СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ХЛОРИДА СКАНДИЯ, КАЛИЯ, НАТРИЯ И АММОНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C01F17/00 

Изобретение относится к химии редкоземельных металлов, в частности к гидрометаллургическим способом производства хлорида скандия.

Известен способ и устройство для получения безводных хлоридов редкоземельных металлов [1] Гидратированную соль, например хлорид иттрия, приготавливают медленным растворением оксида иттрия в концентрированной соляной кислоте. Фильтрацией отделяют нерастворимый остаток и в фильтрат вводят хлорид аммония из расчета 4 моля хлорида аммония на 1 моль оксида иттрия. Затем раствор упаривают, нагревая до 132^оС (точка кипения), обезвоживают под вакуумом при 100-120^оС до прекращения выделения воды и температуру повышают до 950^оС под давлением 0-500 мм рт.ст. Извлечение иттрия в хлорид составляет 95-98%
Недостатком этого способа является его непригодность для хлорида скандия ScCl₃, так как этот хлорид под вакуумом и при указанной температуре интенсивно возгоняется. Следовательно, будет низкое извлечение дорогостоящего хлорида скандия. Кроме того, известно, что полученный таким образом хлорид иттрия подлежит дополнительной очистке (дистилляции). В результате снижаются производительность процесса получения хлорида и его извлечение.

Наиболее близкими к предлагаемым являются способ и устройство, согласно которым оксид скандия Sc₂O₃ растворяют в соляной кислоте (25 мас.) при 95-100^оС. [2] и [3] Отдельно в воде растворяют хлориды натрия, калия, аммония. Затем полученные растворы смешивают, фильтруют, выпаривают при 100-120^оС на воздухе. После чего сушат в вакуумном шкафу при 120-130^оС. Высушенную массу измельчают и загружают в кварцевый реактор, установленный в электропечь. На реактор устанавливают конденсатор из кварца, подают аргон и нагревают смесь солей в реакторе до 800-850^оС. Во время нагревания смеси солей улетучивается хлорид аммония, осаждающийся частично в конденсаторе. При этой температуре расплав солей выдерживают 30 мин для осаждения твердых частиц. Реактор извлекают из печи и охлаждают. Нижняя часть плава, наиболее загрязненная примесями, некондиционный продукт, после застывания отделяется. Остальная часть плава (кондиционный продукт) используется получения металлического скандия. Обычно при извлечении комплексной соли скандия кварцевое оборудование разбивают и извлекают застывший комплексный хлорид скандия.

К недостаткам данных способа и устройства относятся механический унос хлорида скандия с возгоняемым хлоридом аммония, который отделяется от твердой смеси хлоридов до момента образования комплексной соли скандия (ScCl₃-NaCl-KCl) в период расплавления этих хлоридов, т.е. повышенные потери хлорида скандия.

Кроме того, разрушение сосуда из кварца после каждого процесса плавления, а также потери хлорида скандия при переработке твердого плава (отделение некондиционного продукта и измельчение) приводят к снижению извлечения хлорида скандия, потерям с пылевидным продуктом.

Целью изобретения является повышение выхода продукта.

Для этого в способе получения комплексной соли скандия, включающем приготовление смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония, загрузку смеси в реактор, отгонку хлорида аммония, нагревание до 800-850^оС, плавление смеси, выдержку при этой температуре, на поверхность смеси хлоридов перед ее нагревом загружают хлориды натрия и калия эквимольного состава, составляющие 0,10-0,15 мас. от смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония, а расплав комплексной соли скандия переливают под вакуумом в герметичную емкость.

Цель достигается также тем, что устройство для получения комплексной соли скандия, включающее электропечь, реактор для плавления смеси хлоридов скандия, натрия, калия и аммония, линию подачи аргона и конденсатор, дополнительно снабжено перфорированной подставкой, установленной на дно реактора, к которой приварена труба, имеющая в нижней части отверстия, соосно трубе установлен сифон, соединенный с герметичной емкостью, а конденсатор снабжен рукавным фильтром.

Загрузка хлоридов натрия и калия эквимольного состава на поверхность смеси хлоридов Sc-Na-K-NH₄ перед ее нагревом в количестве 0,10-0,15 мас. относительно смеси хлоридов позволяет снизить потери хлорида скандия за счет механического уноса с хлоридом аммония, испаряющимся примерно при 400^оС. Эквимольный состав хлоридов натрия и калия задерживает хлорид скандия, способствуя тем самым повышению извлечения хлорида скандия. Снижение нижнего предела (0,10%) не позволит предотвратить механический унос хлорида скандия, а превышение верхнего предела (0,15%) значительно повысит длительность отделения хлорида аммония от смеси солей за счет натекания воздуха через неплотности устройства, хлорид скандия будет взаимодействовать с влагой воздуха и образовывать оксихлорид скандия, т.е. будет снижаться выход хлорида скандия.

Перелив комплексной соли скандия под вакуумом повышает выход хлорида скандия, так как он не теряется при переработке (измельчении) комплексной соли скандия (см. прототип). Перелитый хлорид скандия может сразу использоваться на процессе восстановления и получения металлического скандия. Сокращается время переработки и контакт с воздухом, за счет чего снижаются потери хлорида скандия вследствие образования гидратов, а также повышается его извлечение.

Использование в устройстве перфорированной подставки позволяет разделить расплав в сосуде на кондиционный и некондиционный (содержащий твердые взвеси), избежать измельчения комплексной соли при передаче ее на процесс получения металлического скандия, т.е. повысить извлечение хлорида скандия.

Снабжение перфорированной подставки трубкой, в которую соосно установлен сифон, позволяет беспрепятственно подавать в установку аргон через герметичную емкость, сифон и трубу. Наличие трубы исключает унос хлорида скандия аргоном в систему улавливания (конденсатор, рукавный фильтр), так как соль в твердом состоянии не попадает в эту трубу, т.е. повышается извлечение хлорида скандия в кондиционный расплав.

Отверстия в нижней части трубы пропускают расплав смеси солей, но через них не засыпается твердая соль в трубу, поэтому током аргона хлорид скандия не уносится в систему улавливания, т.е. наличие отверстий в нижней части трубы способствует повышению извлечения хлорида скандия в кондиционный расплав.

Снабжение конденсатора рукавным фильтром способствует повышению степени улавливания хлорида скандия после конденсатора по сравнению с прототипом, так как хлорид скандия, транспортируемый парогазовой смесью из реактора, в известном устройстве безвозвратно теряется. Следовательно, снабжение конденсатора рукавным фильтром способствует повышенному извлечению скандия.

Слой хлоридов натрия, калия эквимольного состава представляет собой газопроницаемый слой и служит для улавливания твердых частиц хлорида скандия, а не препятствует сливу расплава.

Устройство для получения комплексного хлорида скандия изображено на чертеже.

Устройство состоит из электропечи 1, реактора 2 с крышкой 3, которая имеет два патрубка 4 и 5, перфорированной подставки 6 с трубой 7, в нижней части которой имеются отверстия 8, сифона 9, соосно установленного одним концом в трубу 7, а другим в герметичную емкость 10 со стаканом 11 и патрубком 12 для подачи аргона и вакуумирования реактора, конденсатора 13 с крышкой 14 и рукавным фильтром 15.

Температура в печи измеряется хромель-алюмелиевой термопарой 16. Расположение солей в реакторе следующее: слой 17 хлоридов натрия калия эквимольного состава, кондиционная комплексная соль 18 скандия, некондиционная комплексная соль 19 скандия.

Устройство работает следующим образом.

Реактор 2, устанавливают в электропечь 1. В реактор 2 помещают перфорированную подставку 6 с приваренной к ней трубой 7, в нижней части которой имеются отверстия 8 (диаметр отверстия около 2 мм). В реактор засыпают 8,25 кг смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония. Сверху смеси хлоридов засыпают 8,25 г хлоридов калия и натрия эквимольного состава 19 в соотношении к смеси хлоридов 0,10 мас. Затем на реактор устанавливают крышку 3, в патрубок 4 и в трубу 7 соосно ставят сифон 9, другой конец сифона помещают в герметичную емкость 10 со стаканом 11 и патрубком 12. В патрубок 5 ставят конденсатор 13 с крышкой 14 и рукавным фильтром 15. В печь 1 устанавливают ХА термопару 16. После монтажа установки включают электропечь и нагревают со скоростью 5^оС/мин под током аргона, который подают через патрубок 12 в герметичную емкость 10, затем он проходит через сифон 9, трубу 7 в реактор 2, из реактора в конденсатор 13 и рукавный фильтр 15. По достижении 400^оС возгоняется хлорид аммония. Он проходит через слой 17 хлоридов натрия и калия и током аргона уносится в конденсатор 13 и рукавный фильтр 15. Частично хлорид аммония разлагается на аммиак и хлор. Хлорид аммония оседает в конденсаторе и рукавном фильтре. Уносимый с хлоридом аммония хлорид скандия практически полностью улавливается в слое хлоридов натрия и калия и рукавном фильтре. По достижении 800^оС делают выдержку в течение 30 мин для отстаивания расплава и разделения на кондиционный 18 и некондиционный 19 (с повышенным содержанием твердых частиц). После чего в герметичной емкости 10 создают вакуум и кондиционную часть 18 расплава переливают через отверстия 8 в трубе 7, сифон 9 в стакан 11, после чего вакуумирование прекращается и в устройство подается аргон до избыточного давления 0,05 кгс/см². Электропечь отключают. Герметичную емкость 10 со стаканом охлаждают до температуры окружающей среды и сифон из нее демонтируют. Герметичная емкость 10 может служить в дальнейшем аппаратом для получения металлического скандия или контейнером для хранения комплексной соли скандия.

Некондиционный остаток 19 растворяют в воде, анализируют и передают на доизвлечение скандия. Возгоны из конденсатора и рукавного фильтра анализируют и также возвращают на доизвлечение скандия. Сифон промывают в раствор передают на доизвлечение скандия. В результате добиваются извлечения хлорида скандия из его оксида до 99,0%
В таблице приведены примеры.

Из таблицы видно, что при использовании предполагаемого изобретения извлечение скандия увеличивается на 1,0 мас.

Использование: неорганическая химия, гидрометаллургическое производство комплексной соли хлорида скандия, натрия, калия и аммония. Сущность способа: приготавливают смесь хлоридов скандия, калия, натрия и аммония. Загружают в реактор 2. На поверхность смеси хлоридов загружают хлорид натрия и калия в эквимолярном соотношении в количестве 0,10 0,15 мас. относительно смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония. Нагревают до 800 - 850°С, и выдерживают при этой температуре. Возгоняется хлорид аммония, который уносится в конденсатор 13 с рукавным фильтром 15. Верхнюю кондиционную часть 18 расплава переливают под вакуумом через отверстия 8 в трубе 7 и сифон 9 в стакан 11, находящийся в герметичной емкости 10. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

1. Способ получения комплексного хлорида скандия, калия, натрия и аммония, включающий приготовление смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония и ее термообработку, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода продукта, термообработку проводят под слоем эквимолярной смеси хлоридов калия и натрия, взятой в количестве 0,10-0,15 мас. от смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония, при 800-850^oС. 2. Устройство для получения комплексного хлорида скандия, калия, натрия и аммония, включающее электропечь, реактор для плавления смеси хлоридов скандия, калия, натрия и аммония и конденсатор, отличающееся тем, что оно снабжено герметичной емкостью, соединенной с реактором посредством сифона, размещенного коаксиально в трубе, имеющей отверстия в нижней части, жестко соединенной с перфорированной подставкой, установленной на днище реактора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что конденсатор снабжен рукавным фильтром.