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 при формировании раствора вводом воды в осветленный насыщенный раствор, поступающий со стадий растворения сильвинитовых руд и осветления жидкой фазы в запиточный стакан установок 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. А.С. СССР №463633, кл. C01D 3/04, опубл. в 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. А.С. 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.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в запиточный стакан ВКУ при формировании осветленного насыщенного раствора для его последующего охлаждения. Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа дополнительно измеряют расход осветленного насыщенного раствора и содержание в нем твердого кристаллического хлористого натрия и хлористого магния.

По полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор в приемный бак вакуум-кристаллизационной установки по следующим зависимостям и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды:

,

где - расход воды в приемный бак ВКУ, т;

G_oсв.p-p - расход осветленного раствора, т;

К_п - прирост степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического натрия:

,

где - концентрация кристаллического NaCl в осветленном растворе, т/1000 т Н₂O;

- концентрация NaCl в осветленном растворе, т/1000 т H₂O;

α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;

K_NaCl - коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl<1

где t - температура раствора, °C;

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

C_KCl - содержание KCl в растворе, %.

,

где C_NaCl - содержание хлористого натрия в растворе в зависимости от температуры t и степени насыщения раствора по KCl при α_KCl<1, т/1000 т H₂O;

C_NaCl=-[103,8-0,7(97-t)]α_KCl+378,6-0,9(97-t),

где C_NaCl - концентрация насыщения раствора по NaCl в зависимости от от температуры t и содержания в нем MgCl₂ при α_KCl<1, т/1000 т Н₂О;

где - концентрация насыщения раствора по NaCl при α_KCl=1.

В случае подачи в раствор наряду с водой раствора циклонной пыли расход воды определяется по зависимости:

где - расход воды в приемный бак ВКУ, т;

- расход воды с раствором циклонной пыли, т.

где - степень насыщения раствора по хлористому калию после подачи в раствор циклонной пыли, содержащейся в растворе без учета воды этого раствора;

- содержание хлористого калия в растворе после подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли, %,

где

где - расход циклонной пыли, т;

- содержание хлористого калия в растворе циклонной пыли, %.

- расход воды с раствором циклонной пыли, т.

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

Сущность способа как технического решения заключается в следующем. По предлагаемому способу управление процессом получения хлористого калия осуществляют путем изменения входного потока воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры. В отличие от известного способа по предлагаемому способу дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия и хлористого магния и по полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор.

При производстве хлористого калия галургическим методом после растворения сильвинитовых руд образуется горячий раствор, насыщенный хлоридами калия и натрия и содержащий незначительное количество хлористого магния - до 14 т на 1000 т воды и хлористого натрия в кристаллическом виде. После осветления от нерастворимых этот раствор поступает на установки вакуум-кристаллизации (ВКУ), 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 - 1,0; по KCl - 0,92-1,0, содержит до 15 т на 1000 т H₂O кристаллического хлористого натрия в твердой фазе и до 14 т на 1000 т Н₂О - MgCl₂. При этом соотношение хлоридов калия и натрия в растворе и их содержание зависит от температуры, которая колеблется в интервале 93-97°С, и от степени насыщения раствора по KCl. При этом 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 корпуса 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 КС1 при начальной температуре кристаллизации.

Этому условию удовлетворяет уравнение:

где - расход воды в приемный бак ВКУ, т;

G_oсв.p-p - расход осветленного раствора, т;

α_KCl - степень насыщения раствора по KCl;

К_п - 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 - C_{NaCl тв.,} т/1000 т H₂O к суммарной концентрации хлористого натрия в твердой и жидкой фазах C_ΣNaCl раствора, т/1000 т H₂O, т.е.

где определяется с помощью приборов - нефелометров либо аналитически.

Для управления процессом подготовки раствора к вакуум-кристаллизации необходимо определить степень насыщения раствора по KCl - α_KCl в зависимости от температуры, °C; содержания в растворе MgCl₂, т на 1000 т H₂O; содержания в растворе KCl, %. Эти показатели, кроме содержания в растворе MgCl₂, определяются с помощью приборов оперативно, а содержание в растворе MgCl₂ - аналитически. Однако этот показатель достаточно определять 1 раз в 12-24 часа, так как он мало меняется вследствие большого объема циркулирующих щелоков и незначительного изменения концентрации MgCl₂ в сильвинитовой руде, поступающей на растворение.

В отличие от известных способов, в которых α_KCl определяется трудоемким способом путем расчета материальных балансов с учетом изменения технологических параметров, по предлагаемому способу этот параметр определяется с помощью эмпирических уравнений.

Из экспериментальных данных имеем (см. таблицу 1).

Из приведенных данных, усредняя поправки для коэффициентов перед C_KCl и для свободного члена в уравнениях для содержания в растворе , в интервале 0-14 т на 1000 т Н₂О, получаем их значения на 1 т MgCl₂, соответственно: 0,00007143 и -0,006733, при этом во всем интервале температур 93-97°С эти поправки практически не меняются.

Аналогично для Н₂О определяли из таблицы 1 поправку для указанных коэффициентов на 1°С 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: C_Nacl=1,0; Н₂О; t=93-97°С.

Степень насыщения раствора по KCl:

где t - температура раствора, °С;

- содержание MCl₂ в растворе, т/1000 т H₂O;

C_KCl - содержание KCl в растворе, %.

Размерность для α_KCI и размерность входящих в уравнение технологических параметров - , t, C_KCI, уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед аналогичными параметрами и свободными членами. Вышеизложенное относится и к другим уравнениям, приведенным в заявке на изобретение.

K_NaCl - коэффициент повышения концентрации осветленного раствора по NaCl при недонасыщении раствора хлоридом калия, т.е. α_KCl<1.

где C_NaCl - содержание хлористого натрия в растворе при α_KCl<1, т/1000 т H₂O;

^_ концентрация насыщенного раствора по NaCl при α_KCl=1, т/1000 т H₂O.

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

Из экспериментальных данных имеем:

Из приведенных данных, усредняя поправки для коэффициентов перед l_nt и для свободного члена в уравнениях для содержания хлорида магния в растворе в интервале 0-14 т/1000 т Н₂О, получим их значения на 1 т MgCl₂ на 1000 т Н₂О 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:

Определяем концентрацию насыщения по NaCl-α_NaCl 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 уравнения к таблице 1 определим степень насыщения раствора по KCl-α_KCl.

Из экспериментальных данных имеем:

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

Таким образом, замеряя оперативно температуру раствора, содержание в нем хлористого калия и взвеси кристаллического хлористого натрия с помощью приборного контроля, а содержание MgCl₂ в растворе аналитически 1 раз в 12-24 часа и подавая эти параметры на контроллер, по уравнениям к таблицам 1-3 рассчитывают оптимальный расход воды в приемный бак ВКУ для разбавления горячего осветленного раствора из отделения растворения сильвинитовой руды и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды.

Приведенные эмпирические уравнения охватывают диапазон изменения технологических параметров по температуре, содержанию 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 имеет практически линейный характер.

На некоторых галургических фабриках в приемный бак ВКУ наряду с водой подают раствор циклонной пыли - разбавленный раствор KCl со стадии газоочистки сушки целевого продукта - хлористого калия, представляющий собой водный раствор мелкодисперсных частиц хлористого калия с содержанием KCl в основном 15-25%. При этом раствор KCl может быть получен как путем мокрой пылегазоочистки отходящих газов сушильного аппарата, так и растворением мелкодисперсных частиц KCl, улавливаемых системой сухой пылеочистки. В этом случае расход воды в приемный бак ВКУ должен быть пропорционально снижен. Расход хлористого калия G_KCl, т, поступающего в растворе циклонной пыли, определим по уравнению:

где - расход раствора циклонной пыли, т;

- концентрация KCl в растворе циклонной пыли, %.

Расход воды, поступающей с раствором циклонной пыли, равен:

Концентрацию хлористого калия в исходном растворе , %, после подачи в него циклонной пыли без учета воды в этом растворе определим по уравнению:

Расход воды в приемный бак ВКУ - в случае подачи в бак раствора циклонной пыли определяем по уравнению:

где - расход воды в приемный бак ВКУ, т;

, K_п, K_NaCl - см. обозначения, приведенные ранее;

- см. обозначения уравнения;

- определяем по уравнению для α_KCl при условии замены C_KCl на .

Таким образом, определяя дополнительно содержание КС1 в растворе циклонной пыли и его расход с помощью оперативного приборного контроля, определяем расход воды в приемный бак ВКУ при условии ввода в исходный осветленный насыщенный раствор раствора циклонной пыли.

Данное техническое решение позволяет получить 100% кристаллизат при условии ввода технически обоснованного количества воды на корпуса ВКУ взамен испаренной на установке воды с учетом повышения растворимости хлористого натрия при температуре раствора под вакуумом. 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 предлагаемого изобретения решается задача упрощения процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в осветленный раствор, поступающий на ВКУ для получения хлористого калия.

Способ осуществляют следующим образом. Горячий осветленный насыщенный раствор направляют в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки.

Замеряют:

- температуру раствора с помощью термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом, например ТСМУ-055;

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

- массовую долю калия - измерителем калия, например фирмы Берхольд 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.

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 не является предметом данного изобретения.

Примеры осуществления способа

Пример 1

Показания приборов:

- температура раствора, t 96°С

- расход раствора, G_осв.р-р 1900 т

- содержание в растворе хлористого

калия, C_KCl 20,02%

- содержание в растворе кристаллического

хлористого натрия, 10 т/1000 т Н₂О

- содержание в растворе 6 т/1000 т Н₂О

хлористого магния,

определяется аналитически 1 раз в 24 ч.

Рассчитаем степень насыщения раствора по хлористому калию, α_KCl.

α_KCl=[0,0589+0,0004825·(97-96)+0,00007143·6]×20,02-0,2475+0,006733·6+0,003275·(97-96)=0,99.

Рассчитаем содержание хлористого натрия в растворе при α_KCl<1, - 0,99

=-[103,8-0,7·(97-96)]·0,99+378,6-0,9·(97-96)=275,63 т/1000 т H₂O.

Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по NaCl при α_KCl=1:

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

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

Рассчитаем расход воды в приемный бак ВКУ:

Вычисленные значения подавали в качестве задания в систему управления расходом воды на ВКУ.

Пример 2

Показатели приборов и содержание MgCl₂ - в соответствии с примером 1.

Дополнительно:

- расход раствора с циклонной пыли G_{p-p цп.} - 94 т;

- содержание в растворе циклонной пыли хлоридного калия C_KCl - 17,2%.

Рассчитаем расход циклонной пыли:

=0,01-94-17,2=1,617 т

Рассчитаем содержание хлористого калия в осветленном растворе после подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли:

Рассчитаем степень насыщения раствора по хлористому калию из условия подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли, :

=[0,0589+0,0004825(97-96)+0,00007143·6]×20,09-0,2475+0,006733·6+0,003275(97-96)=0,998

Рассчитаем расход воды с раствором циклонной пыли:

Рассчитаем расход воды в приемный бак ВКУ (расчет К_п и K_NaCl - см. пример 1)

Вычисленные значения подавали в качестве задания в систему управления расходом воды на 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. По полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды: где - расход воды в приемный бак ваккум-кристаллизационной установки (ВКУ), т; G_осв.р-р - расход осветленного раствора, т; K_n - прирост степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического NaCl; - концентрация NaCl в осветленном растворе, т/1000 т H₂O; α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию; K_NaCl - коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl<1. Изобретение позволяет упростить процесс за счет его оперативного управления средствами автоматизации. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения 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, и по полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор по следующим зависимостям, и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды,
,
где - расход воды в приемный бак вакуум-кристаллизационной установки (ВКУ), т;
G_осв.р-р - расход осветленного раствора, т;
K_n - прирост степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического натрия;
,
где - концентрация кристаллического NaCl в осветленном растворе, т/1000 т Н₂О;
- концентрация NaCl в осветленном растворе, т/1000 т H₂O;
α_KCl - степень насыщения раствора по хлористому калию;
K_NaCl - коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α_KCl<1

где t - температура раствора, °С;
- содержание MgCl₂ в растворе, т/1000 т Н₂О;
C_KCl - содержание KCl в растворе, %,
,
где C_NaCl - содержание хлористого натрия в растворе, т/1000 т H₂O
при α_KCl<1,
C_NaCl=-[103,8-0,7(97-t)]α_KCl+378,6-0,9(97-t)
C_{NaClосв.р-р} - концентрация насыщения раствора по NaCl при α_KCl=1,
,
причем в приведенных уравнениях размерность рассчитываемых величин и размерность входящих в уравнение параметров уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед указанными параметрами и свободными членами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае подачи в раствор наряду с водой раствора циклонной пыли расход воды определяется по зависимости:
,
где - расход воды в приемный бак ВКУ, т;
- расход воды с раствором циклонной пыли, т,

где - степень насыщения раствора по хлористому калию после подачи в раствор циклонной пыли, содержащейся в растворе;
- содержание хлористого калия в растворе после подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли, %,



где G_KCl-ц.п. - расход циклонной пыли, т;
C_{KClp-рц.п.} - содержание хлористого калия в растворе циклонной пыли, %.