ОБЛАДНАННЯ І ХІМІЧНІ РЕАКТИВИ
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
ОДЕРЖАННЯ ПОДВІЙНОГО СУПЕРФОСФАТУ
Мета роботи: практичне вивчення процесу отримання подвійного суперфосфату розкладанням природних фосфатів фосфатною кислотою.
ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Подвійний суперфосфат – це продукт розкладання збагачених природних фосфатів фосфатною кислотою. Він є одним з найкращих фосфорних добрив, тому що містить в собі 42-55 % засвоюваного Р2О5, з якого близько 90 % знаходиться у водорозчинній формі.
Сировиною для одержання подвійного суперфосфату служать фосфатні руди, основним компонентом яких є кальційфторапатит Са5F(РO4)3. Найбільш поширене використання знайшов Хібінський апатит. В його руді міститься до 18 % Р2О5, а після флотаційного збагачення вміст Р2О5 досягає 39,4 %. В Україні в стадії освоєння знаходяться родовища: Новополтавське (Р2О5після збагачення 33,8-40,6 %), Стремигородське (38,8 % Р2О5), Керченське (39,8 % Р2О5) та інші. За мінералогічним складом вони різняться між собою, але у більшості з них присутні такі домішки, як Аl2O3, Fe2O3, MgСО3, СаСО3 і т.д.
Виробництво подвійного суперфосфату ґрунтується на реакції:
Са5F(РO4)3 + 7Н3PO4+ 5Н2O = 5[Са(Н2РO4)2Н2O] + HF (1)
Це типовий гетерогенний процес, що підпорядковується всім закономірностям таких процесів, тобто на швидкість і ступінь розкладання фосфатів впливають такі фактори, як температура, концентрація кислоти, склад сировини, ступінь її подрібнення, інтенсивність перемішування реагентів тощо. Але найбільший вплив має концентрація фосфатної кислоти, що використовується, і температура.
Швидкість взаємодії реагентів залежить від активності іонів водню в розчинах фосфатної кислоти, а ця активність збільшується зі зростанням концентрації кислоти. Тому використовують кислоту концентровану – 45-54% Р2О5. При цьому на поверхні фосфату утворюються нещільні плівки монокапьційфосфату Са(Н2РO4)2Н2O, які легко руйнуються при перемішуванні. Але згодом набирають силу закономірності дифузійних процесів – кристалів стає більше, що веде до затвердіння пульпи та зменшення швидкості реакції.
При використанні розбавленої фосфатної кислоти (28-37 % Р2O5) на поверхні твердих частинок сировини утворюється суцільна плівка дрібнокристалічного дикальційфосфату СаНРO4, що уповільнює процес, який і так проходить при низькій активності іонів водню. Швидкість реакції і ступінь розкладу фосфатів у цьому випадку невеликі.
Оптимальною вважають концентрацію фосфатної кислоти з вмістом Р2O5, 53-55 %. Таку кислоту можна одержати або з дорогої термічної, або упарюванням екстракційної фосфатної кислоти. Існують способи виробництва подвійного суперфосфату, в яких уникають цього недоліку, використовуючи розбавлену екстракційну кислоту з вмістом 28-39 % Р2O5.
Оптимальні температури теж визначаються окремо для різних способів виробництва (від 70 до 110 °С), але загальні закономірності залишаються в силі: підвищення температури збільшує швидкість і ступінь розкладу фосфатів, сприяє швидкому виділенню фторвмісних газів та схоплюванню і твердінню готового продукту. Підтримують необхідну температуру процесу частіше за рахунок теплового ефекту реакції та температури фосфатної кислоти, що використовується. В деяких способах пульпу підігрівають додатково.
Існують декілька способів виробництва подвійного суперфосфату, які можна поділити на дві групи переробки пульп; що не загусають і загусають, тобто твердіють у процесі розкладу сировини. До першої групи відносяться поточний та ретурний способи. В них використовують розбавлену фосфатну кислоту (28-39 % Р2О5), яка забезпечує рухливість пульпи за рахунок більшої кількості внесеної в систему води, ніж це було б з концентрованою кислотою. Рідка пульпа потім подається насосами на розпилювання в гранулятори – сушарні (поєднані або окремі апарати). Температурний режим для різних реакторів - 75-105 °С (без додавання тепла та з підігрівом відповідно). Норма кислоти становить 100-110 % від стехіометричної. Вона залежить від якості сировини: мінералогічного складу фосфату (кількості домішок), структури зерен, що пов'язано з легкістю їх розкладу, та інше. Так, наприклад, з найбільшою швидкістю розкладаються фосфорити, які мають високу питому поверхню, апатити розкладаються повільніше. Тому для фосфоритів може бути 100 % норма кислоти, а для апатитів її збільшують до 110 %.
Тривалість процесу в реакторах – 1-1,5 години, а іноді до 3 годин. Значним недоліком таких процесів є невисокий ступінь розкладання фосфатів (70-80 %) і підвищена концентрація вільного Р2O5 в готовому продукті (до 10%). Тому для зменшення кислотності подвійного суперфосфату в процесі грануляції його нейтралізують аміаком або крейдою. Одержаний продукт містить в собі 43-45 % Р2O5засв (засвоюваного), 4-8 % Р2O5відта 3-4 % вологи.
До другої групи відносяться камерний та камерно-поточний способи переробки фосфатів. Схема камерного способу не відрізняється від безперервної технології виробництва простого суперфосфату, яку наведено в лабораторній роботі №1 на рисунку 1. Замість сульфатної кислоти в змішувач (5) з напірного баку (3) подають фосфатну кислоту з вмістом Р2О5 45-55 %. Постійну її концентрацію підтримують також розбавленням водою або побічними фосфатними розчинами.
Термін перебування пульпи в камері –70-90 хвилин. За цей час ступінь розкладання апатиту досягає 55 %, фосфориту - 63 %. Період складського дозрівання продукту з апатитового концентрату становить 15 діб (іноді до 25 діб), при цьому ступінь розкладу сировини досягає 82-89 %. Тривалість дозрівання подвійного суперфосфату, одержаного з фосфоритів, може бути скорочена до 6-8 діб при досягненні ступеня розкладу 88-92 %.
Температурний режим в процесі встановлюється на рівні 90-100 °С за рахунок теплоти екзотермічних реакцій розкладання фосфатів та температури вихідної фосфатної кислоти (55-65 °С).
Камерний подвійний суперфосфат після тривалого дозрівання на складі нейтралізують вапняком або аміаком, гранулюють і сушать. Продукт, одержаний з апатиту, має Р2О5засв 47-49 %, з фосфориту - 42-46 %. Кислотність та вологість в них однакова - (2-2,5 %) та (3-4 %) відповідно.
Камерно-поточний спосіб відзначається тим, що продукт безпосередньо після камери нейтралізують аміаком, гранулюють та сушать без дозрівання на складі. Але цей спосіб використовують тільки для тонкоподрібненого фосфориту, який легко розкладається кислотою.
ОБЛАДНАННЯ І ХІМІЧНІ РЕАКТИВИ
Ваги технічні ГОСТ 24104-2001.
Реактор з лопатевою мішалкою.
Конічні колби (місткістю 250см3) ГОСТ 23932-90.
Піпетка ГОСТ 29169-91 (ИСО 648-77).
Натрію гідроксид (0,1 Н розчин) ГОСТ 4328-77.
Метиловий оранжевий ГОСТ 4919.1-77.
Фторапатит.