Физико-химические свойства ортофосфорной кислоты

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО УрФУ имени Первого президента России Б.Н. Ельцина

Химико-технологический институт

Кафедра Технологии неорганических веществ

Реферат

Тема: «Производство экстракционной фосфорной кислоты»

Выполнили: Ефимова Ю.

Нуриева С.

Гр: Х-390601 Б

Проверила: Гашкова В. И.

Екатеринбург 2012

Оглавление.

1.Введение. 3

2.Физико-химические свойства ортофосфорной кислоты. 4

3. Получение H₃PO₄ термическим способами. 5

4.Функциональная схема производства экстракционной фосфорной кислоты. 6

4.1.Сернокислотное разложение апатита. 8

4.2. Утилизация отходов при производстве фосфорной кислоты. 10

5.Список литературы. 16

Введение

 

Фосфорная кислота H₃PO₄ является важнейшим промежуточным продуктом в производстве концентрированных фосфоросодержащих удобрений. Кроме того, фосфорная кислота используется в производстве различных технических солей, фосфорорганических соединений, в том числе инсектицидов, полупроводников, ионообменных смол, а также для создания защитных покрытий на металлах. Очищенная или так называемая пищевая фосфорная кислота используется в пищевой промышленности, для приготовления кормовых концентратов и фармацевтических препаратов. Сырьё для производства фосфорной кислоты. Фосфор извлекают из фосфатных руд их разложением. В настоящее время наибольшее распространение получило кислотное разложение руд, содержащих более 25% Р₂О₅. Фосфорная кислота образуется непосредственно при растворении руды, т.е. прямым извлечением соединений фосфора экстракцией. Отсюда название продукта - экстракционная фосфорная кислота (ЭФК). Из более бедных руд получают термическую фосфорную кислоту. Процесс основан на восстановлении фосфора из природных фосфатов коксом при высоких температурах и дальнейшем получении H₃PO₄ из фосфора.

Целью реферата является получение общих сведений о процессе, сырье, способах получения и использования. Важной задачей также является рассмотрение основной технологической схемы получения фосфорной кислоты. Основу экологической части является описание основных отходов, образующихся в процессе получения фосфорной кислоты – газообразных, жидких, твердых и методов их рациональной переработки (либо утилизации, очищения) в более полезные и широко используемые материалы.

 

Физико-химические свойства ортофосфорной кислоты.

 

Ортофо́сфорная кислота — неорганическая кислота с химической формулой H₃PO₄, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. При температуре выше 213 °C она превращается в пирофосфорную кислоту H₄P₂O₇. Очень хорошо растворима в воде. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 % водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима также в этаноле и других растворителях. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H₃PO₄•0,5H₂O- бесцветные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,7922 нм, b = 1,2987 нм, с = 0,7470 нм, = 109,9°; пространственная группа Р21/a). Молекула безводной H₃PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄. В безводной H₃PO₄ образуются водородные связи типа P — О — H... O = P расстояние между атомами кислорода 0,253 нм, которые удерживают структуры PO₄ в виде слоев, параллельных одной из плоскостей кристалла. Водородные связи сохраняются и в концентрированных (70-80%) растворах H₃PO₄, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфат-анионов с молекулами воды, а не с другими фосфат-анионами. В растворах H₃PO₄имеет место обмен атомами кислорода между группами PO₄ и водой. H₃PO₄- сильная кислота, K₁= 7,1•10^-3 (рКа 2,12), K₂= 6,2•10^-8 (рКа 7,20), K₃= 5,0•10^-13 (рКа 12,32); значения K₁ и K₂ зависят от температуры. Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична. Фазовая диаграмма системы H₃PO₄- H₂O приведена на рис. 2. Максимум кривой кристаллизации - при температуре 302,4 К и содержании H₃PO₄91,6% (твердая фаза - гемигидрат).

Фосфорная кислота при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагревании выше 80 0C реагирует даже с неактивными оксидами, кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах H₃PO₄ - слабый окислитель для металлов. При действии на металлическую поверхность раствором H₃PO₄ с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование). Фосфорная кислота при нагревании теряет воду с образованием последовательно пиро- и метафосфорных кислот.

3. Получение H₃PO₄ термическим способами.

Термический способ (позволяет производить наиболее чистую H₃PO₄) включает основные стадии: сжигание (окисление) элементного фосфора в избытке воздуха, гидратацию и абсорбцию полученного P₄O₁₀, конденсацию фосфорной кислота и улавливание тумана из газовой фазы.

Существуют два способа получения P₄O₁₀: окисление паров P (в промышленности используют редко) и окисление жидкого P в виде капель или пленки. Степень окисления P в промышленных условиях определяется температурой в зоне окисления, диффузией компонентов и др. факторами. Вторую стадию получения термической H₃PO₄- гидратацию P₄O₁₀ - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействием паров P₄O₁₀с парами воды. Гидратация (P₄O₁₀+ 6H₂O → 4 H₃PO₄) протекает через стадии образования полифосфорных кислот. Состав и концентрация образующихся продуктов зависят от температуры и парциального давления паров воды.

Все стадии процесса могут быть совмещены в одном аппарате, кроме улавливания тумана, которое всегда производят в отдельном аппарате. В промышленности обычно используют схемы из двух или трех основных аппаратов. Циркуляционно-испарительный способа производства термической фосфорной кислоты включает в себя испарительную систему, основанную на отводе теплоты при испарении воды или разбавлении H₃PO₄, они наиболее просты в аппаратурном оформлении. Однако из-за относительно большого объема отходящих газов использование таких систем целесообразно лишь в установках небольшой единичной мощности. Циркуляционно-испарительные системы позволяют совместить в одном аппарате стадии сжигания P, охлаждения газовой фазы циркулирующей кислотой и гидратации. Недостаток схемы - необходимость охлаждения больших объемов кислоты. Теплообменно-испарительные системы совмещают два способа отвода теплоты: через стенку башен сжигания и охлаждения, а также путем испарения воды из газовой фазы; существенное преимущество системы - отсутствие контуров циркуляции кислоты с насосно-холодильным оборудованием.