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Keywords:

  • phosphoric acid evaporators;
  • calcium sulphate solubility;
  • scale formation;
  • modelling

Abstract

The primary problem in concentrating phosphoric acid is due to fouling on the tube-side of the heat exchangers of the evaporator units. Scaling on the heat transfer surfaces occurs because of high supersaturation of phosphoric acid liquor with respect to calcium sulphate. A review of the existing literature reveals that no information is available on heat transfer and on crystallization fouling of industrial phosphoric acid solutions. In this investigation, the solubility of different calcium sulphate types in phosphoric acid solution was studied and its dependency on acid concentration and temperature was investigated. A large number of fouling experiments were carried out in a side-stream of a phosphoric acid plant at different flow velocities, surface temperatures and concentrations to determine the mechanisms, which control the deposition process. After identifying the effects of operational parameters on the deposition process, a model was developed for prediction of fouling resistances. The reaction of calcium sulphate crystallization followed a second order rate with respect to the supersaturation. The activation energy evaluated for the surface reaction of the deposit formation was found to be 57 kJ/mol. The predicted fouling resistances were compared with the experimental data. Quantitative and qualitative agreement between measured and predicted fouling rates is good.

Le principal problème dans la concentration de l'acide phosphorique est dû à l'encrassement de la face côté tube des échangeurs de chaleur des unités d'évaporation. Les dépôts qui se forment sur les surfaces de transfert de chaleur sont dus à une sursaturation importante de la liqueur d'acide phosphorique par rapport au sulfate de calcium. Un examen de la littérature scientifique révèle qu'aucune information n'est disponible sur le transfert de chaleur et sur l'encrassement par cristallisation des solutions d'acide phosphorique industrielles. Dans cette étude, on a étudié la solubilité de différents types de sulfate de calcium dans la solution d'acide phosphorique et sa dépendance par rapport à la concentration en acide et à la température. Un grand nombre d'expériences d'encrassement ont été menées dans un piquage d'une unité d'acide phosphorique à différentes vitesses d'écoulement, températures de surface et concentrations, dans le but de déterminer les mécanismes, qui contrôlent le processus de déposition. Après avoir déterminé les effets des paramètres opératoires sur le procédé de déposition, on a mis au point un modèle pour la prédiction des résistances à l'encrassement. La réaction de cristallisation du sulfate de calcium suit une cinétique de second ordre par rapport à la sursaturation. On a trouvé que l'énergie d'activation évaluée pour la réaction de surface de la formation des dépôts était de 57 kJ/mol. Les résistances à l'encrassement prédites sont comparées aux données expérimentales. Un bon accord quantitatif et qualitatif est trouvé entre les vitesses d'encrassement prédites et mesurées.