1 Яку масу 64 % - ної Н₂SО₄ треба взяти для переробки 140 т фосфориту на простий суперфосфат, якщо вміст фосфату кальцію в фосфориті після збагачення складає 90 %?

2 Розрахувати коефіцієнт витрати сировини апатитового концентрату, який містить 86 % Са₃(РО₄)₂, сульфатної кислоти та води для одержання 1 т простого суперфосфату.

Лабораторна робота № 3

ОДЕРЖАННЯ АМОНІЗОВАНОГО СУПЕРФОСФАТУ

І Елементи теорії

Суперфосфат амонізований гранульований із алжирського фосфориту – суміш гранул від сірого до темно-сірого кольору розміром від 1 до 4 мм. Цей продукт негігроскопічний, при зберіганні не злежується. Мінералогічно суперфосфат являє собою в основному суміш мікрокристалів Ca(H₂PO₄)₂×H₂O і CaSO₄×0,5H₂O, а також домішки CaHPO₄,×Ca₄H₂(P₃O₁₀)₂, NH₄K₂PO₄×(NH₄)₂SO₄, Mg(H₂PO₄)₂ тощо.

Процес одержання амонізованого суперфосфату із алжирських фосфоритів подібний до процесу одержання простого суперфосфату (крім декількох реакцій нейтралізації) і здійснюється в дві основні стадії:

–одержання пульпи необхідного хімічного складу;

–гранулювання і сушка пульпи, класифікація гранульованого продукту.

Одержання пульпи здійснюється в двохреакторному апараті. В реакторі І ступеня фосфорит підлягає кислотній обробці, в результаті чого одержується пульпа, яка містить в рідкій фазі кислі фосфати кальцію і магнію, а також вільну фосфатнуну кислоту. В твердій фазі пульпа містить не розкладений фосфорит і кристали малорозчинного CaSO₄×0,5 H₂O. Для забезпечення необхідних умов розкладання, в реактор І ступеня подають сульфатну кислоту концентрації: 72-75 %, стічну воду і фосфорит.

Пульпа в реакторі І ступеня перетікає в реактор ІІ ступеня, де нейтралізується частина вільної фосфатної кислоти. При одержанні суперфосфату амонізованого в реакторі ІІ ступеня для нейтралізації вільної кислоти подають аміачну воду.

Нейтралізована пульпа з реактора ІІ ступеня подається в апарати СГБ, де вона гранулюється і сушиться. Особливістю технології розкладу в реакторі І ступеня при виробництві суперфосфату марок «А» і «Б» є те, що процес здійснюється при невеликих нормах подачі сірчаної кислоти на одиницю маси фосфориту. Внаслідок цього в реакторі І ступеня розкладання компонентів фосфатної сировини здійснюється фосфорною кислотою, яка міститься в рідкій фазі пульпи. Температурні і концентраційні характеристики пульпи в реакторі І ступеня такі, що її рідка фаза не являє собою насичений розчин по монокальційфосфату і мономагнійфосфату. В реакторі І ступеня фосфатна кислота, насамперед, розкладає карбонатовмісні домішкифосфатної сировини – кальцит і доломіт.

CaCO₃ + 2H₃PO₄ = Ca(H₂PO₄)₂ + CO₂ + H₂O (1)

CaMg(CO₃)₂ +4H₃PO₄=Mg(H₂PO₄)₂+Ca(H₂PO₄)₂ +2CO₂ +2H₂O (2)

Вказані реакції, із за інтенсивного виділення газоподібного CO₂ викликають піноутворення реакційної пульпи. При густині пульпи значно нижче регламентованої може спостерігатися витікання піни з апаратури.

Основний процес розкладання фосфатної сировини здійснюється за реакцією:

Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 14H₃PO₄ = 10Ca(H₂PO₄)₂ + 2HF (3)

Введення сульфатної кислоти в реактор І ступеня призводить до розкладання монокальційфосфату і виділенню вільної фосфатної кислоти за реакцією:

Ca(H₂PO₄)₂ + H₂SO₄ + 0,5 H₂O = CaSO₄×0,5 H₂O + 2H₃PO₄ (4)

При регламентованих температурах і концентраційних параметрах процесу розкладання сульфат кальцію випадає в тверду фазу переважно у вигляді напівгідрату. При температурах нижче регламентованих в реакторі утворюються переважно CaSO₄×2 H₂O.

В реакційній пульпі протікає також ряд побічних процесів. Наявність в фосфатній сировині 2-2,5 % SiO₂ дає можливість увесь фтор, виділений по реакції, зв’язати у формі іонів SiF₆^2-:

6HF + SiO₂ = H₂SiF₆ (5)

В той же час домішок лужних металів в фосфатній сировині достатньо, щоб іони SiF₆^2- знаходились у пульпі у вигляді малорозчинених силіційфлуоридів калію і натрію.

Алжирські фосфорити характеризуються відносно низьким вмістом домішок заліза і алюмінію. В процесі кислотного розкладу сполуки названих елементів розчиняються, утворюючи перенасичені розчини кислих фосфатів. Із реактора розкладання І ступеня у реактор ІІ ступеня надходить пульпа з вмістом вільної фосфатної кислоти. При одержанні суперфосфату амонізованого нейтралізація вільної фосфорної кислоти ведеться аміаком з утворенням моноамонійфосфату по нижче приведеній реакції. При цьому рН пульпи підтримується в межах 3÷3,2.

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄ (6)

При завищенні витрати аміачної води можливе достатньо глибоке протікання реакції, що є не бажаним :

Ca(H₂PO₄)₂ + NH₃ = CaHPO₄ + NH₄H₂PO₄ (7)

CaSO₄ + 2NH₃ + H₃PO₄ = CaHPO₄ + (NH₄)₂SO₄ (8)

По реакціям 7, 8 вміст засвоєного P₂O₅ не змінюється, але проходить ретроградація водорозчинної форми P₂O₅ в менш цінну форму – цитрарозчинну. Нейтралізована пульпа із реактора ІІ ступеня подається на стадію грануляції і сушки. На цій стадії поряд з фізичним видаленням вологи здійснюється протікання ряду хімічних процесів. При cушці проходить процес більш глибокого зв'язування вільної фосфатної кислоти по реакції 4. Можливі й інші побічні процеси і реакції.

ІІ Мета: Одержати амонізований суперфосфат та визначити вміст в ньому фосфору, який засвоюється.

ІІІ Самостійна робота

Вивчити теоретичний матеріал, стисло записати хід роботи.

Обладнання.Наважки, технічні терези, аналітичні терези, фарфорова чашка, термометр, електроплитка, скляна паличка, сушильна шафа, фарфорова ступка, товкачик, мірний циліндр, лійка, фільтрувальний папір, беззольний фільтр, мірна колба на 250 мл (2 шт.), піпетка, пробка, термостат, колба, магнітна мішалка, тигель, муфельна піч.

Реактиви та матеріали.73-75% (62-64%) -вий розчин сульфатної кислоти, фосфорит із 31-33% Р₂О₅, 22-23% -вий розчин аміаку, 10%-вий розчин хлоридної кислоти; розчин Патермана, 2-3%-вий розчин аміаку, розчин фенолфталеїну, магнезіальна суміш.

ІV Порядок виконання роботи

1. Одержання суперфосфату амонізованого.

За рівнянням реакції розраховують необхідну кількість сульфатної кислоти на задану викладачем наважку фосфориту. В заздалегідь зважену фарфорову чашку наливають розрахунковий об’єм Н₂SО₄ (62-64% -вої) та підігрівають її до 50-60⁰С на електричній плитці, потім порціями в чашку додають зважений фосфорит. Суміш перемішують скляною паличкою 15 хвилин, потім ставлять у сушильну шафу на 20-30 хвилин, достають і додають до суміші розраховану кількість 5-10 % - вого розчину аміаку з контролем рН у межах 3,0 - 3,2, потім знову суміш ставлять у сушильну шафу, де вона витримується ще протягом 40-50 хвилин при 110-120⁰С.

Після охолодження чашку з продуктом зважують та розраховують вихід амонізованого суперфосфату.

2. Аналіз суперфосфату.

Методика аналізу описана в попередній роботі № 1, провести аналіз згідно методики.

Результати роботи заносять до таблиці:

V Контрольні запитання

1. Поясніть можливість застосування фосфату кальцію на кислому ґрунті.

2. Чому при одержанні простого суперфосфату використовують сульфатну кислоту тільки середньої концентрації ?

3. Розкажіть про розкладання фосфатної сировини нітратною кислотою, які процеси при цьому протікають (складіть рівняння реакцій) і які продукти утворюються.

4. Які реакції лежать в основі одержання складного комплексного добрива N:P:K.

5. Які переваги амонізованого суперфосфату перед простим суперфосфатом.

VІ Задачі для розв’язування

1. Визначити витрати 75 % - вої сульфатної кислоти для переробки 1 т апатитового концентрату, який містить 52,3 % СаО, якщо норма сульфатної кислоти складає 98,9 % від стехіометричної маси.

Лабораторна робота №3