Характеристика сырья и готовой продукции

2 Характеристика сырья и готовой продукции

Основными исходными материалами в производстве экстракционной фосфорной кислоты являются фосфорит и серная кислота. Ниже дается краткая характеристика основных материалов с точки зрения их применения в произ­водстве данного продукта.

2.1 Характеристика сырья

2.1.1 Фосфатное сырье

Общее содержание фосфора в земной коре составляет 0,12 % масс., он входит в состав 187 различных природных минералов. Основные из них — минералы апатитового типа с общей фор­мулой ЗСа₃(РО₄)₂·СаХ₂, где X —одновалентный анион (F^—, Сl^—, ОН^—). В структуре апатита кальций может замещаться другими металлами, фосфор — углеродом, кремнием, серой.

Лишь незначительная часть фосфатных минералов образует месторождения достаточной мощности, пригодные для промыш­ленной разработки. Это такие минералы как фторапатит Са₁₀(РО₄)₆F₂, хлорапатит Са₁₀(РО₄)₆С1₂, гидроксилапатит Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, карбонатапатит Са₁₀Р₅СО₂₃(ОН)₃, франколит, курскит, фторкарбонатапатит. Природные фосфат­ные руды подразделяют на апатитовые (руды магматического происхождения) и фосфоритовые (руды осадочного происхож­дения); все они включают как фосфатные, так и нефосфатные (нефелин, глауконит, эгирин, кварц, кальцит, доломит и др.) минералы.

Мировые запасы фосфатных руд оценивают в 173 млрд. т (около 42,4 млрд. т Р₂О₅); они представлены преимущественно месторождениями фосфоритов — доля апатита составляет около 6%. Основное количество (свыше 80%) добываемого в мире фосфатного сырья используется для получения фосфорсодержащих мине­ральных удобрений, остальное — в производстве детергентов, минеральных подкормок для животноводства и других продук­тов.[5]

Фосфоритные концентраты. Фосфоритные концентраты являются продуктами флотационного разделения природных фосфоритных руд (фосфатов). В отечественных фосфатных ресурсах фосфориты составляют 75 — 80%, поэтому их значение в общем балансе фосфатного сырья исключительно велико.

Месторождения фосфоритов подразделяются на пластовые, желваковые и зернисто-ракушечные.

Пластовые фосфориты содержат в основном фосфаты (зерна и оолиты), карбонаты (кальцит и доломит) и халцедон и залегают в виде сплошных пластов. Наиболее мощным месторождением пластовых фосфоритов является месторождение Каратау в Южном Казахстане. Фосфориты Каратау содержат 16 — 26% Р₂О₅, 5 — 19% СО₂, 1,5 — 4% MgO и 1,5 — 3% полуторных окислов (железа и алюминия общей формулы R₂O₃). После флотационного обогащения этих фосфоритов концентрат содержит не менее 28% Р₂О₅, не более 2% МgО и не более 6% СО₂. Тонина помола (остаток на сите с размером ячеек 0,15 мм) не более 14%, влага не более 2%.

Желваковые фосфориты залегают среди песков или глин в виде отдельных желваков — камней размером от 1 до 15 и более, скрепленных глиной, глауконитом или кремнеземом, и в связи с этим подразделяются на глинистые, глауконитовые и песчанистые.

Зернисто-ракушечные фосфориты представляют собой фосфатизированные мелкие ракушки (оболиды). Природная руда содер­жит 5 — 10% Р₂О₅, после ее измельчения и флотационного обо­гащения содержание Р₂О₅ увеличивается до 30%.

Вследствие высокой дисперсности фосфатного вещества фос­фориты в отличие от апатитовых руд обладают большей удель­ной поверхностью и растворяются в кислотах быстрее, чем апа­тит. Поэтому некоторые особенно легко разлагаемые фосфориты, в частности желваковые и в меньшей степени ракушечниковые, применяются после размола в виде фосфоритной муки как деше­вое удобрение на кислых почвах.

Благодаря способности фосфоритной муки быстро и полностью разлагаться минеральными кислотами ее также применяют как нейтрализующую добавку к кислым удобрениям (например, к простому суперфосфату) и используют в качестве сырья для про­изводства двойного суперфосфата.

Фосфатные месторождения разрабатывают преимущественно открытым способом, что позволяет создавать рудники большой мощности (1,8 — 3 млн. т руды в год), оснащенные высокопроизводительным оборудованием. Несмотря на совершенствование открытого способа, качество добываемой руды во всем мире ухудшается. Это связано с истощением запасов богатых руд и вовлечением в эксплуатацию низкосортных природных фосфатов.

Добываемые при разработке месторождений фосфатные ру­ды, как правило, подвергают обогащению. Выбор конкретной схемы обо­гащения определяется главным образом условиями формирова­ния месторождения (составом и характером прорастания мине­ралов). Эти же факторы определяют и степень извлечения фосфатов в концентрат, она может колебаться в интервале 50 — 95%.

Важный показатель качества фосфатного сырья — толщина его помола. С одной стороны, чем мельче частицы фосфата, тем легче (при прочих равных условиях) протекает их взаимодей­ствие с кислотами; с другой — увеличение степени измельчения повышает стоимость переработки и потери сырья вследствие уноса пыли, отсасываемой воздухом, а также усложняет транс­портировку и дозировку. Все эти обстоятельства учитываются при выборе экономически и технологически оправданной сте­пени измельчения.

Еще одним показателем каче­ства фосфатного сырья, который не регламентирован требова­ниями стандартов, но имеет важное значение при выборе способа переработки, является реакционная способность природных фосфатов, т. е. их способность с той или иной ско­ростью разлагаться кислотами. Различия в реакционной спо­собности фосфатов можно объяснить в первую очередь особен­ностями их минералогической структуры и состава. [5]

2.1.2 Серная кислота

Для разложения фосфатного сырья в производстве фосфорной кислоты обычно применяют контактную серную кислоту, содержащую, согласно ГОСТ 2184—67, не менее 92,5% Н₂SО₄.

Серная кислота (Н₂SО₄) – сильная двухосновная кислота. При обычных условиях концентрированная серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость без цвета и запаха. Смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях.

Серная кислота – довольно сильный окислитель, особенно при нагревании. Серная кислота образует два ряда солей: средние – сульфаты и кислые – гидросульфаты, а также эфиры.

Применяют серную кислоту в производстве минеральных удобрений, для получения различных минеральных солей и кислот, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной и других отраслях промышленности. [6]

2.2. Характеристика готового продукта

Ортофосфорная кислота (Н₃РО₄) – бесцветные кристаллы, плотность 1,87, температура плавления 42,35С, теплота образования Н⁰₂₉₈= -309,4 ккал/моль.

Безводная Н₃РО₄ склонна к переохлаждению. При нормальной температуре инертна и ниже 350С не восстанавливается углеродом и водородом. При повышенных температурax реагирует с большинством металлов и их окислов, действуя даже на кварц, золото и т.д. С водой Н₃РО₄ смешивается во всех отношениях. Кипение растворов Н₃РО₄ сопровождается разложением и образованием азеотропной смеси, содержащей 91,1-92,1%Р₂О₅ (чистая Н₃РО₄ содержит 72,4% Р₂О₅). Для Н₃РО₄ окислительные и восстановительные свойства не характерны. При обычной температуре в водных растворах Н₃РО₄ взаимодействует лишь со щелочами. При повышенных температурax и пониженных давлениях Н₃РО₄ реагирует со спиртами с образованием эфиров. Однако чаще всего эфиры Н₃РО₄ получают взаимодействием спиртов ROH с РОС1₃ или РС1₅.

Состав экстракционной фосфорной кислоты согласно ТУ 2121-001-83161732-2009 приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Состав экстракционной фосфорной кислоты

Наименование физико-химического показателя	Нормы
Массовая доля Р2О5 %, не менее	52,0
Массовая доля Н3РО4 %, не менее	71,76
Массовая доля SО3 %, не более	3,5
Массовая доля F %, не более	0,5
Массовая доля осадка %, не более	0,6

Фосфорная кислота - важный полупродукт для производства удобрений, технических реактивов, например, фосфатов аммония, натрия, кальция и т.д. Н₃РО₄ применяют в синтезе ряда органических продуктов, в производстве активированного угля, для создания на металлах защитных покрытий. Очищенная, или так называемая пищевая Н₃РО₄, применяется в производстве безалкогольных напитков, фармацевтических препаратов, для приготовления кормовых концентратов и т.д. [1]

24