Послідовність виконання роботи і проведення розрахунків

Для виконання роботи необхідно розрахувати норму фосфорної кислоти, тобто її кількість (Р₂О₅) на розкладання масової одиниці фосфату. За основним рівнянням розкладання фосфориту стехіометрична норма чистої (термічної) кислоти для апатитового концентрату, який має мало домішок, становить:

 

, (1)

де [Р₂О_5ап] – вміст Р₂О₅ в апатиті, %;

[Р₂О_5к] – вміст Р₂О₅ фосфатній кислоті, %;

g – наважка апатитового концентрату, г;

2,33 - кількість масових одиниць Р₂О₅ кислоти на масову одиницю Р₂О₅ в апатиті за стехіометрією.

Якщо використовують фосфати зі значним вмістом домішок (таблиця 1), то розрахунок ведуть на всі можливі реакції:

СаСО₃ + 2H₃PО₄ = Са(Н₂РO₄)₂ ∙Н₂O + CО₂↑, (2)

MgСО₃ + 2H₃PО₄ = Mg (Н₂РO₄)₂ ∙Н₂O + CО₂↑, (3)

R₂О₃ + 2H₃PО₄ + Н₂O = 2RPО₄ ∙2Н₂O, (4)

де R₂О₃ – оксиди тривалентних металів Аl₂O₃ та Fe₂O₃.

За реакцією (2) на 1 масову частину СаО витрачається 2,54 масових частин Р₂О_5к, за рівнянням (3) - 3,35 Р₂О_5к, за реакцією (4) – 1,39 Р₂О_5к на А1₂О₃ та 0,89 Р₂О_5к на Fe₂О₃. Якщо позначити вміст компонентів у фосфаті, %: Р₂О₅ – х, СаО – х₁, MgO – х₂; А1₂О₃ – х₃; Fe₂О₃ – х₄, то стехіометрична норма кислоти у цьому випадку становить:

(2)

Якщо використовують не термічну, а екстракційну фосфатну кислоту, тоді доцільно враховувати її склад. Позначимо компоненти кислоти, %: Р₂О₅ – х'; CaO – х₁'; MgO – х₂'; А1₂О₃ – х₃'; Fe₂О₃ – х₅' і SО₃ – х₅'. Норма кислоти в цьому випадку становить:

(3)

де 1,78 – масова частина P₂О₅, яка утворилася з масової одиниці SO₃; за

рівнянням:

СаО ∙ P₂О₅ + SO₃→ СаО∙ SO₃ + P₂О₅

Таблиця 1 – Хімічний склад фосфагної сировини

Природний фосфат	Вміст,%
P2О5	СаО	MgO	СО2	Fe2О3	А12О3	F	SO2	Sr
Хібінський апатитовий концентрат	39,40	52,00	0,1-0,2	-	0,1-0,5 0,5-0,9 R2О3	2,8-3,1	0,2-1,5	2,5
Кінгісепський	28,30	42,44	1,8-2,5	4,0-6,0	1,5-2,0	-	2,7-2,9	-	-
Каратау	24,5-28,5	39,5-43,5	2-3,5	5,0-8,0	2,4-3,3	-	2,5-2,9		-
Ковдороський	36,0-38,0	49,0-52,6	2,0-5,0		0,6-1,9	-	0,8-1,2
Стремигородський	38,8	51,5	-	-	0,84	2,0-7,0	0,35 1	5,24	-
Новополтавський	33,7-40,6	49,8-52,7	0,4-0,8	1,6-8,0	0,4-0,9	0,5-1,7	2,1-2,7	-	-
Терчинський	39,8	55,1	-	-	-	1,07	0,8-1,0	1,0-1,51	-

 

Попередньо розраховану кількість фосфатної кислоти на 25-50 г фосфату за завданням викладача відмірюють за допомогою мірного циліндра і заливають у фарфоровий реактор (1), що знаходиться у водяній бані (2). Кислоту підігрівають до 70-80 °С, після чого у реактор повільно засипають зважену кількість фосфату та продовжують перемішування ще 20-30 хвилин. Після цього відбирають з пульпи пробу на аналіз та визначають коефіцієнт розкладання сировини за період експерименту. Пульпу вивантажують у фарфорову чашку і заміряють час її затвердіння.

За класичною методикою аналізу фосфорних добрив, перш за все, з продукту одержують водну та цитраторозчинну витяжки, в яких визначають всі форми Р205 - вільну, водорозчинну, цитраторозчинну, а залишок є нерозкладеною частиною фосфату. Проведення такого аналізу потребує багато часу.

Існують прискорені аналітичні методи: катіонітний, трилонометричний, фотоколориметричний. Але всі вони придатні для аналізу свіжого або кінцевого продукту, коли розкладання сировини хоча й продовжується, та швидкість процесу дуже невелика, тобто основні показники залишаються практично незмінними досить довгий час.

У межах лабораторної роботи такі аналізи виконати можливо, але самі процеси розкладання фосфату та підготовки продукту до аналізу (охолодження, твердіння, дрібнення, відбір середньої проби) теж тривалі. Тому нижче рекомендується аналізувати пробу пульпи об'ємним методом на зразок описаного раніше в лабораторній роботі №1, як для простого суперфосфату.

Відбирають ложечкою 5-10 мл пульпи і швидко переносять її в колбу з великим об'ємом дистильованої води (0,5-1,0 л). Вміст колби збовтують 3-5 хвилин і фільтрують через сухий фільтр, відкидаючи перші порції фільтрату. Відбирають піпеткою 25 мл розчину і переносять його у конічну колбу, куди доливають 100 мл води та додають 2-3 краплі метилового оранжевого. Титрування проводять 0,1 Н розчином NaOH до жовтого забарвлення, відмічаючи його витрати (a). Після цього додають у розчин 1-2 краплі фенолфталеїну і продовжують титрування до появи рожевого забарвлення. Відмічають кількість 0,1 Н розчину NaOH, яку було витрачено на друге титрування (b).

За одержаними даними визначають коефіцієнт розкладання фосфату. При вилуговуванні пульпи з апатитового концентрату в розчин переходять фосфатна кислота і монокальційфосфат. Масове співвідношення Н₃РO₄ : Са(Н₂РO₄)₂,тобто (А_ап) визначають за рівнянням:

(4)

Якщо норма 100 % фосфатної кислоти на розкладання 100 г апатиту становить Н (в г), тоді можна визначити кількість утвореного монокальційфосфату:

(6)

де 234 та 98 – молярні маси Са(Н₂РO₄)₂і Н₃РO₄ відповідно, г.

Фосфатної кислоти, що не прореагувала, залишилось (Н - х) г. Тоді відношення монокальційфосфату (А_ап) становить:

(7)

Звідки:

(8)

За рівнянням (1) з 1,5 молей Р₂O₅ в апатиті (142∙1,5 = 213 г) утворюється теоретично 5 молей Са(Н₂РO₄)₂, тобто 234∙5 = 1170 г. За час досліду утворилося монокальційфосфату G_мкф, а за стехіометрією повинно утворитися

(9)

де Р₂O_5ап – вміст Р₂O₅ в апатитовому концентраті, тобто 39,4 %.

Тоді коефіцієнт розкладання апатиту можна визначити за рівнянням:

 

(10)

 

Важливим показником процесу є ступінь використання фосфатної кислоти або, як прийнято називати, коефіцієнт розкладання по кислоті К_фк (%).

 

(11)

де Н_с – стехіометрична форма фосфатної кислоти (100 %-ної) на розкладання апатитового концентрату, г;

а – коефіцієнт надлишку кислоти.

При розкладанні інших видів сировини враховують те, що фосфатна кислота реагує з домішками, які при вилуговуванні теж переходять в розчин. Результати розрахунків та аналізів зводять у таблицю: 

Вихідні речовини	Норма кислоти, Н,г	Час розкладу, хв.	Кап (Кф),%	Кфк %
Назва	Склад
P2О5	СаО	MgO	R2O3	SO3

 

 

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

1. Змішування фосфату з фосфатною кислотою необхідно проводити поступово, засипаючи фосфат в кислоту порціями при інтенсивному перемішуванні.

2. Змішування реагентів, яке супроводжується виділенням фторвмісних газів, проводити лише в діючій витяжній шафі.

3. Фосфатну кислоту підігрівати в фарфоровому реакторі лише на водяній бані.

4. Обережно поводитися з кислотами, стежачи за тим, щоб кислота не потрапила на руки або обличчя. При попаданні кислоти на шкіру необхідно відразу ж промити вражене місце великою кількістю води і обробити спиртом.

5. Не залишати включену установку без нагляду.