Спосіб одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату

Реферат: Спосіб одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату належить до виробництва мінеральних солей. UA 75618 U (54) СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ КАЛІЮ НІТРАТУ І МАГНІЮ ХЛОРИДУ З КАЛІЮ ХЛОРИДУ І МАГНІЮ НІТРАТУ UA 75618 U UA 75618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до виробництва мінеральних солей, зокрема калію нітрату і магнію хлориду. Калію нітрат використовують для одержання димного (чорного) пороху, в піротехніці, харчовій промисловості, виробництві скла, як високоефективне добриво. Перевагами калію нітрату як добрива порівняно з іншими добривами є те, що він містить два необхідних рослинам елементи - калій і нітроген, не містить баластних речовин і має низьку гігроскопічність. Магнію хлорид використовують у виробництві металічного магнію та магнію оксиду, магнезіального цементу, як холодоагент та антифриз, засіб проти обмерзання льотних полів аеродромів і залізничних рейок, змерзання вугілля і руд, для просочування деревини і надання їй вогнетривкості. Відомий промисловий спосіб одержання калію нітрату, який полягає у взаємодії розчину натрію нітрату з твердим калію хлоридом за реакцією: NaNO3+КСlKNO3+NaCl. (1) Початковий розчин натрію нітрату одержують нейтралізацією нітратної кислоти кальцинованою содою, який містить (мас. %): NaNO3 - 30-45; (NaHCO3+Na2CO3) - 0,05-2,0; NaCl - 0,1-0,15 і NaNO2 - 0,02-0,1. Для видалення домішок натрію нітриту і натрію карбонату в розчин додають амонію нітрат, при цьому відбуваються реакції: NaNO2+NH4NO3NH4NO2+NaNO3, (2) Na2CO3+2NH4NO3(NH4)2CO3+2NaNO3. (3) Утворені амонію нітрит і амонію карбонат є термічно нестійкими і швидко розкладаються при підвищеній температурі: NH4NO2→N2+2Н2О, (4) (NH4)2CO3→2NH3+СО2+Н2О. (5) Реакцію (1) здійснюють при температурі 100-130 °C, при якій розчинність калію нітрату висока, тому він залишається в розчині, а близько 70 % утвореного натрію хлориду випадає в осад. Після відділення осаду розчин охолоджують до 25-30 °C для кристалізації калію нітрату. Одержаний продукт містить 94-96 % KNO3 і близько 6 % NaCl [Пат. 4378342 США, МПК С01С9/04. Process for the manufacturing of potassium nitrate / Alexander Amiad, Bar-Guri Moshe, Kreisel Moshe, Manor Shalom; 29.03.1983]. Але технологічна схема способу складна, одержаний продукт має низьку чистоту, а супутній продукт (натрію хлорид) забруднений калію хлоридом, чим зумовлюється його обмежене використання. Окрім того, необхідно утилізувати побічний газоподібний продукт - аміак. Спосіб характеризується високими витратними коефіцієнтами за енергією (на 1 т KNO3 витрачають 3 . 20 м води, 11 т водяної пари і 50 кВт год. електроенергії). Відомий спосіб одержання калію нітрату [Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. Л.: Химия, 1989. - С. 300-301] полягає у взаємодії розчину амонію нітрату з калію хлоридом за реакцією: NH4NO3+КСlKNO3+NH4CI, (6) яку здійснюють при надлишку калію хлориду і температурі 100 °C Після закінчення реакції розчин охолоджують для кристалізації калію нітрату, який відфільтровують від маточного розчину, що містить (мас. %): NH4CI - 64, КСl - 24, KNO3 - 10, NH4NO3 - 1-2. Цей розчин випарюють і охолоджують до мінус 15 °C, унаслідок чого кристалізується калію нітрат, забруднений домішками калію хлориду та амонію хлориду. Маточний розчин продовжують випарювати з кристалізацією амонію хлориду. Проте цей спосіб характеризується високими енергетичними витратами через необхідність здійснення взаємодії між початковими реагентами при підвищеній температурі, виділення калію нітрату при низьких температурах та випарювання маточних розчинів амонію хлориду. Супутній продукт - амонію хлорид, має обмежене використання. Відомий спосіб одержання калію нітрату [Пат. 2206506 RU, МПК C01D009/12, С05С005/02. Способ получения хлорида кальция и нитрата калия из хлорида калия и нитрата кальция / М.К. Рустамбеков, А.Л. Таран, В.П. Данилов и др.; 29.07.2003] ґрунтується на взаємодії розчину кальцію нітрату з калію хлоридом за реакцією: Ca(NO3)2+2КСl2KNO3+СаСl2. (7) Мольне співвідношення між реагентами становить Ca(NO3)2:KCl=1:1,2. Утворений продукт виділяють із розчину охолодженням. Вихід калію нітрату не перевищує 76 %. Маточний розчин після відділення осаду випарюють і охолоджують з виділенням у тверду фазу подвійної солі . . KNO3 СаСl2 2Н2О, яку після відділення від розчину повертають на початок процесу. Проте вихід одержаного продукту низький, а енергетичні витрати на здійснення процесу високі. Найближчим за технічною суттю і досягнутим результатом є спосіб одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату [Патент 2393117 RU, МПК C01D9/12, 1 UA 75618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 C01F5/30. Способ получения нитрата калия и хлорида магния из хлорида калия и нитрата магния / О.С. Кудряшова, К.Р. Матвеева, А.И. Иваницкий, А.Ю. Поляков; 27.06.2010], який включає взаємодію розчину магнію нітрату з калію хлориду, кристалізацію утвореного калію нітрату, відділення його від маточного розчину фільтрацією з наступним випарюванням маточного розчину до утворення осаду кристалогідрату магнію хлориду, його відділення та повернення залишкового розчину для приготування початкового розчину магнію нітрату. При цьому початкову суміш реагентів нагрівають до повного розчинення твердого калію хлориду, масове співвідношення між калію хлоридом і магнію нітратом становить (41,5-47,0):(53,0-58,5). Прореаговану суміш охолоджують до кімнатної температури для кристалізації утвореного калію нітрату. Випарювання маточного розчину здійснюють при температурі понад 181,5 °C, внаслідок чого магнію хлорид кристалізується у формі дигідрату. Але цей спосіб характеризується високими енергетичними витратами через необхідність нагрівання суміші калію хлориду з розчином магнію нітрату до 110 °C, наступного охолодження прореагованої суміші до кімнатної температури для кристалізації калію нітрату і випарювання маточного розчину при температурі понад 181,5 °C. Вихід калію нітрату не перевищує 75,787,0 %. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату, в якому здійснення стадій процесу в нових умовах забезпечило б взаємодію між початковими реагентами і кристалізацію калію нітрату при кімнатній температурі, а випарювання маточного розчину при значно нижчій температурі, тобто знизило б енергетичні витрати, а також дало б змогу підвищити вихід калію нітрату. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату, який включає взаємодію розчину магнію нітрату з калію хлоридом, кристалізацію утвореного калію нітрату, відділення його від маточного розчину фільтрацією з наступним випарюванням маточного розчину до утворення осаду кристалогідрату магнію хлориду, його відділення та повернення залишкового розчину для приготування початкового розчину магнію нітрату, згідно з корисною моделлю, магнію нітрат використовують у вигляді 20-30 %-го водного розчину, взаємодію здійснюють при мольного співвідношення калію хлориду і магнію нітрату 1:1 і кімнатній температурі, кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 86-88 %-го водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші в масовому відношенні (2,0-2,5):1, після фільтрації калію нітрату з маточного розчину відганяють суміш ізопропілового спирту з водою, а подальше випарювання розчину здійснюють під вакуумом з кристалізацією суміші калію нітрату з калію хлоридом, після фільтрації якої розчин охолоджують до кімнатної температури з одержанням магнію хлориду гексагідрату. Це забезпечує значно нижчі енергетичні витрати на здійснення процесу, оскільки в ньому відсутнє підігрівання реагентів перед їх взаємодією і наступне охолодження прореагованої суміші для кристалізації калію нітрату, а температура випарювання розчину для одержання магнію хлориду гексагідрату істотно нижча (105 °C), ніж дигідрату (понад 181,5 °C). Питома теплота пароутворення ізопропілового спирту становить лише 673,6 кДж/кг (тоді як води 2256 кДж/кг), що забезпечує невисоку витрату енергії для його відгонки. Використання ізопропілового спирту для кристалізації калію нітрату висолюванням забезпечує підвищення виходу продукту, який становить 81,0-90,5 %, що зумовлюється значно нижчою розчинністю цієї солі в органічному середовищі, ніж у водному. Приклад 1. До 100 кг 20 % водного розчину магнію нітрату додають твердий калію хлорид у мольному співвідношенні 1:1 за кімнатної температури, кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 86 % водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші в масовому відношенні 2,5:1, відфільтровують 23,49 кг одержаного калію нітрату складу (мас. %): KNO3 96,62; КСl- 1,30; волога - 2,08, вихід якого становить 83,10 %. З відфільтрованого маточного + 2+ розчину складу (мас. %): К - 0,41; Mg - 0,82; СІ 2,38; NO3 - 0,71; С3Н7ОН - 64,98; Н2О - 30,70, відганяють суміш ізопропілового спирту з водою, а розчин далі випарюють під вакуумом до кристалізації 3,65 кг суміші калію нітрату з калію хлоридом складу (мас. %): KNO3 - 47,62; КСl 47,30; Н2О - 5,08, яку використовують як добриво. Після фільтрації добрива розчин охолоджують до кімнатної температури з одержанням 25,12 кг магнію хлориду гексагідрату . складу (мас. %): MgCl2 6H2O - 97,44; КСl - 0,32; Н2О - 2,24, вихід якого за магнію хлоридом становить 89,20 %. Одержаний магнію хлорид гексагідрат відфільтровують від 12,99 кг + залишкового розчину складу (мас. %): Mg - 2,78; NO3 - 13,36; Н2О - 83,86, який повертають в процес для приготування початкового розчину магнію нітрату. Приклад 2. 2 UA 75618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 88 % водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші, одержаної як описано в прикладі 1, в масовому відношенні 2,5:1, відфільтровують 25,24 кг одержаного калію нітрату складу (мас. %): KNO3 - 97,21; КСl 1,72; волога - 1,05, вихід якого становить 90,50 %. Приклад 3. Кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 86 % водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої маси, одержаної як описано в прикладі 1, в масовому відношенні 2:1, відфільтровують 24,15 кг одержаного калію нітрату складу (мас. %): KNO3 - 91,63; КСl - 1,34; волога - 7,03, вихід якого становить 81,06 %. З відфільтрованого маточного розчину відганяють суміш ізопропілового спирту з водою, як у прикладі 1, а розчин далі випарюють під вакуумом до кристалізації 4,14 кг суміші калію нітрату з калію хлоридом складу (мас. %): KNO3 - 57,22; КСl 40,10; Н2О - 2,68, яку використовують як добриво. Після фільтрації добрива розчин охолоджують до кімнатної температури з одержанням 24,37 кг магнію хлориду гексагідрату . складу (мас. %): MgCl2 6H2O - 97,13; КСl - 0,35; Н2Огігр - 2,87, вихід якого за магнію хлоридом становить 86,27 %. Одержаний магнію хлорид гексагідрат відфільтровують від 11,89 кг 2+ залишкового розчину складу (мас. %): Mg - 3,81; NO3 - 19,69; Н2О - 76,50, який повертають в процес для приготування початкового розчину магнію нітрату. Приклад 4. До 100 кг 30 %-го водного розчину магнію нітрату додають твердий калію хлорид у мольному співвідношенні 1:1 за кімнатної температури, кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 86 % водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші в масовому відношенні 2,5:1, відфільтровують 38,50 кг одержаного калію нітрату складу (мас. %): KNO3 88,47; КСl - 7,84; волога - 3,69, вихід якого становить 83,18 %. З відфільтрованого маточного розчину відганяють суміш ізопропілового спирту з водою, як у прикладі 1, а розчин далі випарюють під вакуумом до кристалізації 2,56 кг суміші калію нітрату з калію хлоридом складу (мас. %): KNO3 - 54,69; КСl - 40,67; Н2О - 4,64, яку використовують як добриво. Після фільтрації добрива розчин охолоджують до кімнатної температури з одержанням 36,36 кг магнію хлориду . гексагідрату складу (мас. %): MgCl2 6H2O - 97,53; Н2Огігр - 2,47, вихід якого за магнію хлоридом становить 86,17 %. Одержаний магнію хлорид гексагідрат відфільтровують від 10,22 кг 2+ залишкового розчину складу (мас. %): Mg - 6,74; NO3 - 32,82; Сl - 0,33; Н2О - 60,11, який повертають в процес для приготування початкового розчину магнію нітрату. Експериментально з'ясовано, що використання початкового розчину магнію нітрату меншої концентрації, ніж 20 %, призводить до істотного зниження виходу одержаного калію нітрату. Так, вихід продукту із 10 %-го розчину магнію нітрату становить лише 48,79 %, тоді як із 20 %-го розчину в однакових умовах він досягає 81,06 % (див. приклад 3). Підвищення концентрації магнію нітрату в розчині до 40 % незначно збільшує вихід одержаного калію нітрату (до 84,30 % проти 83,18 % із 30 %-го розчину). Ця концентрація близька до концентрації насичення (розчинність Mg(NO3)2 при 20 °C становить 41,2 %), що зумовлює технологічні незручності використання такого розчину (можливість утворення кристалів унаслідок навіть невеликого зниження температури, значна в'язкість тощо). Ці дані послужили підставою для вибору оптимальної концентрації магнію нітрату в початковому розчині, а саме 20-30 %. Результати досліджень показали, що збільшення мольного співвідношення між калію хлоридом і магнію нітратом понад 1:1 призводить до значного збільшення вмісту домішки калію хлориду, і навпаки, істотного зменшення вмісту основної речовини в одержаному калію нітраті. Так, при співвідношенні між калію хлоридом і магнію нітратом 1,1:1 продукт містить (мас. %): KNO3 - 87,50; КСl - 2,75; волога - 9,75, тоді як при співвідношенні 1:1 в однакових умовах одержано значно чистіший продукт (див. приклад 1). Збільшення кількості магнію нітрату відносно калію хлориду спричинює непродуктивну витрату першого реагенту, оскільки зумовлює збільшення кількості оборотного розчину магнію нітрату, який слід повертати в процес для приготування початкового розчину. Тому мольне співвідношення між калію хлоридом і магнію нітратом, яке становить 1:1, слід вважати доцільним. Унаслідок відгонки органічного компонента з маточного розчину одержали конденсат, близький за складом до азеотропної суміші ізопропілового спирту з водою складу (мас. %): 8688 - спирту і 12-14 - води, який можна циклічно використати для осадження калію нітрату. У зв'язку з цим водний розчин ізопропілового спирту саме такого складу передбачено використати в запропонованому способі. Результати досліджень показали, що вихід калію нітрату в тверду фазу зростає із збільшенням кількості доданого водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші. Однак високі значення цього співвідношення (понад 2,5:1) спричинять необхідність подальшого перероблення великих об'ємів маточного розчину, а відтак підвищені енерговитрати, які не 3 UA 75618 U 5 будуть компенсуватися підвищенням виходу цільового продукту. Тому прийшли до висновку, що необхідним значенням масового співвідношення між водним розчином ізопропілового спирту і реакційною сумішшю є (2,0-2,5):1. У запропонованому способі передбачається використання водного розчину ізопропілового спирту і залишкового розчину магнію нітрату в замкнутому циклі, що забезпечує екологічну завершеність процесу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб одержання калію нітрату і магнію хлориду з калію хлориду і магнію нітрату, що включає взаємодію розчину магнію нітрату з калію хлоридом, кристалізацію утвореного калію нітрату, відділення його від маточного розчину фільтрацією з наступним випарюванням маточного розчину до утворення осаду кристалогідрату магнію хлориду, його відділення та повернення залишкового розчину для приготування початкового розчину магнію нітрату, який відрізняється тим, що магнію нітрат використовують у вигляді 20-30 %-го водного розчину, взаємодію здійснюють при мольному співвідношенні калію хлориду і магнію нітрату 1:1 і кімнатній температурі, кристалізацію калію нітрату здійснюють додаванням 86-88 %-го водного розчину ізопропілового спирту до прореагованої суміші в масовому відношенні (2,0-2,5):1, після фільтрації калію нітрату з маточного розчину відганяють суміш ізопропілового спирту з водою, а подальше випарювання розчину здійснюють під вакуумом з кристалізацією суміші калію нітрату з калію хлоридом, після фільтрації якої розчин охолоджують до кімнатної температури з одержанням магнію хлориду гексагідрату. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4