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:
kolba trójszyjna poj. 250 cm3 - 1 szt.,
mieszadło mechaniczne - 1 szt.,
termopara,
łaźnia wodna - 1 szt.,
kolba miarowa poj. 100 cm3 - 2 szt.,
kolba stożkowa poj. 50 cm3 - 4 szt.,
pipeta jednomiarowa 10 cm3 - 1 szt.,
pipeta jednomiarowa 20 cm3 - 2 szt.,
biureta 25 cm3 - 1 szt.,
cylinder miarowy poj. 100 cm3,
lejek zwykły - 1szt,
lejek nasypowy - 1 szt,
łyżka - 1 szt,
kubek plastikowy - 1 szt,
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 = Zt ·
(1 +
)
gdzie:
V - zapotrzebowanie kwasu siarkowego (w cm3) o stężeniu c i gęstości d,
Zt - 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.
Vp - 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:
M > F-M, (nadmiar kwasu siarkowego; jest kwas siarkowy w brei)
M = F-M,
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 Mo - 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,
Vk - 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 |
cm3 0.5 M NaOH |
mol/ dm3 |
cm3 0.5 M NaOH |
mol/ dm3 |
mol/dm3 |
mol/dm3 |
- |
mol/dm3 |
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 Mo 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