Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРАТА КАЛИЯ

Изобретение относится к технологии получения минеральных солей и удобрений и может быть использовано для получения нитрата калия.

Нитрат калия находит широкое применение во многих отраслях промышленности. Он является бесхлорным, безбалластным комплексным удобрением, содержащим азот и калий в эквивалентном соотношении. Однако применение его в сельском хозяйстве ограничено высокой ценой.

Известен способ получения нитрата калия путем конверсионного обмена между нитратом натрия и хлоридом калия (Справочник азотчика. М.: Химия, 1987, с. 207-210) по уравнению: KCl+NaNO₃=NaCl+KNO₃.

По этому способу готовят раствор KCl и NaNO₃, который смешивают с маточным раствором 1-й ступени кристаллизации для достижения необходимого соотношения К/NO₃ (примерно 0,75) упаривают с образованием кристаллов хлорида натрия NaCl. Маточный раствор после отделения кристаллов NaCl смешивают с маточным раствором 2-й ступени кристаллизации и направляют на 1-ю ступень кристаллизации. Раствор охлаждается с образованием кристаллов нитрата калия KNO₃. Кристаллы нитрата калия растворяют, смешивают с маточным раствором 2-й ступени кристаллизации, раствор упаривают и охлаждают. Суспензию сгущают, кристаллы KNO₃ отделяют от маточника и промывают. Маточник подают на рециркуляцию и 1-ю ступень кристаллизации.

Недостатком известного способа является необходимость проведения перекристаллизации и промывки кристаллов нитрата калия для обеспечения чистоты полученного продукта.

Известен способ получения нитрата калия вакуумной кристаллизацией путем взаимодействия нитрата натрия и хлорида калия, в котором в маточный раствор добавляют нитрат натрия и хлорид калия в соответствии с молярным соотношением К⁺:NO₃^-=1:1,0-1,2; и осуществляют конверсию при температуре 75-90°С. Суспензию осаждают до содержания твердого вещества 30-45%, кристаллизованную при высокой температуре соль - хлорид натрия - отделяют центрифугированием, а очищенный раствор после фильтрации поступает в вакуумный кристаллизатор. Хлорид натрия промывают. Промывочную жидкость непосредственно направляют в вакуумный кристаллизатор. Температура в вакуумном кристаллизаторе поддерживается на уровне 25-40°С, и кристаллы нитрата калия выпадают в осадок. Суспензия после вакуумной кристаллизации вводится в центрифугу для центробежного разделения и получения первичного продукта - нитрата калия. Первичный продукт нитрата калия промывают и сушат. Полученный маточный раствор направляют для участия в последующей реакции конверсии (патент CN 101143731, C01D 9/14, 26.08.2009) - прототип.

Способ позволяет уменьшить количество циркулирующей воды и снизить энергопотребление, но не позволяет получить продукт без загрязнения его сопутствующими хлористыми солями.

Недостатками реализованных в промышленности процессов являются также использование для получения технического нитрата натрия и галургического 98%-го хлорида калия, которые первоначально получаются из растворов и путем дорогостоящих переделов (выпарки, растворения, кристаллизации и сушки), доводятся до товарных твердых материалов. После этого на стадию кристаллизации нитрата калия вновь вводится дополнительное количество воды, которое упаривается на стадии кристаллизации хлорида натрия.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение нитрата калия с минимальным содержанием примесей хлоридов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нитрата калия, включающем конверсию раствора смеси нитрата натрия с хлоридом калия, при которой раствор исходной смеси нагревают, полученную смесь охлаждают для кристаллизации нитрата калия и отделяют его от оборотного раствора, который упаривают до образования кристаллов хлорида натрия и отделяют его от оборотного раствора, а последний направляют для приготовления исходной смеси, в соответствии с изобретением для приготовления исходной смеси в оборотный раствор, который имеет мольное соотношение ионов Cl^-:NO₃^-, равное соответственно (10-40):(60-90), вводят нитрат натрия, а после отделения нитрата калия в раствор добавляют хлорид калия или смесь нитратов калия и натрия.

Раздельное введение в технологический цикл нитрата натрия и хлорида калия позволит проводить кристаллизацию нитрата калия из раствора с более низким содержанием хлоридов. В результате снижается степень загрязнения продукта хлоридами без дополнительных операций перекристаллизации и промывки продукта. Мольное соотношение ионов Cl^-:NO₃^- в оборотном растворе для приготовления исходного раствора составляет соответственно (10-40):(60-90) в зависимости от требований потребителя к содержанию хлоридов в нитрате калия. Мольное отношение К⁺:Na⁺ определяется при этом по изотермам растворимости в системе KCl-NaNO₃-NaCl-KNO₃-Н₂О при соответствующей температуре, а содержание воды в системе - по водной проекции диаграммы. Массовая доля хлорид-иона в готовом продукте - кристаллах нитрата калия составляет 0,1-0,36%.

При использовании нитрата натрия в виде раствора ликвидируется энергоемкая стадия выпарки и сушки исходного раствора нитрата натрия и повторная выпарка дополнительного количества воды на стадии кристаллизации хлорида натрия.

Дополнительным резервом снижения затрат является использование смеси хлоридов калия и натрия в любом соотношении или смеси хлоридов калия и натрия и воды (рассол) в качестве калийного компонента. Тем самым расширяется ассортимент используемого калийного сырья, включая жидкие отходы калийных производств.

На фиг. 1 изображены технологические процессы получения нитрата калия и хлорида натрия с раздельной подачей нитратных и хлоридных реагентов (1а - с использованием твердых нитрата натрия, хлорида калия и смеси хлорида калия с хлоридом натрия, 1б - с использованием раствора нитрата натрия и твердых хлорида калия и смеси хлорида калия с хлоридом натрия). В таблице приведены составы растворов на отдельных стадиях технологического процесса.

При использовании твердых материалов:

а) к раствору Е^//100 предварительно добавляют расчетное количество нитрата натрия NaNO₃ и воды по линии Е^//100 - 3 и смесь нагревается,

б) смесь охлаждают и отделяют кристаллы нитрата калия KNO₃ (процесс кристаллизации изображается на диаграмме линией 3-1)

в) к раствору 1 добавляют хлорид калия или смесь хлоридов калия и натрия до состава 2,

г) раствор 2 упаривают до состава 2₁ и из него кристаллизуют NaCl по линии 2₁- Е^//100.

Далее раствор Е^//100 направляют в начало цикла, где он смешивается с нитратом натрия.

Возможна предварительная упарка раствора 1 и последующее смешение его с калийной составляющей. В этом случае водный баланс процесса остается неизменным.

В случае использования раствора NaNO₃ схема технологического цикла выглядит следующим образом.

а) к раствору Е^//100 добавляют раствор нитрата натрия NaNO₃ (точка 6) до достижения состава 3. Концентрация раствора в точке 6 подбирается таким образом, чтобы фигуративная точка состава смеси переместилась в точку 3 (в данном случае предусматривается введение в систему раствора нитрата натрия, содержащего 450 молей воды на 1 моль NaNO₃),

б) раствор 3 охлаждают до 25°С и из него кристаллизуется и отделяется нитрат калия KNO₃ до точки 1,

в) раствор 1 выпаривается и к нему добавляется хлорид калия KCl или смесь хлоридов калия и натрия до состава 2, из которого кристаллизуют NaCl до точки Е^//100 и далее цикл повторяется.

Расходные нормы по сырью несколько выше стехиометрических из-за технологических потерь.

Примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1.

Для проведения первого опыта готовится 3340 г оборотного раствора с мольным соотношением Cl^-:NO₃^-=20:80, К⁺:Na⁺=63:37. Раствор нитрата натрия, полученный нейтрализацией карбоната или гидрокарбоната натрия азотной кислотой и содержащий 841 г нитрата натрия и 885 г воды, смешивается с 3340 г оборотного раствора при 100°С и охлаждается до 25°С. При этом кристаллизуется 1000 г нитрата калия. Кристаллы отделяются на центрифуге, а к образовавшемуся маточному раствору добавляется 738 г хлорида калия. Смесь нагревается и из нее упаривается при 100°С 885 г воды. Происходит кристаллизация хлорида натрия массой 579 г. Кристаллы отделяют на центрифуге, избегая охлаждения, а маточный - оборотный раствор возвращается в начало процесса для смешения с раствором нитрата натрия.

При содержании в отфильтрованных на центрифуге кристаллах нитрата калия 4% пропитывающего маточного раствора, массовая доля хлорид-иона не превышает 0,2% (в известных способах при совместной подаче реагентов около 0,5%), что соответствует марке нитрата калия СХ (сельскохозяйственный).

Пример 2.

Для проведения первого опыта готовится 5038 г оборотного раствора с мольным соотношением Cl^-:NO₃^-=40:60, К⁺:Na⁺=59,2:40,8. Оборотный раствор массой 5038 г смешивается с твердым нитратом натрия массой 841 г и 396 г воды. Смесь нагревается 100°С до полного растворения солей, а потом охлаждается до 25°С. При этом кристаллизуется 1000 г нитрата калия. Кристаллы отделяются на центрифуге, а к образовавшемуся маточному раствору добавляется смесь, состоящая из 738 г хлорида калия и 578 г хлорида натрия. Смесь нагревается и из нее упаривается при 100°С 396 г воды. Происходит кристаллизация хлорида натрия массой 1157 г. Кристаллы отделяют на центрифуге, избегая охлаждения, а маточный - оборотный раствор возвращается в начало процесса для смешения с нитратом натрия и водой.

При содержании в отфильтрованных на центрифуге кристаллах нитрата калия 4% пропитывающего маточного раствора, массовая доля хлорид-иона составляет около 0,36%. Продукт с таким содержанием хлоридов может быть промыт небольшим количеством воды для доведения требований по хлор-иону до нормы для марки нитрата калия «СХ».

Пример 3.

Для проведения первого опыта готовится 4737 г оборотного раствора с мольным соотношением Cl^-:NO₃^-=10:90, К⁺:Na⁺=51,5:48,5. Оборотный раствор смешивается с твердым нитратом натрия массой 841 г и 1517 г воды. Смесь нагревается 100°С до полного растворения солей, а потом охлаждается до 25°С. При этом кристаллизуется 1000 г нитрата калия. Кристаллы отделяются на центрифуге, а к образовавшемуся маточному раствору добавляется 3689 г рассола, содержащего 738 г хлорида калия (массовая доля 20%) и 627 г хлорида натрия (массовая доля 17%). Смесь нагревается и из нее упаривается при 100°С 3841 г воды. Происходит кристаллизация хлорида натрия массой 1206 г. Кристаллы отделяют на центрифуге, избегая охлаждения, а маточный - оборотный раствор возвращается в начало процесса для смешения с раствором нитрата натрия.

При содержании в отфильтрованных на центрифуге кристаллах нитрата калия 4% пропитывающего маточного раствора, массовая доля хлорид-иона не превышает 0,1%, что вдвое ниже требуемой нормы к хлоридам для марки нитрата калия СХ (сельскохозяйственный).