Разработка технологии получения двойной соли сульфата калия-аммония кnh4so4 из некондиционного хлорида калия и серной кислоты Шевелева Ольга Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность. Производство бесхлорных комплексных азотно-калийно-сульфатных удобрений с высоким содержанием питательных компонентов, хорошими физико-химическими и механическими свойствами, которые можно использовать на различных почвах и большого числа культур, относится к важному направлению развития индустрии минеральных удобрений. В качестве основы для таких удобрений представляет перспективу двойная соль сульфат калия - аммония КNH₄SO₄. Данное вещество при соотношении полезных компонентов N:К₂О:S=9:25:21 не содержит в своем составе хлоридов и нитратов, негативно влияющих на рост и развитие растений. Однако, на сегодняшний день в России отсутствует технология получения сульфата калия-аммония и не установлены закономерности протекания основных стадий технологии.

В связи с этим, изучение закономерностей протекания основных стадий и разработка технологии получения двойной соли сульфата калия-аммония является актуальным направлением исследований. С экономической точки зрения в разрабатываемой технологии перспективно использовать дешевые источники сырья – некондиционный пылевидный хлорид калия и малоликвидную серную кислоту, образующуюся при переработке сернистых нефтей и природных газов, снижать энергоемкость процессов получения гидросульфата калия и соляной кислоты.

Цель работы: изучение закономерностей протекания основных стадий и разработка технологии получения двойной соли сульфата калия-аммония из некондиционного хлорида калия и серной кислоты.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести теоретический анализ и экспериментальные исследования
основных процессов: взаимодействия раствора циклонной пыли хлорида калия
и H₂SO₄ с последующей десорбцией хлороводорода, кристаллизации и
нейтрализации получаемого гидросульфата калия.

2. Выявить кинетические закономерности, оптимальные параметры
протекания процессов десорбции хлороводорода, кристаллизации и
нейтрализации гидросульфата калия КНSO₄.

3. Исследовать термическое поведение двойной соли сульфата калия-
аммония.

4. Разработать технологическую схему получения двойной соли сульфата
калия-аммония, с получением побочного продукта - соляной кислоты из
некондиционного пылевидного хлорида калия и серной кислоты.

5. Изучить характеристики двойной соли сульфата калия-аммония для
оценки ее использования в качестве основы для удобрения.

Научная новизна.

Впервые выявлены закономерности протекания процесса десорбции хлороводорода при взаимодействии раствора некондиционного пылевидного хлорида калия с серной кислотой под атмосферным давлением и под вакуумом. Установлено, что увеличение разряжения до 60 кПа позволяет снизить температуру процесса до 90^оС и повысить степень выделения HCl от 82% до 95%. Получены эмпирические уравнения скорости десорбции хлороводорода.

Изучена растворимость хлороводорода в растворах серной кислоты и гидросульфата калия в зависимости от состава раствора, температуры и давления. Построена диаграмма растворимости в четырехкомпонентной системе КНSO₄ – H₂SO₄ – HCl – H₂O при температуре 90^оС, определена математическая зависимость растворимости хлороводорода от концентрации

КНSO₄ и H₂SO_4.

С использованием системы непрерывной видеорегистрации частиц
суспензии показано, что гидросульфат калия кристаллизуется в виде
кристаллов кубической и ромбовидной формы, способных объединяться между
собой, образуя агломераты неправильной формы, которые разрушаются при
дальнейшем охлаждении и интенсивном перемешивании. Установлены

скорости образования и роста кристаллов гидросульфата калия в условиях политермической кристаллизации, получены эмпирические уравнения, описывающие процессы образования и роста кристаллов КНSO₄.

Исследования кинетики процесса нейтрализации гидросульфата калия газообразным аммиаком в реакторе с кипящем и неподвижным слоем, показали, что скорость процесса подчиняется уравнению Авраами, определены коэффициенты уравнения.

Определены кинетические закономерности процесса нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака, получено эмпирическое уравнение скорости процесса, определен порядок реакции, рассчитаны константы скорости при температурах 25, 40 и 60^оС, на основании рассчитанного значения энергии активации установлено, что процесс протекает в диффузионной области.

Исследовано термическое поведение двойной соли сульфата калия-аммония, который является продуктом нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака. Установлено, что сульфат калия-аммония разлагается на сульфат калия, гидросульфат аммония и аммиак при температуре 330^оС, а при температуре 370^оС происходит перекристаллизация гидросульфата аммония в пиросульфат аммония, при 580^оС NH₄HSO₄ полностью разлагается на аммиак, триоксид серы и воду.

Получены новые данные по характеристикам двойной соли сульфата
калия-аммония (растворимости в воде в интервале температур 20-80^оС,
скорости растворения при Т=25^оС, угла естественного откоса,

гигроскопичности и слеживаемости).

Теоретическая и практическая значимость.

Разработана технология получения двойной соли сульфата калия-аммония, а также соляной кислоты из некондиционного хлорида калия и серной кислоты. Определены оптимальные технологические режимы основных стадий технологии. На разработанную технологию подана заявка на изобретение. Исследованы характеристики сульфата калия-аммония и даны рекомендации для его использования в качестве основы для получения комплексного азотно-калийно-сульфатного удобрения.

Рассчитаны материальные и энергетические балансы процессов

взаимодействия раствора циклонной пыли хлорида калия и H₂SO₄ с последующей десорбцией хлороводорода и кристаллизацией КНSO₄, а также нейтрализации гидросульфата калия, определены объемы и время пребывания реагентов для реактора сернокислотной обработки раствора циклонной пыли KCl c десорбцией HCl и реактора нейтрализации КНSO₄, приведен укрупненный расчет ожидаемого экономического эффекта для технологии производства двойной соли сульфата калия-аммония и соляной кислоты, который составил 136,37 млн. рублей для мощности производства 85000 тонн/год сульфата калия-аммония, 90000 тонн/год соляной кислоты. На основании проведенных расчетов разработана технологическая часть исходных данных для проектирования.

Результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры «Химические технологии» ПНИПУ при проведении лабораторных работ по курсу «Технология неорганических веществ».

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Влияние вакуума и концентрации серной кислоты в реакционной смеси на выход гидросульфата калия и хлороводорода в процессе взаимодействия раствора циклонной пыли хлорида калия и H₂SO₄ с последующей десорбцией хлороводорода и кристаллизацией КНSO₄

2. Результаты экспериментальных исследований растворимости хлороводорода в растворах гидросульфата калия и серной кислоты.

3. Кинетические закономерности протекания процессов десорбции HCl при взаимодействии раствора циклонной пыли хлорида калия с серной кислотой, кристаллизации гидросульфата калия, а также его нейтрализации газообразным аммиаком и раствором аммиака.

4. Термическое поведение двойной соли сульфата калия-аммония в диапазоне температур 40-1000^оС.

5. Технологические решения по разработке технологии производства двойной соли сульфата калия-аммония и соляной кислоты из некондиционного пылевидного хлорида калия и серной кислоты с последующей нейтрализацией полученного гидросульфата калия раствором аммиака.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на региональных и международных конференциях. В том числе, на IX Международной научно-практической конференции «Рудник будущего» (г. Пермь ГП ЗУМК, 2013); дважды на XVI и XVII региональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия. Экология. Биотехнология» (г. Пермь ПНИПУ, 2014 и 2015); а также на IX Международной конференции молодых ученых по химии «Менделеев – 2015» (IX International conference of young scientists on chemistry «Mendeleev – 2015») г.Санкт-Петербург. Результаты исследований были представлены на научных семинарах на кафедре ХТ ПНИПУ (г. Пермь, 2016) и на кафедре ТНВ в Казанском национальном исследовательском технологическом университете (г. Казань, 2016).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, одна из которых входит в реферативную базу «Scopus», 3 тезиса докладов.

Объем и структура работы. Диссертация представлена на 149 страницах машинописного текста и содержит 44 рисунка и 24 таблицы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, содержащего 128 наименований работ как, отечественного, так и зарубежного издания.