需要真空系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，決定在原食品級磷酸生產(chǎn)裝置的技改中設(shè)置3臺離心機(jī)，具體實(shí)施時(shí)先建1臺，取得經(jīng)驗(yàn)后根據(jù)實(shí)際情況再續(xù)建2臺。

針對原脫氣系統(tǒng)生產(chǎn)能力過小的問題，改造中決定不再利用原脫氣系統(tǒng)，采用因過濾工藝改變而閑置的真空泵和循環(huán)酸槽組成新的脫氣系統(tǒng)，設(shè)備容量和氣量都比原來增加幾倍，完全可以滿足改造后的脫氣需要。

3.2 技改后食品級磷酸生產(chǎn)工藝

原料磷酸槽中的工業(yè)磷酸首先用泵送入高位酸槽，經(jīng)計(jì)量后按比例與硫化鈉溶液（P₂S₅與NaOH反應(yīng)制得）一起被送入反應(yīng)釜，攪拌反應(yīng)后進(jìn)入溢流酸槽，反應(yīng)完成后溢流進(jìn)入中間酸槽，然后進(jìn)入離心機(jī)過濾。過濾后如果得到的是清亮酸則流入清酸槽，如果酸液混濁則進(jìn)入渾酸槽；清酸槽的清酸用泵送入高位重力過濾器，除去可能存在的機(jī)械雜質(zhì)，然后進(jìn)入循環(huán)酸槽，經(jīng)空氣鼓泡脫氣檢驗(yàn)合格后，被送入成品酸槽待用。溢流酸槽中沉降的砷渣定期排入砷渣過濾器，由真空泵抽濾，以除去積存的砷渣，避免大量砷渣從溢流口流出，影響離心機(jī)過濾，砷渣被抽干后排出裝置堆存，抽出的酸返回系統(tǒng)。

3.3 離心機(jī)工藝技術(shù)條件探索

3.3.1 硅藻土粒度的選擇

硅藻土的粒度規(guī)格很多，選擇合適的粒度配比對生產(chǎn)工藝控制很重要。原過濾盤工藝中采用較粗的硅藻土，且要求鋪設(shè)的濾層較厚。改造后采用離心機(jī)過濾，由于操作過程中物料運(yùn)動易對硅藻土濾層造成破壞，決定采用騰沖產(chǎn)TD-1型（細(xì)型）和TG-1型（粗型）硅藻土進(jìn)行配合使用。經(jīng)過多次摸索找出了適宜的配比：TD-1型硅藻土占35%～60%，TG-1型硅藻土占40%～65%。

3.3.2 硅藻土濾層厚度的選擇

通過測定硅藻土濾層厚度變化對產(chǎn)品酸清亮度、離心機(jī)過酸能力以及對濾層損壞情況的影響來確定合適的硅藻土厚度。測定極限條件以離心機(jī)過酸能力因酸不能通過而造成離心機(jī)振動計(jì)，用w（H₃PO₄）85%的磷酸測試。經(jīng)過反復(fù)比較，硅藻土濾層厚度8～19mm較為適宜。

3.3.3 濾層鋪設(shè)方式

離心機(jī)內(nèi)件為內(nèi)空轉(zhuǎn)鼓，為保證離心機(jī)硅藻土主過濾層具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定而不易破損，必須按照一定的方法鋪設(shè)濾層。鋪設(shè)時(shí)首先在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)鋪設(shè)一層耐酸濾布，該層濾布要求嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)鼓的尺寸認(rèn)真縫制；在完成內(nèi)層濾布的鋪設(shè)后啟動離心機(jī)，勻速加入用磷酸、硅藻土懸浮液，利用離心機(jī)的離心力將硅藻土密實(shí)均勻地鋪在濾布上形成濾層，濾層厚度控制在8～19mm；鋪設(shè)硅藻土層后，再在硅藻土層上鋪設(shè)一層濾布，其作用是使過濾時(shí)產(chǎn)生的砷渣多數(shù)沉積在該層濾布上，便于清理；用不銹鋼絲網(wǎng)作為支撐。

3.4 主要設(shè)備

本次技改盡量利用原有設(shè)備以降低技改投資。新增主要設(shè)備只有Φ800mm及Φ1000mm離心機(jī)2臺。第一臺Φ800mm離心機(jī)安裝后實(shí)測生產(chǎn)能力就已達(dá)到3kt/a。在取得了實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)后，續(xù)建了第二臺Φ1000mm離心機(jī)。第二臺離心機(jī)投運(yùn)后經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，以w（H₃PO₄）75%磷酸為原料生產(chǎn)食品磷酸的能力已經(jīng)達(dá)到了10kt/a。

3.5 主要工藝控制指標(biāo)

改造后主要工藝控制指標(biāo)：

（1）脫砷劑用量為按工業(yè)磷酸中砷含量計(jì)算的理論用量的2～2.5倍，脫砷劑w（Na₂S）7%～8%；

（2）反應(yīng)溫度60～75℃；

（3）脫氣溫度60～65℃；

（4）脫氣時(shí)間4～6h。

3.6 分析控制

（1）原料酸：應(yīng)成批取樣分析濃度、色度、砷含量和易氧化物含量。

（2）中間控制：在清酸槽中取樣進(jìn)行色度的定性分析和砷含量的定性分析。

（3）成品酸：按國標(biāo)進(jìn)行全分析。

4 技改效果、存在問題及應(yīng)對措施

4.1 技改效果

該裝置技改完成后，經(jīng)過1年多的運(yùn)行，生產(chǎn)穩(wěn)定，生產(chǎn)能力大幅度提高。經(jīng)測算，技改后w（H₃PO₄）85%食品級磷酸年產(chǎn)能達(dá)6kt，w（H₃PO₄）80%食品級磷酸年產(chǎn)能達(dá)9kt，w（H₃PO₄）75%食品級磷酸年產(chǎn)能達(dá)10kt。過濾和脫氣能力都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量提高，w（As）可控制在0.5×10^-6以下。

4.2 存在問題及應(yīng)對措施

（1）運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)溢流槽砷渣有時(shí)會翻滾，帶出的過多砷渣增加了離心機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，降低了過濾能力，嚴(yán)重時(shí)必須暫停離心機(jī)，不能完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。因此，考慮再增加1臺溢流槽進(jìn)行并聯(lián)交替操作，這可保證離心機(jī)完全連續(xù)運(yùn)行。

（2）裝置產(chǎn)能彈性不足的問題突出，一旦其中一臺離心機(jī)出現(xiàn)故障就會影響整個(gè)生產(chǎn)，因此考慮有必要再增加第三臺離心機(jī)。

據(jù)初步估算，裝置在完成上述兩相改進(jìn)后，生產(chǎn)能力還可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提高30%～50%，而且整個(gè)裝置的操作彈性將大幅度提高，裝置應(yīng)對突發(fā)事故的能力將大大增強(qiáng)。