Лабораторна робота №2 одержання подвійного суперфосфату
Мета роботи: практичне вивчення процесу отримання подвійного суперфосфату розкладанням природних фосфатів фосфатною кислотою.
1 Теоретичні відомості
Подвійний суперфосфат – це продукт розкладання збагачених природних фосфатів фосфатною кислотою. Він є одним з найкращих фосфорних добрив, тому що містить в собі 42-55 % засвоюваного Р2О5, з якого близько 90 % знаходиться у водорозчинній формі.
Сировиною для одержання подвійного суперфосфату служать фосфатні руди, основним компонентом яких є кальційфторапатит Са5F(РO4)3. Найбільш поширене використання знайшов Хібінський апатит. В його руді міститься до 18 % Р2О5, а після флотаційного збагачення вміст Р2О5 досягає 39,4 %. В Україні в стадії освоєння знаходяться родовища: Новополтавське (Р2О5після збагачення 33,8-40,6 %), Стремигородське (38,8 % Р2О5), Керченське (39,8 % Р2О5) та інші. За мінералогічним складом вони різняться між собою, але у більшості з них присутні такі домішки, як Аl2O3, Fe2O3, MgСО3, СаСО3 і т.д.
Виробництво подвійного суперфосфату ґрунтується на реакції:
Са5F(РO4)3 + 7Н3PO4+ 5Н2O = 5[Са(Н2РO4)2Н2O] + HF (1)
Це типовий гетерогенний процес, що підпорядковується всім закономірностям таких процесів, тобто на швидкість і ступінь розкладання фосфатів впливають такі фактори, як температура, концентрація кислоти, склад сировини, ступінь її подрібнення, інтенсивність перемішування реагентів тощо. Але найбільший вплив має концентрація фосфатної кислоти, що використовується, і температура.
Швидкість взаємодії реагентів залежить від активності іонів водню в розчинах фосфатної кислоти, а ця активність збільшується зі зростанням концентрації кислоти. Тому використовують кислоту концентровану – 45-54% Р2О5. При цьому на поверхні фосфату утворюються нещільні плівки монокапьційфосфату Са(Н2РO4)2Н2O, які легко руйнуються при перемішуванні. Але згодом набирають силу закономірності дифузійних процесів – кристалів стає більше, що веде до затвердіння пульпи та зменшення швидкості реакції.
При використанні розбавленої фосфатної кислоти (28-37 % Р2O5) на поверхні твердих частинок сировини утворюється суцільна плівка дрібнокристалічного дикальційфосфату СаНРO4, що уповільнює процес, який і так проходить при низькій активності іонів водню. Швидкість реакції і ступінь розкладу фосфатів у цьому випадку невеликі.
Оптимальною вважають концентрацію фосфатної кислоти з вмістом Р2O5, 53-55 %. Таку кислоту можна одержати або з дорогої термічної, або упарюванням екстракційної фосфатної кислоти. Існують способи виробництва подвійного суперфосфату, в яких уникають цього недоліку, використовуючи розбавлену екстракційну кислоту з вмістом 28-39 % Р2O5.
Оптимальні температури теж визначаються окремо для різних способів виробництва (від 70 до 110 °С), але загальні закономірності залишаються в силі: підвищення температури збільшує швидкість і ступінь розкладу фосфатів, сприяє швидкому виділенню фторвмісних газів та схоплюванню і твердінню готового продукту. Підтримують необхідну температуру процесу частіше за рахунок теплового ефекту реакції та температури фосфатної кислоти, що використовується. В деяких способах пульпу підігрівають додатково.
Існують декілька способів виробництва подвійного суперфосфату, які можна поділити на дві групи переробки пульп; що не загусають і загусають, тобто твердіють у процесі розкладу сировини. До першої групи відносяться поточний та ретурний способи. В них використовують розбавлену фосфатну кислоту (28-39 % Р2О5), яка забезпечує рухливість пульпи за рахунок більшої кількості внесеної в систему води, ніж це було б з концентрованою кислотою. Рідка пульпа потім подається насосами на розпилювання в гранулятори – сушарні (поєднані або окремі апарати). Температурний режим для різних реакторів - 75-105 °С (без додавання тепла та з підігрівом відповідно). Норма кислоти становить 100-110 % від стехіометричної. Вона залежить від якості сировини: мінералогічного складу фосфату (кількості домішок), структури зерен, що пов'язано з легкістю їх розкладу, та інше. Так, наприклад, з найбільшою швидкістю розкладаються фосфорити, які мають високу питому поверхню, апатити розкладаються повільніше. Тому для фосфоритів може бути 100 % норма кислоти, а для апатитів її збільшують до 110 %.
Тривалість процесу в реакторах – 1-1,5 години, а іноді до 3 годин. Значним недоліком таких процесів є невисокий ступінь розкладання фосфатів (70-80 %) і підвищена концентрація вільного Р2O5 в готовому продукті (до 10%). Тому для зменшення кислотності подвійного суперфосфату в процесі грануляції його нейтралізують аміаком або крейдою. Одержаний продукт містить в собі 43-45 % Р2O5засв (засвоюваного), 4-8 % Р2O5відта 3-4 % вологи.
До другої групи відносяться камерний та камерно-поточний способи переробки фосфатів. Схема камерного способу не відрізняється від безперервної технології виробництва простого суперфосфату, яку наведено в лабораторній роботі №1 на рисунку 1. Замість сульфатної кислоти в змішувач (5) з напірного баку (3) подають фосфатну кислоту з вмістом Р2О5 45-55 %. Постійну її концентрацію підтримують також розбавленням водою або побічними фосфатними розчинами.
Термін перебування пульпи в камері –70-90 хвилин. За цей час ступінь розкладання апатиту досягає 55 %, фосфориту - 63 %. Період складського дозрівання продукту з апатитового концентрату становить 15 діб (іноді до 25 діб), при цьому ступінь розкладу сировини досягає 82-89 %. Тривалість дозрівання подвійного суперфосфату, одержаного з фосфоритів, може бути скорочена до 6-8 діб при досягненні ступеня розкладу 88-92 %.
Температурний режим в процесі встановлюється на рівні 90-100 °С за рахунок теплоти екзотермічних реакцій розкладання фосфатів та температури вихідної фосфатної кислоти (55-65 °С).
Камерний подвійний суперфосфат після тривалого дозрівання на складі нейтралізують вапняком або аміаком, гранулюють і сушать. Продукт, одержаний з апатиту, має Р2О5засв 47-49 %, з фосфориту - 42-46 %. Кислотність та вологість в них однакова - (2-2,5 %) та (3-4 %) відповідно.
Камерно-поточний спосіб відзначається тим, що продукт безпосередньо після камери нейтралізують аміаком, гранулюють та сушать без дозрівання на складі. Але цей спосіб використовують тільки для тонкоподрібненого фосфориту, який легко розкладається кислотою.