Лабораторная работа № 6 Тема: «Получение и анализ простого суперфосфата»
ЦЕЛЬ: практические изучение условий получения простого суперфосфата и знакомство с аналитическим контролем его производства.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Простой суперфосфат получают разложением фосфатных руд серной кислотой. Он содержит 65-72% твердых веществ и 28-35% жидкой фазы. Твердые фазы: фосфаты кальция, магния, железа, алюминия, сульфата кальция, не разложенные минералы и др. Жидкая фаза состоит из водного раствора фосфорной кислоты, насыщенного монокальцийфосфатом.
Качество суперфосфата оценивается по содержанию усвояемой Р2О5 в форме водорастворимых соединений /Н3РО4, Са(Н2РО4)2, Mg(Н2РО4)2/ и веществ, растворимых в цитратном растворе (СаНРО4, MgНРО4, частично фосфаты железа и алюминия). Продукт содержит от 14 до 21% Р2О5 усв.
Основные реакции и расчет расходных коэффициентов
Сущность производства суперфосфата из апатита состоит в том, что нерастворимая в воде нейтральная трехкальциевая соль ортофосфорной кислоты Са3(РО4)2, содержащаяся в природных фосфатах в виде минерала кальцийфторапатита 3Са3(РО4)2·СаF2, превращается в растворимые соединения, преимущественно монокальцийфосфат Са(Н2РО4)2 и частично в свободную фосфорную кислоту и дикальцийфосфат СаНРО4.
Суммарная реакция разложения апатита серной кислотой:
2Са5(РО4)3F + 7Н2SO4+6,5Н2О = 3Са(Н2РО4)2Н2О+7СаSO4·0,5Н2О + 2НF (1)
на самом деле реакция разложения апатита серной кислотой протекает
в две стадии.
В первой стадии фторапатит реагирует с серной кислотой:
Са5(РО4)3F + 5Н2SO4+2,5Н2О = Н3РО4+5СаSO4·0,5Н2О + НF (2)
Вторая стадия реакция протекает с затухающей скоростью и может длиться до 15-30 суток:
Са5(РО4)3F + 7Н3РО4+5Н2О = 5Са(Н2РО4)2Н2О+НF (3)
Процесс кислотного разложения фосфоритов Каратау, в отличие от разложения апатита, протекает в три стадии.
Первая стадия реакции:
Са5(РО4)3F + 5Н2SO4 =5СаSO4+3 Н3РО4+НF (4)
Ca,Mg(CO3)2+2Н2SO4 = СаSO4+MgSO4+2СО2+2Н2О (5)
MgSO4+2Н2SO4 = MgSO4+SiO2+2Н2О (6)
Заканчивается образованием водного раствора, содержащего фосфорную кислоту и сульфат магния.
Вторая стадия реакции:
Са5(РО4)3F + 5MgSO4 + 7Н3РО4 = 5СаSO4+ Mg(Н2РО4)2+НF (7)
По завершении 2-й стадии в жидкой фазе остаются в основном Н3РО4, Mg(Н2РО4)2 и Н2О.
Третья стадия реакции состоит в разложении остаточного апатита фосфорной кислотой в присутствии Mg(Н2РО4)2:
Са5(РО4)3F + 7Н3РО4= 5Са(Н2РО4)2+НF (8)
Полуторные оксиды, содержащиеся как в апатитах, так и фосфоритах
образуют фосфаты:
-
Fe2O3+H2SO4 + Са(Н2РО4)2 = 2FeРО4 + СаSO4+ 3Н2О
(9)
Al2O3+ H2SO4+Са(Н2РО4)2 = 2AlРО4 + СаSO4 + 3Н2О
(10)
Стехиометрический расход серной кислоты
для
апатита
рассчитывается по содержанию в нем Р2О5 по уравнению (1):
=
= 1,61 м.ч./м.ч. Р2О5
а на 100 м.ч. апатита, содержащего а, %т Р2О5
а·1,61= м.ч. H2SO4
при использовании для разложения раствора H2SO4 с концентрацией С. расход серной кислоты в натуре
м.ч./100 м.ч. апатита
или
об.ч.,
где ρ- плотность принятого раствора H2SO4.
В случае применения для получения простого суперфосфата фосфорита Каратау расход серной кислоты рассчитывают по уравнениям 1, 5, 9, 10. В соответствии с этими уравнениями должны быть приняты следующие стехиометрические коэффициенты для расчета расхода H2SO4 для соответствующих оксидов.
=
= 1,61 м.ч. 
=
= 2,33 м.ч.
=
= 0,61 м.ч. 
=
= 0,96 м.ч.
Расход H2SO4 на фосфорит определенного состава:
N
=1,61·а1+2,33·а2+0,61·а3+0,96·а4
где а1, а2 ,а3 ,а4 - содержание Р2О5, СО2, Fe2O3,Al2O3 в сырье, проценты.
Расход раствора H2SO4 в массовых или объемных единицах находят, как было приведено выше.
Практически применяемый расход H2SO4 при переработке фосфоритов на 3-5% превышает стехиометрический.
Оборудование и реактивы: Сушильный шкаф, химическая посуда, аналитические и технические весы, фотоколориметр.