Лабораторна робота № 4.

1. ТЕМА: Виробництво комплексних добрив азотнокислим розкладом фосфатів.

2. МЕТА: Практичне вивчення процесу розкладу фосфатів азотною кислотою

При розкладі фосфатів азотною кислотою не відбувається кристалізації продуктів реакції, що полегшує проведення технологічного процесу. При стехіометричній нормі азотної кислоти утворюється гомогенний розчин фосфорної кислоти і нітрату кальцію:

СаF(PO4)3 + 10HNO3 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF (1)

Са3(PO4)2 + 6HNO3 2H3PO4 + 3Ca(NO3)2 (2)

При меншій кількості азотної кислоти разклад фосфату протікає не повністю. При цьому розчин містить нітрат кальцію, фосфорну кислоту, монокальційфосфат, а тверда фаза — фосфат, що не розклався.

Фтористий водень, що виділяється, реагує з кремнеземом, що міститься у фосфаті, утворюючи чотирьох фтористий кремній і кремнефтористоводневу кислоту.

Інші домішки, що містяться в сировині, наприклад, нефелін, егірін, сполуки оксидів рідкоземельних металів також реагують з азотною кислотою, утворюючи відповідні азотнокислі солі з виділенням кремнієвої кислоти.

Швидкість процесу розкладу фосфату азотною кислотою залежить від природи фосфату (його структури і пористості), розміру частинок (товщини подрібнення), концентрації і норми кислоти, температури та інтенсивності перемішування. Оптимальна концентрація азотної кислоти залежить від природи фосфату, при розкладі апатитового концентрату вона рівна 45-50 %, а при розкладі фосфоритів Каратау - 30-40%.

Кількість взятої кислоти по відношенню до фосфату (норма кислоти) впливає як на швидкість, так і на повноту розкладу, а також на механізм процесу. Очевидно, при недостачі кислоти в порівнянні з стехіометричним співвідношенням, процес протікає у дві стадії. Спочатку вся азотна кислота витрачається на розклад еквівалентної кількості фосфату з утворенням фосфорної кислоти і нітрату кальцію. Потім фосфорна кислота взаємодіє з фосфатом, що не прореагував, утворюючи монокальційфосфат. Швидкість другої стадії залежить від концентрації утвореного розчину фосфорної (або вихідної азотної) кислоти. Найвищий ступінь та швидкість розкладу досягається при використанні 105-110 % кислоти від стехіометричної кількості. Ця кількість розраховується за вмістом оксиду кальцію в сировині. З підвищенням температури зменшується в'язкість пульпи і покращуються умови дифузії кислоти до поверхні фосфату. Відповідно зростає швидкість процесу. Але проведення процесу за температури вище 50-60 °С вважається недоцільним через посилення корозії апаратури і необхідності нагрівати пульпу. Тривалість розкладу апатитового концентрату на 98-100 %, в цих умовах, становить 1 -2 год.

Швидкість розкладу фосфату азотною кислотою зростає зі збільшенням тонкості подрібнення фосфату та інтенсивності перемішування пульпи. Фосфатну сировину застосовують як правило стандартного подрібнення (у вигляді апатитового концентрату або фосфоритної муки). Процес здійснюється при інтенсивному перемішуванні, яке досягається за допомогою мішалки з частотою обертання 500 хв.

3. РЕАКТИВИ І ОБЛАДНАННЯ

3.1. Апатит чи фосфорит відомого складу, розчини азотної кислоти різної концентрації.

3.2. Установка для розкладу апатиту азотною кислотою (рис. 1), секундомір, лійка Бюхнера, колба Бунзена, мірна колба на 500 або 1000 см3.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

У фарфорову чашку зважують 50 г фосфату відомого складу і відміряють в мірний циліндр необхідну кількість азотної кислоти заданої концентрації. Кількість кислоти встановлюють для апатитового концентрату із розрахунку на оксид кальцію, що в ньому міститься, а для фосфату з врахуванням вмісту в ньому також оксиду магнію та полуторних оксидів.

Відміряну кількість кислоти наливають в реакційну ємність, яку витримують в термостаті протягом 15-20 хв. при включеній мішалці для нагріву до потрібної температури. За цей час готують апатит, кислоту і реакційну ємність для наступного досліду. Коли кислота нагрілась, в реакційну ємність засипають зважену кількість фосфату одночасно включаючи мішалку і секундомір.

Розклад фосфату азотною кислотою проводять в реакційних ємностях 2, що представляють собою або стакани із тугоплавкого скла (рис. 1) або трьохгорлі

скляні пробірки на 400-500 см3 . Реакційна ємність має мішалку 4, зворотній холодильник 3 та отвір для відбору проб пульпи 5. Для підтримання постійної температури процесу ємність встановлюють в термостат 1. Температуру контролюють термометром 6. В залежності від умов завдання, досліди проводять або з застосуванням кислоти різної концентрації, або різної норми кислоти, або за різних температур, або за різної тривалості процесу.

У кожному випадку всі інші умови дослідів зберігаються постійними. Наприклад, при дослідженні ступеня розкладу апатиту в залежності від
концентрації азотної кислоти проводять 3-5 дослідів за 50 °С тривалістю кожний 15-20 хв., застосовуючи в різних дослідах кислоти із вмістом 25, 30, 40,
50 і 55 % НNО3. При вивчені зміни ступеня розкладу фосфату з часом досліди проводять за температури 50 °С із застосуванням 45-50 % - вої НNО3 (105 % від стехіометричної кількості) на протязі 10, 30, 60, 90 і 120 хв.

Після закінчення даного часу реакційну ємність виймають з термостату, реакційну масу швидко розбавляють у 2-3 рази дистильованою водою і переносять на велику лійку Бюхнера (діаметром 15-20 см) сполучену з колбою Бунзена. Фільтрацію пульпи проводять під вакуумом протягом короткого часу. Це необхідно для того, щоб якнайшвидше відділити рідку фазу від твердої і тим самим припинити взаємодію між кислотою і фосфатом. Практично можна знехтувати додатковим протіканням реакції в процесі розділення пульпи, якщо фільтрацію закінчувати на протязі 18-20 хв. Після закінчення фільтрації осад промивають теплою водою до нейтральної реакції по метиловому оранжевому.

Рис. 1 Установка для розкладу апатиту азотною кислотою:

1 - водяна баня;

2 - реактор;

З - зворотній холодильник;

4 - мішалка;

5 — отвір для відбору проб;

6 - термометр

Після цього фільтрат (розбавлений промивними водами) переносять в мірну колбу на 500 або 1000 см3 (в залежності від взятої наважки апатиту і кількості промивних вод). Розчин в колбі