Файл: Эпштейн Д.А. Химия в промышленности учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся X классов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.06.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 1
Si02 |
И ц |
образуются жидкие силикаты кальция, |
например три- |
кальцийдисиликат: |
|
||
|
|
ЗСаО + 2Si02 = Ca3 Si2 07 |
(2) |
К тому же в присутствии оксида кремния (IV) основная ре акция идет быстрее. Следовательно, в шихте должно быть до статочное количество этого вещества.
Из побочных реакций рассмотрим сначала ту, которая обус ловлена наличием фтора в кристаллической решетке фторапатита. При восстановлении фторапатита углеродом он разлагается с образованием фосфата кальция и фторида кальция, который реагирует с оксидом кремния Si02 :
2CaF2 + Si0 2 =: 2СаО + SiF4 |
(3) |
Фторид кремния — исходное вещество для получения разно образных фтористых соединений.
В сырье содержится оксид железа Fe2 03 . В условиях дан ного процесса железо восстанавливается:
Fe 2 0 3 +3C = 2Fe+3CO |
(4) |
и взаимодействует с фосфором с образованием феррофосфора, который получается в жидком состоянии и не смешивается со шлаком:
4Fe + Р 2 = 2Fe,P |
(5) |
§ 9. Оптимальные условия восстановления фосфора
При проведении процесса на заводе стремятся получить воз можно более высокий выход фосфора при наименьшем расходе энергии на единицу продукции, провести процесс как можно быстрее и целесообразнее использовать побочные продукты.
Оптимальной является температура, при которой восстанов ление протекает быстро. Что лимитирует температуру? Процесс ведут в электропечах — шихта нагревается от пламени электри ческой дуги и за счет сопротивления шихты. Стальной кожух печи изнутри футеруют кислотостойкими и огнеупорными мате риалами — угольными блоками и огнеупорным кирпичом. Же лательно, чтобы печь работала без капитального ремонта в те чение нескольких лет — с повышением температуры сверх 1500— 1600 °С она быстро разрушается.
Печь — аппарат непрерывного действия. Шихту загружают порциями через определенные промежутки времени, так же пе риодически сливают шлак, и феррофосфор, газ же отводят не прерывно (рис. 26). Он содержит около 25% фосфора, осталь ное— оксид углерода СО и примеси, в частности тетрафторид
Шихта |
Шихта |
Рис. |
26. Электропечь для |
восстановления фосфора: а •— общий |
вид, |
|
|
б — разрез. |
|
кремния. С ним уносится из печи много пыли. Температура |
газа |
||
на |
выходе из печи около 400 °С. |
|
|
|
Подготовка сырья |
и топлива в данном случае, как и в дру |
гих гетерогенных процессах, состоит в измельчении н отборе
кусков определенных размеров |
(не более 25 мм). Мелочь и боль |
|||||||
шие |
куски отсеивают. |
|
|
|
|
|
|
|
Известно, что высокий расход энергии препятствовал рас |
||||||||
пространению |
электротермического способа |
производства |
фос |
|||||
форной кислоты. Как решается |
проблема |
уменьшения |
удельного |
|||||
расхода энергии? Нельзя ли |
|
относительно |
дорогую |
электриче |
||||
скую |
энергию |
заменить хотя |
бы частично |
теплотой горения |
топ |
|||
лива? |
Целесообразно шихту |
предварительно прокалить, исполь |
зовав тепло горения побочного продукта реакции—СО. При этом испарится влага, разложатся карбонаты и органические вещества, т. е. пройдут эндотермические реакции, поглощающие много энергии.
Другой путь снижения удельного расхода электроэнергии — укрупнение печей: мощность современных печей до 70 000 кет, проектируемых — до 100 000 кет (сопоставьте эти числа с мощ ностями электростанций). Благодаря предварительной подготов
ке шихты и укрупнению печей |
расход электроэнергии на 1 /га фос |
фора понижается примерно в |
полтора раза, до 12,5 кет-я. |
92 |
|
Как выделить чистый фосфор? Очевидно, сначала нужно тщательно очистить газ от пыли в электрофильтрах. Чтобы при этом избежать конденсации фосфора, электрофильтры снаружи обогревают топочным газом — продуктом сжигания образую щегося оксида углерода СО. Очищенный газ охлаждают до 60 °С непосредственным соприкосновением с водой. Сконденсирован ный фосфор хранят под водой в сборниках с водяными рубаш ками, через которые непрерывно течет горячая вода. Выход фос фора примерно 92%.
Концентрированный оксид углерода (II) не только хорошее • топливо, но и ценное химическое сырье. Феррофосфор исполь зуют в металлургии. Из шлака изготовляют цемент и другие материалы.
§ 10. Как получить из фосфора фосфорную кислоту
Нужно сначала фосфор сжечь. При высокой температуре мо лекулы оксида фосфора (V) димеризованы:
Р 4 + 5 О 2 = Р 4 О 1 0 + Ф Возможно образование и низших оксидов фосфора, которые,
взаимодействуя с водой, дают фосфористую |
и |
фосфорновати- |
||
стуго кислоты. |
|
|
|
|
Горение фосфора — необратимая, |
экзотермическая |
(с боль |
||
шим тепловым эффектом), гомогенная |
реакция — пары |
фосфора |
||
и кислород образуют пары оксида фосфора |
(V) |
(температура |
его возгонки 359°С). Скорость реакции при высокой температу ре, которая развивается вследствие выделения большого коли чества теплоты, велика.
Как видно из физико-химической характеристики реакции, выбор оптимальных условий ее проведения несложен. Нужно создать достаточно большую поверхность соприкосновения жид кого фосфора и воздуха, применяя, например, такое устройст во, которое используется для сжигания мазута,— форсунки. Воз дух под давлением разбрызгивает жидкий фосфор. При избыт
ке воздуха реакция протекает полностью с образованием только Р4Н10. Затем проводят реакцию:
Р 4 Н і о + З Н 2 0 = 4НзР04 +<2
Реакция идет через образование метафосфорной и других кислот. Она также сильно экзотермична, при невысоких темпе ратурах практически необратима, гетерогенная — пары Р4 Ню и жидкая вода образуют водный раствор фосфорной кислоты. В зависимости от температуры и соотношения количеств реаген тов можно получить растворы фосфорной кислоты различной концентрации и суперфосфорную кислоту.
Основными задачами в данном случае являются создание большой поверхности соприкосновения реагирующих веществ и
Жидкий qjocipop
Воздух
Электрофильтр
~^ ' Газ
11 |
н 3 |
р о 4 |
на склад |
|
Насос Сборник Н3РО4
Рис. 27. Схема производства термине ской фосфорной кислоты.
отвод теплоты |
реакций, |
|||
Обе эти задачи |
решаются |
|||
совместно |
— |
реакцию |
||
проводят |
в |
среде |
цирку, |
|
ли рующей |
охл а ждєнной |
|||
фосфорной |
кислоты. Це- |
|||
лесообразпо |
|
объединить |
||
аппаратуру |
для сжигания |
|||
фосфора |
и |
поглощения |
||
оксида |
фосфора |
' Р2 05 . |
||
Процесс |
проводят, |
напри |
мер, в полой башне. Фос фор разбрызгивается воз духом, большая часть ко торого поступает по пат рубку в центре крышки башни. В башню вводят на разных уровнях воду, а сверху — охлажденную
фосфорную |
кислоту. |
Газ |
||
с температурой |
около |
|||
100 °С |
поступает |
в элект |
||
рофильтр, |
где |
улавлива |
||
ется |
туманообразная |
|||
сЬосфорная |
кислота |
(рис. |
||
27). |
|
|
|
|
Нелегко подобрать конструкционные материалы, стойкие в условиях работы башни и всех остальных аппаратов, насосов и
трубопроводов. Стальной |
корпус башни внутри гуммируют и по |
|||
слою |
резины футеруют |
кислотоупорными |
плитками, |
но и при |
этом |
во избежание коррозии температура |
фосфорной |
кислоты |
|
на выходе из башни не должна быть выше |
85°С. |
|
Выход фосфорной кислоты из фосфора равен примерно 98%. Себестоимость кислоты определяется в основном стоимостью фосфора — 92% расходов приходится на фосфор и только 8% на его переработку.
§11. Целесообразно ли производить двойной суперфосфат
Вназвании этого удобрения имеется неточность: в нем вов се не в два раза больше питательного вещества, чем в простом су» перфосфате. Он содержит от 45 до 56% Р2О5, тогда как про
стой суперфосфат—от 14 до 19,5%. Поэтому его иногда на зывают тройным суперфосфатом. • .
Простой суперфосфат представляет собой смесь однозамещенного фосфата кальция и сульфата кальция; двойной супер фосфат почти чистый однозамещенный фосфат кальция (монокальцийфосфат, дигидрофосфат кальция). Это различие в соста-
94
[
ве объясняется тем, что при производстве двойного суперфос*
фата сульфат кальция отделяют от |
|
фосфорной кислоты, а |
за |
||||||
тем обрабатывают |
ею апатит. |
|
|
|
|
|
|||
Оправдывает |
ли |
себя |
экономически |
такое расчленение |
про |
||||
цесса на два, связанное |
с довольно |
сложной операцией |
выделе |
||||||
ния фосфорной |
кислоты? Сравним |
технико-экономические |
по |
||||||
казатели обоих производств |
(в расчете на |
одну тонну |
усвояемо |
||||||
го Р2О5). Расход апатитового |
концентрата |
и серной кислоты |
при |
||||||
производстве двойного суперфосфата |
составляет 105% |
по отно- |
! шенпю к производству простого суперфосфата, себестоимость двойного суперфосфата 113% по сравнению с простым. • .
Можно ли из этих данных сделать вывод, что развивать про изводство двойного суперфосфата нецелесообразно? Нет,. ведь продукт надо упаковать, перевезти к месту потребления, хра нить, внести в почву. С учетом расходов на эти операции себе стоимость двойного суперфосфата составляет только примерно 80% от себестоимости простого суперфосфата. Значит, как это и предусмотрено планами развития народного хозяйства СССР,
производство двойного суперфосфата нужно развивать, тем бо лее при таких больших расстояниях, на которые приходится пе ревозить удобрения.
§ 12. Производство двойного суперфосфата
Рассмотрим реакцию фосфата кальция с фосфорной кисло той, исключив из обсуждения побочные процессы, связанные с наличием во фторапатите фтора, примесей, а также возмож ность образования дикальцийфосфата:
С а 3 ( Р 0 4 ) 2 + 4Н3РО4 = - З С а ( Н 2 Р 0 4 ) 2 + Q
Эта реакция экзотермическая, необратимая, гетерогенная. В
отличие от взаимодействия фосфата |
кальция с серной кислотой |
в данном случае образуется хорошо |
растворимый продукт. |
Согласно общим закономерностям скорость реакции растет с повышением концентрации фосфорной кислоты, температуры, площади соприкосновения твердой и жидкой фаз, интенсивности перемешивания. Она зависит и от структуры исходного сырья — быстрее реагируют с фосфорной кислотой фосфориты, медлен нее-— хибинский апатит. Скорость реакции зависит от того, оста ется монокальцийфосфат в растворе вплоть до полного «раство рения» трикальцийфосфата или в ходе процесса начинает вы падать в осадок и каковы физические свойства осадка.
Можно полностью превратить фосфат кальция в монокаль цийфосфат без кристаллизации продукта, если взять большой избыток фосфорной кислоты. При этих условиях реакция про текает быстро: например, при 60 С в 40-процентной фосфорной кислоте измельченный фосфорит уже через полчаса превращается в однозамещенную соль. Если же в ходе реакции выделяются