- •1. Характеристика сульфата калия
- •2. Способы получения сульфата калия
- •3. Получение сульфата калия конверсией хлорида калия серной кислотой
- •3.1. Характеристика основного и вспомогательного сырья
- •3.2. Физико-химические основы взаимодействия хлорида калия с серной кислотой
- •3.3. Двухстадийная технологическая схема получения сульфата калия.
- •3.4. Характеристика используемых химических реакторов
- •3.5. Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования.
Введение
Вещества, содержащие калий широко применяются в повседневной жизни человека. Они в значительном количестве используются в текстильной, стекольной, мыловаренной, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, строительной, химической промышленности, в черной и цветной металлургии, пиротехнике и других отраслях. Однако свыше 90 % калия, вырабатываемого в виде растворимых солей, применяют в сельском хозяйстве в качестве минеральных удобрений, поскольку калий наряду с азотом и фосфором – один из важнейших элементов, необходимых для повышения урожайности. Поэтому развитие калийной промышленности тесно связано с уровнем развития сельского хозяйства.
Мировая практика земледелия показала высокую эффективность применения минеральных удобрений, поэтому в настоящее время их производство – одна из ведущих отраслей химической промышленности. Современное мировое потребление минеральных удобрений составляет десятки миллионов тонн в год. Из этого количества на долю калийных удобрений приходится около 30 %.
Калий активно влияет на синтез углеводов и их перемещение к органам, принимает участие в других биохимических процессах, в частности, в дыхании. Он улучшает водный режим растений, поэтому они лучше переносят засуху и низкую температуру. Ионы калия влияют на обмен азотистых веществ. В случае его нехватки в клетках накапливается избыток аммиака, что может привести к отравлению и гибели растений. Дефицит калия обуславливает расщепление белков, которые снижают качество зерна, плодов и провоцируют развитие болезней. Во время роста зерновых культур калий способствует прочности стебля, что повышает устойчивость растений к вылеганию.
По легкости усвоения калия растениями различают водорастворимый калий, обменный (поглощенный) калий, то есть переходящий в почвенный раствор в результате ионообменных процессов, и необменный калий.
К водорастворимым соединениям калия относятся нитраты, сульфаты, хлориды, карбонаты и фосфаты калия. Наличие водорастворимого калия в почве мало, и составляет в среднем десять миллиграммов на килограмм почвы.
Водорастворимый калий представлен различными солями, растворенными в почвенной влаге (нитраты, фосфаты, сульфаты, хлориды, карбонаты калия), которые непосредственно усваиваются растениями. Содержание его в почве обычно незначительно и составляет в среднем десять миллиграммов на килограмм почвы.
Обменный калий составляет от 0,8 до 1,5 % мас. от общего содержания калия в почве. Ему принадлежит основная роль в питании растений. Хорошая доступность обменного калия для растений обусловлена способностью его при обмене с другими катионами легко переходить в раствор, из которого он усваивается растениями. При усвоении растениями калия из раствора новые порции его переходят из поглощенного состояния в почвенный раствор По мере использования обменного калия этот процесс все более замедляется, а остающийся калий все прочнее удерживается в поглощенном состоянии.
Необменный калий входит в состав безводных силикатов, из которых он извлекается растениями лишь частично и очень медленно.
Калий принадлежит к весьма распространенным химическим элементам. По содержанию в земной коре (около 2 %) он уступает только кислороду, кремнию, алюминию, железу, кальцию и натрию.
Наиболее широко применяемое калийное удобрение – хлористый калий. Он содержит от 57 до 60 % мас. К2О. Это кристаллическая соль или гранулы белого или розового цвета. Имеет хорошие физические свойства, малогигроскопичная, не слеживается, легко рассеивается, хорошо растворима в воде. Но эта соль содержит в своем составе хлор и поэтому внесение его под некоторые сельскохозяйственные культуры нежелательно. Поэтому под эти культуры в качестве бесхлорных калийных удобрений чаще всего используют сульфат калия, который содержит
от 42 до 52 % мас. К2О. Очень ценное бесхлорное удобрение, не гигроскопичное, не слеживается. Рекомендуют использовать на разных типах почв, под все культуры, особенно эффективно вносить под культуры, чувствительные к хлору, и под овощи в закрытом грунте. Однако это удобрение достаточно дорогое, что ограничивает его использование.
Данная курсовая работа посвящена изучению методов получения сульфата калия, выбору оптимального метода и дальнейшей его разработки.
1. Характеристика сульфата калия
Техническое наименование продукта – калий сернокислый, с химической формулой K2SO4. По внешнему виду он представляет собой бесцветные кристаллы ромбической сингонии (а = 0,742 нм, b = 1,001 нм, с = 0,573 нм, z = 4, пространственная группа Рпат). При температуре выше 584 оС устойчива гексагональная модификация (а = 0,5947 нм, с = 0,8375 нм, z = 2, пространственная группа Р63 / ттс) с плотностью 2,26 г / см3 и теплотой перехода – 8,0 кДж / моль. Сульфат калия образует четыре полиморфных модификации с температурами превращений 300, 350, 449, и 585 оС. Существует ряд кислых солей сульфата калия, температура плавления которых значительно ниже, чем у средней соли. Одним из ярчайших примеров является гидросульфат калия (KHSO4). Он представляет из себя кристаллы ромбической сингонии (а = 0,840 нм, b = 0,979 нм, с = 1,893 нм, z = 16, пространственная группа Pbca). Температура плавления равна 222 оС, плотность равна 2,4 г / см3, энтальпия образования равна -1163,3 кДж / моль. Выше температуры плавления образует смесь К2SO4 и K2S2O7. Хорошо растворяется в воде, не растворяется в ацетоне и этаноле.
Сульфат калия образует двойные соли, в том числе квасцы. Соли 2K2SO4 · Na2SO4 (глазерит), K2SO4 · MgSO4 · 6Н2О (шенит), K2SO4 · MgSO4 · 4Н2О (леонит), К2SO4 · 2MgSO4 (лангбейнит), К2SO4 · MgSO4 · 2CaSO4 · 2Н2О (полигалит) встречаются в природе в месторождениях калийных солей. Сульфат калия содержится также в водах соленых озер.
Основные физические и термодинамические свойства сульфата калия представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Основные физические и термодинамические свойства сульфата калия.
Температура кипения, оС |
1069,00 |
Температура плавления, оС |
1689,00 |
Мольная теплоемкость, Дж / (моль · К) |
134,40 |
Энтальпия образования, кДж / моль |
-1437,70 |
Мольная масса, г / моль |
174,26 |
Плотность, г / см3 |
2,66 |
Сульфат калия хорошо растворим в воде. Зависимость его растворимости от температуры приведена в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Растворимость сульфата калия в воде.
Температура, оС |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
Растворимость, г |
7,33 |
11,15 |
14,79 |
18,2 |
21,29 |
24,10 |
Сульфат калия не подвергается гидролизу, не растворим в концентрированных растворах щелочей или в чистом этаноле.
По физико-химическим показателям продукт должен соответствовать требованиям и нормам ГОСТ 4145 – 74, приведенным в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Химический состав сульфата калия.
Наименование показателя |
Значение |
||
химически чистый (х.ч.) ОКП 26 2113 0993 10 |
чистый для анализа (ч.д.а.) ОКП 26 2113 0992 00 |
чистый (ч.) ОКП 26 2113 0991 01 |
|
Массовая доля сернокислого калия (K2SО4), %, не менее |
99 |
98 |
97 |
Массовая доля нерастворимых в воле веществ, %, не более |
0,005 |
0,010 |
0,020 |
Массовая доля аммонийных солей (NH4), %, не более |
0,001 |
0,002 |
0,004 |
Массовая доля нитратов (NO3), %, не более |
0,001 |
0,002 |
0,004 |
Массовая доля хлоридов (Сl), %, не более |
0,0005 |
0,0010 |
0,0020 |
Массовая доля железа (F), %, не более |
0,0002 |
0,0005 |
0,0010 |
Массовая доля мышьяка (As), %, не более |
0,00005 |
0,00010 |
0,00040 |
Массовая доля натрия (Na), %. не более |
0,05 |
0,15 |
0,15 |
Массовая доля кальция (Са), %, не более |
0,005 |
0,010 |
0,020 |
Массовая доля тяжелых металлов (Рb), %, не более |
0,0005 |
0,0010 |
0,0020 |
рН раствора препарата с массовой долей 5 % |
от 5,5 до 8,0 |
от 5,5 до 8,0 |
от 5,5 до 8,0 |
Сульфат калия токсичен. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг / см3 по ГОСТ 12.1.005 –88, класс опасности – III (умеренно опасный). Помещения, в которых проводят работу с продуктом, должны быть оборудованы непрерывнодействующей приточно-вытяжной вентиляцией. При работе с сульфатом калия необходимо использовать индивидуальные средства защиты.
Сульфат калия применяют в качестве удобрения, в процессах получения квасцов и других соединений калия. Является компонентом шихты в производстве стекла.