Производства триполифосфата натрия из фосфорной кислоты

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт ( Технический Университет)

Кафедра: Технология неорганических веществ и минеральных удобрений

Учебная дисциплина: Химическая технология неорганических веществ

Курсовая работа

Тема: Производство триполифосфата натрия из фосфорной кислоты

                                                                   Студентка: группа 1171               

                                                                                           Тарасова Н.Ю

                                                                     Проверил: Шапкин М.А.

Санкт-Петербург

2011

Содержание

Введение

1.Физические свойства триполифосфата натрия

2.Фосфорная кислота

2.1.Физико-химические свойства фосфорной кислоты

3.Получение экстракционной фосфорной кислоты дигидратным способом

4.Производство триполифосфата

Введение

Фосфорная кислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питания растений. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненно важных частей - семян и плодов.

Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуя различные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессах обмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этого производные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор «элементом мысли».

Получение фосфорной кислоты в последнее время превращается в важное звено всей отрасли, связанной с производством удобрении. Известно, что ортофосфорная кислота (Р2О5 · ЗН2О) при нагревании подвергается дегидратации, превращаюсь в пирофосфорную кислоту Р2О5 · 2Н2О. Дальнейшая дегидратация может привести к образованию триполифосфорной ЗР2О5 · 5НО и других полифосфорных вплоть до метафосфорной кислоты НРО3 и ее полимеров (Р2О5 · Н2О)П. В производстве эту смесь называют суперфосфорной кислотой. Она содержит до 80% Р2О5, что превращает ее в ценное сырье для получения высококонцентрированных фосфорных и сложных удобрений.

Для этих целей ежегодно добывается во всем мире фосфорсодержащей руды около 100 млн. т. Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различных сельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ее структурированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости других содержащихся в почве веществ.

Физические свойства триполифосфата натрия

Триполифосфат натрия

– предназначается для приготовления моющих средств, обработки воды, используемой для питания котлов, в мясной и молочной промышленности, розничной торговли и для других целей. Триполифосфат натрия применяется в качестве добавки при стирке всех видов тканей в любой воде различной температуры. Триполифосфат натрия выпускают пищевой и технический.

Получение.

Порошкообразный триполифосфат натрия является продуктом переработки термической ортофосфорной кислоты.

Химическая формула: Na5P3O10.      

Требования безопасности.

Триполифосфат натрия пожаро- и взрывобезопасен, не токсичен.

Упаковка.

Триполифосфат натрия упаковывают в клапанные или открытые четырех-, пяти-, шестислойные бумажные мешки, полиэтиленовые или полипропиленовые мешки, а также в мягкие специализированные контейнеры разового использования.

Транспортировка, хранение.

Триполифосфат натрия транспортируют в крытых железнодорожных вагонах, закрытых палубных судах и крытым автомобильным транспортом. Допускается при транспортировании железнодорожным транспортом упаковывать триполифосфат натрия в мягкие специализированные контейнеры без перевалок в пути следования с погрузкой и выгрузкой на подъездных путях предприятий. Также триполифосфат натрия транспортируют насыпью в специально оборудованных крытых вагонах, вагонах-цистернах.

Триполифосфат натрия хранят в закрытых складских помещениях. Мягкие специализированные контейнеры хранят в закрытых помещениях или под навесом.

Физико-химические показатели триполифосфата натрия

2.Фосфорная кислота

2.1 Фихико-химические свойства фосфорной кислоты

Фосфорная кислота (ортофосфорная кислота) H3PO4, мол. м. 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,5762 нм, b= 0,4831 нм, с =1,1569 нм,  = 95,31°, пространственная группа Р21/с); расплывается на воздухе. т. пл. 42,50 С; плотн. 1,88 г/см3;  -1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению; при 15 0C образует густую маслянистую жидкость. при -121 0C- стеклообразную массу.

Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H3PO4•0,5H2O- бесцветные кристаллы моноклинной сингонии (а = 0,7922 нм, b = 1,2987 нм, с = 0,7470 нм, = 109,9°; пространственная группа Р21/a). Молекула безводной H3PO4 и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO4. В безводной H3PO4 образуются водородные связи типа P — О — H ... O = P (рис. 1) (расстояние между атомами О 0,253 нм), которые удерживают структуры PO4 в виде слоев, пара.лельных одной из плоскостей кристалла. Водородные связи сохраняются и в концентрированных (70-80%) растворах H3PO4, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфат-анионов с молекулами воды, а не с другими фосфат-анионами. В растворах H3PO4 имеет место обмен атомами кислорода между группами PO4 и водой.

H3PO4 при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагр. выше 80 0C реагирует даже с неактивными оксидами. кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах H3PO4 - слабый окислитель для металлов. При действии на металлическую поверхность раствором H3PO4• с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование). Фосфорная кислота при нагревании теряет воду с образованием последовательно пиро- и метафосфорных кислот:

Фосфолеум (жидкий фосфорный ангидрид, суперфосфорная кислота) включает кислоты, содержащие от 72,4 до 88,6% P2O5, и представляет собой равновесную систему, состоящую из орто-, пиро-, триполи-, тетраполи- и др. фосфорных кислот. При разбавлении суперфосфорной кислоты водой выделяется значит. кол-во тепла, и полифосфорные кислоты быстро переходят в ортофосфорную.

От других фосфорных кислот H3PO4 можно отличить по реакции с AgNO3 - выпадает желтый осадок Ag3PO4. Остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки.

Получение. H3PO4 в лабораторных условиях легко получить окислением фосфора 32%-ным раствором азотной кислоты:

В промышленности H3PO4 получают термическим и экстракционным способами.

Термический способ (позволяет производить наиболее чистую H3PO4) включает основные стадии: сжигание (окисление) элементного фосфора в избытке воздуха, гидратацию и абсорбцию полученного P4O10, конденсацию фосфорной кислота и улавливание тумана из газовой фазы. Существуют два способа получения P4O10: окисление паров P (в промышленности используют редко) и окисление жидкого P в виде капель или пленки. Степень окисления P в пром. условиях определяется температурой в зоне окисления, диффузией компонентов и др. факторами. Вторую стадию получения термической H3PO4 - гидратацию P4O10 - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействием паров P4O10 с парами воды. Гидратация (P4O10 + 6H2O  4H3PO4) протекает через стадии образования полифосфорных кислот. Состав и концентрация образующихся продуктов зависят от температуры и парциального давления паров воды.

Все стадии процесса могут быть совмещены в одном аппарате, кроме улавливания тумана, которое всегда производят в отдельном аппарате. В промышленности обычно используют схемы из двух или трех основных аппаратов. В зависимости от принципа охлаждения газов существуют три способа производства термической фосфорной кислоты: испарительный, циркуляционно-испарительный, теплообмен-но-испарительный. Испарит. системы, основанные на отводе теплоты при испарении воды или разб. H3PO4, наиб. просты в аппаратурном оформлении. Однако из-за относительно большого объема отходящих газов использование

таких систем целесообразно лишь в установках небольшой единичной мощности.

Циркуляционно-испарительные системы позволяют совместить в одном аппарате стадии сжигания P, охлаждения газовой фазы циркулирующей кислотой и гидратации P4O10. Недостаток схемы - необходимость охлаждения больших объемов кислоты. Теплообменно-испарительные системы совмещают два способа отвода теплоты: через стенку башен сжигания и охлаждения, а также путем испарения воды из газовой фазы; существенное преимущество системы - отсутствие контуров циркуляции кислоты с насосно-холодильным оборудованием.

На отечественных предприятиях эксплуатируют технологические схемы с циркуляционно-испарительным способом охлаждения (двухбашенная система). Отличительные особенности схемы: наличие дополнит. башни для охлаждения газа, использование в циркуляционных контурах эффективных пластинчатых теплообменников; применение высокопроизводительные форсунки для сжигания P, обеспечивающей однородное тонкодисперсное распыление струи жидкого P и полное его сгорание без образования низших оксидов.

Технол. схема установки мощностью 60 тыс. т в год 100%-ной H3PO4 приведена на рис. 3. Расплавленный желтый фосфор распыляется нагретым воздухом под давлением до 700 кПа через форсунку в башне сжигания, орошаемой циркулирующей кислотой. Нагретая в башне кислота охлаждается оборотной водой в пластинчатых теплообменниках. Продукционная кислота, содержащая 73-75% H3PO4, отводится из контура циркуляции на склад. Дополнительное охлаждение газов из башни сжигания и абсорбцию кислоты производят в башне охлаждения (гидратации), что снижает последующую температурную нагрузку на электрофильтр и способствует эффективной очистке газов. Отвод теплоты в башне гидратации осуществляется циркулирующей 50%-ной H3PO4, охлаждаемой в пластинчатых теплообменниках. Газы из башни гидратации после очистки от тумана H3PO4 в пластинчатом электрофильтре выбрасываются в атмосферу. На 1 т 100%-ной H3PO4 расходуется 320 кг P.

Рис. 1. Циркуляционная двухбашенная схема произ-ва термич. H3PO4: 1 - сборник кислой воды; 2 - хранилище фосфора; 3,9 - циркуляционные сборники; 4,10 - по-гружные насосы; 5,11 - пластинчатые теплообменники; 6 - башня сжигания; 7 - фосфорная форсунка; 8 -башня гидратации; 12 - электрофильтр; 13 - вентилятор.

Более экономичный экстракционный метод получения H3PO4 основан на разложении природных фосфатов кислотами (в основном серной, в меньшей степени азотной и незначительно соляной). Фосфорнокислые растворы, полученные разложением азотной кислотой, перерабатывают в комплексные удобрения, разложением соляной кислотой - в преципитат.

Сернокислотное разложение фосфатного сырья [в странах СНГ главным образом хибинского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау - основной метод получения экстракционной H3PO4, применяемой для производства концентрированных фосфорных и комплексных удобрений. Суть метода - извлечение (экстрагирование) P4O10 (обычно используют формулу P2O5) в виде H3PO4. По этому методу прир. фосфаты обрабатывают H2SO4 с послед, фильтрованием полученной пульпы для отделения H3PO4 от осадка сульфата Ca. Часть выделенного основного фильтрата, а также весь фильтрат, полученный при промывке осадка на фильтре, возвращают в процесс экстрагирования (раствор разбавления) для обеспечения достаточной подвижности пульпы при ее перемешивании и транспортировке. Массовое соотношение между жидкой и твердой фазами от 1,7 :1 до 3,0:1.

Прир. фосфаты разлагаются по схеме:

Разложению кислотами подвергаются также сопутствующие примеси: кальцит, доломит, сидерит, нефелин, глауконит, каолин и др. минералы. Это приводит к увеличению расхода используемой кислоты, а также снижает извлечение P2O5 в целевой продукт вследствие образования нерастворимых фосфатов железа FeH3(PO4)2• 2,5H2O при концентрациях P2O5 выше 40% (содержание P4O10 обычно дается в пересчете на P2O5) и FePO4• 2H2O - при более низких концентрациях. Выделяющийся при разложении карбонатов СО2 образует в экстракторах стойкую пену; растворимые фосфаты Mg, Fe и Al снижают активность H3PO4, а также уменьшают содержание усвояемых форм P2O5 в удобрениях при послед. переработке H3PO4.