Обладнання та хімічні реактиви

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

ОДЕРЖАННЯ ПРОСТОГО СУПЕРФОСФАТУ СІРЧАНОКИСЛОТНИМ РОЗКЛАДАННЯМ АПАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТУ

Мета роботи: практичне вивчення процесу отримання простого суперфосфату сірчанокислотним розкладанням фосфатів.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Суперфосфат – найбільш поширене фосфорне добриво. Простий суперфосфат одержують розкладанням природних фосфатів - апатитового концентрату або фосфоритної муки сірчаною кислотою. Суперфосфат являє собою порошок або зерно сірого кольору. Його основними складовими частинами є монокальційфосфат Са(Н₂РО₄)∙2Н₂О і безводний сульфат кальцію СаSO₄.

Якість суперфосфату оцінюють за вмістом в ньому засвоюваної Р₂О₅, тобто суми водорозчинної Р₂О₅ (вільної фосфорної кислоти, що міститься у вигляді монокальцій- і мономагнійфосфатів) і цитратнорозчинної Р₂O₅ (у формі дикальцій- і димагнійфосфатів, фосфатів заліза й алюмінію).

При одержанні суперфосфату розкладання основного компонента фосфатної сировини – фторапатиту – йде відповідно до загального рівняння:

2Са₅F(РO₄)₃ + 7Н₂SO₄ = 3Са(Н₂РO₄)₂ + 7СаSO₄ + 2НF (1)

У дійсності процес проходить в дві стадії. При надлишку сульфатної кислоти спочатку процес йде на поверхні твердих часток фосфату з утворенням вільної фосфатної кислоти:

Са₅F(РO₄)₃ + 5Н₂SO₄+ 2,5Н₂O = 5(СаSO₄∙0,5Н₂O) + 3Н₃РO₄ + HF (2)

Після повної витрати сульфатної кислоти починається друга стадія процесу розкладання апатиту, що залишився, накопиченою фосфатною кислотою за реакцією:

Са₅F(РO₄)₃ + 7Н₂SO₄+ 5Н₂O = 5[Са(Н₂РO₄)₂Н₂O] + HF (3)

Схема безперервного способу виробництва суперфосфату зображена на рисунку 1. Подрібнений апатитовий концентрат (або фосфоритна мука) системою транспортерів, шнеків і елеваторів передається зі складу в автоматичний ваговий дозатор (1), із якого дозується в змішувач безперервної дії (2). Сульфатна кислота (75% баштова Н2804) перекачується відцентровим насосом у напірний бак (3), а потім у дозатор-змішувач (5), у котрому безперервно розбавляється водою до концентрації 68-72 % Н₂SO₄.

На обертовій суперфосфатній камері (6) встановлений трикамерний змішувач (2), у якому змішуються в заданому співвідношенні фосфатна сировина із сульфатною кислотою. Тут починається І стадія розкладання фосфату, час перебування в змішувачі – 2-5 хвилин, потім пульпа надходить в обертову камеру (6). Камера встановлена на монорейці і підшипниках.

Центральна труба є віссю обертання. Швидкість обертання камери становить близько одного обороту за годину.

У промисловості ступінь розкладання фосфату в суперфосфатній камері сягає 85-87 %. У камері пульпа твердіє за рахунок утворення сульфату кальцію (гіпсу) і підходить до фрезера (7) готовою для вивантаження. Зрізаний ножами фрезера суперфосфат потрапляє на транспортер (8), за допомогою якого передається у відділення дообробки - склад суперфосфату, по котрому рівномірно розподіляється розкидачем (9). Для поліпшення дозрівання суперфосфату його перемішують на складі грейферним краном. Ступінь розкладання фосфату після двотижневого дозрівання на складі підвищується до 92-96 %.

1 - ваговий дозатор для апатитового концентрату, 2 - змішувач безперервної діі,3 - напірний бак для сірчаної кислоти, 4 - напірний бак для води, 5 - дозатор-змішувач для сірчаної кислоти, 6 - обертова суперфосфатна камера,7 - обертовий фрезер для зрізання суперфосфату.

8 - транспортер відправлення продукту на склад для дозрівання, 9 - розкидач суперфосфату на складі

Рисунок 1 – Схема одержання простого суперфосфату

Швидкість реакції розкладання фосфатів сульфатною кислотою зростає з підвищенням температури. Необхідний температурний режим установлюється за рахунок теплоти реакції і вмісту фосфатів та сульфатної кислоти.

Оптимальна температура сульфатної кислоти для розкладання апатитового концентрату при змішуванні реагентів залежить від її концентрації. Так, для кислоти концентрацією 64 % температура підтримується 65-71 °С, а для 70 % - температура 50-60 °С. У зимовий час температура повинна бути на 5-10 °С вищою. В оптимальних умовах температура пульпи, що виходить із змішувача, знаходиться в межах 110-115°С. У камері температура суперфосфату сягає 115-120 °С. Зниження температури пульпи при зазначених умовах свідчить про недостатнє розкладання фосфату.

Робота мішалок у змішувачах повинна забезпечувати однорідність пульпи і якомога більшу швидкість потоку рідкої фази стосовно поверхні часток фосфату. Перемішування прискорює дифузійний обмін іонів у поверхневому шарі й об'ємі розчину і підвищує швидкість реакції розкладання фосфату.

Безперервне живлення змішувача з безперервним виведенням суміші через перелив забезпечує у змішувачі постійний об’єм пульпи, що містить у рідкій фазі фосфатну кислоту. Введена сульфатна кислота безперервно розбавляється рідкою фазою реакційної пульпи, що дозволяє уникнути несприятливих умов, які ведуть до утворення непроникних шкірок, незважаючи на застосування відносно концентрованої (до 68,0-70,0 %) Н₂SO₄. У цих умовах підтримується постійний концентраційний режим, що забезпечує порівняно високу швидкість розкладання фосфату й одержання суперфосфату з високими фізичними властивостями.

Оптимальний концентраційний режим на практиці здійснюється добором тривалості перебування пульпи в змішувачі. З цією метою змінюють корисний об'єм змішувача регулюванням рівня пульпи. При початковій концентрації Н₂SO₄ 68,5-70,0 % час перебування пульпи в змішувачі становить 5-7 хвилин.

Використання кислоти більш низької концентрації викликає повільне тужавлення пульпи кальцію сульфатом, внаслідок чого утворюється суперфосфат, що погано зрізається фрезером і транспортується.

Показником процесу одержання суперфосфату з апатитового концентрату є коефіцієнт його розкладання, що являє собою відношення засвоюваної Р₂О₅ до загального вмісту Р₂O₅. При будь-якій нормі сульфатної кислоти цей показник розраховується за формулою:

(1)

де n - фактична норма сульфатної кислоти у ваг.ч. на 100 ваг.ч. апатиту;

n₀ - стехіометрична норма кислоти.

На практиці норму кислоти збільшують на 10-12 % від стехіометричної для розкладання домішок у фосфатній сировині.

Вміст Р₂O₅ у готовому суперфосфаті приблизно в два рази нижчий, ніж у вихідній сировині, і становить при переробці апатитів 19-20 % Р₂О₅, а фосфоритів - 14 % Р₂О₅.

ОБЛАДНАННЯ ТА ХІМІЧНІ РЕАКТИВИ

Кислота сульфатна (різної концентрації) ГОСТ 4204-77.

Ваги технічні ГОСТ 24104-2001.

Реактор з лопатевою мішалкою.

Конічні колби (місткістю 250 см3) ГОСТ 23932-90.

Піпетка ГОСТ 29169-91 (ИСО 648-77).

Фторапатит.

Натрію гідроксид (0,1 Н розчин) ГОСТ 4328-77.

Бромкрезоловий зелений: 0,2 г індикатору, 6 мл 0,1 Н NaOH, 5 мл спирту, потім довести об'єм водою до 100 мл.

Змішаний індикатор: 0,6 г фенолфталеїну і 0,1 г метилового червоного в 100 см³ спирту.