Способ получения фосфорной кислоты

(51) 01 25/20 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Получение фосфорной кислоты осуществляется путем окисления жлтого фосфора кислородом в присутствии растворителя,при нагревании,интенсивном перемешивании. Желтый фосфор перед окислением растворяют в толуоле, а в качестве растворителя используют воду, окисление проводят в присутствии катализатора полимерметаллического комплекса меди, при мольном соотношении фосфора к катализатору,равном Р 4 (С(ПАК)2 С 2 или С(ПЭГ)2 С 2)1(611), нагревают до температуры (555)С. Предлагаемый способ обеспечивает выход целевого продукта - 65-83 и достаточно высокую производительность процесса - 4,5-8,5 г фосфорной кислоты на литр реакционного раствора в час. Отработанный катализатор легко регенерируется кислородом и используется многократно. Заявленное техническое решение обеспечивает реализацию безопасной технологии получения фосфорной кислоты путем окисления желтого фосфора в виде толуольного раствора, а также упрощение и ускорение процессов окисления желтого фосфора за счет использования полимерметаллических комплексов меди катализаторов.(72) Акбаева Дина Наурызбаевна Сейлханова Гульзия Амангельдыевна Имангалиева Айнур Нуралыкызы Кенжалина Жанна Жасланызы(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Центр физикохимических методов исследования и анализа Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ(57) Полезная модель относится к способам получения фосфорных кислот и может быть использована в химической промышленности при производстве технических, кормовых и пищевых фосфатов, удобрений и в технологических процессах органического синтеза нефтепереработки. Технический результат - упрощение и ускорение способа, а также реализация безопасной технологии получения фосфорной кислоты. Полезная модель относится к способам получения фосфорных кислот и может быть использована в химической промышленности при производстве технических, кормовых и пищевых фосфатов, удобрений и в технологических процессах органического синтеза нефтепереработки. Известен способ получения фосфорной кислоты(Инновационный патент РК 24539, МПК С 01 В 25/20, опубл. 15.09.2011, бюл. 9), включающий сжигание желтого фосфора в среде рециркулируемого подпитываемого техническим кислородом дутья с остаточным влагосодержанием 0,00001 г/м 3, последующими теплообменном (через стенку) охлаждении продуктов сгорания в котлеутилизаторе с выработкой пара, возвратом на сжигание газовой фазы продуктов сгорания после осаждения из них кристаллического фосфорного ангидрида и гидратацией осажднного ангидрида непосредственным его растворением в циркуляционном растворе фосфорной кислоты. Газы, образующиеся в камере сгорания, после передачи части тепла питательной котловой воде, с температурой 1570-1590 С поступают в котлутилизатор с Г-образной конструкцией. Недостатками известного способа являются- высокая пожароопасность из-за высокой температуры газов (1570-1590 С), образующихся в камере сгорания, после передачи части тепла питательной котловой воде- двухступенчатое образование фосфорной кислоты сжигание элементарного фосфора до предварительно осажднного кристаллического Р 4 О 10 и дальнейшего растворения в циркуляционном растворе фосфорной кислоты- дополнительные затраты на обезвреживание и утилизацию кислых стоков, образующихся в процессе работы. Известен способ получения фосфорной кислоты(Патент Испании 2209 628, МПК С 01 В 25/20,опубл. 01.05.2005), включающий облучение жлтого фосфора Р 4 (0,9 г, 7,3 ммоль) в трубе диаметром 30 мм, в присутствии ТО 2 (20 мг) в тетрагидрофуране (10 мл) галогеновой лампой от 50 до 500 Ватт или солнечной прямой радиацией, при этом температуру варьировали в интервале 10-70 С в течение 20 часов с непрерывной подачей в раствор воздуха со скоростью 0,5 мл/мин. После 6-12 часов образуется раствор Н 3 РО 4 с выходом 72-74. К недостаткам известного способа относятся длительность реализации способа, получение фосфорной кислоты через стадию образования промежуточного вещества Р 4 О 10,а также использование фосфора в эмульсионном виде, а не в виде истинного раствора в растворителе, что является пожароопасным. Наиболее близким по технической сущности является способ получения фосфорной кислоты в результате двухступенчатого селективного гидролиза фосфорных эфиров (Патент США 1008552 А 1, МПК С 01 В 25/163, опубл. 14.06.2000,бюл. 2000/24), включающий окисление желтого фосфора кислородом в присутствии спирта, далее смесь эфиров фосфористой и фосфорной кислот 2 обрабатывают водой для удаления непрореагировавших и не подвергшихся этерификации гипофосфористой и фосфористой кислот. Способ осуществляют в колбе Фишера-Портера объмом 250 мл, в которую помещают 20,0 г желтого фосфора Р 4 (0,646 моль) и 160,0 г безводного гексанола. Систему продувают 2, смесь нагревают при 45 С при интенсивном перемешивании. После расплавления Р 4 нагревание останавливают до образования тонкой дисперсии Р 4,далее полученную смесь охлаждают до комнатной температуры. После чего вводят кислород при давлении кислорода 17,24 кПа, при температуре 35 С, при этом наблюдается образование дыма. Через 12 часов образуется прозрачный раствор, в который добавляют 93,0 г гексанола, затем проводят разделение полученного раствора на две части каждая часть 46,6 и 53,4 вес. соответственно. Первую часть (46,6 вес.) перегоняют для удаления воды. Перегонку проводят в течение 1 часа, после чего смесь барботируют азотом в течение 5 часов и вновь перегоняют. Полученную смесь смешивают с 300 мл воды и подвергают перегонке-гидролизу при 105 С. После 7 часов получают 110 мл гексанола и остаточную двухфазную смесь в дистилляционной колбе, которую разделяют. Органический слой промывают 50 мл воды. Полученная водная фракция содержит 80,3 вес. фосфорной кислоты. Вторую часть окислительной смеси(53,4 вес.) обрабатывают аналогичным способом, в результате получают фосфорную кислоту с выходом 80,0 вес Необходимое время для реализации данного способа составляет более 25 часов. К недостаткам известного способа относятся- пожароопасность, в результате использования желтого фосфора в эмульсионном режиме- многоступенчатость и длительность за счет низкой скорости протекания процессов окисления. Задача изобретения - разработка способа получения фосфорной кислоты, позволяющего реализовать безопасную технологию получения фосфорной кислоты за счет использования желтого фосфора в виде толуольного раствора, а также упрощение и ускорение процессов окисления за счет использования полимерметаллических комплексов меди - катализаторов. Технический результат - упрощение и ускорение способа, а также реализация безопасной технологии получения фосфорной кислоты. Технический результат достигается предлагаемым способом получения фосфорной кислоты путем окисления жлтого фосфора кислородом в присутствии растворителя, при нагревании, интенсивном перемешивании, но в отличие от известного желтый фосфор перед окислением растворяют в толуоле, а в качестве растворителя используют воду, окисление проводят в присутствии катализатора полимерметаллического комплекса меди(С(ПАК)2 С 2 или С(ПЭГ)2 С 2), при мольном соотношении фосфора к катализатору, равном Р 4 или С(ПЭГ)2 С 2)1(6-11),(С(ПАК)2 С 2 нагревают до температуры (555)С. Полиакриловая кислота(ПАК),полиэтиленгликоль (ПЭГ), содержащие в своем составе донорные атомы, образуют полимерные комплексы с ионами меди за счет реализации донорно-акцепторного механизма (Бектуров Е.А. Полимерные электролиты, гидрогели, комплексы и катализаторы. - Алматы, 2007. - 242 с.). Применение полимерметаллических катализаторов ускоряет процессы окисления желтого фосфора, устраняет стадию образования промежуточного вещества Р 4 О 10. Реакция окисления желтого фосфора в присутствии полимерметаллического катализатора протекает по следующему уравнению,представленному в общем виде катализатор Предлагаемый способ обеспечивает выход целевого продукта - 65-83 и достаточно высокую производительность процесса - 4,5-8,5 г фосфорной кислоты на литр реакционного раствора в час. Отработанный катализатор легко регенерируется кислородом и используется многократно. Заявленное техническое решение обеспечивает реализацию безопасной технологии получения фосфорной кислоты путем окисления желтого фосфора в виде толуольного раствора, а также упрощение и ускорение процессов окисления желтого фосфора за счет использования полимерметаллических комплексов меди катализаторов. Для предотвращения побочной реакции окисления желтого фосфора кислородом использован избыток полимерметаллического комплекса меди - катализатора по отношению к фосфору Р 4(С(ПАК)2 С 2 или С(ПЭГ)2 С 2)1(6-11), способ осуществляют при температуре (555)С, что способствует более полному окислению желтого фосфора до фосфорной кислоты. Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, то есть соответствие представленного технического решения критерию новизна. Сопоставительный анализ заявленного технического решения с известными техническими решениями позволил выявить, что совокупность отличительных признаков не известна для специалиста в данной области техники. Предложенный способ получения фосфорной кислоты реализуют следующим образом Пример 1. В непроточный по газу термостатированный стеклянный реактор емкостью 150 мл, соединенный с бюреткой, наполненной кислородом, загружают 9 мл дистиллированной воды и 0,169 г (0,6 ммоль) С(ПАК)2 С 2 - катализатор. Встряхивают реактор 3-4 мин до полного растворения катализатора в воде, затем добавляют 1 мл жлтого фосфора в толуоле (0,106 ммоль) (мольное соотношение Р 4 С(ПАК)2 С 2111). Процесс проводят при температуре(555)С и интенсивном перемешивании реактора до прекращения поглощения кислорода из бюретки в течение 2530 минут. Расход кислорода составляет 22,5 мл. В качестве промежуточных соединений образуются комплексы медис фосфористой кислотой,которые разрушают под действием хлора до фосфорной кислоты. Концентрацию фосфорной кислоты определяют фотоколориметрическим методом. Выход целевого продукта составляет(652). Производительность процесса (количество фосфорной кислоты, полученного с единицы объема раствора в единицу времени) составляет 4,85 г/(лчас). Пример 2. В непроточный по газу термостатированный стеклянный реактор емкостью 150 мл, соединенный с бюреткой, наполненной кислородом, загружают 9 мл дистиллированной воды и 0,34 г (1,2 ммоль) С(ПАК)2 С 2 катализатор. Встряхивают реактор 3-4 мин до полного растворения катализатора в воде, затем добавляют 1 мл жлтого фосфора в толуоле(мольное соотношение Р 4 С(ПАК)2 С 216). Процесс проводят при температуре(555)С и интенсивном перемешивании реактора до прекращения поглощения кислорода из бюретки в течение 2530 минут. Расход кислорода составляет 20 мл. В качестве промежуточных соединений образуются комплексы медис фосфористой кислотой,которые разрушают под действием хлора до фосфорной кислоты. Выход целевого продукта составляет (663). Производительность процесса составляет 4,72 г/(лчас). Пример 3. В непроточный по газу термостатированный стеклянный реактор емкостью 150 мл, соединенный с бюреткой, наполненной кислородом, загружают 9 мл дистиллированной воды и 0,27 г (1,2 ммоль) С(ПЭГ)2 С 2 катализатор. Встряхивают реактор 3-4 мин до полного растворения катализатора в воде, затем добавляют 1 мл жлтого фосфора в толуоле(мольное соотношение Р 4 С(ПЭГ)2 С 2111). Процесс проводят при температуре(555)С и интенсивном перемешивании реактора до прекращения поглощения кислорода из бюретки в течение 2025 минут. Расход кислорода составляет 24 мл. В качестве промежуточных соединений образуются комплексы медис фосфористой кислотой,которые разрушают под действием хлора до фосфорной кислоты. Выход целевого продукта составляет (752). Производительность процесса составляет 8,45 г/(лчас). Пример 4. В непроточный по газу термостатированный стеклянный реактор емкостью 150 мл, соединенный с бюреткой наполненной кислородом, загружают 8 мл дистиллированной воды и 0,27 г (1,2 ммоль) СПЭГ)2 С 2. Встряхивают реактор 3-4 мин до полного 3 растворения катализатора в воде, затем добавляют 2 мл жлтого фосфора в толуоле (0,212 ммоль)(мольное соотношение Р 4 С(ПЭГ)2 С 216. Процесс проводят при температуре (555)С и интенсивном перемешивании реактора до прекращения поглощения кислорода из бюретки в течение 90 минут. Расход кислорода составляет 48 мл. В качестве промежуточных соединений образуются комплексы медис фосфористой кислотой, которые разрушают под действием хлора до фосфорной кислоты. Выход целевого продукта составляет (832). Производительность процесса(количество фосфорной кислоты, полученного с единицы объема раствора в единицу времени) составляет 4,50 г/(лчас). Предлагаемый способ обеспечивает реализацию безопасной технологии получения фосфорной кислоты путем окисления желтого фосфора в виде толуольного раствора, а также упрощение и ускорение процессов окисления желтого фосфора за счет использования полимерметаллических комплексов меди - катализаторов. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Способ получения фосфорной кислоты путем окисления жлтого фосфора кислородом в присутствии растворителя,при нагревании,интенсивном перемешивании, отличающийся тем,что жлтый фосфор перед окислением растворяют в толуоле, а в качестве растворителя используют воду,окисление проводят в присутствии катализатора полимерметаллического комплекса меди(С(ПАК)2 С 2 или С(ПЭГ)2 С 2), при мольном соотношении фосфора к катализатору, равном Р 4(С(ПАК)2 С 2 или С(ПЭГ)2 С 2)1(6-11),нагревают до температуры (555)0 С.