СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА И СЕРНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ СУЛЬФАТА АММОНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C01B17/74 C01C1/02 C01C1/246 C01B17/90 

Изобретение относится к химическим технологиям, в частности к получению серной кислоты и аммиака из сульфата аммония, и может быть использовано для расширения возможностей переработки сульфата аммония, образующегося при утилизации отходов производств.

Сульфат аммония представляет собой продукт массового производства, образующийся при утилизации отходов многих производств: производства капролактама - ТУ 113-03-625-90 марка А, коксохимического производства - ТУ 113-03-625-90 марка В, акрилатного производства - ТУ 113-03-625-90 марка Б, при утилизации (очистке) отработанных топочных газов. Сульфат аммония получают, например, поглощением аммиака из коксового газа раствором серной кислоты. Другие аммонийсодержащие продукты на этих производствах получить или технически невозможно, или экономически нецелесообразно. Например, технически невозможно использовать азотную кислоту для получения нитрата аммония из коксового газа из-за разложения этой кислоты органическими восстановителями, содержащимися в коксовом газе. По экономическим причинам не получают аммиак из коксового газа путем его абсорбции органическим растворителем с последующей десорбцией, поскольку вместе с аммиаком абсорбируется много других органических примесей, требующих впоследствии сложной очистки. Поэтому этот процесс дороже современного промышленного получения синтетического аммиака и на практике не применяется. Из коксового газа можно недорого получить некоторые химические продукты, например хлорид аммония, однако его потребление, как и других химических продуктов, крайне ограниченно. С учетом указанных причин утилизация перечисленных отходов в сульфат аммония экономически остается наиболее предпочтительной. Однако стоимость получаемого при утилизации отходов сульфата аммония в пересчете на содержание азота во много раз меньше, чем у других азотных удобрений, поскольку сульфат аммония вызывает засаливание почвы и может использоваться только в очень ограниченных количествах, остальной азот вносят в почву с другими азотными удобрениями. Поэтому технически возможное и экономически оправданное получение продуктов из сульфата аммония, имеющих большой спрос, чем исходный сульфат аммония, является актуальным.

Известен способ получения аммиака и серной кислоты из сульфата аммония (SU 45919, опубл. 29.02.1936 г.) [1]. Согласно этому способу сульфат аммония нагревают совместно с оксидом железа до 350°C и в процессе нагрева отгоняют аммиак, а из полученной сернокислой соли железа выделяют серную кислоту путем прокаливания. С точки зрения химической технологии известный способ представляет собой процесс, который идет в два этапа. На первом этапе происходит нагрев смеси сульфата аммония и оксида железа. Когда температура смеси достигает 100°C, то из смеси начинает в незначительных количествах выделяться аммиак. Это начинается процесс термического разложения сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак, который из смеси улетучивается. Температура смеси продолжает расти, и при достижении 146,9°C начинается процесс плавления уже образовавшегося гидросульфата аммония и его накопления в смеси. При достижении температуры до 230°C в гидросульфате аммония начинается процесс интенсивного растворения сульфата аммония, который приводит к энергичному разложению сульфата аммония. За счет повышенной скорости разложения сульфата аммония, расплавленного в гидросульфате аммония, притом что в кристаллическом состоянии сульфат аммония разлагается медленно, начинает энергично выделяться аммиак. При дальнейшем повышении температуры смеси доля сульфата аммония, разложенного на гидросульфат и аммиак, увеличивается. В отсутствии оксида железа при температуре 360°C процесс термического разложения сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак закончился бы, однако оксид железа при 350°C начинает реагировать с расплавленным гидросульфатом аммония, образуя сернокислую соль железа и сульфат аммония. Вновь получившийся сульфат аммония опять термически разлагается на гидросульфат аммония и аммиак, а новый гидросульфат аммония так же разлагается оксидом железа. Таким образом, на первом этапе известного способа сульфат аммония разлагают на гидросульфат аммония и аммиак, а затем проводят реакцию гидросульфата аммония и окиси железа. В конечном итоге на первом этапе термически разлагают весь сульфат аммония, выделяют весь аммиак и получают сульфат железа III. На втором этапе полученный сульфат железа прокаливают, проводя так называемую сухую перегонку сульфата железа III, и получают серную кислоту.

Впервые описание такого метода сухой перегонки сульфата железа (прокалки сульфата железа до полного его разложения) для целей производства серной кислоты встречается в летописи X века. Реакция разложения сульфата железа III на оксид железа и серный ангидрид при прокалке начинается при 500°C. Для полного разложения необходима температура в 700°C, при этом процесс идет с низким коэффициентом теплопередачи, присущим операциям прокалки. При прокалке выделяется вредный сернистый газ, имеющий низкий ПДК - 0,05 мг/м³. Выделение сернистого газа при прокалке начинается при 360°C и с ростом температуры усиливается за счет термического разложения серного ангидрида и серной кислоты. При 600°C в газовой фазе отношение SO₂/SO₃ достигает 30/70. Получение серной кислоты из сульфата аммония путем сухой перегонки сульфата железа III, помимо неэкологичености процесса, потребовало бы больших энергетических затрат, связанных с высокой температурой и длительностью процесса термического разложения сульфата железа.

Таким образом, известный способ характеризуется выделением при прокалке вредного сернистого газа, а также высокой температурой и длительностью процесса термического разложения сульфата железа, требующих больших энергетических затрат.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения аммиака и серной кислоты из сульфата аммония (WO 20008025166 A1, 06/03/2008) [2]. Согласно этому способу сульфат аммония термически разлагают на гидросульфат аммония и аммиак, полученный гидросульфат аммония разлагают на серную кислоту и сульфат аммония: путем растворения гидросульфата аммония и обработки полученного раствора гидросульфата аммония сорбентом до абсорбции серной кислоты и получения раствора сульфата, сульфат аммония возвращают на термическое разложение на гидросульфат аммония и аммиак, а сорбент регенерируют для повторного использования путем десорбции серной кислоты водой до получения раствора серной кислоты.

Недостатком способа является низкая экономичность процесса, обусловленная использованием дорогого сорбента для серной кислоты, который при каждом цикле использования частично отравляется и выходит из строя, что требует постоянной замены сорбента. Недостатком способа является также низкая экологичность процесса обусловленная тем, что образуется отработанный сорбент, накопивший примеси и представляющий экологическую опасность, а также тем, что получается серная кислота, загрязненная примесью сульфата аммония. После использования такой серной кислоты на производстве образуется дополнительное загрязнение продуктов и отходов ионом аммония. Задачей настоящего изобретения является повышение экологичности и экономичности получения аммиака и серной кислоты из сульфата аммония.

Для решения поставленной задачи способ включает термическое разложение сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак, получение серной кислоты и сульфата аммония и возвращение сульфата аммония на термическое разложение, при этом для получения серной кислоты и сульфата аммония изготавливают раствор гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, осаждают двойной сульфат, отделяют двойной сульфат, полученный раствор разбавленной серной кислоты очищают, предпочтительно осаждением примесей, отделяют примеси, очищенный раствор разбавленной серной кислоты упаривают до получения товарной серной кислоты, двойной сульфат разлагают на сульфат аммония и на вспомогательный сульфат, который возвращают для получения раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат.

В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, предпочтительно используют сульфат, образующий с сульфатом аммония соль Туттона.

В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония соль Туттона, предпочтительно используют сульфат никеля, или сульфат магния, или сульфат кобальта.

В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, предпочтительно используют сульфат, образующий с сульфатом аммония квасцы.

В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония квасцы, предпочтительно используют сульфат алюминия или сульфат хрома

Осаждение двойного сульфата осуществляют предпочтительно охлаждением до минимальной растворимости двойного сульфата (за минимальную растворимость двойных сульфатов принята минимальная растворимость в весовых процентах в воде для двойных сульфатов без образования в воде льда).

Раствор разбавленной серной кислоты очищают предпочтительно осаждением примесей посредством органического растворителя.

Раствор разбавленной серной кислоты очищают предпочтительно осаждением примесей посредством органического растворителя, в качестве которого используют этанол, или метанол, или ацетон.

Двойной сульфат разлагают на сульфат аммония предпочтительно карбонатом аммония.

Двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на сульфат аммония с получением карбоната с катионом из вспомогательного сульфата. Двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат предпочтительно карбонатом с катионом из вспомогательного сульфата.

Двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат карбонатом с катионом из вспомогательного сульфата предпочтительно путем кипячения.

Двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат с получением аммиака и углекислого газа.

Двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на сульфат аммония с получением гидроксида с катионом из вспомогательного сульфата.

Двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на вспомогательный сульфат с получением гидроксида с катионом из вспомогательного сульфата и выделением углекислого газа.

Двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на вспомогательный сульфат гидроксидом, с катионом из вспомогательного сульфата, путем прокаливания при температуре 230-360°C с выделением аммиака.

Выделяющийся углекислый газ и аммиак возвращают на производство карбоната аммония.

Согласно заявленному способу аммиак и серную кислоту получают без применения сорбента серной кислоты. Сульфат аммония термически разлагают на гидросульфат аммония и аммиак и из полученного гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, изготавливают раствор. После окончания реакции кристаллизации между этими веществами и образования кристаллогидрата двойного сульфата получается раствор разбавленной серной кислоты. В результате получают пульпу, состоящую из раствора разбавленной серной кислоты и малорастворимого осадка из двойного сульфата, который отделяют. До образования кристаллогидрата двойного сульфата в растворе находились NH₄ ⁺HSO₄ ^-Н⁺ и SO₄, диссоциация шла по первой ступени на NH₄ ⁺ и HSO₄ ^- и по второй степени на Н⁺ и SO₄ ^-, рН раствора определялся константой диссоциации (HSO₄ ^-) К_а=1,2*10^-2 и был равным 0,5, что соответствовало силе средней кислоты. Упаривание раствора на этом этапе привело бы к кристаллизации кислой соли. После связывания сульфата аммония в двойной сульфат из раствора удаляются NH₄ ⁺ и SO₄, в растворе остаются Н⁺ и HSO₄ ^-, и начинается дополнительная диссоциация HSO₄ ^-, рН раствора становится равным примерно 0. Это уже раствор разбавленной серной кислоты, при упаривании раствора на этом этапе получится уже концентрированная серная кислота. Именно концентрированная серная кислота в настоящее время является товарной серной кислотой, соответствующей ТУ или ГОСТ и находящей широкий спрос, кислотой, которую необходимо получать во все больших количествах.

Перед получением товарной серной кислоты полученный раствор разбавленной серной кислоты очищают и фильтруют. Осажденный двойной сульфат разлагают на сульфат аммония, который вновь используют для разложения на гидросульфат аммония и аммиак, и вспомогательный сульфат, который вновь используют для получения раствора с гидросульфатом аммония, создавая тем самым замкнутый цикл производства серной кислоты по сульфату аммония и вспомогательному сульфату. В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, предпочтительно использование сульфата никеля, сульфата алюминия, сульфата хрома, сульфат магния и сульфата кобальта. Осаждение двойного сульфата охлаждением до минимальной растворимости двойного сульфата предпочтительно, потому что чем меньше будет растворимость двойного сульфата, тем меньше останется в растворе неосажденного гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, которые в дальнейшем будут примесями для раствора разбавленной кислоты, тем проще и дешевле будет очистка разбавленного раствора серной кислоты. Отделение осадка двойного сульфата из пульпы предпочтительно перед очисткой разбавленного раствора серной кислоты потому, что при проведении операции очистки раствора разбавленной серной кислоты осадок двойного сульфата будет загрязнен и его очистка приведет к дополнительным расходам. Очищение раствора разбавленной серной кислоты осаждением примесей посредством органического растворителя предпочтительно, потому что добавление органического растворителя, в котором совершенно не растворяется ни гидросульфат аммония, ни сульфат аммония, ни вспомогательный сульфат, сразу в одну операцию, за счет эффекта высаливания, очищает разбавленный раствор серной кислоты от всех примесей. Но очистка разбавленного раствора возможна и другими способами. Например, добавить в раствор сульфида кальция, который будет осаждать металлы примесей, и в тоже время сульфат ион будет осаждать ион кальция из раствора в виде гипса. В качестве органического растворителя возможно использование этанола, метанола, ацетона, других растворителей, растворяющихся в воде или смешивающихся с водой, в которых растворимость гидросульфата аммония, сульфата аммония и вспомогательного сульфата ничтожны.

Известно, что растворимы только карбонаты одновалентных катионов, при этом все сульфаты с этим же одновалентным катионом тоже растворимы. Также известно, что карбонаты и основные карбонаты всех двухвалентных катионов нерастворимы. Значит при обработке раствора двойного сульфата - соли Туттона, всегда имеющей двухвалентный катион, - растворимым карбонатом, а конкретно карбонатом аммония, всегда карбонат ион будет взаимодействовать только с двухвалентным катионом, образуя при этом или нерастворимый карбонат, или нерастворимый основной карбонат.

То есть в растворе после обработки соли Туттона карбонатом аммония будет оставаться катион аммония и сульфат ион, то есть получаться чистый раствор сульфата аммония.

Точно так же можно обработать раствор соли Туттона гидрокарбонатом аммония. Но это не дает каких-либо значимых преимуществ и в тоже время повышает растворимость некоторых карбонатов, например карбоната магния. Поэтому использование карбоната аммония предпочтительно.

Поскольку полученный осадок карбоната с катионом из двойного сульфата - соли Туттона, может быть использован для обработки двойного сульфата с целью получения вспомогательного сульфата, то обработка двойного сульфата - соли Туттона - карбонатом аммония так же предпочтительна с точки зрения минимального количества операций для разложения двойного сульфата.

Справедливо также и обратное утверждение, что поскольку при разложении двойного сульфата - соли Туттона - с помощью карбоната с катионом из вспомогательного сульфата образуется не только вспомогательный сульфат, но и аммиак и углекислый газ, необходимые для получения карбоната аммония, которым обрабатывают двойной сульфат, то такое разложение двойного сульфата так же предпочтительно с точки зрения минимального количества операций.

Разлагать двойной сульфат - соль Туттона - на вспомогательный сульфат с помощью карбоната с катионом из вспомогательного предпочтительно путем кипячения, поскольку при сравнении результатов проведенных опытов определено, что прокаливание соли Туттона с карбонатом с катионом из вспомогательного сульфата процесс более длительный и энергоемкий.

Известно, что растворимы только карбонаты одновалентных катионов, при этом все сульфаты с этим же одновалентным катионом тоже растворимы. Также известно, что карбонаты и основные карбонаты всех трехвалентных катионов нерастворимы или не существуют. Значит при обработке раствора двойного сульфата - квасцов, всегда имеющих трехвалентный катион, растворимым карбонатом, а конкретно карбонатом аммония, всегда карбонат ион будет взаимодействовать только с трехвалентным катионом, образуя при этом или нерастворимый карбонат, или гидроксид с трехвалентным катионом с выделением углекислого газа.

То есть в растворе после обработки квасцов карбонатом аммония будет оставаться катион аммония и сульфат ион, то есть получаться чистый раствор сульфата аммония.

Точно так же можно обработать раствор квасцов гидрокарбонатом аммония. Но это не дает каких-либо значимых преимуществ, и в тоже время используется большее количество углекислого газа для получения гидрокарбоната аммония. Поэтому использование карбоната аммония предпочтительно.

Поскольку полученный осадок гидроксида с катионом из двойного сульфата может быть использован для обработки двойного сульфата - квасцов, с целью получения вспомогательного сульфата, то обработка двойного сульфата - квасцов - карбонатом аммония так же предпочтительна с точки зрения минимального количества операций для разложения двойного сульфата.

Справедливо также и обратное утверждение, что поскольку при разложении двойного сульфата - квасцов - с помощью гидроксида с катионом из вспомогательного сульфата образуется не только вспомогательный сульфат, но и аммиак, необходимый для получения карбоната аммония, которым обрабатывают двойной сульфат, то такое разложение двойного сульфата так же предпочтительно с точки зрения минимального количества операций.

Разлагать двойной сульфат - квасцы - на вспомогательный сульфат с помощью гидроксида с катионом из вспомогательного сульфата необходимо путем прокаливания при температуре 230-360°C, поскольку при температуре меньше 230°C реакция не идет, а при температуре выше 360°C начинает выделяться экологически опасный сернистый газ.

Таким образом, заявленный способ производства серной кислоты из сульфата аммония, включает разложение сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак, включает разложение гидросульфата аммония на серную кислоту и сульфата аммония без использования дорогого сорбента, при этом получается чистая серная кислота, что позволяет использовать ее в дальнейшем без экологических рисков.

Новый технический результат, достигаемый заявляемым способом, заключается в получении чистой серной кислоты - без примеси сульфата аммония, а также в исключении из процесса переработки использования сорбента.

В промышленных условиях термическое разложение сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак экономически оправданно производить в соляной печи-ванне СВС 20/10 стандартной комплектации. На пульте управления печи задают температуру расплава 360°C, гидросульфат аммония расплавляют и выдерживают 5 минут, чтобы выровнялись уровни расплава в тиглях. Через отверстие в крышке печи равномерно с производительностью 10 кг/час подают сульфат аммония в тигель с расплавленным гидросульфатом аммония. При снижении температуры расплава до 350°C подачу сульфата аммония снижают до 7,5 кг/час, при повышении температуры до 360°C подачу сульфата аммония восстанавливают до 10 кг/час. Таким образом, сульфат аммония непрерывно подают в расплав гидросульфата аммония с температурой не меньше 230°C и не больше 360°C, где сульфат аммония плавится и термически разлагается, при этом за счет работы системы аспирации происходит непрерывное удаление аммиака из пространства печи. Этот производительный способ показывает высокую степень термического разложения сульфата аммония при хорошем качестве полученного продукта и сниженном энергопотреблении.

Экспериментальную проверку заявляемого способа осуществляли следующим образом.

Пример 1. 15 кг сульфата аммония термически разлагали на гидросульфат аммония и аммиак. Для этого сульфат аммония общим весом 15 кг загружали на три противня размером 400*1100 с расстоянием между противнями по высоте 120 мм, в камерную электропечь СНО 4.11.3/12 мощностью 25 кВт. Нагревали до 360°C в течение 22 минут и выдерживали при температуре 360°C в течение 145 минут до получения гидросульфата аммония по реакции . Получили 13,05 кг гидросульфата аммония, через вытяжку собрали выделившийся аммиак, который будет основным продуктом помимо серной кислоты. В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, использовали сульфат никеля NiSO₄.

В термостойкий стакан налили 150 грамм воды, нагретой до состояния кипятка, и растворили в ней 230 грамм полученного гидросульфата аммония. В термостойкий стакан налили 300 грамм горячей воды, растворили в ней 281 грамм сульфата никеля 7-водного марки Ч. Полученные растворы смешали и получили раствор с рН ~ 1, не соответствующий серной кислоте. Этот раствор охладили на водяной бане до 0°C, предохраняя раствор от испарения воды, положив на термостойкий стакан стекло. Как результат реакции сульфата аммония с сульфатом никеля кристаллизуется соль Туттона,

в растворе образовалась суспензия с рН раствора, приближающимся к ~ 0, что соответствует раствору серной кислоты. Образовавшуюся суспензию отфильтровали, получили фильтрат и кек. Проведенный анализ показал наличие в фильтрате 29,3% раствора серной кислоты с примесью двойного сульфата никель-аммоний не более 1,0%. Этот раствор разбавленной серной кислоты может быть экономично переработан в концентрированную серную кислоту, а отделенный осадок двойного сульфата никель-аммоний подлежит их последующему разделению.

Полученный раствор разбавленной серной кислоты очищали следующим образом. 50 мл 29,3% раствора серной кислоты с примесью сульфата никеля и гидросульфата аммония суммой более 1,0% смешивали с 100 мл 96% этанола и охлаждали на водяной бане до 0°C. Растворимость сульфата аммония, гидросульфата аммония, сульфата никеля и двойного сульфата никеля-аммония в крепких водных растворах этанола ничтожна, в результате получена суспензия солей и чистого раствора серной кислоты и этанола. Полученную суспензию фильтровали, получали кек «из раствора кислоты» и фильтрат. Кек «из раствора кислоты» при умеренном нагреве высушивали под вакуумом, тем самым разделяя примеси и этанол. Пары от высушивания, содержащие этанол, должны быть возвращены на обработку раствора серной кислоты этанолом, тем самым создавая замкнутый цикл производства по этанолу. Анализ кека «из раствора кислоты» после высушивания показал, что это сульфатная никель-аммониевая смесь, содержащая двойной сульфат никеля-аммония, сульфат никеля и гидросульфат аммония. Эту сульфатную смесь можно возвращать на получение раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата - сульфата никеля, тем самым создавая замкнутый цикл производства по сульфату никеля. Полученный фильтрат упарили под вакуумом, медленно нагревая до температуры не более 110°C. Проведенный анализ упаренного фильтрата показывает в фильтрате не менее 98% серной кислоты и следы сульфата никеля и сульфата аммония. Полученная серная кислота по качеству соответствует выпускаемой промышленностью серной кислоте.

Для разделения двойного сульфата никель-аммоний из полученного двойного сульфата никель-аммоний отобрали партию массой 39,5 грамма, растворили в колбе в 150 граммах горячей воды. Налили в термостойкий стакан 20 грамм горячей воды и растворили в ней 29,1 грамм нитрата никеля 6-водного. Полученные растворы смешали, поставили на мешалку с подогревом и медленно прилили ацетон, при этом уменьшали нагрев, ориентируясь на интенсивность кипения. При температуре кипения в 56,3°C и объеме раствора примерно в 150 мл колбу с суспензией сняли с мешалки. Полученную суспензию отфильтровали и получили фильтрат и кек. Проведенный анализ промытого и высушенного кека показал, что это чистый сульфат никеля,

50% которого необходимо вернуть на производство разбавленной серной кислоты, а 50% - на получение нитрата никеля. Тем самым создается замкнутый цикл производства по вспомогательному сульфату - сульфату никеля. Фильтрат выпарили и получили осадок, анализ промытого и высушенного осадка показывает, что это чистый нитрат аммония. Нитрат аммония необходимо перевести в нитрат никеля .

Для этого полученный нитрат аммония растворили в колбе в 20 граммах воды. Взяли 11 грамм мелкодисперсного мела и перемешали в стакане со 100 граммами воды, получили суспензию мела. Смешали два раствора в колбе и ставили на мешалку с подогревом. Кипятили раствор, собирая выделяющиеся из раствора аммиак и углекислый газ, постоянно доливая воду до растворения примерно 90% исходного мела, до тех пор пока не исчез запах аммиака из раствора. Оставшуюся суспензию отфильтровали, получили кек - остатки мелкодисперсного мела и фильтрат, анализ которого показывает, что это чистый раствор нитрата кальция:

Половину ранее полученного сульфата никеля растворили в стакане в 50 граммах воды. Раствор нитрата кальция и раствор сульфата никеля смешали в колбе, получили суспензию. Отфильтровали суспензию, получили кек, это сульфат кальция, и раствор нитрата никеля, который нужно вернуть на разделение вещества, состоящего из сульфата аммония и вещества, вспомогательного сульфата - сульфата никеля. Тем самым создается замкнутый цикл производства по вспомогательному сульфату - сульфату никеля.

Полученный кек - сульфат кальция - необходимо по известной методике карбонизировать собранным при получении нитрат никеля углекислым газом и аммиаком. При этом получится мел и сульфат аммония, которые нужно вернуть на производство, мел возвратить на кипячение с нитратом аммония, а сульфат аммония - на термическое разложение. Таким образом, разделили двойной сульфат никеля-аммония на сульфат аммония и вспомогательный сульфат - сульфат никеля, и вернули их на производство серной кислоты.

Двойной сульфат никеля-аммония также можно разложить другим способом. Нужно обработать раствор двойного сульфата никеля-аммония раствором карбоната аммония и получить суспензию раствора сульфата аммония и осадка карбоната магния.

Данная реакция идет до конца, поскольку образуется нерастворимое вещество - карбонат никеля.

После отделения осадка карбоната никеля, из раствора необходимо кристаллизовать 50% сульфата аммония и направить его на получение гидросульфата аммония и аммиака.

Карбонат никеля по известной технологии нужно покипятить с оставшимися 50% сульфата аммония

и получить раствор сульфата никеля и смесь углекислого газа с аммиаком. А охлаждая и растворяя смесь углекислого газа с аммиаком, получить раствор карбоната аммония для разложения двойного сульфата магния-аммония, тем самым замыкая производство по вспомогательному сульфату.

При сравнении двух способов разложения двойного сульфата никеля-аммония, очевидно, что способ разложения двойного сульфата, в котором производится непосредственное разложение двойного сульфата на сульфат аммония

и непосредственное разложение двойного сульфата на вспомогательный сульфат

предпочтителен по своей простоте, минимальному количеству операций и энергетическим затратам.

Пример 2. Сульфат аммония термически разлагали на гидросульфат аммония и аммиак аналогично примеру 1. В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, использовали сульфат алюминия. В термостойкий стакан налили 100 грамм воды, нагретой до состояния кипятка, и растворили в ней 230 грамм полученного гидросульфата аммония. В термостойкий стакан налили 200 грамм горячей воды, растворили в ней 666 грамм сульфата алюминия 18-водного марки Ч. Полученные растворы смешали, получив раствор с рН ~ 2, не соответствующий серной кислоте. Этот раствор охладили на водяной бане до 0°C, предохраняя раствор от испарения воды, положив на термостойкий стакан стекло. Как результат реакции сульфата аммония с сульфатом алюминия кристаллизуются квасцы, и в растворе образовалась суспензия с рН раствора, приближающимся к ~ 0, что соответствует раствору серной кислоты. В растворе образовалась суспензия, как результат реакции 2 . Образовавшуюся суспензию отфильтровали, получили фильтрат и кек. Анализ промытого и высушенного кека показывает, что это чистые алюмоаммонийные квасцы . Проведенный анализ фильтрата показывает в фильтрате - 33,5% раствор серной кислоты с примесью алюмоаммонийных квасцов не более 2,5%. Этот раствор разбавленной серной кислоты может быть экономично переработан в концентрированную серную кислоту, а отделенный осадок алюмоаммонийных квасцов подлежит последующему разделению.

Полученный раствор разбавленной серной кислоты очищали следующим образом. 50 мл 33,5% раствора серной кислоты с примесью алюмоаммонийных квасцов не более 2,5% смешивали с 100 мл 96% этанола и охлаждали на водяной бане до 0°C. Полученную суспензию фильтровали, получали кек «из раствора кислоты» и фильтрат. Кек «из раствора кислоты» при умеренном нагреве высушивали под вакуумом, тем самым разделяя примеси и этанол. Пары от высушивания, содержащие этанол, должны быть возвращены на обработку раствора серной кислоты этанолом, тем самым создавая замкнутый цикл производства по этанолу. Анализ кека «из раствора кислоты» после высушивания показал, что это сульфатная алюминий-аммониевая смесь, содержащая двойной алюминия-аммония сульфат, сульфат алюминия и гидросульфат аммония. Эту сульфатную смесь можно возвращать на получение раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата - сульфата алюминия, тем самым создавая замкнутый цикл производства вспомогательного сульфата - сульфата алюминия. Полученный фильтрат упарили под вакуумом, медленно нагревая до температуры не более 110°C. Проведенный анализ упаренного фильтрата показывает в фильтрате не менее 98% серной кислоты и следы сульфата алюминия и сульфата аммония. Полученная серная кислота по качеству соответствует выпускаемой промышленностью серной кислоте.

Для разделения двойного сульфата алюминий-аммоний взяли содержащий его кек, промыли, высушили и отобрали партию массой 45,3 грамма и растворили в 25 граммах горячей воды. Взяли 3,8 грамма фторида аммония и растворили в 10 граммах воды. Полученные растворы смешали и охладили на водяной бане до -8°C, получили раствор, содержащий осадок фторида алюминия 3-водного, из которого, нагревая с серной кислотой, можно получить сульфат алюминия, который можно вернуть на получение раствора с гидросульфатом аммония, а также получить и фтористый водород, который можно вернуть на получение из аммиака и фтористого водорода фторида аммония. Полученный раствор отфильтровали, получили кек фторида алюминия и фильтрат, содержащий сульфат аммония. Проведенный анализ фильтрата показал ничтожные количества сульфата алюминия и фторида алюминия в растворе, суммарное количество которых в пересчете к сульфату аммония составило менее 0,05%. Такое содержание примесей в сульфате аммония не помешает в дальнейшем термическому разложению сульфата аммония, но если по этой причине очистка от сульфата алюминия больше не нужна, то очистка от фтор иона необходима, поскольку, не смотря на малое количество фтор иона, он будет возгоняться при термическом разложении сульфата аммония и может попасть в атмосферу. После очистки фильтрата от фтор иона такого выброса уже не произойдет. Например, можно добавить к фильтрату расчетное количество раствора сульфата кальция и практически полностью осадить фторид кальция, получая чистый раствор сульфата аммония. При этом полученный фторид кальция по известной методике можно разложить на сульфат кальция (для возвращения на осаждение фтор иона) и фтористый водород, из которого с помощью полученного аммиака можно получить фтористый аммоний для осаждения фторида алюминия 3-водного. Из полученного чистого раствора сульфата аммония, необходимо кристаллизовать сульфат аммония, который будет отправлен на термическое разложение.

Для проверки второго способа разделения двойного сульфата алюминий-аммоний взяли содержащий его кек, промыли, высушили и отобрали партию массой 22,65 грамма и растворили в 12 граммах горячей воды. Взяли 8 грамм карбоната аммония и растворили в 15 граммах воды. Полученные растворы смешали и получили после выделения углекислого газа суспензию гидроксида алюминия (гидроксид с катионом из вспомогательного сульфата) в растворе сульфата аммония.

Выделившийся углекислый газ необходимо вернуть на производство. Раствор профильтровали, фильтрат прокипятили для очистки от остатков карбоната аммония. Проведенный анализ раствора показал, что это чистый сульфат аммония, который можно вернуть на производство. Осадок гидроксида алюминия промыли, просушили и перемешали в ступке с 22,65 грамм ранее приготовленного двойного сульфата алюминия-аммония. Полученную смесь положили в тигель и нагрели до 360°C. В процессе нагрева при температуре 230°C обнаружили появление запаха аммиака, и подтвердили появление аммиака, в атмосфере печи увидев покраснение влажной лакмусовой бумажки. Это говорит о том, что для проведения реакции гидроксида алюминия необходима температура не менее 230°C. При температуре 360°C прокалили смесь в печи в течение 2 часов. Температуру смеси в 360°C при прокалке нельзя превышать, чтобы не происходило разложение сульфата аммония с выделением сернистого газа.

По результатам анализа получен сульфат алюминия, который вновь можно использовать для осаждения двойного сульфата.

При сравнении двух способов разложения двойного сульфата алюминия-аммония очевидно, что способ разложения двойного сульфата, в котором производится непосредственное разложение двойного сульфата на сульфат аммония

и непосредственное разложение двойного сульфата на вспомогательный сульфат

предпочтителен по своей простоте, минимальному количеству операций и энергетическим затратам.

Пример 3. Сульфат аммония термически разлагали на гидросульфат аммония и аммиак аналогично примеру 1. В качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, использовали сульфат хрома Cr₂(SO₄)₃. В термостойкий стакан налили 100 грамм воды, нагретой до состояния кипятка, и растворили в ней 230 грамм полученного гидросульфата аммония. В термостойкий стакан налили 450 грамм горячей воды и растворили в ней 450 грамм сульфата хрома III 6 водного. Полученные растворы смешали, получая раствор с рН ~ 1,5, не соответствующий серной кислоте. Этот раствор охладили на водяной бане до 0°C, предохраняя раствор от испарения воды, положив на термостойкий стакан стекло. Как результат реакции сульфата аммония с сульфатом хрома в растворе кристаллизуются квасцы и образовалась суспензия с рН раствора, приближающимся к~0, что соответствует раствору серной кислоты. Образовавшуюся суспензию отфильтровали, получили кек двойного сульфата хрома-аммония и фильтрат. Проведенный анализ фильтрата показывает в фильтрате 31,5% раствор серной кислоты с примесью хромоаммонийных квасцов не более 3,5%, с такими параметрами раствор разбавленной серной кислоты может быть экономично переработан в концентрированную серную кислоту. Таким образом, отделили двойной сульфат для последующего его разделения. Очистку раствора разбавленной серной кислоты и получение концентрированной серной кислоты осуществляли аналогично примеру 1. Для разделения двойного сульфата хрома-аммония можно поступить аналогично примеру 2.

Пример 4. Серную кислоту получали аналогично примерам 1-3, в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, использовали сульфат кобальта. Получающийся при этом двойной сульфат - соль Туттона. При этом проведенный анализ фильтрата показал в растворе разбавленной серной кислоты примесь двойного сульфата кобальта-аммония не более 4,0%.

Для разложения двойного сульфата кобальта-аммония нужно обработать раствор двойного сульфата никеля-аммония раствором карбоната аммония и получить суспензию раствора сульфата аммония и осадка карбоната магния.

Данная реакция идет до конца, поскольку образуется нерастворимое вещество - карбонат кобальта.

После отделения осадка карбоната кобальта из раствора необходимо кристаллизовать 50% сульфата аммония и направить его на получение гидросульфата аммония и аммиака.

Карбонат никеля, по известной технологии, нужно покипятить с оставшимися 50% сульфата аммония.

и получить раствор сульфата никеля и смесь углекислого газа с аммиаком. А охлаждая и растворяя смесь углекислого газа с аммиаком, получить раствор карбоната аммония для разложения двойного сульфата магния-аммония, тем самым замыкая производство по вспомогательному сульфату.

Пример 5. Серную кислоту получали аналогично примерам 1-3, в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, использовали сульфат магния и получали соль Туттона, с той разницей, что проведенный анализ фильтрата показал в растворе разбавленной серной кислоты примесь двойного сульфата магния-аммония не более 4,5%.

Для разделения двойного сульфата магния-аммония раствор двойного сульфата магния-аммония нужно обработать раствором карбоната аммония и получить суспензию раствора сульфата аммония и осадка карбоната магния.

Данная реакция идет до конца, поскольку образуется нерастворимое вещество - карбонат магния. После отделения осадка карбоната магния из раствора необходимо кристаллизовать 50% сульфата аммония и направить его на получение гидросульфата аммония и аммиака.

Карбонат магния, по известной технологии, нужно покипятить с оставшимися 50% сульфата аммония

и получить раствор сульфата магния и смесь углекислого газа с аммиаком. А охлаждая и растворяя смесь углекислого газа с аммиаком, нужно получить раствор карбоната аммония для разложения двойного сульфата магния-аммония. Очистку раствора разбавленной серной кислоты и получение концентрированной серной кислоты осуществляли аналогично примеру 1.

Таким образом, заявленный способ позволяет экономично и экологично получать аммиак и серную кислоту из сульфата аммония, как продукта массового производства, образующегося при утилизации отходов многих производств.

Изобретение относится к химическим технологиям, в частности к получению серной кислоты и аммиака из сульфата аммония, и может быть использовано для расширения возможностей переработки сульфата аммония, образующегося при утилизации отходов производств. Способ получения аммиака и серной кислоты из сульфата аммония включает термическое разложение сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак, изготовление раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, осаждение двойного сульфата, отделение двойного сульфата, полученный раствор разбавленной серной кислоты очищают, предпочтительно осаждением примесей, отделяют примеси, очищенный раствор разбавленной серной кислоты упаривают до получения товарной серной кислоты, двойной сульфат разлагают на сульфат аммония, который возвращают на термическое разложение, и на вспомогательный сульфат, который возвращают для получения раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат. Изобретение позволяет расширить возможности утилизации сульфата аммония, упростить производство аммиака и серной кислоты из сульфата аммония, исключить образование при производстве серной кислоты экологически опасного сернистого газа. 17 з.п. ф-лы, 5 пр.

1. Способ получения аммиака и серной кислоты из сульфата аммония, включающий термическое разложение сульфата аммония на гидросульфат аммония и аммиак, получение серной кислоты и сульфата аммония и возвращение сульфата аммония на термическое разложение, отличающийся тем, что для получения серной кислоты и сульфата аммония изготавливают раствор гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, осаждают двойной сульфат, отделяют двойной сульфат, полученный раствор разбавленной серной кислоты очищают, предпочтительно осаждением примесей, отделяют примеси, очищенный раствор разбавленной серной кислоты упаривают до получения товарной серной кислоты, двойной сульфат разлагают на сульфат аммония и на вспомогательный сульфат, который возвращают для получения раствора гидросульфата аммония и вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, предпочтительно используют сульфат, образующий с сульфатом аммония соль Туттона.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония соль Туттона, предпочтительно используют сульфат никеля, или сульфат магния, или сульфат кобальта.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония двойной сульфат, предпочтительно используют сульфат, образующий с сульфатом аммония квасцы.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного сульфата, образующего с сульфатом аммония квасцы, предпочтительно используют сульфат алюминия или сульфат хрома.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение двойного сульфата осуществляют предпочтительно охлаждением.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение двойного сульфата осуществляют предпочтительно охлаждением до минимальной растворимости двойного сульфата.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор разбавленной серной кислоты очищают предпочтительно осаждением примесей посредством органического растворителя.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор разбавленной серной кислоты очищают предпочтительно осаждением примесей посредством органического растворителя, в качестве которого используют этанол, или метанол, или ацетон.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат разлагают на сульфат аммония предпочтительно карбонатом аммония.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на сульфат аммония с получением карбоната с катионом из вспомогательного сульфата.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат предпочтительно карбонатом с катионом из вспомогательного сульфата.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат карбонатом с катионом из вспомогательного сульфата предпочтительно путем кипячения.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся солью Туттона, разлагают на вспомогательный сульфат с получением аммиака и углекислого газа.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на сульфат аммония с получением гидроксида с катионом из вспомогательного сульфата и выделением углекислого газа.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на вспомогательный сульфат гидроксидом, с катионом из вспомогательного сульфата.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двойной сульфат, являющийся квасцами, разлагают на вспомогательный сульфат гидроксидом, с катионом из вспомогательного сульфата, путем прокаливания при температуре 230-360°C, с выделением аммиака.

18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что выделяющийся углекислый газ и аммиак возвращают на производство карбоната аммония.