Производство хлорида калия

1.1 Анализ технологий производства хлорида калия

Выделение хлористого калия из сильвинитовых руд может быть основано на различии механических, физических или химических свойств составляющих компонентов. Для сепарации представляется возможным использовать, например, разницу в плотности галита и сильвина (гравитационные методы), изменение растворимости в воде при различных температурах (метод растворения и раздельной кристаллизации, или галургический), различную смачиваемость при определенных условиях (флотационный метод), электрические свойства кристаллов компонентов (электростатический способ). Решающим фактором при внедрении в производство того или иного способа сепарации являются технико-экономические показатели (степень извлечения KCl, удельный расход сырья, энергии т. п.) и качество получаемого продукта. В настоящее время промышленная переработка сильвинита в хлорид калия производится преимущественно по галургическому, флотационному и комбинированному методам.

Переработка сильвинитов для получения хлористого калия по галургическому методу основана на физико-химических особенностях системы КСL - NaСL - Н₂О. При повышении температуры растворимость хлорида натрия понижается (хотя и незначительно), содержание хлорида калия в насыщенных обеими солями растворах резко возрастает. Эта особенность системы КСL - NaСL - Н₂О используется для производства КСL из сильвинитов по галургическому методу./2/

Сущность галургического метода состоит в том, что хлорид калия выщелачивают из сильвинита горячим оборотным щелоком, а оставшийся невышелоченным галит направляют в отвал. Полученный горячий крепкий щелок проходит очистку от солевого и глинистого шламов путем отстаивания. Из осветленного горячего щелока производят кристаллизацию хлористого калия. Полученный кристаллы хлористого калия отделяют от охлажденного маточного щелока, сушат и выпускают в качестве продукции, а маточный щелок после подогрева возвращают на выщелачивание новых порций хлористого калия.

Процесс флотации основан на различной способности поверхностей минералов, входящих в состав обогащаемой руды, смачиваться водой.

Технологические схемы обогащения включают в себя следующие стадии: измельчение руды с целью раскрытия зерен сильвинита и галита; предварительное удаление глинистого шлама из руды или его подавление в процессе основной флотации; основная флотация сильвинита с перечисткой последующего концентрата; перечиска глинистых шламов; обезвоживание шламов, хвостов, концентрата и возвращение в цикл оборотного насыщенного раствора.

Наряду с широким применением галургического и флотационного методов, ведутся поиски других методов обогащения, среди которых большой интерес представляют методы гравитационного и электростатического обогащения./4/

Эффективность гравитационного метода зависит не только от плотностей разделяемых минералов, но и от конструкции сепаратора, крупности разделяемых частиц., природы и плотности тяжелой среды и др.

Сущность метода состоит в следующем: разделение обогащаемой руды в сепараторе; отделение тяжелой суспензии от продуктов обогащения и возвращение ее в цикл; промывка продуктов обогащения водой с получением разбавленной суспензии и глинистого шлама; регенерация разбавленной суспензии, сгушение и возвращение ее в цикл.

Опыты по электростатическому обогащению показали, что наилучшие результаты могут быть получены при переработке малоглинистых руд по следующей схеме: исходную сильвинитовую руду измельчают до -2 мм и после термообработки классифицируют на два класса; каждый класс обогащают по схеме с двумя перечистками концентрата, Перед последней перечисткой проводится дополнительная термообработка продукта.

Как уже отмечалось, промышленными методами производства хлористого калия из сильвинита являются галургический и флотационный методы.

При использовании флотационного метода выявляются следующие преимущества: процесс может быть легко автоматизирован; снижение коррозии аппаратуры, получаемый хлорид калия менее слеживаемый, меньший расход технологического пара. Но флотационный метод обладает по сравнению с галургическим и рядом недостатков: содержание КСL не превышает 95%, галитовые отвалы содержат примеси жирных аминов, что затрудняет их переработку и др. Другими словами, галургический метод производства обеспечивает лучшую возможность для комплексного использования сырья и получения продукта более высокого качества./2/

Основной задачей любого производственного процесса является получение заданного продукта высокого качества при наилучших технико-экономических показателях, т.е. при минимальных затратах сырья, энергии, пара, воды и других вспомогательных материалов. Вследствие этого рационально-построенная схема переработки сильвинитов должна обеспечить максимально возможное извлечение ценного компонента (КСL) в продукт на всех стадия производственного процесса.

Исходя из этого, рационально построенная схема производства хлористого калия из сильвинита должна учитывать следующие технологические особенности процесса:

1. Исходное сырье содержит лишь от одной четверти до одной трети хлористого калия, так что после выщелачивания на одну тонну сильвинита остается ? 700 кг остатка, составляющего в основном галит. Этот остаток представляет собой отходы производства и используется обычно для закладки выработанных камер в шахте. На некоторых фабриках отвал используется для получения рассола для содовых заводов или для производства технической и пищевой соли. В любом случае галитовые отходы перед их удалением из производства должны быть тщательно промыты для снижения потерь КСL.

2. При выщелачивании сильвинита из растворителей вместе с горячим насыщенным щелоком выносятся тонкодисперсные частицы солевого и глинистого шлама. Для устранения загрязнения продукта эти частицы должны быть удалены из насыщенного щелока перед его охлаждением и кристаллизацией хлористого калия.

3. Производство хлористого калия из сильвинита по галургическому способу является циклическим процессом, в котором оборотный щелок совершает замкнутый цикл: растворение - охлаждение и кристаллизация - отделение кристаллов - нагревание щелока - растворение. При этих условиях ввод свежей воды в процесс на различные промывные операции (промывка отвала, шламов и т.д.) и другие нужды должен быть ограничен и допускается в количествах, соответствующих убыли воды на различных стадиях производственного процесса. Ввод в процесс избытка воды неизбежно приводит к образованию излишка оборотного щелока и необходимости его упаривания или сброса, что связано с дополнительными расходами пара или потерями хлористого калия.

4. Оборотный щелок должен подвергаться попеременно нагреванию до 115⁰С перед вводом его в растворители, а затем охлаждению до 20-30⁰С с целью выделения хлористого калия. В целях экономии пара охлаждение горячего щелока можно осуществлять за счет самоиспарения воды в вакуум-кристаллизационной установке (ВКУ), а выделяющийся из щелока вторичный пар использовать для предварительного нагревания маточного раствора./3/

1.2 Способы и технологические схемы охлаждения и кристаллизации

Одновременное охлаждение и кристаллизация могут быть осуществлены в две стадии и в одну стадию.

Раньше использовался метод охлаждения и кристаллизации в две стадии.

При двухстадийном охлаждении первая стадия проходит в вакуум-установке, а вторая - на охладительной башне. При этом на охладительной башне безвозвратно теряется теплота раствора, неизбежно загрязняются кристаллы, и получается мелкая соль.

Кристаллизация в одну стадию осуществляется на многоступенчатых установках при относительно глубоком вакууме. Этот Способ дает возможность получить более крупные кристаллы и максимально использовать отходящее тепло.

Охлаждение и кристаллизация в две стадии проводятся по следующей схеме. Вакуум-установка барометрического типа состоит из нескольких вертикальных вакуум-корпусов, выпускные трубы которых отпущены в отдельные ячейки бункера, заполненные горячим раствором. Каждый корпус соединен с двумя трубчатыми конденсаторами. Горячий насыщенный раствор после осветления поступает в первую ячейку бункера, из которой по барометрической трубе засасывается в вакуум-корпус. В корпусе раствор начинает кипеть.

В результате охлаждения и частичного испарения воды выпадают кристаллы хлорида калия и частичного хлорида натрия и по барометрической трубе попадают в первую ячейку бункера.

Частично охлажденный раствор протекает в следующие вакуум-корпуса, в которых происходит аналогичный процесс.

Кристаллы соли из бункера отбираются непрерывно или периодически и перекачиваются на охладительную башню. Горячие пары из вакуум-корпусов конденсируются в конденсаторах под воздействием холодного маточного раствора, который сам нагревается в среднем до 60⁰С. Влажный воздух и несконденсировавшиеся водяные пары через барометрический конденсатор и ловушки отсасываются вакуум-насосом, сжимаются до атмосферного давления и выбрасываются в атмосферу.

Раствор охлаждается в установке с 94-98⁰С до 55-65⁰, а на охладительной башне в среднем с 55-25⁰С. Охлаждение на охладительной башне зависит от температуры и влажности воздуха. В летнее время достигается охлаждение только до 30-42⁰С, а в зимние месяцы 17-18⁰С. Вакуум-установка в которой охлаждение и кристаллизация проходят в одну стадию, состоит из 14 ступеней, заключенных в одном или двух вертикальных и шести горизонтальных корпусах.

Конденсаторы разбиты на две линии: в одну линию барометрических конденсаторов подается вода на охлаждение паров, в поверхностных конденсаторах другой линии пары охлаждаются маточным раствором.

Обе линии объединяются дополнительными конденсаторами, оборудованными пароструйными эжекторами.

Горячий насыщенный раствор (95-100⁰) засасывается из расходного бака в первую ступень установки - вертикальный вакуум-корпус, где он начинает кипеть.

В результате испарения воды и частичного охлаждения происходит выделение кристаллов хлористого калия. Смесь охлажденного раствора с выделившимися кристаллами соли просасывается последовательно через все ступени, где происходит аналогичный процесс, с той разницей, что в последних ступенях начинает выпадать также и NaCL. Из последней ступени выделившиеся кристаллы соли вместе с раствором, охлажденным до 25⁰С, удаляются по барометрической трубе в бак, откуда эта смемь непрерывно откачивается насосом в отстойную станцию. Выделившиеся в ступенях вакуум-кристаллизатора пары воды в смеси с воздухом (паровоздушная смесь) засасываются соответственно в поверхностные конденсаторы. В конденсаторах смесь охлаждается холодным маточным раствором, движущимся противоположно направлению движения раствора в ступенях.

Охлаждающий раствор нагревается в среднем до 65-72⁰С. Вакуум в поверхностных конденсаторах поддерживается с помощью пароструйных эжекторов. В эжекторы подается пар давлением 6-7 атм.

Влажный воздух из конденсатора засасывается эжектором, сжимается паром до давления в следующем конденсаторе и направляется в него. У входа в конденсатор влажный воздух в смеси с паром эжектора смешивается с паровоздушной смесью, поступающей из 9 ступени. То же самое происходит в других конденсаторах. Из последнего конденсатора влажный воздух засасывается в сводный конденсатор. По цепи барометрических конденсаторов процесс протекает следующим образом. Паро-воздушная смесь из ступени засасывается в конденсатор (всего 5), где встречает распыленную охлаждающую воду. Сконденсировавшиеся пары воды вместе с охлажденной водой перетекают в следующий конденсатор. Освобожденный от паров воды влажный воздух в предыдущем конденсаторе засасывается эжектром, сжимается паром до давления в следующем конденсаторе и направляется в него. У входа в конденсатор влажный воздух в смеси с паром эжектора смешивается с паро-воздушной смесью, поступающей из 14 ступени ВКУ. Такой же процесс происходит в остальных конденсаторах. Из последнего конденсатора охлаждающая вода по барометрической трубе стекает в бак, а влажный воздух засасывается эжектором в дополнительный конденсатор. В дополнительных конденсаторах, охлаждаемых водой происходит тоже, что и в цепи предыдущих конденсаторов. Влажный воздух засасывается в последний дополнительный конденсатор, сжатый эжектором до его давления, где смешивается с влажным воздухом из поверхностного конденсатора. Влажный воздух из свободного конденсатора просасывается через ловушку, сжимается вакуум-насосом до атмосферного давления и выбрасывается в атмосферу. При такой схеме достигается большая экономия пара по сравнению со схемой в две стадии. Кроме того, одностадийная установка не зависит так сильно от климатических условий. Сравнительные данные о величине кристаллов приведены в таблице./5/

Таблица 1.1. Величины кристаллов

Сырьем для производства хлорида калия галургическим способом на предприятии БПКРУ-1 ОАО «Уралкалий» является сильвинит. Сильвинит представляет собой механическую смесь хлористого натрия и хлористого калия следующего среднего состава: KCL - не менее 26,5%, хлористый магний - не более 0,3%, сульфат кальция - не более 2,5%, нерастворимый в воде остаток - не более 2,5%. Гранулометрический состав руды - частиц более 7 мм, не более 7,5%, частиц менее 1 мм, не более 45%.

Верхнекамское месторождение калийных солей расположено на Западном Урале, в Пермской области. Это месторождение является самым крупным в России. Площадь его около 3500 км^2. Благодаря сравнительной чистоте и неглубокому залеганию (90-220 м) мощных пластов сильвинита и карналлита это месторождение относится к наиболее значительным калийным месторождениям мира. Его запасы исчисляются в 46 млрд. т. К₂О и относятся к разряду калийно-магниевых солей хлоридного типа./4,6/

В руде этого месторождения кроме основного и ценного компонента - хлорида калия, содержатся хлорид натрия, карналлит, глинистый и нерастворимый в воде остаток, бром, йод, медь, рубидий, цинк и другие.

Руда на фабрику поступает с содержанием ценного компонента 25-30%.

Содержание нерастворимого остатка в руде 3-6%.

2.2 Энергоресурсы

Производство обеспечивается речной водой, паром, электроэнергией, сжатым воздухом, вакуумом, теплофикационной водой от существующих заводских коммуникаций.

Под производственной мощностью понимается максимально возможный годовой объем выпуска продукции при заданной номенклатуре и ассортименте с учетом наилучшего использования всех ресурсов, имеющихся на предприятии.

Мощность производства составляет 416000 т/год (в пересчете на К₂О).

Мощность производства по хлориду калия составит 693333 т/год

Расходный коэффициент по руде составит

98,4*100/27,0/85=4,2875,

где 98,4 - содержание хлорида калия в кристаллизате

85 - коэффициент товарного извлечения

Плановые простои фабрики составляют

Капитальный ремонт -96 часов

Текущий ремонт 11 ремонтов по 12 часов

Промывка ВКУ 1 час/сутки

Всего ремонты составляют 228 часов или 10 суток

Рабочее время фабрики 365*24 - (365-10)*1-288=8177 часов.

т/ч

Для получения такого количества необходимо переработать руды:

84,7*4,2875=363,54 т./ч.

3. Термодинамический (статический) и кинетический анализы и физико-химическая оптимизация химико-технологического процесса с применением в качестве критерия оптимизации требований к современным технологиям