СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ Российский патент 2009 года по МПК C01D3/04 G05D27/00 

Изобретение относится к технике управления процессом получения хлористого калия галургическим методом на стадии охлаждения горячего щелока и кристаллизации из него целевого продукта.

Известен способ управления процессом получения хлористого калия, стабилизирующий содержание хлористого калия в продукте путем изменения расхода слабого раствора солей в глинистый шлам и горячий насыщенный щелок - см. АС СССР №463633, кл. C01D 3/04, опубл. 1973.

Способ отличается высокой сложностью, так как его реализация невозможна без осуществления полного химического анализа входных потоков для определения химического состава системы. Аналитический контроль является длительным процессом, так как включает в себя отбор проб на подготовку к анализу и определение содержания компонентов в системе KCl-NaCl-H₂O в присутствии MgCl₂ и др. примесей. Результаты анализа поступают на производство хлористого калия с задержкой 3-4 часа, а в условиях крупнотоннажного производства (например, на ПО «Уралкалий» потоки поступающего на кристаллизацию щелока достигают 1500 м³/ч) они существенного влияния на ход процесса не оказывают. Поэтому результатами полного химического анализа пользуются как статистическим материалом.

На практике для обеспечения гарантированного качества кристаллизата хлористого калия на вакуум-кристаллизационную установку подают повышенный расход воды. В условиях малого содержания хлоридов магния и кальция в руде (менее 0,5%) это приводит к значительным потерям хлористого калия за счет вывода избыточного щелока из процесса получения концентрата.

Известен способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения расходов входных потоков - прототип см. АС СССР №948884, кл. C01D 3/04, G05D 27/00, опубл. 07.08.82. Бюл. №20.

Способ предусматривает стабилизацию содержания хлористого калия в продукте путем регулирования расхода воды в поступающий на кристаллизацию щелок в зависимости от температуры этого щелока, концентрации в нем хлористого калия, расхода воды на промывку кристаллизационных аппаратов, расхода и температуры оборотного щелока. По предлагаемому способу также регулируют расход воды в аппарат для отделения щелока от кристаллизата в зависимости от заданного содержания хлористого калия в продукте и расхода оборотного щелока.

Известный способ отличается сложностью, так как не учитывает фактическое содержание в горячем щелоке, поступающем на вакуум-кристаллизационную установку (ВКУ) хлористого натрия. При недостатке воды, расходом которой регулируется качество получаемого продукта, происходит кристаллизация из охлаждаемого щелока хлористого натрия и ухудшение качества кристаллизата. Поэтому известный способ предусматривает подачу воды в аппарат отделения щелока от кристаллизата. Этот прием не всегда дает положительный результат, так как кристаллы хлорида натрия обрастают кристаллами хлористого калия и не вымываются промывкой. Повышенный расход воды на ВКУ влечет за собой дебаланс по воде, образование избыточных щелоков и потерю полезного компонента. Способ также предполагает применение методов аналитического контроля.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расходом воды в зависимости от состава и расхода щелока, поступающего на вакуум-кристаллизационную установку.

Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от известного способа, дополнительно замеряют плотность и расход щелока, по температуре, плотности и содержанию в нем хлористого калия, расчетным путем определяют содержание в щелоке хлористого натрия и по полученным параметрам рассчитывают расход воды, поступающей на кристаллизацию, по следующей зависимости и вычисленное значение подают в качестве задания в систему управления расходом воды:

где В_o, т/ч; В₁, т/ч; В₂, т/ч; В₃ и В₂₃- безразмерные коэффициенты, определяемые на основе расчета материального баланса процесса кристаллизации;

Q_воды - расход воды на кристаллизацию, т/ч;

Q_щ-к - расход щелока, поступающего на кристаллизацию, т/ч;

F_воды - расход воды на технологические и технические нужды, т/ч;

C_{KCl щ-к} - массовая доля KCl в щелоке;

C_{NaCl щ-к} - массовая доля NaCl в щелоке, определяемая расчетно по зависимости:

C_{NaCl щ-к} = -А_o/А₂+ρ_щ-к/А₂-A₁C_{KCl щ-к}/А₂,

где ρ_щ-к - плотность щелока, т/м³;

А_o, A₁ и А₂, - эмпирические коэффициенты, определяемые путем математической обработки эмпирических данных, т/м³.

Сущность способа заключается в следующем. В отличие от известного способа, по предлагаемому способу дополнительно замеряют плотность и расход щелока; по температуре, плотности и содержанию в нем хлористого калия расчетно определяют содержание в щелоке хлористого натрия и по полученным параметрам определяют расход воды на кристаллизацию по зависимости:

Q_воды = В_o+B₁C_{KCl щ-к} - В₂C_{NaCl щ-к} - В₃Q_щ-к + В₂₃Q)_щ-к·C_{NaCl щ-к} - F_воды

где

В_o, В₁, В₂, В₃, В₂₃ - коэффициенты, определяемые на основе расчета материального баланса процесса кристаллизации;

Q_воды - расход воды на кристаллизацию, т/ч;

Q_щ-к - расход щелока, поступающего на кристаллизацию, т/ч;

F_воды - расход воды на технологические и технические нужды, т/ч;

C_{KCl щ-к} - массовая доля KCl в щелоке;

C_{NaCl щ-к} - массовая доля NaCl в щелоке, определяемая расчетно по зависимости:

где ρ_щ-к - плотность щелока, т/м³;

А_o, А₁, А₂, - эмпирические коэффициенты, определяемые путем математической обработки эмпирических данных.

В имеют значения:

Таблица 1 Вид продукта Коэффициент В В₀, т/ч В₁, т/ч В₂, т/ч В₃ В₂₃ 96,5% KCl значение коэффициента 6,166 0,005 35,9833 0,6934 4,3372 98% KCl 0,031 0,005 0,1667 0,6713 4,24

А имеют значение:

Таблица 2 Коэффициент А_o/А₂ 1/А₁, м³/т А₁/А₂ Его значение 1,1188 1/0,8333 0,8/0,8333

Вопросы управления качеством целевого продукта решаются в основном на стадии кристаллизации хлористого калия из насыщенного осветленного горячего щелока, поступающего со стадии растворения на установку вакуум-кристаллизации (ВКУ). Анализ данных по химическому составу жидких фаз показывает, что содержание NaCl в насыщенном щелоке на входе в ВКУ превышает концентрацию насыщения, т.е. раствор содержит твердую фазу - хлористый натрий и его содержание может достигать 16 кг на кубический метр раствора. Наличие хлористого натрия в осветленном щелоке объясняется выносом со стадии осветления мелкокристаллического NaCl, кристаллизирующегося из насыщенного раствора со стадии осветления за счет его охлаждения на 1-2°С и частичного испарения воды в осветлителях Дорра.

Содержание NaCl в насыщенном растворе является одним из наиболее значимых факторов, определяющих расход воды в процесс. При повышенном содержании NaCl воду следует подавать непосредственно в приемный бак ВКУ в количестве, обеспечивающем растворение хлористого натрия. Если расход воды недостаточен, то полного растворения солевого шлама не происходит, и NaCl, оставшийся в твердой фазе, далее покрывается кристаллизующимся KCl. Подача воды по ступеням ВКУ при этом приводит к тому, что маточный раствор становится ненасыщенным по NaCl, а кристаллизат содержит NaCl, что приводит к нарушению качества конечного продукта. Следует отметить, что для исключения выпуска бракованной продукции технологический процесс ведут с выпуском, например, 96%-го продукта вместо 95%-го, что приводит к снижению выхода продукта и увеличению удельной нормы расхода руды и образованию избыточных щелоков, т.е. приводит к снижению технико-экономических показателей производства. На действующих галургических фабриках расход воды на ВКУ регулируют с учетом нагрузки, содержания хлористого калия в щелоке и плотности. Количественные закономерности расхода воды на ВКУ в зависимости от входных переменных параметров процесса не формализованы и при оперативном управлении технологическим процессом вакуум-кристаллизации не учитываются, а процесс ведется по результатам аналитического контроля.

По предлагаемому способу, в отличие от известных способов, управление процессом получения хлористого калия производится путем изменения входного потока воды по зависимостям 1 и 2.

При разработке математической модели стадии кристаллизации хлористого калия было показано, что одним из значимых факторов, который необходимо учитывать при управлении процессом, является массовая доля NaCl в поступающем на кристаллизацию щелоке. Прямое измерение массовой доли NaCl с помощью контрольно-измерительных приборов не представляется возможным. Поэтому реализован расчетный метод определения NaCl на основании автоматически измеряемых параметров: массовой доли KCl, плотности и температуры щелока на основании использования разработанного во ВНИИГе «Метода коэффициентов» - см. метод расчета плотности сложных солевых систем. Труды ВНИИГа, вып. №36, Госхимиздат, 1959. Этот метод позволяет определить эмпирические коэффициенты А.

Применяя известный метод трехфакторного эксперимента (см. например, «Планирование эксперимента в химии и химической технологии». Саутин С.Н. Изд. «Химия», Л., 1975) при обработке полученных в результате технологических расчетов данных, получено основное уравнение, связывающее плотность щелока с его составом и температурой:

Преобразуя это уравнение, получим зависимость (2) массовой доли NaCl в поступающем на кристаллизацию щелоке.

Зависимость для расхода воды представляет собою нелинейное уравнение, описывающее оптимальное значение расхода воды для допустимой области значений независимых переменных параметров процесса кристаллизации.

В качестве независимых переменных приняты:

C_{KCl щ-к} - массовая доля KCl в осветленном горячем насыщенном щелоке;

C_{NaCl щ-к} - массовая доля NaCl в осветленном насыщенном щелоке;

Q_щ-к - расход щелока, поступающего на кристаллизацию, т/ч;

F_воды - расход воды на технологические и технические нужды, т/ч.

Расход воды (F_воды) для каждого предприятия-производителя хлористого калия методом кристаллизации из горячего осветленного щелока имеет свое значение и определяется типом установки вакуум-кристаллизации. Для многокорпусной вакуум-кристаллизационной установки без регулирования роста кристаллов расход воды (F_воды) является фиксированной регламентом величиной, которая обычно составляет 5-10% от расхода воды на кристаллизацию (Q_воды). Эта вода расходуется на технологические нужды - промывку трубопроводов, смотровых стекол и т.п. Отбор воды на технические нужды (F_воды) производится после регулирования ее расхода по зависимости (1), при этом оставшаяся вода после отбора на технические нужды, как правило, подается в запиточный стакан ВКУ.

При использовании многокорпусной установки с регулируемой вакуум-кристаллизацией расход воды складывается из расхода на технологические нужды, а также расхода воды, подаваемой во внешние контуры каждого корпуса РВКУ для растворения мелких классов KCl. Эта вода жестко фиксируется и вводится в зависимость (1) в виде постоянного значения коэффициента (F_воды).

На некоторых установках регулируемой вакуум-кристаллизации (РВКУ) подается в запиточный стакан нагретый раствор циклонной пыли. Расход воды на растворение циклонной пыли также замеряется и учитывается в коэффициенте F_воды.

При отборе продукционной суспензии из промежуточных корпусов РВКУ с последующим ее разделением и промывкой кристаллизата маточник и промводы возвращаются в корпуса РВКУ. Расход воды на промывку кристаллизата измеряется и также учитывается в коэффициенте F_воды.

Кинетические закономерности процесса кристаллизации KCl с учетом времени пребывания твердой фазы по корпусам ВКУ, скорости образования и роста кристаллов и пр. заложены в проекты кристаллизационных установок. Поэтому используемая для управления стадией вакуум-кристаллизации статическая модель не учитывает влияния указанных выше кинетических факторов. Выпуск заданного вида продукции требует изменения технологического режима ведения процесса кристаллизации путем увеличения расхода воды в соответствии с водным балансом, поэтому зависимости отличаются числовыми значениями коэффициентов В для каждого вида получаемого продукта: 96,5 и 98% или другого KCl.

Общее количество расчетов материального баланса в матрице планирования составило 2⁵ или 32. Материальные балансы, определяющие расход воды, рассчитывались по общепринятым методикам (см. например, «Технология калийных удобрений». Кашкаров О.Д., Соколов И.Д. Изд. «Химия», Л., 1978) и не приведены в описании предлагаемого изобретения из-за громозкости и широкой известности методов расчета.

Материальные балансы процессов кристаллизации KCl для одного вида продукта - 96,5 или 98% KCl - с учетом нулевой погрешности приборов, с помощью которых контролируют значение технологических параметров, проводили традиционным способом с применением диаграммы растворимости солей в системе KCl-NaCl-H₂O в присутствии MgCl₂, поскольку в данной системе не образуется пересыщенных растворов.

Далее проводили аналогичные расчеты с учетом нижнего и верхнего уровней максимально допустимой погрешности приборов, делали оценку воспроизводимости технологических расчетов, расчет коэффициентов регрессии, оценку их значимости и адекватности уравнений регрессии в соответствии с методикой математического планирования («Планирование эксперимента в химии и химической технологии». Саутин С.Н. Изд. «Химия», Л., 1975).

В таблице 3 приведены уровни факторов и интервалы их варьирования для кристаллизации KCl, например, для условий переработки щелоков, образующихся при переработке руд Верхнекамского месторождения.

Таблица 3 Наименование параметра Уровень факторов Базовый уровень Интервалы варьирования Нижний уровень Верхний уровень Массовый расход щелока, поступающего на кристаллизацию, т/ч 1494 249 1245 1743 Массовая доля KCl в щелоке, % 19,90 0,50 19,40 20,40 Массовая доля NaCl в щелоке, % 17,40 0,60 16,80 18,00 Температура щелока, °С 95,5 1,0 94,5 96,5 Температура, до которой охлаждается щелок, °С 35 5 30 40

В таблице 4 приведены результаты определения коэффициентов В с учетом исключения из уравнения незначимых коэффициентов.

Таблица 4 Вид продукта Коэффициент В В₀, т/ч В₁, т/ч В₂, т/ч В₃ В₂₃ 96,5% KCl значение коэффициента 6,166 0,005 35,9833 0,6934 4,3372 98% KCl 0,031 0,005 0,1667 0,6713 4,24

После подстановки приведенных коэффициентов зависимость для управления расходом воды для двух видов продуктов примет вид:

Q_{воды 96,5% KCl}=6,166+0,005·С_{KCl щ-к}-35,9833·С_{NaCl щ-к}-0,6934·Q_щ-к+4,3372·Q_щ-к·С_{NaCl щ-к} - F_воды

Q_{воды 98% KCl}=0,031+0,005·С_{KCl щ-к}-0,1667·С_{NaCl щ-к}-0,6713·Q_щ-к+4,24·Q_щ-к·

С_{NaCl щ-к} - F_воды

В таблице 5 приведены уровни факторов и интервалы их варьирования для определения эмпирических коэффициентов А.

Таблица 5 Наименование параметра Уровень факторов Базовый уровень Интервалы варьирования Нижний уровень Верхний уровень Массовая доля KCl в щелоке, % 19,90 0,50 19,40 20,40 Массовая доля NaCl в щелоке, % 17,40 0,60 16,80 18,00 Температура щелока, °С 95,5 1 94,5 96,5

Таблица 6 Коэффициент А_o/А₂ 1/А₁, м³/т A₁/A₂ Его значение 1,1188 1/0,8333 0,8/0,8333

Коэффициенты А получены после преобразования формулы (2) в соответствии с методом регрессионного анализа (Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Саутин С.Н. Изд. «Химия», Л., 1975). Зависимость для расчета массовой доли NaCl в растворе будет иметь вид:

С_{NaCl p. p-p} = -1,1188+ρ_щ./0,8333-0,8·С_KCl/0,8333

Приведенные уровни факторов и интервалы их варьирования справедливы для условий переработки сильвинитовых руд на действующих сильвинитовых фабриках, например ОАО «Сильвинит», при этом выбраны технологические параметры, охватывающие все возможные изменения технологического процесса кристаллизации хлористого калия из осветленного шелока.

Таким образом, решается задача упрощения управления процессом кристаллизации хлористого калия из осветленного насыщенного щелока на ВКУ за счет замены длительного аналитического контроля автоматическим анализатором калия и малоинерционными автоматическими датчиками технологических параметров - температуры, расхода и плотности с использованием результатов замера для автоматического управления потоком воды с применением ПЭВМ в супервизорном режиме.

Способ осуществляют следующим образом. Горячий осветленный насыщенный щелок с температурой 95,5±1,0 направляют на вакуум-кристаллизационную установку, при этом определяют температуру щелока с помощью термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом - например, ТСМУ-055; плотность - например, с помощью первичного преобразователя MFS2000 и преобразователя сигнала MFS081, а также его расход -например, с помощью индукционного расходомера типа СОРА ХЕ.

Массовую долю калия определяют измерителем калия - например, фирмы «Bertold» LB 377-62.

Сигналы с первичных преобразователей поступают на контроллер и ПЭВМ, где вычисляется оптимальное задание по расходу воды. Оптимальное значение задания поступает в контур регулирования расходом воды на ВКУ.

В случае использования воды на технологические нужды - например, на растворение циклонной пыли, с последующей подачей раствора KCl на ВКУ совместно с водой, либо по контурам РВКУ, а также при подаче воды на технические нужды, вода на эти цели фиксируется и отбирается после расходомера воды на ВКУ.

Примеры осуществления способа

Пример 1:

1. Показания приборов для определения массовой доли NaCl имеют значения:

0,203 - массовая доля KCl в осветленном щелоке;

1,244 - плотность щелока, г/см³;

Расчет массовой доли NaCl в растворяющем щелоке:

C_{NaCl р. р-р} = -1,1188+ρ_щ./0,8333-0,8·C_KCl/0,8333,

C_{NaCl р. р-р} = 0,1792

Массовая доля NaCl используется при расчете расхода воды.

2. Показатели приборов для определения расхода воды имеют значения:

1500 - расход щелока, т/ч;

35 - расход воды на технические нужды, т/ч.

Расчет расхода воды: Q_воды = 6,166+0,005·0,203-0,6934·1500-35,9833·0,1792+4,3372·1500·0,1792-35

Q_воды = 90,459 т/ч

Вычисленные значения по расходу воды подаются в качестве задания в систему управления расходомером воды. Опрос автоматических приборов производится с интервалом 10 с.

Управление производилось из расчета получения хлористого калия с содержанием KCl 96,5%. Фактически получен продут с содержанием KCl 96,7%.

Пример 2:

Показатели приборов для определения расхода воды для получения 98% KCl.

0,203 - массовая доля KCl в щелоке, поступающем на ВКУ;

1500 - расход щелока, т/ч;

35 - расход воды на технические и технологические нужды (F_воды), который складывается из расхода воды на растворение циклонной пыли - 15 т/ч, расхода воды на промывку кристаллизата 5 т/ч и расхода воды во внешние контура - 15 т/ч.

Расчет расхода воды из условия, что C_{NaCl щ-к} = 0,1792 - см. пример 1.

Q_воды = 0,031+0,005·0,203-0,6713·1500-0,1667·0,1792+4,24·1500·0,1792-35;

Q_воды = 97,765 т/ч

Управление проводили из расчета получения хлористого калия с содержанием KCl 98,0%. Фактически получен продут с содержанием KCl 98,2%.

Изобретение может быть использовано в производстве хлористого калия методом растворения-кристаллизации. Способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения входного потока воды включает регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию щелок в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и расхода воды на промывку кристаллизационных аппаратов и определение температуры щелока. Дополнительно измеряют плотность и расход щелока. По температуре, плотности и содержанию хлористого калия рассчитывают содержание в щелоке хлористого натрия. Расход воды на кристаллизацию рассчитывают на основании полученных данных согласно предложенному уравнению и вычисленное значение подают в качестве задания в систему управления расходом воды. Изобретение позволяет упростить управление процессом получения хлористого калия. 6 табл.

Способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения входного потока воды, включающий регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию щелок в зависимости от концентрации в нем хлористого калия, расхода воды на промывку кристаллизационных аппаратов и определение температуры щелока, отличающийся тем, что дополнительно измеряют плотность и расход щелока, по температуре, плотности и содержанию в нем хлористого калия расчетным путем определяют содержание в щелоке хлористого натрия, и по полученным параметрам рассчитывают расход воды, поступающей на кристаллизацию, по следующей зависимости, и вычисленное значение подают в качестве задания в систему управления расходом воды:
Q_воды = В_o+B₁C_{KCl щ-к} - В₂С_{NaCl щ-к} - В₃Q_щ-к+В₂₃Q_щ-к·С_{NaCl щ-к} - F_воды,
где В_o, В₁, В₂, В₃ и В₂₃ - коэффициенты;
Q_воды - расход воды на кристаллизацию, т/ч;
Q_щ-к - расход щелока, поступающего на кристаллизацию, т/ч;
F_воды - расход воды на технологические и технические нужды, т/ч;
C_{KCl щ-к} - массовая доля KCl в щелоке;
Q_{NaCl щ-к} - массовая доля NaCl в щелоке, определяется расчетно по зависимости:
C_{NaCl щ-к} = А_o/А₂+ρ_щ-к/А₂-A₁C_{KCl щ-к}/А₂,
где ρ_щ-к - плотность щелока, т/м³;
А_o, A₁ и А₂ - эмпирические коэффициенты.