41. OTRZYMYWANIE KWASU FOSFOROWEGO METODĄ EKSTRAKCYJNĄ

I. ZAŁOŻENIA DO WYKONANIA ĆWICZENIA:

1. Surowiec fosforowy: 30g, Ca₃(PO₄)₂

2. zawartość CaO w surowcu fosforowym wynosi: ……. % (obliczyć przed zajęciami)

3. zawartość P₂O₅ w surowcu fosforowym wynosi: ……. %, (obliczyć przed zajęciami)

4. stężenie H₂SO₄ w zakresie: 50- 80 %*,

5. nadmiar H₂SO₄ wynosi 50-70 %^*,

6. temperatura procesu: 80-90°C^*,

7. liczba pobieranych próbek do analizy: 5,

8. częstotliwość pobierania próbek: 30 min.,

9. objętość pobieranej próbki (zawiesina): 1-2 cm³.

Wykaz sprzętu:

1. kolba trójszyjna poj. 250 cm³ - 1 szt.,

2. mieszadło mechaniczne - 1 szt.,

3. termopara,

4. łaźnia wodna - 1 szt.,

5. kolba miarowa poj. 100 cm³ - 2 szt.,

6. kolba stożkowa poj. 50 cm³ - 4 szt.,

7. pipeta jednomiarowa 10 cm³ - 1 szt.,

8. pipeta jednomiarowa 20 cm³ - 2 szt.,

9. biureta 25 cm³ - 1 szt.,

10. cylinder miarowy poj. 100 cm³,

11. lejek zwykły - 1szt,

12. lejek nasypowy - 1 szt,

13. łyżka - 1 szt,

14. kubek plastikowy - 1 szt,

15. zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem:

• pipeta do pobierania próbki - 2szt;

• lejek ze spiekiem - 2 szt;

• probówka ze szlifem o poj. 10 cm³ - 2 szt,

• nasadka do sączenia - 1 szt.

• kolbka ssawkowa poj. 50 cm³ - 1 szt

Wykaz odczynników:

Surowiec fosforowy,

Kwas siarkowy 70%,

0,5 N NaOH,

oranż metylowy,

fenoloftaleina,

Dodatkowo: pojemnik na utylizowany fosfogips (szklany), pojemnik na utylizowany kwas fosforowy (szklany).

II. SPOSÓB PROWADZENIA PROCESU:

Na wadze technicznej odważyć określoną ilość surowca fosforowego i obliczyć zapotrzebowanie kwasu siarkowego do ekstrakcji ze wzoru:

V = Z_t ·
(1 +
)

gdzie:

V - zapotrzebowanie kwasu siarkowego (w cm³) o stężeniu c i gęstości d,

Z_t - teoretyczne zapotrzebowanie kwasu siarkowego na 100 g surowca fosforowego,

m - masa surowca fosforowego w gramach,

n - nadmiar kwasu siarkowego w %,

c - stężenie kwasu siarkowego w %,

d - gęstość kwasu siarkowego w g/dm³.

Zmontować zestaw reakcyjny z powierzonego szkła. Sprawdzić prawidłowość pracy zestawu reakcyjnego bez obciążania reaktora surowcami!

Przygotować kwas siarkowy o zadanym stężeniu w wyznaczonej ilości z kwasu o większym stężeniu (wymagana znajomość stosownych obliczeń). Gęstości kwasu siarkowego potrzebne do obliczeń wyznaczyć przyjmując liniową zależność gęstości od stężenia kwasu oraz to, że gęstości kwasu o stężeniu 50 i 90% wynoszą odpowiednio 1,40, 1,81 [g/cm³]. Przygotowany kwas siarkowy umieścić w reaktorze, włączyć termostat i mieszadło, a po uzyskaniu żądanej temperatury dodać określoną ilość surowca fosforowego. Boczne szyje kolby zakorkować.

W podanych w założeniach odstępach czasu, pobierać próbki do analizy na zawartość kwasów w fazie ciekłej. Przez jedną z szyi kolby pobrać próbkę, przesączyć na lejku ze spiekiem, następnie ilościowo przenieść do kolby miarowej i dopełnić wodą destylowaną do objętości 100 cm³.

Z kolby miarowej pobrać 10 lub 20 cm³ próbkę i miareczkować wobec oranżu metylowego - kwasowość M (dwie analizy). To samo powtórzyć wobec fenoloftaleiny - kwasowość F (dwie analizy).

Kwasowość oblicza się wg wzoru:

Gdzie:

a - ilość (cm³) NaOH zużytego do miareczkowania próbki,

m - miano NaOH (mol/dm³),

f - mnożnik uściślający miano, przyjąć 1.

V_p - objętość stężonego roztworu miareczkowanej próbki (cm³).

Po zakończeniu procesu ekstrakcji ochłodzić mieszaninę reakcyjną do temperatury pokojowej i oddzielić osad fosfogipsu od fazy ciekłej, sącząc na lejku Buchnera. Zmierzyć objętość filtratu. Fosfogips przepłukać na sączku 200 cm³ wody i wyznaczyć kwasowość j.w.

Po zakończeniu ćwiczenia fosfogips zutylizować do wskazanego przez prowadzącego zajęcia pojemnika. To samo uczynić z przesączami.

III. OBLICZENIA I DYSKUSJA WYNIKÓW

Informacje ogólne:

Gdy:

1. M > F-M, (nadmiar kwasu siarkowego; jest kwas siarkowy w brei)

2. M = F-M,

3. M < F-M (niedomiar kwasu siarkowego; w breji jest H₃PO₄ i nieprzereagowany surowiec fosforowy)

Wzory na stężenie molowe kwasu fosforowego:

a) [H₃PO₄] = F - M, dla przypadku 1.

b) [H₃PO₄] = M, dla przypadku 3.

Wzór na [H₂SO₄], (mol/dcm³), w wariancie zastosowania w nadmiarze z wykorzystaniem kwasowości M i F ma postać: (2M-F)/2

Wzór na obliczenie stężenia [P₂O₅], (mol/dcm³) w breji, dla obu wariantów z wykorzystaniem kwasowości M i F ma postać: (F-M)/2.

1. Obliczanie stopnia wykorzystania kwasu siarkowego:

Przy założeniu, że nie ma zmiany objętości reagującej mieszaniny wyznacza się następująco:

gdzie M_o - kwasowość mieszaniny reakcyjnej w chwili rozpoczęcia procesu, wyznaczona przez ekstrapolację. Powinna być jednakowa wobec oranżu metylowego i fenoloftaleiny.

2. Obliczanie wydajności procesu

W realizowanym ćwiczeniu nie analizujemy fosfogipsu pod kątem zawartości P₂O₅, zatem

Wydajność procesu α, a raczej „uzysk gospodarczy” procesu ekstrakcji na podstawie obliczeń bilansowych, wynosi:

gdzie:

[H₃PO₄] - stężenie kwasu fosforowego w mol/dm³,

[P₂O₅] - zawartość % P₂O₅ w surowcu fosforowym,

V_k - objętość otrzymanego kwasu fosforowego w cm³,

m - masa surowca fosforowego wziętego do procesu w g,

142 - masa molowa P₂O₅.

Zestawić dane doświadczalne i obliczenia w tabeli poniżej (wzór):

Czas	Temp.	Kwasowość M		Kwasowość F		[H2SO4]	[H3PO4]	αH2SO4	[P2O5]
min.	°C	cm^3 0.5 M NaOH	mol/ dm^3	cm^3 0.5 M NaOH	mol/ dm^3	mol/dm^3	mol/dm^3	-	mol/dm^3
0
30
…
Przesącz końc.
Popłu­czyny	-							-

Wyniki badań należy przedstawić graficznie wykreślając: a) M=f(τ); b) F=f(τ); c) [H₃PO₄]=f(τ). Wykresy 1. i 2. pozwalają oszacować wartość M_o potrzebnej do obliczenia wydajności procesu; Wykres 3. pozwala na określenie niezbędnego czasu ekstrakcji.

Obliczyć całkowitą wydajność procesu uwzględniając kwas zawarty w popłuczynach.

W sprawozdaniu powinny się znaleźć wszystkie obliczenia włącznie z ewentualnym wyprowadzaniem niezbędnych wzorów.

* - Podaje prowadzący.

4