Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Технология неорганических веществ: Сборник лабораторных работ

Голосов: 1

В сборник включены лабораторные работы по курсу "Технология неорганических веществ". В пособии приведено описание работ технологического характера: процессы производства некоторых видов минеральных удобрений, порядок выполнения работ, методы расчета и аналитического контроля процесса. Сборник предназначен для студентов специальностей "Технология неорганических веществ" и "Химия". Подготовлен на кафедре химии и экологии НовГУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
            находим х =0.465. Следовательно, выкристаллизуется 0.465 моль КNО3.
        Выход:
        по К+                       (0.465/0.62) *100 =75%
               -
        по NО3                       (0.465 /0.80) *100 /58.1%
        По данным таблицы 2.1 (последнего столбца) строим участок водной
диаграммы (верхняя часть рис.2.1) между точками Е1 (25С) и Е2 (25С). По этой
диаграмме находим, что в насыщенном растворе состава точки d содержится
4.19 моль воды на 1 моль солей. Так как после выделения в осадок КNО3 в
растворе останется 1 – 0.465 = 0.535 моль солей, то необходимо, чтобы в нем
содержалось 0.535 · 4.19 = 2.24 моль воды. Между тем в исходном растворе Е2
(100С)
       имеется только 1.81 моль воды. Поэтому, во избежание загрязнения КNО3
другими солями при охлаждении раствора к нему необходимо добавить
2.24 – 1.81 = 0,43 моль воды.
        Выразим результаты расчета в массовых единицах, принимая в качестве
исходного значения 100 г NаNО3. К этому количеству NаNО3 при составлении
исходной реакционной смеси нужно добавить:
        КСl                                100 · 0.62 · 74.56/0.8 · 85 = 68 г.
        Н 2О                              100 · 1.81 · 18/0.8 · 85 = 48 г.
        После смешения 100 г NаNО3, 68 г КСl              и 48 г Н2О        при 1000С
выделится NаСl:
                          100 · 0.42 · 58.45/0.8 · 85 = 36 г.
      После отделения NаСl к раствору следует добавить воды:
                          100 · 0.43 · 18 /0.8 · 85 = 11.4 г
      При охлаждении раствора до 250С выкристаллизуется КNО3:
                     100 · 0.465 · 101.11 /0.8 · 85 = 69 г.

      2.4 Порядок выполнения работы

      Сосуд для обменного разложения солей представляет собой стеклянный
круглодонный цилиндр 1 диаметром 40 мм, высотой 260 мм, снабженный
термометром 2 на 1500С и мешалкой 3, приводимой во вращение моторчиком
(рис.2.2). Термометр и мешалка вставлены в цилиндр через резиновую пробку
4. В нее же вставлена изогнутая трубка с воронкой 5, которая служит для
сообщения реакционного пространства с атмосферой и для доливания реактора
водой. Сосуд погружен в глицериновую баню–стакан. Уровень глицерина в
бане должен быть на 2-3 см ниже уровня реакционной массы в сосуде. С
внешней стороны на реакционный сосуд надето узкое резиновое колечко 6,
которое легко передвигается по сосуду.




                                         21


        Рис. 2.2. Сосуд для обменного разложения солей в растворе:
   1 — цилиндр; 2 — термометр; 3 — мешалка; 4 — резиновая пробка; 5 —
           воронка с изогнутой трубкой; 6 — резиновое колечко

      Отвешивают на технических весах 100 г NаNО3 и 68 г КСl. Всыпают эти
соли в реактор и наливают в него 48 см3 воды. Реактор опускают в
глицериновую баню, закрывают пробкой при поднятой мешалке, затем
опускают мешалку и перемешивают содержимое, поворачивая мешалку
вначале вручную, и лишь потом включают моторчик. После этого начинают
нагрев; когда температура в реакторе поднимется до 60-650С, вращение
мешалки приостанавливают и фиксируют уровень содержимого реактора с
помощью передвижного резинового колечка. Затем вновь включают мешалку и
продолжают нагрев, пока температура в реакторе не поднимется до 1000С. При
этой температуре продолжают перемешивание еще в течение 40-60мин.
      В процессе нагрева из реакционной смеси испаряется немного воды.
Поэтому за 5-10 мин до окончания опыта в реактор через трубку с воронкой
наливают горячую воду до уровня, отмеченного резиновым колечком. По
окончании перемешивания реактор извлекают из бани, быстро вынимают
пробку и переливают содержимое на фильтр, вставленный в воронку горячего
фильтрования и предварительно прогретую.
      Отфильтрованный осадок промывают небольшим количеством этилового
спирта (30см3), снимают с фильтра, помещают в плоский кристаллизатор и
высушивают в сушильном шкафу при 105 –1150С.
      Фильтрат собирают в подставленный под фильтр кристаллизатор, в
который предварительно наливают из бюретки 11.4 см3 воды. После
охлаждения содержимого кристаллизатора до 250С выпавший осадок КNО3
отфильтровывают, промывают его на фильтре небольшим количеством
этилового спирта, помещают в плоский кристаллизатор и высушивают в
сушильном шкафу при 105 –1150С.


                                    22


     Высушенные кристаллы КNО3 и NаСl взвешивают на технических весах
и вычисляют выход КNО3 по затраченному калию (КСl) и по NО3- (NаNО3), а
также по отношению к теоретическому выходу.

      Задание
      В описанной работе предусматривается получение КNО3 с максимальным
выходом из твердых КСl и NаNО3. Предлагаются различные варианты работы:
при заданных соотношениях исходных веществ,           уменьшенные вдвое
количества солей и воды. Во всех случаях необходимо построить диаграмму
растворимости по табличным данным, произвести расчет процесса и
руководствоваться его результатами при получении нитрата калия




                                   23


    3 ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

     3.1 Цель работы

      Практическое изучение условий получения          фосфорной    кислоты
экстракцией ее из фосфата серной кислотой.

     3.2 Основные теоретические положения

     Фосфорную кислоту получают разложением фосфатов серной кислотой
или термическим методом. Она представляет собой полупродукт при
производстве удобрений – фосфатов аммония, двойного суперфосфата,
преципитата и др. Эти продукты получают преимущественно путем
нейтрализации фосфорной кислоты раствором щелочи или при разложении ею
исходных природных фосфатов.
     Полное разложение фторапатита серной кислотой (при нагревании)
можно представить уравнением:
                Са5F(РО4)3 + 5Н2SО4 → 5СаSО4 + 3Н3РО4 + НF
      При этом разлагаются и другие минералы, входящие в состав сырья.
Кроме того, протекают и побочные реакции, которые приводят, в частности, к
образованию четырехфтористого кремния и кремнефтористоводородной
кислоты. Вредными примесями, обусловливающими потери Р2О5, являются
полуторные оксиды.
      В зависимости от температуры и концентрации кислоты сульфат кальция
выделяется в виде дигидрата (СаSО4·2Н2О), полугидрата (СаSО4·0.5Н2О) или
ангидрита (СаSО4). Наиболее распространен процесс, приводящий при 75-800С
к выделению дигидрата и кислоты с концентрацией 25-32% Р2О5.
      На практике для разложения фосфата применяют серную кислоту,
разбавленную раствором фосфорной кислоты («раствор разбавления»).
Образующийся осадок сульфата кальция (гипс) должен быть получен в виде
однородных крупнокристаллических частиц, которые можно было бы легко
отфильтровать от фосфорной кислоты и хорошо промыть небольшим
количеством воды.
      Продолжительность и технологический режим процесса экстракции
определяются в основном условиями кристаллизации гипса, так как скорость
самого разложения фосфатов достаточно велика. Время, необходимое для
разложения фосфата, зависит от сорта сырья и колеблется в пределах 4-8 часов.
      Оптимальная температура образования крупных кристаллов гипса 75-
   0
80 С. При этих условиях гипс имеет наибольшую растворимость в фосфорной
кислоте, вследствие чего уменьшается степень пересыщения раствором гипсом
и улучшаются условия кристаллизации.
      Процесс можно осуществить и по так называемым полугидратному и
ангидритному режимам. В этих случаях для образования кристаллов


                                     24


полугидрата и ангидрита поддерживают более высокую температуру – до
1050С.
      Формы и размер кристаллов гипса зависят также от концентрации в
растворе    ионов   кальция     и     серной    кислоты.     Для   получения
крупнокристаллического однородного осадка необходимо поддерживать в
растворе концентрации, в %: SО3 – 1-2, СаО – 0.35-0.75. Поэтому концентрацию
серной кислоты на первой стадии разложения (в первом экстракторе)
поддерживают на уровне 20г/дм3, а на последующих стадиях, когда происходит
доразложение фосфата, от 10 г/дм3 и меньше.
      Оптимальные условия кристаллизации и отмывки гипса, а также
необходимость разбавления серной кислоты раствором фосфорной кислоты
предопределяют применение серной кислоты концентрацией 75% Н2SО4.
Применение более концентрированной (93%) кислоты позволяет несколько
уменьшить потери фосфорной кислоты с фосфогипсом, но не отражаются на
концентрации получаемой кислоты.

     3.3 Порядок выполнения работы

      Разложение фосфата с образованием фосфорной кислоты проводят в
фарфоровом стакане на 1-2 дм3, установленном в вытяжном шкафу. В стакан
помещают мешалку и устанавливают его в баню или на электрическую плитку
для подогрева до требуемой температуры.
      Опыт проводят в условиях периодической экстракции или в условиях,
имитирующих непрерывную экстракцию. В первом варианте в стакан
одновременно загружают все реагенты и перемешивают их в течение заданного
времени. Полученную пульпу в конце процесса отфильтровывают.
«Непрерывную» экстракцию ведут при постепенной или порционной подаче
серной и разбавленной фосфорной кислот.
      Берут в фарфоровую чашку 100-200 г фосфата известного химического и
гранулометрического состава. Затем в отдельных фарфоровых стаканах готовят
необходимые количества серной кислоты (75%) и раствора разбавления. Норму
серной кислоты, т.е. количество серной кислоты (в моногидрате), необходимое
для разложения 100 ч. (масс.) фосфата, берут для сырья высокого качества
(например, апатита) в пределах 95-100% от стехиометрического количества,
рассчитанного по содержанию в фосфате СаО. Для сырья, содержащего
большое количество полуторных оксидов, применяют повышенную норму
(110-105% от стехиометрического количества).
      Расход 75% Н2SО4 S (в см3) определяют по формуле:
                          S = (а · 98 /56 · 75ρ) · 100,
     где а – содержание СаО в фосфате, %; ρ – плотность 75% Н2SО4; при
комнатной температуре, г/см3.
     В качестве раствора разбавления берут разбавленную фосфорную
кислоту с содержанием 16-17% Р2О5.


                                       25


     Количество раствора разбавления W на 100 г фосфата рассчитывают по
формуле:
                          W = F – (100 + S – G),
     где F – выход продукционной пульпы, г/100 г фосфата; S – расход серной
кислоты в натуре, г/100 г фосфата; G – количество газообразных потерь – воды,
двуокиси углерода и фтора, г.
     Массовый выход пульпы определяют по формуле:
                             F = 100 · Г · (n + 1),
      где Г – гипсовое число или выход сухого фосфогипса из единицы
фосфата (в расчете по содержанию СаО в фосфате); для апатитового
концентрата Г =1.6, для фосфорита Г =1.3; n – заданное отношение Ж: Т в
пульпе (в пределах 2:1 –4:1).
      Растворы серной и фосфорной кислот готовят с некоторым избытком по
сравнению с рассчитанными количествами. Определяют плотность раствора
разбавления ареометром. Затем отмеряют при помощи мерного цилиндра
необходимый объем раствора разбавления, наливают его в стакан с мешалкой,
включают мешалку и подогрев. Когда температура раствора достигнет 500С,
высыпают в стакан при работе мешалки фосфат. После этого постепенно и
медленно вводят в стакан отмеренное количество серной кислоты. В
дальнейшем пульпу перемешивают при 75-800С.
      Разложение фосфата ведут в течение 2-4 часов, отбирая каждые полчаса
по 0.5 см3 пульпы. Пробу пульпы отфильтровывают, осадок хорошо промывают
водой до нейтральной реакции. Фильтрат и промывную воду собирают в
мерную колбу. Затем разбавляют раствор в мерной колбе до 250 см3; 25 см3
разбавленного раствора титруют 0.1 н. раствором NаОН вначале в присутствии
метилового оранжевого, а затем фенолфталеина. В результате определяют
содержание свободной фосфорной кислоты в пульпе и избыток или недостаток
серной кислоты (см. разд. 1.3.2.1).
      По окончании опыта пульпу переносят на фарфоровую воронку и
отфильтровывают под вакуумом. При этом отмечается время, в течение
которого поверхность осадка освобождается от жидкости (время «грубого
отсоса»). Затем продолжают фильтрование и отмечают время полного
прекращения выделения капель жидкости из воронки (время «сушки» осадка).
Полученный фильтрат, представляющий собой основной продукт, переносят в
мерный цилиндр и измеряют его объем, а также определяют плотность
раствора при помощи ареометра. Затем фильтрат анализируют для определения
содержания Р2О5.
      Осадок после фильтрования взвешивают вместе с воронкой, после чего
промывают его несколько раз водой, объем которой каждый раз измеряют. В
промывных водах определяют содержание Р2О5 путем титрования пробы
раствором щелочи.
      Таким образом устанавливают количество отмываемой фосфорной
кислоты из осадка, а также содержание Р2О5 в промывных водах. По окончании

                                      26


промывки фосфогипса определяют содержание в нем влаги, общей и водо-
растворимой Р2О5, СаО и SО3. Для определения водо-растворимой Р2О5
(контроль отмывки) 10 г фосфогипса взбалтывают с водой в мерной колбе на
500 дм3 и фильтруют. 50 дм3 фильтрата оттитровывают 0.1 н. раствором
гидроксида натрия вначале в присутствии метилового оранжевого, а затем
фенолфталеина. Общее содержание Р2О5 определяют, как указано в разделе
(1.3.2.1).

       3.4 Методы расчета

     Полученные данные используют для расчета основных показателей
процесса – коэффициентов разложения фосфата, извлечения Р2О5 в раствор,
эффективность отмывки фосфогипса и выхода Р2О5, а также для расчета
концентрации     Р2О5 в продукционной фосфорной кислоте с учетом
использования промывных вод.
     Коэффициент разложения фосфата Кразл. определяют по отношению
СаО:SО3 в фосфогипсе, а не по содержанию Р2О5 в растворе вследствие
протекания вторичных реакций, приводящих к выпадению фосфатов железа из
пересыщенных растворов и др.
                                Кразл = (0.7/ СаО : SО3) · 100
     где 0.7 – теоретическое массовое отношение СаО и SО3 в гипсе (при
отношении СаО: SО3, меньшем 0.7, т.е. при избытке SО3 в осадке, коэффициент
разложения принимают равным 100%).
     Коэффициент извлечения, (перехода) Р2О5 в раствор Кизвл определяют по
содержанию общей и водорастворимой Р2О5 в фосфогипсе. Полученное
значение Кизвл. проверяют по абсолютному содержанию Р2О5 в основном
фильтрате и промывных водах (К 'извл). По данным анализа фосфогипса К извл.
вычисляют по формуле:
              Кизвл. = 100 – ( [Р2О5 общ ] – [Р2О5 вод ]) · G /[Р2О5 фосф ]) · 100
      где [Р2О5 общ ], [Р2О5 вод ] и [Р2О5 фосф ] – процентное содержание общей и
водо-растворимой Р2О5 во влажном или сухом фосфогипсе и Р2О5 в фосфате; G
– количество полученного осадка на единицу фосфата, т.е. выход фосфогипса –
влажного или сухого– в зависимости от содержания Р2О5общ и Р2О5вод,
отнесенных к влажному или сухому осадку.
      Для проверки полученного значения по водо-растворимой Р2О5
необходимо определить общее количество Р2О5 во всех жидкостях:
 К 'извл = ( [Р2О5 вод ] · Gф+ [Р2О5 вод ]' · G 'пр.в/[Р2О5 фосф ] Gфосф ) · 100 + ([Р2О5 вод ]" ·
                             · G "пр.в/[Р2О5 фосф ] Gфосф ) · 100 +…
        где [Р2О5 вод ], [Р2О5 вод ]' и [Р2О5 вод ] "– содержание Р2О5 в основном
фильтрате, первой, второй и т.д. промывных водах %масс.; Gф, G'пр.в и G"пр. –
количества фильтрата первой, второй и т.д. промывных водах, г; [Р2О5 фосф ] –
содержание Р2О5 фосф в фосфате, %масс.; Gфосф – количество фосфата, г.

                                               27


     Коэффициент эффективности отмывки фосфогипса Кэфф. отм. (в %)
позволяет оценить потери водо-растворимой Р2О5 в отбросном фосфогипсе, его
вычисляют по формуле:
             Кэфф. отм = 100 – ([Р2О5 вод ] · Gг /[Р2О5 вфосф] · К извл) · 100
      Коэффициент технологического выхода Квых (в %), характеризующий
степень перехода Р2О из исходного фосфата в фосфорную кислоту, определяют
по формуле
                          Квых = К извл · Кэф.отм. /100
     Концентрацию Р2О5 в продукционной фосфорной кислоте (в %)
вычисляют в виде отношения количества Р2О5, перешедшего в продукционную
фосфорную кислоту, к количеству ее, полученному из 100 ч. (масс) сухого
фосфата
      [Р2О5 прод ] = 100R /В = [Р2О5 фосф ] Квых/100 + S + Wпр.в. – (В – Н + G)
      где R – количество Р2О5, перешедшее из 100 ч. (масс.) исходного фосфата
в продукционную кислоту; В – количество продукционной фосфорной кислоты,
полученной из 100 ч. (масс.) фосфата; S – количество серной кислоты в натуре,
г/100 фосфата; Wпр.в.– количество воды, израсходованное для промывки
фосфогипса на 100 ч. (масс.) фосфата; Г – гипсовое число; Н – содержание воды
в промытом фосфогипсе, полученном из 100ч. (масс.) фосфата; G – содержание
газообразных веществ, выделяющихся при экстракции 100 ч. (масс.) фосфата;
его определяют по разности масс материалов до и после опыта с учетом массы
отбираемых проб для анализа.
      Аналитически определенная концентрация Р2О5 в конечной кислоте
отличается от указанного расчетного значения, относящегося к
технологическому продукту, полученному при использовании Р2О5 промывных
вод.

                           Содержание отчета о работе

     Отчет о работе должен быть оформлен грамотно, аккуратно и в срок.
     Данные работы представляют в виде таблиц.




                                            28


      Технологические показатели процесса получения экстракционной
                               фосфорной кислоты
 Гипсовое число Г =.., Ж:Т =.., температура экстракции…0С, длительность
 экстракции…ч.
Навес     Норма серной           Раствор         Промывная       Кизв,     К эфф    К     Содержа-
 ка         кислоты            разбавления          вода          %         отм,   вых,    ние Р2О5
фосф                                                                         %     %          в
ата, г                                                                                    кислоте,%


          в % от       ч.      коли-   Р2О5,     ко-    Р2О5                              рас-   по
         стехио-     (масс)     чест    в%       ли     в%                                чет-   ана
          метри-    на 1000    во, г            чест                                      ное    ли
         ческого       ч.                       во, г                                            зу
         количес     (масс.)
            тва     фосфата


                   Состав экстракционной фосфорной кислоты (в %)

             Р2О5                              SО3                       (SО3/ Р2О5) *100




                                 Состав фосфогипса (в%)

 влага               Р2О5общ           Р2О5водор           СаО                 SО3



                               ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

      Работа выполняется в соответствии с методическими указаниями. При ее
 выполнении необходимо соблюдать общие правила техники безопасности для
 химических лабораторий.




                                                29



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика