Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ

Изобретение относится к технике управления процессом получения хлористого калия его кристаллизацией из осветленного насыщенного раствора, поступающего со стадий растворения сильвинитовых руд и осветления жидкой фазы в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки путем формирования раствора вводом воды в осветленный раствор.

Известен способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения расходов входных потоков - см. АС СССР №948884, кл. C01D 3/04, G05D 27/00, опубл. 07.08.82. Бюл. №20. Способ предусматривает стабилизацию содержания хлористого калия в продукте путем регулирования расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от температуры этого раствора, его расхода и концентрации в нем хлористого калия. Способ не учитывает содержания в растворе хлористого магния и твердого хлористого натрия. Расход воды должен определяться в весовых единицах, в то время как на практике определяют объемный расход раствора. Для определения плотности раствора используют измерительные приборы, имеющие высокую погрешность, поэтому перерасчет объемного расхода на весовой по плотности раствора приводит к ошибкам в измерении, что вызывает трудности в управлении процессом получения хлористого калия из его горячих насыщенных растворов.

Известен способ определения плотности солевых растворов на основании данных по их солевому составу для интервала температур от 0 до 100°C - см. Методы анализа рассолов и солей. Изд. «Химия». М., 1964. Л. ВНИИГ, с. 30-33. Для осуществления способа необходимо знание солевого состава осветленного насыщенного раствора, выполняемого сложным аналитическим методом. Кроме того, при температуре раствора 90-100°C способ дает существенную погрешность вследствие трудностей отбора и анализа горячих кристаллизующихся растворов.

Известен способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения входного потока воды, включающий регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от его весового расхода, содержания в нем хлористого калия, хлористого магния, кристаллического хлористого натрия и его температуры, расчеты степени насыщения раствора по хлористому калию, коэффициента повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при степени его насыщения по хлористому калию менее 1, коэффициента прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия - см. патент РФ №2406695, кл. C01D 3/04, G05D 27/00, опубл. 20.12.2010, Бюл. №35 - прототип.

Недостатком известного способа является необходимость определения весового расхода горячего осветленного насыщенного раствора, так как на практике определяют методами автоматического контроля только объемные расходы растворов. Пересчет объемного расхода на весовой требует знания плотности раствора. Существующие способы определения плотности горячих насыщенных кристаллизующихся растворов имеют высокую погрешность в измерении данного показателя - до 5%, что в условиях производства хлористого калия с потоками растворов свыше 2000 м³/час неприемлемо. Существующие другие методы определения плотности раствора, например аналитические, сложны и трудоемки.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение управления процессом получения хлористого калия за счет определения весового расхода осветленного насыщенного раствора расчетным методом по входным технологическим параметрам прототипа.

Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа управления процессом получения хлористого калия путем изменения входного потока воды, включающего регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от его весового расхода, содержания в нем хлористого калия, хлористого магния, кристаллического хлористого натрия и его температуры, расчеты степени насыщения раствора по хлористому калию, коэффициента повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при степени его насыщения по хлористому калию менее 1, коэффициента прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, отличающийся тем, что дополнительно определяют объемный расход раствора, по полученным данным определяют весовой расход раствора по объемному его расходу по следующей зависимости:

G_{осв. р-р} - весовой расход раствора, т/ч;

G′_{осв. р-р} - объемный расход раствора, м³/ч;

ρ_{осв. р-р} - плотность осветленного раствора, т/м³;

рассчитывают плотность осветленного раствора по следующей зависимости:

- плотность солей: хлористого натрия, калия и магния, т/м³;

- плотность воды при температуре осветленного раствора, т/м³;

- весовое содержание соответствующих компонентов в осветленном растворе, %;

K_сж. - коэффициент «сжатия», равный 0,9

рассчитывают концентрацию насыщения раствора по хлористому калию при α_KCl=1 и α_NaCl=1 по зависимости:

С′_KCl - концентрация насыщения раствора по хлористому калию при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, т/1000 т H₂O;

- концентрация хлористого магния в растворе, H₂O;

t - температура раствора, °C;

рассчитывают общую концентрацию NaCl в растворе, %, по зависимости:

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

C_{NaCl н.} - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при степени насыщения раствора α по KCl менее 1, H₂O;

K_NaCl - коэффициент повышения концентрации раствора по хлористому натрию для C_NaCl н. при степени насыщения раствора по KCl-α_KCl<1 и по NaCl-α_NaCl=1,

K_{NaCl тв.} - коэффициент прироста степени насыщения по NaCl в растворе за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия,

рассчитывают концентрацию MgCl₂ в растворе, %, по зависимости:

рассчитывают содержание воды в растворе по зависимости:

замеренные и вычисленные значения технологических параметров подают в систему управления расходом воды, при этом в приведенных уравнениях размерность рассчитываемых величин и размерность входящих в уравнения параметров уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед указанными параметрами и свободными числами.

Сущность способа как технического решения заключается в следующем: в отличие от известного способа управления процессом получения хлористого калия путем изменения входного потока воды, включающего регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от его весового расхода, содержания в нем хлористого калия, хлористого магния, кристаллического хлористого натрия и его температуры, расчеты степени насыщения раствора по хлористому калию, коэффициента повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при степени его насыщения по хлористому калию менее 1, коэффициента прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, отличающийся тем, что дополнительно определяют объемный расход раствора, по полученным данным определяют весовой расход раствора по объемному его расходу по следующей зависимости:

G_{осв. р-р} - весовой расход раствора, т/ч;

G′_{осв. р-р} - объемный расход раствора, м³/ч;

ρ_{осв. р-р} - плотность осветленного раствора, т/м³;

рассчитывают плотность осветленного раствора по следующей зависимости:

- плотность солей: хлористого натрия, калия и магния, т/м³;

- плотность воды при температуре осветленного раствора, т/м³;

- весовое содержание соответствующих компонентов в осветленном растворе, %;

K_сж. - коэффициент «сжатия», равный 0,9

рассчитывают концентрацию насыщения раствора по хлористому калию при α_KCl=1 и α_NaCl=1 по зависимости:

С′_KCl - концентрация насыщения раствора по хлористому калию при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, H₂O;

- концентрация хлористого магния в растворе, т/1000 т H₂O;

t - температура раствора, °C;

рассчитывают общую концентрацию NaCl в растворе, %, по зависимости:

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

C_{NaCl н.} - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при степени насыщения раствора α по KCl менее 1, H₂O;

K_NaCl - коэффициент повышения концентрации раствора по хлористому натрию для C_{NaCl н.} при степени насыщения раствора по KCl - α_KCl<1 и по NaCl - α_NaCl=1

K_{NaCl тв.} - коэффициент прироста степени насыщения по NaCl в растворе за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия,

рассчитывают концентрацию MgCl₂ в растворе, , %, по зависимости:

рассчитывают содержание воды в растворе по зависимости:

замеренные и вычисленные значения технологических параметров подают в систему управления расходом воды, при этом в приведенных уравнениях размерность рассчитываемых величин и размерность входящих в уравнения параметров уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед указанными параметрами и свободными числами.

В соответствии с прототипом по предлагаемому способу в горячем осветленном насыщенном растворе замеряют содержание хлористого калия, хлористого магния и кристаллического хлористого натрия, а также температуру раствора. Рассчитывают степень насыщения раствора по хлористому калию по зависимости:

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

t - температура раствора, °C;

- содержание MgCl₂ в растворе, ;

рассчитывают концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl менее 1, , , по зависимости:

рассчитывают концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl, равной 1, C_{NaCl н.}, , по зависимости:

;

рассчитывают коэффициент прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, K_{NaCl тв.}:

;

рассчитывают коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl менее 1, K_NaCl, по зависимости:

.

По предлагаемому способу рассчитывают концентрацию насыщения раствора по хлористому калию при α_KCl=1 и α_NaCl=1 по зависимости:

, где

- концентрация насыщения раствора по хлористому калию при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, .

Вывод предлагаемого уравнения - см. патент РФ №2399587, кл. C01D 3/04, G05D 27/00, публ. 10.06.2010, Бюл. №26. Данное уравнение предназначено для определения концентрации KCl в жидкой фазе в корпусах вакуум-кристаллизационной установки, однако эксперименты показали, что оно применимо и в данном предполагаемом изобретении.

Рассчитывают общую концентрацию NaCl в растворе, %, по зависимости:

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

C_{NaCl н.} - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при степени насыщения раствора α по KCl менее 1, H₂O;

K_NaCl - коэффициент повышения концентрации раствора по хлористому натрию для C_{NaCl н.} при степени насыщения раствора по KCl - α_KCl<1 и по NaCl - α_NaCl=1

K_{NaCl тв.} - коэффициент прироста степени насыщения по NaCl в растворе за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия,

рассчитывают концентрацию MgCl₂ в растворе, , %, по зависимости:

рассчитывают содержание воды в растворе по зависимости:

Из справочной литературы имеем: плотность хлористого натрия P_NaCl=2163 кг/м³; плотность хлористого калия P_KCl=1987 кг/м³ - см., например, Физико-химические свойства галургических растворов и солей. Хлориды натрия, калия и магния. Справочник. - СПб.: Химия, 1997. Стр. 9.

Плотность хлористого магния - см., например, Справочник химика. Том второй. Основные свойства неорганических и органических соединений. Второе издание, переработанное и дополненное. - М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы. 1963. Стр. 116-117.

Плотность воды в интервале температур от 90 до 99°C приведена в таблице 1. По этим значениям составлено уравнение:

Приведенные данные - см. Справочник химика. Том первый. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника. Второе издание, переработанное и дополненное. - М.-Л.: Химия. 1966. Стр. 880.

Подставляя полученные результаты расчетов в зависимость для плотности осветленного раствора:

- плотность солей: хлористого натрия, калия и магния, т/м³;

- плотность воды при температуре осветленного раствора, т/м³;

- весовое содержание соответствующих компонентов в осветленном растворе, %;

K_сж. - коэффициент сжатия, равный 0,9,

определяем плотность осветленного раствора, а затем по зависимости

G_{осв. р-р} - весовой расход раствора, т/ч;

- объемный расход раствора, м³/ч;

ρ_{осв. р-р} - плотность осветленного раствора, т/м³;

определяем весовой расход осветленного насыщенного раствора и замеренные и вычисленные значения технологических параметров подаем в систему управления расходом воды.

Плотность растворов является величиной аддитивной, то есть ее можно рассматривать как сумму плотностей, входящих в состав раствора компонентов пропорционально их процентному содержанию. При эксплуатации производства в значение вычисленного значения плотности ρ_{осв. р-р} возможно будет включен откорректированный коэффициент «сжатия» - K_сж. - см. Технология добычи солей, Р.С. Пермяков, B.C. Романов, М.П. Бельды, М.: Недра, 1981, с. 28, - полученный на основании статистического анализа определения плотности раствора в производственных условиях. По практическим данным этот коэффициент для осветленного насыщенного раствора составляет 0,9. Тогда плотность осветленного раствора в уравнении его расхода G_{осв. р-р} записывается с коэффициентом K_сж.=0,9.

Таким образом, решается поставленная задача предлагаемого изобретения - достигается упрощение управления процессом получения хлористого калия за счет определения весового расхода осветленного насыщенного раствора расчетным методом по входным технологическим параметрам прототипа, достигается высокая точность измерения, так как технологические параметры получены на основе расчетов по диаграмме растворимости солевой системы: KCl-NaCl-MgCl₂-H₂O для рабочего интервала температур.

В случае определения методом аналитического или автоматического контроля полученное при этом значение также подставляется в уравнение для определения ρ_{осв. р-р} в виде его процентного содержания.

Способ осуществляли следующим образом: в осветленном насыщенном растворе замеряли содержание хлористого калия, например калиметром, содержание кристаллического хлористого натрия, например нефелометром, содержание хлористого магния, например автоматическим титратором, с непрерывным отбором проб. Учитывая, что содержание хлористого магния и кристаллического хлористого натрия в растворе менялось незначительно, приборный контроль за содержанием этих компонентов дублировали аналитически 1 раз в смену и сравнивали полученные результаты с данными приборного контроля. Замеряли температуру термометром сопротивления и объемный расход горячего осветленного раствора с помощью индукционного расходомера.

Рассчитывали степень насыщения раствора по хлористому калию по зависимости:

где

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

t - температура раствора, °C;

- содержание MgCl₂ в растворе, .

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl менее 1, , по зависимости:

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl, равной 1, C_{NaCl н.}, по зависимости:

.

Рассчитывали коэффициент прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, K_{NaCl тв.}, по зависимости:

.

Рассчитывали коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl менее 1, K_NaCl, по зависимости:

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по хлористому калию при α_KCl=1 и α_NaCl=1 по зависимости:

С′_KCl- концентрация насыщения раствора по хлористому калию при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, H₂O;

- концентрация хлористого магния в растворе, т/1000 т H₂O;

t - температура раствора, °C;

рассчитывали общую концентрацию NaCl в растворе, %, по зависимости:

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

C_{NaCl н.} - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при степени насыщения раствора α по KCl менее 1, H₂O;

K_NaCl -коэффициент повышения концентрации раствора по хлористому натрию для C_NaCl н. при степени насыщения раствора по KCl - α_KCl<1 и по NaCl - α_NaCl=1

K_{NaCl тв.} - коэффициент прироста степени насыщения по NaCl в растворе за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия,

рассчитывают концентрацию MgCl₂ в растворе, , %, по зависимости:

рассчитывали содержание воды в растворе по зависимости:

Рассчитывали плотность осветленного раствора, ρ_{осв. р-р}, по следующей зависимости:

, где

- плотность солей: хлористого натрия, калия и магния, т/м³;

- плотность воды при температуре осветленного раствора, т/м³;

- весовое содержание соответствующих компонентов в осветленном растворе, %;

K_сж. - коэффициент сжатия, 0,9;

или, подставляя значения плотности солей и воды, имеем:

.

Определяли весовой расход раствора по объемному его расходу по следующей зависимости:

, где

G_{осв. р-р} - весовой расход раствора, т/ч;

- объемный расход раствора, м³/ч;

ρ_{осв. р-р} - плотность осветленного раствора, т/м³.

Замеренные и вычисленные значения технологических параметров подавали в качестве задания в систему управления расходом через контроллер.

Примеры осуществления способа

Пример 1

С помощью приборного контроля замерили:

- C_KCl - содержание хлористого калия в осветленном насыщенном растворе - 19,6% с помощью калиметра;

- C_{NaCl тв.} - содержание кристаллического хлористого натрия в растворе - 7 с помощью нефелометра;

- - содержание хлористого магния в растворе - 3 с помощью автоматического титратора;

- - объемный расход раствора - 2000 м³/ч с помощью индукционного расходомера;

- t - температуру осветленного раствора - 96°C с помощью термометра сопротивления. Рассчитывали степень насыщения раствора по хлористому калию:

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl менее 1:

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl=1:

Рассчитывали коэффициент прироста степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия:

Рассчитывали коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl менее 1:

.

Рассчитывали концентрацию насыщения раствора по хлористому калию при α_KCl и α_NaCl=1:

Рассчитывали общую концентрацию NaCl в растворе, %:

Рассчитывали концентрацию MgCl₂ в растворе, %:

Рассчитывали содержание воды в растворе, %:

.

Рассчитывали плотность осветленного раствора без K_сж. по следующей зависимости:

или с учетом коэффициента «сжатия» 0,9 плотность осветленного раствора составляет: 1,3798·0,9=1,2419 т/м³.

Рассчитывали расход осветленного раствора:

.

Замеренные и вычисленные значения технологических параметров подали в систему управления расходом воды.

Пример 2

Способ осуществляли в соответствии с примером 1, но в осветленном растворе содержание кристаллического хлористого натрия и хлористого магния определяли с помощью аналитических методов 1 раз в смену продолжительностью 12 часов. При этом в уравнение для определения ρ_{осв. р-р} подставляли полученное процентное значение .