DE3100981A1 - Verfahren zur herstellung von fluorwasserstoff - Google Patents
Verfahren zur herstellung von fluorwasserstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Fluorwasserstoff, insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung von
Fluorwasserstoff innerhalb eines Verfahrens zur Herstellung
von flüchtigen Phosphorverbindungen und deren anschließender Umwandlung zu Phosphorsäure.
In der DE-OS 29 52 060 (US-PS 4 202 867) ist ein neues Verfahren zur Behandlung von Calciumphosphatmaterialien
wie Knochenphosphat und Phosphatgestein mit Fluorsulfonsäure in Gegenwart einer begrenzten Menge Wasser zur
Umwandlung von über 98 % des Phosphors in flüchtige Verbindungen beschrieben, die anschließend hydrolysiert
werden können. Das Verfahren umfaßt auch die Hydrolyse der flüchtigen Verbindungen zu Phosphorsäure und Fluorwasserstoff.
Der Fluorwasserstoff wird dann zurückgeführt, um mit dem erforderlichen Schwefeltrioxid zu reagieren, um
die für das Verfahren erforderliche Fluorsulfonsäure herzustellen.
Es wird angegeben, daß in Abhängigkeit der Art der SiIiciumdioxidverunreinigungen
im Erz eine Nettoproduktion an Fluorwasserstoff aufgrund des Fluoridgehalts des
Gesteins erhalten werden könnte. Der Prozeß würde verhältnismäßig selbsterhaltend sein insoweit, als der für die
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Herstellung der erforderlichen Fluorsulfonsäuremenge
verwendete Fluorwasserstoff betroffen ist. Schwefeltrioxid
ist im wesentlichen das erforderliche Nettoreagenz für die Behandlung des Erzes, um flüchtige Phosphorzwischenprodukte
für die anschließende Umwandlung zu Phosphorsäure und Fluorwasserstoff zu erzeugen.
Es wurde angenommen, daß Siliciumdioxid von der Fluorsulfonsäure
nicht nennenswert angegriffen würde, so daß ein Teil des Fluoridgehalts des Erzes als Fluorwasserstoff
freigesetzt werden könnte. Man war sich dabei bewußt, daß die Rückführung von Fluorwasserstoff in
das Verfahren und die Verwendung von aus dem Fluorapatiterz erzeugten Fluorwasserstoff zur Ergänzung von Verfahrensverlusten
sehr bedeutungsvoll für die Wirtschaftlichkeit der Phosphorsäureherstellung sein würde.
Zur Zeit wird im wesentlichen aller Fluorwasserstoff
durch Behandlung von Flußspaterz (Calciumfluorid, CaF«)
mn't Schwefelsäure bei etwa 250 bis 300 C hergestellt.
Dabei müssen die Verfahrensbedingungen sorgfältig kontrolliert
werden, um die Bildung eines unerwünschten Nebenproduktes, Fluorsulfonsäure, auf ein Minimum zu
beschränken. Bei den heutigen Verfahren muß säurereiner (acid grade) Flußspat einen geringen Siliciumdioxidgehalt
aufweisen und wird gewöhnlich so spezifiziert, daß er
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nicht weniger als 97 % CaF„ enthält. Wenn Siliciumdioxid,
das gewöhnlich in Flußspat und Fluorapatit vorhanden ist, reagiert, wird Schwefelsäure verbraucht und es
tritt ein Verlust in der Fluorwasserstoffherstellung
ein. Die folgende Reaktionsgleichung demonstriert dieses Ergebnis:
2CaF2 + SiO2 + H3SO4 ->
2CaSO4 + SiF4 + 2H2O (1)
Theoretisch werden für jede in dem Erz vorhandene Gewichtseinheit Siliciumdioxid 2,6 Gewichtseinheiten Flußspat
vergeudet und 3,3 Gewichtseinheiten Schwefelsäure verbraucht. SiF- reagiert mit dem gewöhnlich vorhandenen
Wasser zu Fluorkieselsäure, einem unerwünschten Nebenprodukt .
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff in
bedeutenden Mengen zusammen mit flüchtigen Phosphorverbindungen aus fluoridhaltigen Erzen (ores) zu liefern.
Weiterhin soll Fluorwasserstoff als ein Coprodukt mit
Phosphorsäure hergestellt werden. Außerdem soll eine Quelle für zurückzuführenden Fluorwasserstoff zur Umsetzung
mit Schwefeltrioxid zur Bildung zusätzlicher Fluorsulfonsäure geliefert werden. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung ist die Coproduktion von Fluorwasserstoff
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und Phosphorpentafluorid, wobei Überwiegende Menge des
Fluorwasserstoffs aus Calciumfluorid in Gegenwart von
Fluorsulfonsäure hergestellt werden. Ferner liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, Fluorwasserstoff aus der
Gasmischung der Reaktanten anstelle der verhältnismäßig
wenig flüchtigen Schwefelsäure aus dem Reaktionsrückstand zu gewinnen. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, Fluorwasserstoff neben Phosphorsäure durch das Fluorsulfon saure-Phosphorsäure-Ve rfahren herzustellen.
Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff aus fluoridhaltigen
Erzen (ores), das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Fluorid und Phosphat enthaltendes Rohmaterial zur Freisetzung
von Fluorwasserstoff und flüchtigen Phosphorverbindungen mit Fluorsulfonsäure kontaktiert wird, der Fluorwasserstoff
und die flüchtigen Phosphorverbindungen von der überschüssigen Fluorsulfonsäure und den Rückständen
abgetrennt werden, der Fluorwasserstoff von den flüchtigen Phosphorverbindungen abgetrennt und gewonnen wird.
Fluorwasserstoff kann gleichzeitig mit der Herstellung
von flüchtigen Phosphorverbindungen wie Phosphorpentafluorid, Phosphoroxyfluorid und Fluorphosphorsäuren
durch Zusatz von Flußspaterz (CaF_) zu einer Reaktantenmasse aus Calciumphosphat-oder Fluorapatiterz und einem
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Überschuß an Fluorsulfonsäure hergestellt werden. Es
wurde außerdem gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff durch Umsetzung
von Flußspaterz selbst in Gegenwart von Siliciumdioxid mit Fluorsulfonsäure verwendet werden kann und
daß die Fluorsulfonsäure durch Schwefelsäure freigesetzt
wird.
Die US-PS 4 202 867 beschreibt ein verbessertes Verfahren zur Behandlung von Phosphaterzen, einschließlich Fluorapatiten,
mit überschüssiger Fluorsulfonsäure und geringen Mengen Wasser, um 98,0 % oder mehr des Phosphors aus
dem Erz freizusetzen, was hauptsächlich in Form von Phosphorpentafluorid und Phosphoroxyfluorid geschieht.
Diese flüchtigen Verbindungen werden leicht zu Flußsäure und Orthophosphorsäure hydrolysiert oder können zu Fluorwasserstoff
und mono-Fluorphosphorsäure hydrolysiert werden, welche zu meta-Phosphorsäure und Fluorwasserstoff
pyrolysiert werden kann. Siliciumdioxid wird nicht nennenswert durch Fluorsulfonsäure angegriffen, so daß
ein Teil des Fluoridgehalts des Erzes außerdem als Fluorwasserstoff freigesetzt werden kann.
Auf die Lehre der US-PS 4 202 867 (DE-OS 29 52 060) betreffend die Umsetzung überschüssiger Fluorsulfonsäure
mit bestimmten phosphathaltigen Erzen wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
Fluorsulfonsäure gegenüber der stöchiometrisch erforderlichen
Menge in einem Überschuß mit Fluorapatit- und Flußspaterzen zur Bildung einer Aufschlämmung zusammengegeben.
Die Aufschlämmung wird erhitzt, vorzugsweise bis zum Siedepunkt der Aufschlämmungsmasse, welcher
angenähert dem Siedepunkt von Fluorsulfonsäure (165,5 C) entspricht. Wenn der Reaktor ordnungsgemäß ausgelegt
und konstruiert ist, wird die erforderliche Wärmemenge
durch die Reaktionswärme der exothermen Reaktion geliefert. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt bei
bis etwa 3000C. Das Gewicht der verwendeten Fluorsulfonsäure
soll 2 bis 8 mal so groß sein wie das der Ca„(PO.)?-
Rohmaterialien.
Es wurde gefunden, daß mindestens Spuren von Wasser für die Katalyse der Reaktionen von wesentlicher Bedeutung
sind. Durch Erhöhung der bei der Reaktion vorhandenen Wassermenge wird die Erzeugung von Phosphorpentafluorid
im Gesamtprozeß zusammen mit dem Fluorwasserstoff begünstigt
.
Es wurde weiterhin gefunden, daß Fluorsulfonsäure mit
Flußspat zur Bildung von Fluorwasserstoff umgesetzt werden kann, ohne daß eine nennenswerte Reaktion mit
Siliciumdioxid erfolgt. Dies wurde gefunden, indem Fluor-
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sulfonsäure in einen Teflonkolben gegeben und zum Sieden
erhitzt wurde und anschließend feinteiliges Siliciumdioxid zugesetzt wurde. Dem Kolben wurde eine Gasprobe
entnommen und analysiert. In dem Gas wurde nur eine Spur Siliciumtetrafluorid gefunden.
Dann wurde feinteiliges Calciumfluorid in den Kolben
gegeben, und es wurde eine weitere Gasprobe entnommen. Wiederum war nur eine Spur Siliciumtetrafluorid vorhanden.
Es wurde.jedoch gefunden, daß eine große Menge Fluorwasserstoff erzeugt worden war.
1V
j
j
In einem weiteren Experiment wurden 75 Teile Calciumphosphat, 7,3 Teile Calciumfluorid und 7,5 Teile Siliciumdioxid
(alles Gewichtsteile) in einen Überschuß an Fluorsulfonsäure gegeben und die Mischung wurde dann zum
Sieden erhitzt. Die vorherrschenden Dämpfe waren Fluorwasserstoff, Phosphoroxyfluorid und Phosphorpentafluorid.
Es wurde nur eine Spur Siliciumtetrafluorid nachgewiesen.
Die folgenden Beispiele zeigen die grundlegende Chemie der Reaktion von Fluorsulfonsäure mit Calciumfluorid
und die gleichzeitige Erzeugung von Fluorwasserstoff
und flüchtigen Phosphorverbindungen, wenn eine Mischung von Fluorapatit und Calciumfluorid mit Fluorsulfonsäure
umgesetzt wird. Die typischen Gleichungen, die die kombinierte Erzreaktion demonstrieren, sind:
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Ca(P04)2 + 3CaF2 + 6HSO3F —»>
6CaSO4 + 2POF + 6HF (2)
Ca(P04)2 + 7CaF2 + 1OHSO3F + 2Η?Ο ~>
10CaS04+2PF3+14HF (3)
Es wurden 19,8 g Calciumfluorid mit 106,5 g Fluorsulfonsäure
in einem Teflonkolben gemischt. Die Mischung wurde dann am Rückfluß zum Sieden erhitzt, um die Fluorsulfonsäure
zurückzuhalten. Das über Kopf austretende Produkt wurde kondensiert und gesammelt. Es wurden 9,94 g
Fluorwasserstoff als Überkopfprodukt erhalten, was einer
97 %igen Ausbeute, bezogen auf die theoretisch mögliche Fluorwasserstoffmenge entspricht. In der nächsten Stufe
des Experiments wurden 28 g Schwefelsäure zu dem im Kolben verbliebenen Rückstand gegeben und dann zum Sieden
erhitzt. Das Überkopfprodukt wurde wiederum kondensiert und gesammelt. Die Analyse des im Kolben verbliebenen
Rückstands ergab Calciumsulfat, das im wesentlichen kein Fluor enthielt. 97 g Fluorsulfonsäure wurden als
Überkopfprodukt gesammelt. Diese beiden Stufen zeigen, daß die folgenden Reaktionen abliefen:
CaF2 + 2HSO3F -► Ca(FS03)2 + 2HF (4)
)2 + H2SO4 -^- 2HSO3F + CaSO4 (5)
Wie man aus den beiden Reaktionsgleichungen ersehen kann, ist Schwefelsäure der erforderliche Nettoreaktant,
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während die Fluorsulfonsäure gemäß Gleichung (5) zur
Rückführung für die Umsetzung gemäß Gleichung (4) regeneriert wird.
Da Schwefelsäure als Ergebnis der Grundreaktionen zwischen
Fluorsulfonsäure und Calciumphosphat erzeugt wird, das heißt:
Ca3(P04)2 + 6HSO3F —>
2POF3 + 4CaSO4 + 3H2SO4 (6)
und
Ca_(P0„)o + 10HSO0F + 2H0O -^- 2PF,- + 3CaSO. + 7H0SO. (7)
342 3 2 D 4 2 4
ist das Nebenprodukt Schwefelsäure in der Rückstandsmasse
vorhanden. Wenn Flußspat, CaF-, zu dem System gegeben wird, entweder vor oder nach der Grundreaktion zwischen
Calciumphosphat und Fluorsulfonsäure, dann steht die überschüssige Fluorsulfonsäure für die Umsetzung mit
dem Calciumfluorid gemäß Gleichung (4) zur Verfügung und die gemäß Gleichungen (6) und (7) erzeugte Schwefelsäure
reagiert gemäß Gleichung (5) mit dem Calciumfluorosulfonat, das gemäß Gleichung (4) gebildet worden ist.
Dementsprechend kann Fluorwasserstoff als Coprodukt zusätzlich zu den flüchtigen Phosphorverbindungen hergestellt
und Fluorsulfonsäure gewonnen werden, so daß Calciumsulfat die Rückstandsmasse bildet.
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Zur Demonstration des Vorangegangenen wurde ein Experiment
durchgeführt, bei dem 20 g Florida-Kiesphosphaterz (pebble
phosphate ore) und 10 g Calciumfluorid zu 124 g Fluorsulfonsäure
gegeben wurden. Es wurde am Rückfluß zum Sieden erhitzt, um die flüchtigen Phosphorverbindungen und
den Fluorwasserstoff auszutreiben. Die bei diesem Experiment
verwendeten 10 g Calciumfluorid entsprechen 80 % der stöchiometrischen Menge an CaF„, die zugesetzt werden
könnte, wenn die Menge an zur Verfugung stehender Schwefelsäure diejenige ist, die erzeugt werden würde, wenn die
flüchtigen Phosphorverbindungen wie in den Gleichungen 6 und 7 angegeben, im Verhältnis von 70 % Phosphoroxyflucrid
und 30 % Phosphorpentafluorid gebildet werden. Am Ende des Experiments verblieb kein Phosphor im Rückstand, was eine
vollständige Verflüchtigung anzeigt. Die Fluorsulfonsäure
wurde dann vom Rückstand abgetrennt und es blieb kein Calciumfluorid zurück.
Fs können offensichtlich auch andere Reaktionsmassen, die
Schwefelsäure als Abfall- oder Nebenprodukt enthalten, für die Herstellung von Fluorwasserstoff durch Zugabe von
Fluorsi'lf onsäure und Calciumf luorid verwendet verden.
Ebenso können Fluorsulfonsäure und Schwefelsäure zur
Behandlung von Flußspaterzen, sogar siliciumdioxidhaltigen Flußspaterzen, für die direkte Herstellung von Fluorwasser-
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stoff anstelle der herkömmlichen Verfahrensweise der
Verwendung von Schwefelsäure allein verwendet werden, da die Gegenwart von Fluorsulfonsäure die Reaktionstemperatur
erniedrigt und den Angriff auf das Siliciumdioxid auf ein Minimum beschränkt.
ka: kö
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Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff aus
fluoridhaltigen Erzen, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Fluorid und Phosphat enthaltendes Rohmaterial zur Freisetzung von Fluorwasserstoff und flüchtigen
Phosphorverbindungen mit Fluorsulfonsäure kontaktiert
wird, der Fluorwasserstoff und die flüchtigen Phosphorverbindungen
von der überschüssigen Fluors 'lfonsäure und den Rückständen abgetrennt werden,
der Fluorwasserstoff von den flüchtigen Phosphorverbindungen abgetrennt und gewonnen wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüchtigen Phosphorverbindungen Phosphorpentafluorid
und Phosphoroxyfluorid sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Fluorwasserstoff ein zusätzliches
Produkt zu dem Fluorwasserstoff ist, der durch Hydrolyse der flüchtigen Phosphorverbindungen hergestellt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluorid enthaltenden Erze eine Mischung von
Flußspat und Fluorapatit sind.
5. Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff aus
fluoridhaltigen Erzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufschlämmung aus einem stöchiometrischen Überschuß
an Fluorsulfonsäure und einem Calciumphosphaterz in Gegenwart von Calciumfluorid hergestellt wird,
die Aufschlämmungskomponenten zur Entwicklung von flüchtigen Phosphorverbindungen und Fluorwasserstoff
umgesetzt werden,
die flüchtigen Phosphorverbindungen und der Fluorwasserstoff von der Reaktionsmasse abgetrennt werden,
die flüchtigen Phosphorverbindungen von dem Fluorwasserstoff · abgetrennt werden und der Fluorwasserstoff
gewonnen wird. 13 0 048/0571
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Aufschlämmung vorhandene Menge an
Calciumfluorid annähernd der Menge entspricht, die
für die Reaktion mit der als Nebenprodukt bei der
Reaktion zwischen der Fluorsulfonsäure und dem Calciumphosphat
gebildeten Schwefelsäure erforderlich ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gewonnene Fluorwasserstoff zur Gewinnung
von Fluorsulfonsäure für das Verfahren mit Schwefeltrioxid umgesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgeführte Menge Fluorwasserstoff mindestens
der Menge Fluorwasserstoff entspricht, die zur Herstellung der benötigten Fluorsulfonsäure erforderlich
ist, und daß der Rest des Fluorwasserstoffs als Produkt gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Fluorsulfonsäure aus den Rückständen verflüchtigt,
anschließend von anderen flüchtigen Verbindungen getrennt und in das Verfahren zurückgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der verwendeten Fluorsulfonsäure
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2 bis 8 mal so groß ist wie das Gewicht des Calciumphosphats.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschlämmung auf eine Temperatur von 150
bis etwa 300°C erhitzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Fluorwasserstoff, Phosphorpentafluorid und Phosphoroxyfluorid
als Endprodukte getrennt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Ansatz erforderliche Fluorsulfonsäuremenge
durch Umsetzung von Schwefeltrioxid mit einem Teil des darin vorhandenen Fluorwasserstoffs geliefert
wird.
14. Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff und
Phosphorsäure, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufschlämmung von Calciumphosphatmaterial zur
Erzeugung von flüchtigen Phosphorverbindungen mit ausreichend Fluorsulfonsäure gebildet wird,
zur Erzeugung von Fluorwasserstoff der Aufschlämmung
Calciumfluorid zugesetzt wird,
der Fluorwasserstoff und die flüchtigen Phosphorverbindungen von der Fluorsulfonsäure und den Rück-
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ständen abgetrennt werden,
die flüchtigen Phosphorverbindungen zur Erzeugung von Phosphorsäure hydrolysiert werden und
der Fluorwasserstoff aus dem Calciumfluorid als
zusätzliches Produkt zu dem bei der Hydrolyse der flüchtigen Phosphorverbindungen zur Erzeugung von
Phosphorsäure gewonnenen Fluorwasserstoff gewonnen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten flüchtigen Phosphorverbindungen
und der Fluorwasserstoff sowie die Fluorsulfonsäure
zunächst von den Rückständen abgetrennt werden, anschließend Calciumfluorid zu den sauren Rückständen
gegeben wird und
Fluorwasserstoff gebildet wird, der als zusätzliches
Produkt gewonnen wird.
16. Verfahren zur Herstellung von Fluorwasserstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß Fluorsulfonsäure in Gegenwart von Schwefelsäure mit Calciumfluorid umgesetzt
und
der so erzeugte Fluorwasserstoff gewonnen wird.
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