ст. преп. Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г.Ташкент
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДА КАЛИЯ КОНВЕРСИОННО – ЭКСТРАКЦИОННЫМ СПОСОБОМ
IMPROVEMENT OF POTASSIUM HYDROXIDE PRODUCTION BY THE LIME METHOD
06.10.2021
313
Цитировать:
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДА КАЛИЯ КОНВЕРСИОННО – ЭКСТРАКЦИОННЫМ СПОСОБОМ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Туракулов Б.Б. [и др.]. 2021. 10(88). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12308 (дата обращения: 06.05.2024).
АННОТАЦИЯ
Определены оптимальные условия конверсионно – экстракционного способа получения гидроксида калия из поташа и гидроксида кальция с выходом продукта не менее 60 %. Разработана технологическоя схема получения гидроксида калия, состоящая из стадий конверсии, отстаивания, фильтрации сгущенной части с трехкротной промывкой, возврата промывной воды на стадию конверсии, упорки фильтрата с получением раствора гидроксида калия с высокой концентрацией.
ABSTRACT
The optimal conditions for the conversion-extraction method for obtaining potassium hydroxide from potash and calcium hydroxide with a product yield of at least 60% have been determined. A technological scheme for obtaining potassium hydroxide has been developed, consisting of the stages of conversion, settling, filtration of the thickened part with three-speed washing, return of wash water to the conversion stage, filtrate props to obtain a solution of potassium hydroxide with a high concentration.
Ключевые слова: поташ, гидроксид кальция, гидроксид калия, конверсия, фильтрация, промывка, упарка, концентрация, температура, технологическая схема.
Keywords: potash, calcium hydroxide, potassium hydroxide, conversion, filtration, purification, concentration, temperature, technological scheme.
Для очистки технического КОН его настаивают несколько дней с 3- кратным количеством этилового спирта. Прозрачный раствор сливают с осевшей на дне твердой и сиропообразной массы. Основное количество спирта отгоняют, а остальное выпаривают в серебряной чашке до сплавления КОН. Дальнейшую обработку проводят, как описано [1].
Известен ряд способов, позволяющих либо очищать уже синтезированный гидроксид калия от указанных выше примесей, либо сразу синтезировать уже чистый гидроксид калия. Так, например, чистый гидроксид калия реактивной квалификации получают обменной реакцией взаимодействия сульфата калия с гидроксидом бария или карбоната калия с гидроксидом кальция [2]. Однако данный метод не обеспечивает получения высокочистого продукта, поскольку в процессе синтеза образуется довольно большое количество побочно образующихся продуктов (щелоков и шламов), дополнительная переработка которых достаточно трудоемка и требует больших затрат энергии.
Ранее [3,4] была показана возможность получения гидроксида калия конверсией поташа известковым молоком, предложена технологическая схема и рассчитан материальный баланс. Однако продукт при этом получается с концентрацией КОН менее 30% и достаточно высоким содержанием СаО, СО32- и НСО3-, которые затрудняют его дальнейшее концентрирование и ухудшают качество продукта.
Анализ литературных данных и результаты экспериментальных исследований [5,6] показали, что в системах КОН – Са(ОН)2 – С2Н5ОН – Н2О и К2СО3, (СаСО3) – С2Н5ОН – Н2О гидроксид калия обладает высокой растворимостью в спирте.
С учетом этого в процессе каустификации для получения гидроксида калия исходными материалами служили поташ (К2СО3), синтезированный из хлорида калия АО “Дехканабадский калийный завод” и извести, полученной обжигом известняка Джамансайского месторождения Республики Каракалпакстан в ООО “Кунградский содовый завод”, а также этиловый спирт квалификации “хч”.
После окончания процесса конверсии в пульпу добавляли спирт и образующаяся суспензия на лабораторной фильтровальной установке разделялась на жидкую (спиртовый раствор КОН) и твердую (осадок СаСО3) фазы. Соотношение пульпа : спирт было выбрано так, чтобы соотношение Н2О : спирт находилось в пределах 0.25, как было показано ранее.
Из литературных данных известно, что растворимость КОН в этиловом спирте при 18-20оС составляет 37г/100г. Это показывает, что гидроксид калия можно экстрагировать из сложных водных солевых систем, состоящих из Са(ОН)2, СаСО3, К2СО3, поскольку их растворимость в растворах этилового спирта при 60-97 0С не превышает 0.03-0.05%.
Процесс растворения гидроксида калия в этиловом спирте протекает по обратимой реакции:
С2Н5ОН+КОН /1.png)
С2Н5ОК+Н2О
Простой калиевый эфир коричневого цвета является неустойчивым, который при нагревании в водном растворе разлагается с образованием исходных компонентов.
Экспериментальные данные (см.табл.) исследования конверсии поташа известковым молоком показали, что с повышением температуры конверсии от 25 до 100оС соотношение Т : Ж в суспензии снижается от 1 : 5.3 до 1 : 3.3, а скорость фильтрации колеблется в интервалах 197.5 – 250.1 кг/м2*час. При температуре более 70оС выход К2О в продукте повышается незначительно, причем температурный градиент повышения содержания К2О составляет всего лишь 0.027 % / град (см.табл. 1).
Таблица 1.
Влияние технологических параметров на процесс получения гидроксида калия из пульпы, образующейся при каустификации карбоната калия гидроксидом кальция
|
№ |
Соотношение Н2О:К2СО3:Са(ОН)2
|
Температура процесса каустификации, оС |
Скорость фильтрации, кг/м2*час |
Влажность твердой фазы, % |
Соотноше-ние Т:Ж |
Содержание К2О в продукте, % |
Плотность продукта, г/см3 |
Выход К2О, % |
|||
|
Т / Ф |
Ж / Ф |
||||||||||
|
1. |
2 |
2 |
1 |
25 |
200,6 |
915,4 |
12,1 |
1:5,3 |
30,5 |
1,297 |
34,8 |
|
2. |
2 |
2 |
1 |
40 |
221,3 |
1154,4 |
10,7 |
1:5,0 |
31,2 |
1,303 |
35,3 |
|
3. |
2 |
2 |
1 |
60 |
250,1 |
975,6 |
9,7 |
1:4,4 |
31,8 |
1,308 |
35,5 |
|
4. |
2 |
2 |
1 |
70 |
231,4 |
880,2 |
9,6 |
1:4,3 |
36,8 |
1,369 |
40,1 |
|
5. |
2 |
2 |
1 |
90 |
211,7 |
909,8 |
16,4 |
1:3,4 |
41,3 |
1,428 |
40,5 |
|
6. |
2 |
2 |
1 |
100 |
197,5 |
999,1 |
10,3 |
1:3,3 |
42,1 |
1,432 |
40,9 |
|
7. |
1 |
2 |
1 |
90 |
222,1 |
868,3 |
11,2 |
1:4,5 |
43,7 |
1,456 |
35,3 |
|
8. |
1,67 |
2 |
1 |
40 |
163,9 |
814,6 |
12,5 |
1:4,6 |
33,4 |
1,328 |
35,7 |
|
9. |
1,67 |
2 |
1 |
60 |
166,8 |
788,8 |
11,8 |
1:4,8 |
33,6 |
1,331 |
36,9 |
|
10. |
1,67 |
2 |
1 |
90 |
163,4 |
689,3 |
17,3 |
1:5,3 |
43,9 |
1,223 |
37,2 |
|
11. |
3 |
2 |
1 |
40 |
228,0 |
868,6 |
18,1 |
1:6,2 |
32,3 |
1,316 |
39,6 |
|
12. |
3 |
2 |
1 |
60 |
234,8 |
1108 |
15,1 |
1:5,7 |
30,3 |
1,293 |
39,8 |
|
13. |
2 |
2 |
1 |
40 |
200,3 |
1255,4 |
10,4 |
1:6,8 |
30,7 |
1,297 |
39,0 |
|
14. |
2 |
2 |
1 |
40 |
176,0 |
1372,4 |
9,7 |
1:8,2 |
31,5 |
1,304 |
39,6 |
|
15. |
2 |
2 |
1 |
40 |
251,4 |
1462,6 |
9,8 |
1:7,2 |
32,1 |
1,315 |
39,9 |
С повышением соотношения Н2О: К2СО3 : Са(ОН)2 при одинаковых значениях других параметров выход К2О повышается примерно на 3 – 4%, однако при этом снижается содержание последнего в продукте.
При соотношении пульпа : спирт в пределах 0,5 – 1 выход К2О в продукте увеличивается от 54,0 до 62,5 % при одновременном увеличении концентрации полученного продукта от 33,8 до 49,1% ( см. табл. 1). Однако дальнейшее повышение соотношения нежелательно, поскольку при этом выход К2О практически не изменяется.
Как показывают экспериментальные данные, при применении 30%-ного карбоната калия с повышением концентрации известкового молока от 18 до 21% соотношение Т꞉Ж повышается от 1꞉6.13 до 1꞉4.53, а при применении 40 и 50 %-ного карбоната калия – от 1꞉6.09 и 1꞉5.53 до 1꞉4.25 и 1꞉4.21 соответственно. Максимальная 55%-ная степень отстаивания достигается через 17.5; 28 и 44 мин., соответственно.
Химический анализ жидкой и твердой фаз продуктов каустификации показал, что содержание калия в продукте основного фильтрата составляет 15.43 - 21.35% при содержании 0.24 - 0.72% СО2. Остальной калий переходит в осадок после основной фильтрации и, в зависимости от условий опыта, его значение достигает до 6.8- 9.2%, а после одностадийной промывки понижаетея до 1.50-4.01%.
В процессе каустификации с увеличением концентрации гидроксида кальция с 15 до 18% скорость фильтрации полученной суспензии увеличивается и по осадку, и по фильтрату. Далее, с увеличением концентрации карбоната калия на 50%, а концентрации известкового молока - на 21% скорость фильтрации уменьшается. Эта закономерность наблюдалась также в процессах очистки и промывки осадка, что связано с образованием структурированных осадков.
Установлено, что при применении в процессе конверсии 30%-ного раствора карбоната калия и с повышением концентрации известкового молока от 18 до 50% соотношение Т : Ж возрастает от 1: 6.13 до 1:4.21, а максимальная степень отстаивания достигается в течение 17.5 – 44.0 мин.
Химический анализ жидкой фазы продуктов каустификации показал, что содержание калия в основном фильтрате 15.43 – 21.35%, а СО2 – 0.24- 0.72%. Рентгенофазовым и химическим анализами установлено наличие остального калия в осадке основной фильтрации в количестве 6.8- 9.2%, а после однократной промывки его содержание снижается до 1.50 –4.01 %.
Изучение реологических свойств суспензий, образующихся в процессе конверсии и промывки показало, что с изменением концентрации гидроксида калия от 5 до 30%, Т:Ж - от 1:2 до 1:4 и температуры - от 80 до 20оС плотность суспензии находится в пределах 1.136 – 1.534 г/см3, вязкость – 2.42 - 8.93 сПз, что доказывает транспортабельность суспензии существующими перекачивающими устройствами без каких – либо затруднений.
Разработаны номограммы, которые позволяют определить реологические свойства и фильтруемость суспензии при заданных технологических параметрах.
По окончании процесса конверсии после отделения жидкой фазы и 2-4-х кратной промывки осадка водой при соотношении Т:Ж = 1:2 в зависимости от значений технологических параметров остаточное содержание калийных соединений (К2СО3 и КОН) в осадках составило 0.7 – 3.0 %, а выход калия в готовый продукт – 76.74 – 85.19 %.
Эксперименты показали, что, полученные растворы можно упаривать до концентрации гидроксида калия 60% с выделением твердой фазы, содержащей К2СО3, СаСО3 и Са(ОН)2, которые служат добавкой к шламу конверсии для приготовления чистящих средств.
Из рентгенограмм и термограмм образцов (а) следует, что промытые образцы, в основном, состоят из К2СО3 и незначительного количества КОН и кремнийсодержащих соединений. В образце (б) основными составляющими минералами являются КОН*2Н2О, КОН*Н2О и содержатся незначительные количества К2СО3 и силикатных соединений.
Установлено, что образующийся карбонат кальция быстро осаждается из суспензии и легко фильтруется, что позволяет рекомендовать применение существующих стандартных сгустителей и фильтрующих установок с минимальной рабочей поверхностью, после которых фильтрат легко упаривается под разрежением до 50-80 мм.рт.ст. с дальнейшей экстракцией гидроксида калия этиловым спиртом. После дистилляции получен гидроксид калия, отвечающий требованиям на продукты реактивной квалификации и специального назначения.
В интервале 20-1000С плотность и вязкость растворов уменьшается с увеличением температуры и повышается с увеличением концентрации гидроксида калия. С увеличением степени упарки значения электропроводности уменьшаются, а повышение температуры на 10оС приводит к ее увеличению на 59.7 с/м. Рост концентрации раствора гидроксида калия приводит к повышению значения показателя преломления, температуры кристаллизации, и кипение растворов также увеличивается.
Исследованием изотермы растворимости системы С2Н5ОН – КОН – Н2О в температурном интервале – 3–(+80оС), являющейся физико – химической основой экстракционного способа получения гидроксида калия, установлено, что при соотношении Н2О : С2Н5ОН = 20 – 1 : 80 – 99 в жидкой фазе наблюдается максимальная растворимость гидроксида калия в температурном интервале 60 – 80оС, при котором жидкая фаза после отделения твердой фазы обогащается чистым гидроксидом калия после ректификации этилового спирта.
Определены оптимальные технологические параметры экстракционного способа получения гидроксида калия при соотношении пульпа : спирт 1.0 – 2.0; Н2О : К2СО3 : Са(ОН)2= (1.8 – 3) : 2:1, температуре, не менее 95оС, продолжительности каустификации не менее 120 мин. При этом выход калия в продукт составляет не менее 60%, а концентрация - не менее 45% в полученном очищенном растворе гидроксида калия.
На основании проведенных исследований, возможно, предложить технологическую схему, состоящую из стадий: конверсия, отстаивание, фильтрация сгущенной части с трехкратной промывкой, возвращение промывной воды на стадию конверсии и упарка фильтрата с получением раствора КОН высокой концентрации 40-50% с дальнейшей ее переработкой на чешуйчатый или таблетированный гидроксид калия.
Список литературы:
- Карякин Ю.В, Ангелов И. И. Чистые химические вещества. Изд. 4 – е, пер. и доп. М., «Химия», 1974. 408 с.
- Карякин Ю.В., Ангелов. И. И. Чистые химические вещества.: Госхимиздат, 1974. -С.125.
- Патент RU 2064432 C 01 D 1/04. Способ получения чистого гидроксида калия // Канель М.З., Коноплев Е.В., Шестеркин И.А. и др. Заявлено 02.09. 1992. Опубликовано 27.07.1996.
- Патент РФ 1562805 с 01D1/32. Способ очистки раствора гидроокиси калия // Филотова Л.Н., Волводов А.И., Вендило А.Г. и др. Заявлено 01.11. 2010. Опубликовано 27.03.2012.
- Schmidl, W., Ball, A.R., Frederick Jr., W.J., DeMartini, N., Experimental Determination and Modeling of potassium hydroxide Solubilities in High Solids Kraft Black Liquor - Accepted for Presentation at the 2003 TAPPI Fall Technical Conference. р-5-13
- Shi, B.; Euhus, D. D.; Rousseau, R. W., “Crystallization and Control of potassium hydroxide Scales in Black Liquor Concentrators,” Tappi J. 3(6):7-13 (2004).
- Патент RU1321565 C 01D1/32. Способ очистки раствора гидроокиси калия // Вендило А.Г., Ковалёва Н.Е. и др. Заявлено 03.12. 1969. Опубликовано11.10.1972.
- Патент US 2634102. 23 – 45. Methd of purifying potassium hydroxide solution. B. Zhao, X. Wang, X. Qian. Заявлено 21.04. 1953. Опубликовано 18.11.1955.
- Патент RU 2106306, C01D 1/04. Способ очистки раствора гидроокиси калия. Вендило А.Г., Ковалёва Н.Е., и др. Заявлено 18.11. 1992. Опубликовано 14.06.1996.
- Патент RU 2106306, C 01D 1/28. Способ очистки водных раствора гидрооксидов метолов от примисей. /Митрохин А.М., Гордон Е.П., Сергеев С.А., и др. Заявлено 03.04. 2008. Опубликовано 11.08.2012.
- Туракулов Б. Б., Кучаров Б. Х., Эркаев А. У., Тоиров З. К., Реймов А. М. Усовершенствование производства гидроксида калия известковым способом. UNIVERSUM: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Г.МОСКВА – 2017. № 10(43).
- Bobokulov A.N., Erkaev A.U., Toirov Z.K., Kucharov B.X. Research on the Carbonization Process of Potassium Chloride Solutions in the Presence of Diethylamine. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE),Volume-8 Issue-9S2, 2019, ISSN: 2278-3075 https://www.ijitee.org/wp-content/uploads/papers/v8i9S2/I10480789S219.pdf
- Turakulov B B, Erkayev A U, Kucharov B X, Toirov Z K, Iskenderov A M Research of rheological properties and filtrability of suspension in the production of potassium hydroxide by calcareous method // СHEMICAL TECHNOLOGY. CONTROL AND MANAGEMENT(CTCM) .- 2019, No4-5 (88-89) pp.30-36. https://doi.org/10.34920/2019.3.30-36 /
Информация об авторах
Senior teocher of Tashkent Chemical Technology Institute, Republic of Uzbekistan, Tashkent
стажер-исследователь Института Общей и неорганической химии АН РУз, Республика Узбекистан, г.Ташкент
Research Assistant at the Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
канд. техн. наук, доцент Института Общей и неорганической химии АН РУз, Республика Узбекистан, г.Ташкент
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
д-р техн. наук, профессор Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32