СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ Российский патент 2010 года по МПК C01D3/04 G05D27/00 

Изобретение относится к технике управления процессом получения хлористого калия галургическим методом вводом воды в разбавленный водой осветленный насыщенный раствор, поступающий со стадий растворения сильвинитовых руд и осветления жидкой фазы из запиточного стакана в корпуса установки вакуум-кристаллизации.

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. авт.св. СССР №463633, кл. C01D 3/04, публ. 1973.

Способ отличается сложностью, так как его реализация невозможна без осуществления полного химического анализа входных потоков для определения состава твердых и жидких фаз. 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 с задержкой 3-4 часа, и в крупнотоннажном производстве хлористого калия (более 1 млн. тонн в год) 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, не загрязненного хлористым натрием, в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки (ВКУ) для формирования раствора, поступающего со стадий растворения сильвинитовой руды и осветления горячего насыщенного раствора, подают повышенный расход воды. Это приводит к потерям хлористого калия за счет вывода из процесса избыточных растворов, содержащих KCl.

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

Способ предусматривает стабилизацию содержания хлористого калия в продукте путем регулирования расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от температуры этого раствора и концентрации в нем хлористого калия.

Известный способ отличается сложностью, так как не учитывает содержание в осветленном насыщенном растворе, поступающем со стадии растворения сильвинитовых руд в запиточный стакан ВКУ, хлористого натрия, в том числе в виде твердой фазы, и хлористого магния. Кроме того, реализация способа требует трудоемких расчетов материального баланса, что в условиях меняющихся составов осветленного раствора делает такой способ управления малоэффективным из-за высокой погрешности.

При недостатке воды, расходом которой регулируют качество получаемого продукта, продукт загрязняется хлористым натрием, поэтому известный способ предусматривает подачу воды в аппарат отделения раствора от кристаллизата. Но этот прием не всегда дает положительный эффект, так как кристаллы хлористого натрия обрастают кристаллами хлористого калия и не вымываются водой. Повышенный расход воды ведет к ее дебалансу в процессе и потерям целевого продукта. Способ не исключает применения методов аналитического контроля для определения содержания основного компонента - хлористого натрия.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в корпусы ВКУ при охлаждении осветленного разбавленного раствора, поступающего на охлаждение. Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа дополнительно измеряют расход осветленного насыщенного раствора, содержание в нем твердого кристаллического хлористого натрия и хлористого магния и расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки - ВКУ и температуру жидкой фазы в корпусах.

По полученным параметрам рассчитывают расходы воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпусы установки по следующим зависимостям и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды

- расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ, где i=1, 2, 3, 4 … N - определяется числом корпусов, т;

- расход испаренной воды в i корпусе, т;

- расход воды в корпусах, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, т;

- расход испаренной воды в 1 корпусе до степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, т.

Для первого корпуса ВКУ т.е.

где и - расход воды, которую необходимо удалить в i и (i-1) корпусах, т;

- расход раствора в (i-1) корпусе, т;

- содержание воды в растворе (i-1) корпусе, %.

где i=1, 2, 3 … N корпусов;

- концентрация MgCl₂ в осветленном растворе, т/1000 т Н₂О;

t_i - температура в i корпусе ВКУ, °С.

Расход разбавленного водой осветленного раствора G_{разб.р-р}, т:

где и - расходы осветленного раствора и воды, поступающих в приемный бак ВКУ, т.

где - расход раствора в (i-1) корпус, т;

- концентрация хлористого натрия в разбавленном растворе, т/1000 т H₂O;

- концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при α_KCl и α_NaCl, равной 1, т/1000 т H₂O.

где t_i - температура раствора, °C;

- концентрация MgCl₂ в осветленном растворе, т/1000 т H₂O.

где - концентрация по хлористому натрию осветленного раствора, т/1000 т H₂O, включая NACl в твердой фазе.

где K_NaCl - повышающий коэффициент для C_{NaCl Hi} при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl<1 и α_NaCl=1.

где α_KCl - степень насыщения осветленного раствора в зависимости от концентрации в нем KCl, C_KCl, % концентрации в растворе MgCl₂, т/1000 т H₂O, и температуры при α_NaCl=1.

где K_NaClтв - коэффициент повышения концентрации NaCl за счет присутствия в осветленном растворе кристаллического хлористого натрия;

C_NaClтв - концентрация в растворе кристаллического хлорида натрия, т/1000 т H₂O.

Содержание воды, %, в жидкой фазе i-го корпуса ВКУ равно

где C_KCli - концентрация насыщения раствора по хлористому калию в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1, т/1000 т H₂O.

где C_NaCli - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl, т/1000 т H₂O.

- концентрация хлористого магния в растворе I-го корпуса, т/1000 т H₂O.

Содержание воды в разбавленном осветленном растворе, поступающем в 1 корпус, %:

где - концентрация KCl в разбавленном растворе, т/1000 т H₂O:

где - концентрация MgCl₂ в разбавленном растворе, т/1000 т H₂O.

C′_KCli определяется по формуле для C_KCli для температуры в приемном баке ВКУ, т/1000 т H₂O.

Для первого корпуса количество воды, которую необходимо испарить из раствора для получения раствора, насыщенного по KCl и NaCl, т.е. α_KCl=1 и α_NaCl=1, т:

В приведенных уравнениях для α_KCl, и др. размерность входящих в уравнение технологических параметров - температуры, концентрации и др. уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед параметрами и свободными членами.

В отличие от известного способа расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки определяется либо по прямым измерениям расхода пара из корпусов, либо расчетным путем по уравнениям теплового баланса и использованием технологических параметров, приведенных выше.

где Q_исп. - количество тепла, поглощаемого на самоиспарение воды из раствора, ккал/кг;

C_i - теплоемкость раствора, ккал/кг·град - по опыту калийных производств, она численно равна содержанию воды в растворе i-го корпуса.

где

Теплота кристаллизации KCl определяется по уравнению:

Q_кр.KCl=-0,3391·t_i+60,356,

где Q_кр.KCl - теплота кристаллизации KCl, ккал/кг;

t_i - температура кристаллизации, °C.

Количество выпавшего кристаллизата KCl, G_кр.KCl, т, в i-м корпусе:

где все величины определялись ранее.

Количество тепла, выделившегося от кристаллизации KCl, , ккал:

где - количество кристаллизата, кг.

Теплота парообразования из раствора в i-том корпусе ВКУ равна:

где - теплота парообразования, ккал/кг раствора.

Количество испаренной воды в i-м корпусе, т:

Сущность способа как технического решения заключается в следующем.

По предлагаемому способу осуществляют регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры, при этом, в отличие от известного способа, по предлагаемому способу дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия, хлористого магния, расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки, температуру жидкой фазы в корпусах и по полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпуса установки вакуум-кристаллизации.

При производстве хлористого калия галургическим методом после растворения сильвинитовых руд образуется горячий раствор, насыщенный хлоридами калия и натрия и содержащий незначительное количество хлористого магния и хлористого натрия в кристаллическом виде. После осветления от нерастворимых этот раствор поступает на установки вакуум-кристаллизации, где раствор под вакуумом кипит и за счет этого охлаждается с выделением в твердую фазу кристаллического хлористого калия.

Осветленный раствор, поступающий на ВКУ, имеет степень насыщения по NaCl, равную 1,0; по KCl - от 0,92 до 1,0, содержит до 15 т на 1000 т H₂O кристаллического хлористого натрия в твердой фазе и до 14 т на 1000 т H₂O - MgCl₂. При этом соотношение хлоридов калия и натрия в растворе и их содержание зависит от температуры, которая колеблется в интервале от 93 до 97°C, и от степени насыщения раствора по KCl. Чем меньше степень насыщения раствора по KCl, тем выше содержание в растворе хлористого натрия. При подаче такого раствора на ВКУ и его охлаждении под вакуумом за счет испарения воды происходит вначале кристаллизация хлористого натрия и только когда при температуре охлаждения степень насыщения раствора по KCl достигнет 1, в твердую фазу начнет кристаллизоваться хлористый калий.

При этом кристаллы NaCl будут обрастать хлористым калием, в результате чего будет получаться некондиционный целевой продукт, загрязненный NaCl, несмотря на то, что с понижением температуры растворимость хлористого калия снижается, а хлористого натрия возрастает. В корпусы ВКУ подают воду для частичной компенсации воды, удаляемой за счет ее испарения из раствора под вакуумом. Для предотвращения загрязнения целевого продукта хлористым натрием в приемный бак ВКУ подают воду в количестве, необходимом для растворения кристаллического хлористого натрия в исходном растворе и понижения степени насыщения раствора по NaCl до степени насыщения раствора по KCL при начальной температуре кристаллизации.

При кристаллизации хлористого калия на ВКУ при охлаждении раствора до температуры 30-40°С за счет его испарения под вакуумом необходимым условием является получение раствора со степенью его насыщения по NaCl - α_NaCl≤1, в противном случае будет образовываться кристаллизат КСl, загрязненный хлористым натрием. При этом раствор по KCl всегда будет насыщен по хлористому калию, то есть α_KCl=1, Следовательно, в процессе всей кристаллизации хлористого калия хлористый натрий должен быть невыпадающим компонентом. Растворимость хлористого калия с понижением температуры резко снижается, а растворимость хлористого натрия растет. Поэтому воду, которая испаряется из раствора под вакуумом, необходимо компенсировать с учетом получения раствора в корпусе со степенью насыщения по хлористому натрию и хлористому калию равной 1 в присутствии MgCl₂.

В отличие от известных способов для определения расхода воды по корпусам разработаны эмпирические уравнения с использованием технологических параметров, оперативно определяемых с помощью контрольно-измерительных приборов.

По показаниям приборов имеем:

G_осв.р-р - расход осветленного раствора, поступающего на ВКУ, т;

- расход воды в приемный бак ВКУ, т;

- расход воды, испаренной в i корпусе, т.

Расход разбавленного раствора G_paзб.р-р составляет

C_KCl - содержание KCl в осветленном растворе, %;

t_п - температура разбавленного раствора в приемном баке ВКУ, °C;

t_i - температура раствора в i корпусе ВКУ, °C, где i - 1, 2, 3 … N и определяется числом корпусов.

Расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ , т, определяется из уравнения

- расход воды в i корпус, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α_KCl=1 и по хлористому натрию α_NaCl=1, т;

Для первого корпуса ВКУ т.е.

Определим расход воды, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении для получения насыщенного раствора по хлористому натрию α_NaCl=1 и по хлористому калию α_KCl=1.

Из экспериментальных данных имеем:

Таблица 1 № п/п Температура раствора, °C Расход воды, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении для получения насыщенного раствора по NaCl α_NaKCl=1 и по KCl α_KCl=1 Уравнения для определения расхода воды для получения раствора со степенью насыщения α_NaCl=1 и α_KCl 1 1 95 0 0 0 2 90 0,817 0,757 0,694
3 85 2,100 1,965 1,824   4 80 3,843 3,620 3,385 5 75 6,038 5,713 5,371
6 70 8,675 8,235 7,774   7 65 11,743 11,177 10,582 8 60 15,229 14,525 13,786 9 55 19,117 18,266 17,372   10 50 23,391 22,384 21,326   11 45 28,033 26,863 25,633   12 40 33,026 31,686 30,276   13 35 38,349 36,834 35,238   14 30 43,982 42,288 40,502  

Обработку экспериментальных данных таблиц с выводом уравнений проводили по стандартным методикам математического анализа с помощью программы Excel. R² - величина достоверности аппроксимации.

Анализируя приведенные данные, определим поправочные коэффициенты перед показателем lnt и для свободного члена с учетом содержания в растворе хлористого магния в интервале от 0 до 14 т/1000 т H₂O. На 1 т MgCl₂ на 1000 т H₂O поправки составят соответственно: (-0,2357) и (-1,05).

Подставляя значения поправок в уравнение для при получим зависимость расхода удаляемой воды при охлаждении раствора от максимальной температуры до значения t с учетом содержания в растворе хлористого магния при концентрации т/1000 т H₂O.

i=1, 2, 3 … N корпусов;

- количество воды в любом корпусе, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении с 95°С до температуры в i-м корпусе, т/1000 т H₂O;

t_i - температура в i-м корпусе, °С;

- содержание хлористого магния в осветленном растворе, т/1000 т H₂O.

В приведенных уравнениях для α_KCl, и др. размерность входящих в уравнение технологических параметров - температуры, концентрации и др. уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед параметрами и свободными членами.

Рассчитываем для i корпуса ВКУ, т/1000 т H₂O, и для предыдущего корпуса или группы корпусов, т/1000 т H₂O.

Определяем

Расход раствора в i-й корпус, G_{р-р i}, равен

где

- концентрация хлористого натрия в разбавленном растворе, т/1000 т H₂O;

C_{NaCl Hi} - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию в i-м корпусе, т/1000 т H₂O.

где

G_осв.р-р и - расходы осветленного раствора и воды, поступающих в приемный бак ВКУ, т.

Из экспериментальных данных концентрация насыщения раствора по NaCl C_NaCl, т/1000 т H₂O, в зависимости от температуры и содержания в растворе MgCl₂, т/1000 т H₂O, при степени насыщения раствора по KCl - α_KCl=1 составляет:

Из приведенных данных поправки на содержание в растворе MgCl₂ перед коэффициентом l_nt и для свободного члена в уравнениях для определения концентрации насыщения раствора по NaCl, C_NaCl, т/1000 г H₂O при α_NaCl=l для содержания хлористого магния в растворе от 0 до 14 т/1000 г H₂O, на 1 т MgCl₂ составляют соответственно (-0,1786) и (-1,5643). Подставляя эти значения в уравнения для получим:

где - концентрация насыщения по хлористому натрию осветленного раствора, т/1000 т H₂O.

где К_NaCl - повышающий коэффициент для C_NaClH при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl<1 и α_NaCl=1.

Определим концентрацию насыщения по NaCl-C_{NaCl Носнв.р-р} в зависимости от степени насыщения раствора по хлористому калию - α_KCl<1 при так как при снижении содержания в растворе хлористого калия растворимость хлористого натрия в нем растет.

Из экспериментальных данных имеем:

Таблица 3 № п.п Температура раствора, °С Концентрация насыщения раствора по NaCl, т/1000 т H₂O Уравнения αKCl=0,90 α=0,92 α=0,94 α=0,96 1 97 285,15 283,08 281,00 278,92 R²=1 2 95 284,80 282,75 280,70 278,65 R²=1

Из приведенных данных поправки для коэффициентов перед α_KCl и для свободного члена в уравнениях таблицы 3, на 1°C составляют соответственно -0,7 и -0,9. Подставляя эти значения поправок в уравнение для температуры 97°C, получим уравнение для расчета концентрации NaCl, C_{NaCl осв.р-р}, т на 1000 т H₂O в зависимости от температуры и степени насыщения раствора по KCl - α_KCl.

Из экспериментальных данных имеем (см. таблицу 4).

Из приведенных данных поправки для коэффициента перед C_KCl и для свободного члена в уравнениях для содержания в растворе MgCl₂, в интервале от 0 до 14 т на 1000 т H₂O на 1 т MgCl₂, составляют соответственно: 0,00007143 и -0,006733, при этом по всем интервалам температур от 93 до 97°С эти поправки практически не меняются.

Таблица 4 №№ п/п Содержание KCl при степени насыщения NaCl, α_NaCl=1 Содержание MgCl₂ в растворе, т/1000 т H₂O Степень насыщения раствора по KCl, α_KCl Уравнения для определения степени насыщения раствора по KCl, α_KCl 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1 Температура раствора -97 °C Содержание KCl в растворе C_KCl, % 0 19,82 20,17 20,51 20,85 21,18 α_KCl=0,0589·C_KCl-0,2475 R²=1 7 19,61 19,95 20,29 20,62 20,95 α_KCl=0,0594·C_KCl-0,2441 R²=1 14 19,39 19,72 20,06 20,39 20,72 α_KCl=0,05988·C_KCl-0,2407 R²=1 2 Температура раствора - 95°C Содержание KCl в растворе C_KCl,% 0 19,56 19,91 20,24 20,58 20,91 α_KCl=0,05949·C_KCl-0,2428 R²=1 7 19,35 19,68 20,02 20,35 20,68 α_KCl=0,05995·C_KCl-0,24 R²=1 14 19,13 19,46 19,80 20,13 20,45 α_KCl=0,06046·C_KCl-0,2367 R²=1 3 Температура раствора - 93°C Содержание KCl в растворе C_KCl, % 0 19,30 19,64 19,98 20,31 20,64 α_KCl=0,06006·C_KCl-0,2394 R²=1 7 19,09 19,42 19,75 20,08 20,41 α_KCl=0,06057·C_KCl-0,2361 R²=1 14 18,87 19,20 19,53 19,86 20,18 α_KCl=0,06109·C_KCl-0,2328 R²=1

Аналогично для т/1000 т H₂O определяли из таблицы 4 поправку для указанных коэффициентов на 1°C изменения температуры, которая составляет соответственно 0,0004825 и (-0,003275).

Подставляя эти значения поправок в уравнения для температуры 97°С и получим уравнение для определения степени насыщения α_KCl для условий α_NaCl=1,0; t_i=93-97°С.

Степень насыщения по KCl осветленного раствора:

где t_i - температура раствора, °C;

- содержание MgCl₂ в растворе, т/1000 т H₂O:

C_KCl - содержание KCL в растворе, %;

K_NaClтв. - прирост степени насыщения раствора по NaCl за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, который определяется, как отношение концентрации кристаллического хлористого натрия - твердой фазы NaCl в насыщенном растворе - K_NaClтв, т/1000 т H₂O к суммарной концентрации хлористого натрия в твердой и жидкой фазах C_ΣNaCl раствора, т/1000 т H₂O, т.е.:

где C_NaClтв. определяется с помощью приборов-нефелометров либо аналитически;

C_{NaCl Hосв.р-р} - концентрация насыщенного раствора по N_aCl при α_KCl=1,

Для определения коэффициента K_NaCl необходимо определить концентрацию насыщения раствора по NaCl, C_{NaCl Hi}, в зависимости от температуры и содержания MgCl₂ при α_KCl=1, где C_{NaCl H} и - т/1000 т Н₂О.

Из экспериментальных данных имеем:

Из приведенных данных поправки для коэффициентов перед l_nt для свободного члена в уравнениях для содержания хлорида магния в растворе в интервале от 0 до 14 т/1000 т Н₂О, на 1 т MgCl₂ на 1000 т H₂O составляют соответственно: (-0,1786) и (-1,5643).

Подставляя эти значения поправок в уравнение для MgCl₂=0, получим уравнение для определения концентрации насыщения раствора по NaCl в зависимости от температуры и содержания MgCl₂ в нем:

Содержание воды , %, в жидкой фазе i корпуса ВКУ равно

где C_KCli - концентрация насыщения раствора по хлористому калию в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1, т/1000 т H₂O.

Из экспериментальных данных определим концентрацию насыщения раствора по KCl C_KCli, т/1000 т H₂O в зависимости от температуры и содержания в растворе MgCl₂ - , т/1000 H₂O.

Из приведенных данных поправки на содержание в растворе MgCl₂ перед коэффициентом t и для свободного члена, в уравнениях для определения концентрации насыщения раствора по KCl C_KCl т/1000 т H₂O, при α_NaCl=1 для содержания хлористого магния в растворе в интервале от 0 до 14, т/1000 т H₂O, на 1 т MgCl₂/1000 т H₂O, составляют соответственно, (-0,0038) и (-0,26). Подставляя эти значения поправок в уравнение для получим:

где C_{NaCl Hi} - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1.

- концентрация хлористого магния в растворе i корпуса, т/1000 т Н₂O).

Содержание воды в разбавленном осветленном растворе, поступающем в 1 корпус, %:

где - концентрация KCl в разбавленном растворе, т/1000 т H₂O:

где

C′_KCli определяется по формуле для C_KCli для температуры в приемном баке ВКУ, т/1000 т H₂O.

где C_{NaCl Hi} - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1.

- концентрация хлористого магния в растворе i-го корпуса, т/1000 т H₂O.

Для первого корпуса количество воды, которую необходимо испарить для получения раствора, насыщенного по KCl и NaCl, т.е. α_KCl=1 и α_NaCl=1, т:

Таким образом, замеряя оперативно температуру раствора, содержание в нем хлористого калия и взвеси кристаллического хлористого натрия, расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды и температуру в корпусах ВКУ с помощью приборного контроля, а содержание MgCl₂ в растворе аналитически 1 раз в 12-24 часа и подавая эти параметры на контроллер, по уравнениям рассчитывают оптимальный расход воды в корпуса ВКУ и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды.

Приведенные эмпирические уравнения охватывают диапазон изменения технологических параметров: температуры, содержания в растворе хлоридов калия, натрия и магния, кристаллического хлористого натрия применительно к действующим галургическим фабрикам. Однако в случае изменения этих параметров в более широком диапазоне, например в периоды пуска и остановки производства, промывки оборудования и др., это практически не повлечет за собой изменения коэффициентов эмпирических уравнений, так как система KCl-NaCl-H₂O в присутствии MgCl₂ не образует пересыщенных растворов, а влияние на процесс температуры и содержание в растворе MgCl₂ имеют практически линейный характер.

В случае подачи в приемный бак ВКУ раствора циклонной пыли совместно с водой количество разбавленного раствора определится уравнением

Концентрация насыщения раствора по NaCl после разбавления водой осветленного раствора в приемном баке ВКУ с подачей в него раствора циклонной пыли составит

в уравнение для расхода раствора в i корпус G_p-pi заменяют на и

Приведенные уравнения позволяют определять количество испаренной воды не с помощью расходомеров, а по перепаду температур между корпусами или группами корпусов, то есть по t_i и t_i-1.

Из известных уравнений теплофизики, которые не являются предметом данного изобретения, количество тепла, поглощаемого на самоиспарение воды из раствора под вакуумом, Q_исп, ккал, равно

Q_исп=C_i·G_i·(t_i-1-t_i),

где C_i - теплоемкость раствора в корпусах (по опыту работы калийных производств она численно равна содержанию воды в растворе при температуре охлаждения), ккал/кг·град;

G_i - количество раствора, поступающего в i-й корпус;

t_i и t_i-1 - температуры в i-м и (i-1) корпусах ВКУ.

Теплота кристаллизации KCl, Q_кр.KCl, ккал/кг определяется по уравнению:

Q_кр.KCl=-0,3391·t_i+60,356,

где t_i - температура кристаллизации, °C.

Из уравнения табл.6 определяем концентрацию насыщения раствора по KCl в i-том и (i-1) корпусах ВКУ при температурах t_i - и t_i-1, т/1000 т H₂O. Количество выпавшего кристаллизата KCl в i корпусе равно

где все величины определялись ранее.

Количество тепла, выделившегося от кристаллизации KCl, Q′_кр.KCl, ккал:

Q′_кр.KCl=Q_кр.KCl·G_кр.KCl,

где G_кр.KCl - количество кристаллизата, кг.

Теплота парообразования из раствора в i-м корпусе ВКУ равна:

Q_{парообр} =-0,586·t_i+598,2,

где Q_{парообр} - теплота парообразования, ккал/кг раствора.

Количество испаренной воды в i-м корпусе, G_исп.i, т:

Предлагаемый способ позволяет получить 100% кристаллизат при условии ввода технически обоснованного количества воды в корпусы ВКУ взамен испаренной под вакуумом воды с учетом повышения растворимости хлористого натрия при охлаждении раствора. При необходимости получения кристаллизата, содержащего хлористый натрий, например 95% KCl, расход воды в приемный бак ВКУ должен быть сокращен на 5-10%.

Из описания сущности изобретения видно, что при реализации предполагаемого изобретения решается задача упрощения процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в корпусы ВКУ при получении хлористого калия.

Способ осуществляют следующим образом. Горячий осветленный насыщенный раствор направляют в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки, куда одновременно подают воду для его разбавления в заданном соотношении.

Замеряют:

- температуру раствора с помощью термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом, например с помощью первичного преобобразователя MFS2000 и преобразователя MFS081;

- расходы раствора и воды - с помощью индукционного расходомера типа СОРА ХЕ, откалиброванного на т/ч;

- массовую долю калия - измерителем калия, например фирмы Berthold LB 377-62;

- массовую долю кристаллизационного хлористого натрия анализатором мутности жидкости и концентрации взвеси, например ИКО-14;

- содержание MgCl₂ в растворе - 1 раз в сутки аналитически;

- аналогично измеряется расход раствора циклонной пыли и содержание в нем KCl при подаче раствора циклонной пыли;

- расход пара из корпусов ВКУ с помощью расходомеров пара.

Сигналы с первичных преобразователей поступают на контроллер и ПЭВМ, где вычисляются оптимальные значения для задания расхода воды, которое поступает в контур регулирования расходом воды на ВКУ.

Распределение воды по корпусам определяется производителем хлористого калия: вода может подаваться в каждый корпус ВКУ; вся вода, необходимая для подачи по корпусам, может подаваться в запиточный стакан ВКУ; вода в корпусы может подаваться в виде промывочной жидкости корпусов ВКУ.

Первый вариант является предпочтительным, особенно в случае использования установки регулируемой кристаллизации, так как позволяет существенно улучшить гранулометрический состав кристаллизата - KCl за счет растворения его пылевых фракций и сокращения числа зародышей кристаллизации.

Примеры осуществления способа

Пример 1.

Имеем 14-корпусную вакуум-кристаллизационную установку.

Показания приборов:

температура осветленного раствора, t_осв.p-p 96°C температура в 1 корпусе, t₁ 85°C температура в 14 корпусе ВКУ, t₁₄ 35°C температура в приемном баке ВКУ после   разбавления раствора водой, t_n 96°C расход раствора, G_осв.p.p 1900 т расход воды в приемный бак ВКУ, расход испаренной воды, содержание в растворе хлористого калия, C_KCl 20,02% содержание в растворе кристаллического   хлористого натрия, C_NaClтв 10 т/1000 т H₂O содержание в осветленном растворе  

хлористого магния, определяется

аналитически 1 раз в 24 ч 6 т/1000 т H₂O

Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl=1.

Рассчитаем степень насыщения осветленного раствора по хлористому калию, α_KCl.

Рассчитаем концентрацию хлористого натрия в осветленном растворе при α_KCl<1, -0,99.

C_NaClocв.p-p=-[103,8-0,7·(97-t_i)]·α_KCL+378,6-0,9)·(97-t_i)=

=-[103,8-0,7·(97-96)]·0,99+378,6-0,9·(97-96)=

=275,63 т/1000 т H₂O

Рассчитаем коэффициент повышения концентрации насыщения раствора по хлористому натрию, K_NaCl.

Расход разбавленного раствора G_{разб.р-р}:

G_осв.р.р - расход осветленного раствора, т/ч.

- расход воды на разбавление раствора в запиточный стакан ВКУ, т/ч.

G_разб.p-p=1900+138,18=2038,18 т/ч

Определим содержание MgCl₂ в разбавленном растворе:

Содержание воды в разбавленном растворе

Рассчитаем расход воды, необходимый для удаления при температуре 85 и 35°C, и

Расход воды, необходимый для удаления из раствора с температурой 85°C при его охлаждении до температуры 35°C составит:

Количество воды, которую необходимо испарить в 1 корпусе ВКУ для получения раствора со степенью насыщения α_KCl и α_NaCl, равной 1, G′_исп.1, определим:

Рассчитаем коэффициент прироста насыщения раствора по хлористому натрию за счет присутствия в нем кристаллического NaCl, C_NaClтв

Рассчитаем концентрацию насыщения осветленного раствора с учетом поставок K_NaCl и

Расход раствора в 14 корпусе ВКУ равен:

Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по хлористому натрию в 1 корпусе ВКУ при температуре 85°С.

Рассчитаем содержание KCl в 1 корпусе.

Определим содержание MgCl₂ в 1 корпусе

Определим содержание воды в жидкой фазе 1 корпуса,

Рассчитаем концентрацию KCl в осветленном растворе при α_KCl=1 при 96°C

Концентрация KCl в разбавленном растворе,

Дополнительный расход воды в приемный бак ВКУ или в 1 корпус составит:

По показаниям приборов на ВКУ испарилось 125 т H₂O.

Пример 2

Показания приборов и содержание MgCl₂ в осветленном растворе примем в соответствии с примером 1.

Определим расход воды в 5 и 6 корпусах ВКУ. Температура в 5 корпусе - 63°C, в 6 корпусе - 56°C.

Расход разбавленного раствора, в соответствии с примером 1, G_{разб.р-р}=2038 т. Содержание хлористого натрия в осветленном растворе с учетом поправочных коэффициентов C_{NaClосв.р-р}=285,1 т/1000 т H₂O.

Содержание хлористого натрия в разбавленном растворе С_{разб.р.р} - 266,17 т/1000 т H₂O.

Определим содержание хлористого калия в 5 корпусе ВКУ:

Содержание хлористого натрия в 5 корпусе ВКУ равно

Содержание хлористого магния в 5 корпусе

Содержание воды в жидкой фазе 5 корпуса

Определим содержание хлористого калия в жидкой фазе в 6 корпусе ВКУ

Определим содержание хлористого натрия в жидкой фазе 6 корпуса ВКУ

Определим содержание MgCl₂ в растворе 6 корпуса ВКУ

Содержание воды в жидкой фазе 6 корпуса - равно

Расход раствора в 6 корпусе равен

Определим расход воды, необходимый для удаления 6 корпуса ВКУ

Определим расход воды, необходимый для удаления 5 корпуса ВКУ

Определим расход воды для удаления в 6 корпусе с учетом расхода осветленного раствора

По показаниям приборов расход испаренной воды в виде расхода пара в 6 корпусе составил 16,8 т. Следовательно, расход воды в 6 корпусе составил

Аналогично может быть рассчитан расход воды в любой корпус ВКУ независимо от числа корпусов вакуум-кристаллизационной установки.

Пример 3

Входные параметры примера 3 - см. примеры 1 и 2.

Определим расход испарившейся воды в 6 корпусе ВКУ по температурам в 5 и 6 корпусов.

Количество тепла Q ккал, затраченное на охлаждение раствора в корпусе ВКУ за счет испарения воды из раствора, равно Q_р-р6=С₆·G_р-р6(t₅-t₆),

где С₆ - теплоемкость раствора в 6 корпусе - численно равна содержанию воды в растворе,

G_р-р6 - расход раствора в 6 корпусе - 1946·10³ кг;

t₅ и t₆ - температура раствора в 5 и 6 корпусе, 63 и 56°C;

Q₆=0,6589·1946·1000·(63-56)=8975,5·10³ ккал.

Из примера 2 содержание KCL в растворе 5 корпуса, который поступает в 6 корпус, равно

Содержание KCl в растворе 6 корпуса -

Расход раствора из 5 корпуса

Содержание воды в этом растворе:

Количество KCl в виде кристаллизата в 6 корпусе равно:

Q_кр.KCl. - теплота кристаллизции KCL, ккал/кг, равна:

Q_кр.KCl.=-0,3391·t₆+60,356 на 1 т KCl

Q_кр.KCl.=(-0,3391·56+60,356)·1000=41,37·10³ ккал/т

Тогда выделится тепла от кристаллизации 22,68 т KCl

Q′_кр=41,37·10³-22,68=938,5·10³ ккал

Теплота парообразования воды в 6 корпусе равна Q_{парообр}=-0,586t₆+598,2=-0,586·56+598,2=565,38 ккал/кг или 565,38·10³ ккал/т

Количество испаренной воды равно

Аналогично может быть рассчитан расход испаренной воды в любом корпусе ВКУ.

Изобретение может быть использовано при получении хлористого калия галургическим методом. Способ управления этим процессом включает регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры. При этом дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия и хлористого магния, расход воды для разбавления осветленного насыщенного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки - ВКУ и температуру жидкой фазы в корпусах. По полученным параметрам рассчитывают расходы воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпуса установки и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды: где - расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ, где i=1, 2, 3, 4, - … N зависит от числа корпусов, - расход испаренной воды в i корпусе, т; - расход воды в корпусах, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α_KCl=1 и хлористому натрию α_NaCl=1, т; - расход испаренной воды в 1 корпусе до степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl и хлористому натрию α_NaCl, равной 1, т. Изобретение позволяет упростить процесс за счет его оперативного управления средствами автоматизации, 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ управления процессом получения хлористого калия путем измерения входного потока воды, включающий регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры, отличающийся тем, что дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия и хлористого магния, расход воды для разбавления осветленного насыщенного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки - ВКУ и температуру жидкой фазы в корпусах, по полученным параметрам рассчитывают расходы воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпуса установки по следующим зависимостям и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды,

- расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ, где i=1, 2, 3, 4 … N определяется числом корпусов, т;
- расход испаренной воды в i корпусе, т;
- расход воды в корпусах, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α_KCl и хлористому натрию α_NaCl=1, т;
- расход испаренной воды в 1 корпусе до степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl и хлористому натрию α_NaCl, равной 1, т,
для первого корпуса ВКУ т.е.
где
и - расход воды, которую необходимо удалить в i и (i-1) корпусах, т;
- расход раствора в (i-1) корпусе, т;
- содержание воды в растворе (i-1) корпуса, %;
где
- концентрация MgCl₂ в осветленном растворе, т/1000 т Н₂О;
t_i - температура в i корпусе ВКУ, °С,
расход разбавленного водой осветленного раствора G_paзб.р.р, т:
где
и - расходы осветленного раствора и воды, поступающих в приемный бак ВКУ, т,
где
- расход раствора в (i-1) корпус, т;
- концентрация хлористого натрия в разбавленном растворе, т/1000 т Н₂О;
C_NaClHi - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при α_KCl и α_NaCl равной 1, т/1000 т Н₂О,
где
t_i - температура раствора, °С;
- концентрация MgCl₂ в осветленном растворе, т/1000 т Н₂О,
где
- концентрация по хлористому натрию осветленного раствора, т/1000 т Н₂О,
где
- повышающий коэффициент для C_{NaCl H} при степени насыщения раствора по хлористому калию α_KCl<1 и α_NaCl=1,
где
где
α_KCl - степень насыщения осветленного раствора в зависимости от концентрации в нем KCl, C_KCl %, концентрации в растворе MgCl₂, т/1000 т Н₂О, и температуры при α_NaCl=1,

где
- коэффициент повышения концентрации NaCl за счет присутствия в осветленном растворе кристаллического хлористого натрия;
- концентрация в растворе кристаллического хлорида натрия, т/1000 т Н₂О, содержание воды, %, в жидкой фазе i корпуса ВКУ равно:
где
C_KCli - концентрация насыщения раствора по хлористому калию в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1, т/1000 т Н₂О,

где
C_NaCli - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α_KCl=1 и α_NaCl=1, т/1000 т Н₂О,
- концентрация хлористого магния в растворе i корпуса, т/1000 т Н₂О,
содержание воды в разбавленном осветленном растворе, поступающем в 1 корпус, %:
где
- концентрация KCl в разбавленном растворе, т/1000 т Н₂О:
где
- концентрация MgCI₂ в разбавленном растворе, т/1000 т Н₂О,

С′_KCli определяется по формуле для C_KCli для температуры в приемном баке ВКУ, т/1000 т Н₂О,
для первого корпуса количество воды, которую необходимо испарить из раствора для получения раствора, насыщенного по KCl и NaCl, т.е. α_KCl=1 и α_NaCl=1, т:

в приведенных уравнениях размерность входящих в уравнение технологических параметров уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед параметрами и свободными членами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки определяют расчетным путем по уравнениям теплового баланса с использованием технологических параметров, приведенных в п.1.