СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФИДА НАТРИЯ Российский патент 1999 года по МПК C01B17/24 

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к технологии минеральных солей, и может быть использовано при создании новых и реконструкции существующих производств сульфида натрия.

Известен способ получения сульфида натрия путем восстановительной плавки сульфата натрия по реакции
Na₂SO₄ + 2C = Na₂S + 2CO₂ (1)
в шахтных печах с последующим выщелачиванием печного плава, фильтрацией пульп и упаркой раствора сульфида натрия до готового продукта (А.Г.Прохоров и др. Труды УНИХИМ, вып. 24, 1973, с. 29).

Однако известный способ имеет существенные недостатки. Степень использования исходного сульфата натрия не превышает 65%, на 1 т готового продукта в производстве образуется 0,8 т пастообразного токсичного отхода, который утилизации не подлежит и складируется на территории заводов. В газовых выбросах шахтных печей содержится до 1,0 - 1,5 г/нм³ сероводорода и 1% окиси углерода. По выбросам сероводорода физические показатели намного превышают установленные нормы ПДВ.

Наиболее близким техническим решением является способ получения сульфида натрия, включающий восстановительный обжиг сульфата бария, измельчение образующегося плава сульфида бария, выщелачивание и конверсию сульфида бария в сульфид натрия в предварительно приготовленном растворе сульфата натрия, фильтрацию суспензий с получением раствора сульфида натрия и осадка сульфата бария, возвращаемого на стадию восстановительного обжига (В.П.Ильинский, Г. С.Клебанов. Труды соляной лаборатории АН СССР, вып. 2, 1932, с. 11-38).

По этому способу сульфид бария получают восстановлением сульфата бария газами, например водородом, по реакции
BaSO₄ + 4H₂ = BaS + 4H₂O (2)
Продукт восстановления содержит: (%):
BaS-98,11-98,36; BaO-0,74-0,92; BaSO₄-0,8. Затем его тщательно растирают и вводят в заранее приготовленный раствор сульфата натрия:

В результате конверсии и последующей фильтрации получают раствор сульфида натрия, содержащий ≃ 12% Na₂S, 3% Na₂SO₄, а также осадок сульфата бария. Раствор сульфида натрия направляют на карбонизацию для получения соды, а осадок сульфата бария возвращают на стадию восстановительного обжига.

Описанный способ может быть в принципе применен не только для получения сульфида натрия как полупродукта для дальнейшей переработки на соду, но также и для получения продукционного сульфида натрия. Анализ, однако, показывает, что без устранения ряда недостатков эффективность данного способа окажется недостаточной. Процесс обменного разложения сульфата натрия, содержащегося в растворе, порошкообразным сульфидом бария протекает очень медленно, его продолжительность исчисляется часами (2,5-6,0 час). Вследствие низкой скорости процесса конверсии в продукционных растворах сульфида натрия присутствовало до 3% сульфата натрия. Последнее обстоятельство не только усложняет процесс упарки растворов, вызывая необходимость доупарки густой массы в котлах с огневым обогревом, но и существенно ухудшает качество готового продукта. Содержание сульфата натрия в готовом продукте в этом случае может достигать 12-15%.

Целью предложенного способа является интенсификация процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия и повышение качества готового продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения сульфида натрия, включающем восстановительный обжиг сульфата бария, измельчение образующегося плава сульфида бария, выщелачивание и конверсию сульфида бария в сульфид натрия взаимодействием с сульфатом натрия, фильтрацию суспензии с получением раствора сульфида натрия, упариваемого до готового продукта, и осадка сульфата бария, возвращаемого на стадию восстановительного обжига, технологический процесс конверсии осуществляют путем введения твердых отходов, растворов и сточных вод, содержащих сульфат натрия, в раствор или пульпу со стадии измельчения и выщелачивания плава сульфида бария при начальной концентрации сульфида бария 18-30 мас.% и дозировке сульфата натрия 100-110% от стехиометрии; нерастворимые в воде примеси, содержащиеся в плаве сульфида бария, выводят из процесса непрерывно или периодически по мере их накопления путем осветления пульпы сульфида бария перед проведением процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия; восстановительный обжиг сульфата бария проводят с использованием в качестве восстановителей отходов твердых углеродистых материалов (нефтекоксовая мелочь, отсевы металлургического кокса и т.п.); раствор сульфида натрия упаривают в одну стадию в вакуум-выпарном аппарате до концентрации 63-65 мас.%, после чего водный плав гранулируют или сливают в барабаны, где он застывает.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что технологический процесс конверсии осуществляют путем введения твердых отходов, растворов или сточных вод сульфата натрия в раствор или пульпу со стадии измельчения и выщелачивания плава сульфида бария в растворе от промывки осадка сульфата бария после конверсии, причем процесс ведут при начальной концентрации сульфида бария 18-30 мас.% и дозировке сульфата натрия 100-110% от стехиометрии по реакции:

Восстановительный обжиг возвращаемого в процесс сульфата бария проводят с использованием отходов твердых углеродистых материалов (нефтекокс, отсевы металлургического кокса и т.п.), а нерастворимые в воде примеси, содержащиеся в плаве сульфида бария, выводят из процесса непрерывно или периодически по мере их накопления путем осветления пульпы сульфида бария перед проведением процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия. Раствор сульфида натрия упаривают в одну стадию в вакуум-выпарном аппарате до концентрации 63-65 мас.%, после чего водный плав гранулируют или сливают в барабаны, где он застывает.

По прототипу порошкообразный плав сульфида бария растворяют в растворе сульфата натрия. В результате процесс конверсии сульфида бария в сульфид натрия чрезвычайно растянут во времени (2,5-6,0 час). Заявляемое техническое решение позволяет в значительной мере интенсифицировать указанный процесс. Продолжительность его составляет от 2 до 8 мин. Это обстоятельство, очевидно, объясняется тем, что на конверсию поступает сульфид бария в растворенном виде и поддержанием в реакционной зоне постоянной щелочности среды (pH > 7), так как вместо одного реагента со щелочными свойствами (BaS) появляется другой (Na₂S). Кроме того, измельчение и выщелачивание (мокрый помол) плава сульфида бария производится в слабом растворе сульфида натрия со стадии отмывки осадка сульфата бария, а не концентрированном растворе сульфата натрия по прототипу.

Экспериментально установлено, что от концентрации сульфида бария в исходном растворе (пульпе) перед конверсией зависит не только интенсивность самого процесса конверсии, но и скорость фильтрации образующихся суспензий сульфата бария. За пределами указанных концентраций сульфида бария продолжительность фильтрации достигает 15-20 мин. В случае низких концентраций (< 18 мас. % BaS) это, очевидно, связано с получением тонкодисперсных осадков сульфата бария в сильно гидролизованных разбавленных суспензиях, в случае высоких концентраций (> 30 мас.% BaS) - с их загустеванием. Установлено, что наибольшей скоростью фильтрации обладают суспензии, полученные в результате конверсии растворов сульфида бария с концентрацией ≃ 24 мас.% (продолжительность фильтрации всего 2 мин).

Опытным путем установлена оптимальная дозировка сульфата натрия в зависимости от концентрации водорастворимых солей бария в растворе на стадии конверсии. Оказалось, что дозировкой сульфата натрия определяется как качество получаемых продукционных растворов сульфида натрия и, следовательно, готового продукта, так и полнота использования бария. При дозировке сульфата натрия, равной 100-110% от стехиометрии по реакции (4), содержание балластных солей (Na₂CO₃, Na₂SO₄) в растворе не превышает 1%. При дозировке сульфата натрия свыше 110% в фильтрате содержится до 3% балластных солей. В случае уменьшения дозировки ниже 100% отмечено присутствие непрореагировавшего сульфида бария.

Поскольку процесс обжига сульфата бария в отличие от прототипа осуществляется с использованием в качестве восстановителей твердых углеродистых материалов выделение из пульпы сульфида бария нерастворимых в воде примесей производится в непрерывном режиме или периодически по мере их накопления. При этом за счет оптимизации дозировки сульфата натрия и упарки продукционных растворов сульфата натрия в одну стадию обеспечивается высокое качество готового продукта.

На основании проведенного анализа установлено, что заявляемое изобретение не известно из достигнутого уровня техники и, следовательно, соответствует критерию "Новизна".

Поскольку настоящее изобретение позволяет повысить интенсивность процесса конверсии бария в сульфид натрия и улучшить качество продукта и может быть беспрепятственно реализовано в промышленных условиях, можно сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применимость".

Заявляемое техническое решение создано на основе экспериментальных исследований наиболее существенных особенностей процесса получения сульфида натрия и явным образом не следует из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Пример 1. Сульфат бария от процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия, промытый водой на фильтре, содержит, мас.% BaSO₄ - 70,3; Na₂S - 1,7; H₂O - 28,0. К нему добавляют исходный барит (92,4% BaSO₄, 4,2% примесей, 3,4% влаги) для восполнения механических потерь в соотношении 11:1 и нефтекокс (85,9%C, 9,0% летучих, 0,2% золы, 1,9% серы, 3,0% влаги) в количестве 16,5% от веса шихты.

Шихту прокаливают при температуре 1150^oC и получают плав состава, мас.% BaS - 90,8; (SiO₂ + CaO)-2,5; BaSO₄-1,0; (BaCo₃+BaSO₃)-0,7; C-2,1; Na₂S-2,9. Плав измельчают и выщелачивают (мокрый помол) в слабом растворе сульфида натрия (4,7% Na₂S) от промывки осадка сульфата бария после конверсии. Пульпу осветляют с получением раствора, содержащего 32% BaS и 4,1% Na₂S, и осадка нерастворимых в воде примесей.

Для конверсии BaS в Na₂S в раствор добавляют сульфат натрия (95% Na₂SO₄, 0,2% H.О., 4,8% H₂O) из расчета 100% от стехиометрии по реакции (4). Процесс конверсии завершается в течение 20 мин, продолжительность фильтрации образующейся суспензии - 20 мин. Содержание Na₂S в растворе 19,8%, суммы водорастворимых солей бария, включая BaD -1,3%. Степень конверсии - 97,6%.

Раствор сульфида натрия упаривают с получением готового продукта, содержащего 63% Na₂S и 4,13% балластных солей. Осадок сульфата бария промывают водой на фильтре и возвращают на стадию восстановительного обжига. Фильтрат, содержащий 4,7% Na₂S, направляют на стадию измельчения и выщелачивания (мокрый помол) плава сульфида бария.

Пример 2. Получают раствор сульфида бария по примеру 1 с содержанием BaS, равным 30%. Добавляют сульфат натрия из расчета 100% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 8 мин, время фильтрации суспензии 8 мин. Осветленный раствор содержит 19,6% Na₂S, сумма балластных солей, включая BaS 0,2%. Степень конверсии - 98,7%. Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,64%.

Пример 3. Получают раствор сульфида бария по примеру 1 с содержанием BaS, равным 24%. Добавляют сульфат натрия из расчета 100%. Процесс конверсии завершается в течение 4 мин, время фильтрации - 2 мин. Осветленный раствор содержит 16,0% Na₂S и 0,2% балластных солей. Степень конверсии - 98,8%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,78%.

Пример 4. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, с содержанием BaS, равным 18%, добавляют сульфат натрия из расчета 100% от стехиометрии. Процесс конверсии завершается в течение 2 мин, время фильтрации - 5 мин. Осветленный раствор содержит 12,5 Na₂S и 0,15% балластных солей. Степень конверсии - 98,8%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,75%.

Пример 5. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, с содержанием BaS, равным 16%, добавляют сульфат натрия из расчета 100% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 2 мин, время фильтрации - 15 мин. Фильтрат содержит 11,2% Na₂S и 0,14% балластных солей.

Степень конверсии - 98,6%. Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,78%.

Пример 6. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 24% BaS, добавляют сульфат натрия из расчета натрия из расчета 98% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 4 мин, время фильтрации суспензии - 2 мин. Фильтрат содержит 15,15% Na₂S и 1,5% балластных солей. Степень конверсии 95,1%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 6,22%.

Пример 7. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 24% BaS, добавляют сульфат натрия из расчета 105% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 4 мин, время фильтрации суспензии - 2 мин. Фильтрат содержит 16,8% Na₂S и 0,2% балластных солей. Степень конверсии - 99,2%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,75%.

Пример 8. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 24% BaS, добавляют сульфат натрия из расчета 110% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 4 мин, время фильтрации суспензии - 2 мин. Осветленный раствор содержит 17,2% Na₂S и 0,25% балластных солей. Степень конверсии - 100%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,91%.

Пример 9. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 24% BaS, добавляют сульфат натрия из расчета 112% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 4 мин, время фильтрации суспензии - 2 мин. Осветленный раствор содержит 15,45% Na₂S и 1,2% балластных солей. Степень конверсии - 100%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 4,88%.

Пример 10. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 30% BaS, добавляют раствор сульфата натрия (2,5% NaSO₄) из расчета 105% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 2 мин, время фильтрации суспензии - 15 мин. Степень конверсии - 99,8%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,6%.

Пример 11. В раствор сульфида бария, полученный по примеру 1, содержащий 30% BaS, добавляют раствор сульфата натрия (28% Na₂SO₄) из расчета 105% от стехиометрии.

Процесс конверсии завершается в течение 2 мин, время фильтрации суспензии - 5 мин. Степень конверсии - 99,8%.

Содержание балластных солей в готовом продукте - 0,6%.

Заявляемый способ обеспечивает ряд технологических преимуществ: высокая интенсивность процессов конверсии и фильтрации суспензий, высокое качество готового продукта, возможность расширения сырьевой базы за счет использования различных видов отходного сульфата натрия (сульфатные стоки производств синтетического волокна, слабые сульфатные растворы производств СЖК, силикагеля и др.) и отходов твердых углеродистых материалов (нефтекоксовая мелочь, отсевы металлургического кокса и др. ), снижение энергозатрат при упарке продукционных растворов в случае использования порошкообразного сульфата натрия и его концентрированных растворов на стадии конверсии.

Технология сульфида натрия на основе заявляемого способа характеризуется высокой экономичностью и надежностью с точки зрения экологии.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к технологии получения минеральных солей, и может быть использовано при создании новых и реконструкции существующих производств сульфида натрия. Сущность изобретения заключается в способе получения сульфида натрия, включающем восстановительный обжиг сульфата бария, измельчение образующегося плава сульфида бария, выщелачивание его и конверсию сульфида бария в сульфид натрия взаимодействием с сульфатом натрия, фильтрацию суспензии с получением раствора сульфида натрия и осадка сульфата бария, возвращаемого на стадию восстановительного обжига, при этом процесс конверсии осуществляют путем введения твердых отходов, растворов и сточных вод сульфата натрия в раствор или пульпу со стадии измельчения и выщелачивания плава сульфида бария при начальной концентрации сульфида бария 18-30 мас.% и дозировке сульфата натрия 100-110 % от стехиометрии; не растворимые в воде примеси, содержащиеся в плаве сульфида бария, выводят из процесса непрерывно или периодически по мере их накопления путем осветвления пульпы сульфида бария перед проведением процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия; восстановительный обжиг сульфата бария проводят с использованием в качестве восстановителей отходов твердых углеродистых материалов (нефтекоксовая мелочь, отсевы металлургического кокса и т.п.); раствор сульфида натрия упаривают в одну стадию в вакуум-выпарном аппарате до концентрации 63-65 мас.%, после чего водный плав гранулируют или сливают в барабаны, где он застывает. Способ по изобретению обеспечивает высокую интенсивность процессов конверсии и фильтрации суспензий, а также высокое качество готового продукта. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ получения сульфида натрия, включающий восстановительный обжиг сульфата бария, измельчение, выщелачивание образующегося плава сульфида бария и конверсию сульфида бария в сульфид натрия взаимодействием с сульфатом натрия, фильтрацию суспензии с получением раствора сульфида натрия и осадка сульфата бария, возвращаемого на стадию восстановительного обжига, отличающийся тем, что процесс конверсии осуществляют путем введения твердых отходов, растворов и сточных вод, содержащих сульфат натрия, в раствор или пульпу со стадии измельчения и выщелачивания плава сульфида бария при начальной концентрации сульфида бария 18 - 30 мас.% и дозировке сульфата натрия 100 - 110% от стехиометрии, восстановительный обжиг сульфата бария проводят с использованием в качестве восстановителей отходов твердых углеродистых материалов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют нефтекоксовую мелочь, отсевы металлургического кокса. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что не растворимые в воде примеси, содержащиеся в плаве сульфида бария, выводят из процесса непрерывно или периодически по мере их накопления путем осветления пульпы сульфида бария перед проведением процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор сульфида натрия упаривают в одну стадию в вакуум-выпарном аппарате до концентрации 63 - 65 мас.%, после чего водный плав гранулируют или сливают в барабаны, где он застывает.