ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФАТА КАЛИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТНОЙ КОНВЕРСОЙ ХЛОРИДА КАЛИЯ В ПРИСУТСТВИИ ДИЭТИЛАМИНА

АННОТАЦИЯ

Целью исследования является изучение технологического процесса получения сульфата калия сернокислотной конверсией хлорида калия в присутствии диэтиламина при температуре 70°С и продолжительности процесса 20 минут. Изучали влияние концентрации и количества серной кислоты и соотношение массовых долей ингредиентов реакции на выход целевого продукта – сульфата калия. При этом диапазон концентрации серной кислоты составлял 50-93%, а соотношение исходных компонентов Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O варьировалось как 1:(05-2,0):(0,8-1,2):(1,2-1,4), соответственно.

В изученном интервале оптимальными соотношениями указанных исходных компонентов являются 1:(0,46:0,61):(0,80:1,20):(7,23-7,78), а концентрация серной кислоты - 81-93%. При этом выход сульфата калия составляет 79,31- 91,8%, а содержание ионов К⁺ и SO₄^2- в маточном растворе равно 1,6: 0,58 и 0,25:2,94%, соответственно.

ABSTRACT

The goal of research is to study the technological process of obtaining potassium sulfate by the sulfuric acid conversion of potassium chloride in the presence of diethylamine at the temperature of 70°C and the process duration of 20 minutes. The effect of the concentration and amount of sulfuric acid and the ratio of the mass fractions of the reaction ingredients on the yield of a target product – potassium sulfate has been studied. At the same time, the range of sulfuric acid concentration is 50-93%, and the ratio of the initial components Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O has varied as 1:(05-2,0):(0,8-1,2):(1,2-1,4), accordingly.

In the studied interval, the optimal ratios of these initial components are 1:(0,46:0,61):(0,80:1,20):(7,23-7,78), and the concentration of sulfuric acid is 81-93%. At the same time, the yield of potassium sulfate is 79,31- 91,8%, and the content of К⁺ and SO₄^2- ions in the mother liquor is 1,6: 0,58 and 0,25:2,94%, respectively.

Ключевые слова: технологические параметры, химический состав, хлорид калия, диэтиламин, конверсия, фильтрация, степень, норма, энергодисперсионный спектр, рентгенограммы.

Keywords: technological parameters; chemical composition; potassium chloride; diethylamine; conversion; filtration; degree; norm; energy-dispersive spectrum; radiographs.

Введение

Вторичные амины, к которым относится диэтиламин. находят широкое применение в органическом синтезе и в технологиях получения неорганических веществ [1-6]. Так, диэтиламин используется для высаливания получаемых неорганических продуктов из маточного раствора, что обусловливает ускорение процесса фильтрации, отражающееся на энергосбережение процесса в целом [7]. Это явление было отмечено и при получении сульфата калия по технологии сернокислотной конверсии хлорида калия в присутствии диэтиламина.

Однако, вопрос о влиянии технологических параметров на отдельные стадии процесса получения товарного сульфата калия сернокислотной конверсией хлорида калия остается открытым.

Целью исследования является детальное изучение технологического процесса получения сульфата калия сернокислотной конверсией хлорида калия в присутствии диэтиламина.

Объекты и методы исследований. В экспериментах в качестве исходных компонентов использовали белый кристаллический хлорид калия, полученный из флотационного хлорида калия АО «Дехканабадский калийный завод», серную кислоту с концентрацией 93,5% и диэтиламин технический по ГОСТ 9875-88 Российского производства.

Опыты проводили в 3-х горловой стеклянной колбе, снабженной перемешивающим устройством. После внесения в нее воды, хлорида калия и диэтиламина, осторожно вводили расчетное количество серной кислоты в течение 20 мин. При этом температура реакционной массы достигала 70-73°С, и в течение 20 мин понизилась всего на 2-4°С. После завершения процесса взаимодействия реакционную массу охлаждали до 20°С в течении 60 мин. Далее образовавшую суспензию, фильтровали под вакуумом при остаточном давлении 0,6 атм. с контролированием времени продолжительности фильтрации и промывкой осадка с насыщенным раствором сульфата калия (НРСК) соотношении НРСК : осадок равным 1:1. Исходные параметры варьировали в интервалах 50-93% (концентрация серной кислоты), соотношение исходных компонентов Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O находилось в диапазоне 1:(05-2,0):(0,8-1,2):(1,2-1,4), соответственно.

Определяли влияние технологических параметров на Ж:Т, скорость фильтрации и влажности продуктов после промывки. Химический состав полученных продуктов и маточных фильтратов анализировали на содержание Сl^-, SO₄^2- и K⁺ ионы с применением химических методов анализа [3-7].

Целевой продукт сульфат калия подвергали рентгенофазовому анализу с использованием идентификацию образцов проводили на основе дифрактограмм, которого снимали на аппарате XRD-6100 (Shimadzu, Japan), управляемом компьютером. Применяли CuK_α-излучение (β-фильтр, Ni, 1.54178 режим тока и напряжения трубки 30 mA, 30 kV) и постоянную скорость вращения детектора 4 град/мин с шагом 0,02 град. (ω/2θ-сцепление), а угол сканирования изменялся от 4 до 80^о.

Результаты и их обсуждение.

Ранее нами определено последовательность подачи исходных компонентов в процесс получения сульфата калия; вода, хлорид калия, диэтиламин и серная кислота [1-2]. Поэтому в настоящей работе нами изучено массовое соотношение концентрация серной кислоты, исходных компонентов Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O 1:(05-2,0):(0,8-1,2):(1,2-1,4).

Процесс получения сульфата калия сернокислотной конверсией хлорида калия описывается следующим уравнением:

2(C2H5)2NH + 2KCl + H2SO4 → K2SO4 + 2(C2H5)2NH2Cl                                         (1)

В таблице 1 приведены результаты эксперимента по изучению влияния технологических параметров на сернокислотную конверсию хлорида калия в присутствии диэтиламина.

Таблица 1.

Влияние технологических параметров на серно- кислотную конверсию хлорида калия в присутствии диэтиламина^*

Концентратция серной кислоты 1-15-93%; 16-85%  ; 17-73%  ;18-57.6% ;19-50%

Продолжительность процесса -20мин.

Как показывают результаты исследования (табл.1), в изученных интервалах варьирования исходных компонентов Ж:Т в суспензии после охлаждения и промывки влажность продукта колеблется и интервалах (2,68-4,52):1 и 12,99-33,18% соответственно. Плотность жидкой фазы при 20°С колеблется в интервалах 1010-1090 кг/м³ (табл.1).

С повышением долевой части содержания серной кислоты от 0,23 до 0,91 при сохранении содержания других компонентов, при долевой части равной 0,61, выход сульфата калия достигает максимума, процентное содержание его находится в интервале 60,00-90,00%. Однако содержание SO₄^2- в жидкой фазе достигает более 5% (табл.2).

Таблица 2.

Химический состав маточного раствора

Из таблицы 1 также следует, что в условиях опыта №7 выход сульфата калия достигает до 95,83%, со снижением содержания SO₄^2- в фильтрате до 2,94% (табл.2). Таким образом, за оптимальное соотношение исходных компонентов Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O следует принять 1,00:0,46:0,80:7,23, соответственно.

Из приведенных таблиц 1 и 2 видно, что со снижением концентрации серной кислоты выход сульфата калия снижается, а содержание H₂SO₄ в маточном растворе, повышается. В опыте №9 выход сульфата калия не повышает более 79,31%, однако содержание SO₄^2- в фильтрате мене 0,3%, которые обеспечивает высокий коэффициент использования серной кислоты. Так как содержание калия составляет более 1,5%, его можно отделить от маточного раствора.

Исходя из выше изложенного, относительно по выходу сульфата калия оптимальными являются 7,4,11 опыты, а по содержания SO₄^2- в маточном растворе оптимальными являются №9 и №7.

При этом скорость фильтрации по твердой фазе этих образцов составляет 2332,5, 939,5; 5552,7 и 2332,5 кг/м²*ч, соответственно для опытов под номерами 4,7,9 и 11. Следует заметить, что наиболее высокая скорость фильтрации наблюдается все-таки в опыте №9, при этом выход сульфата калия достигает 79,31 %, а содержание калия в маточном растворе равно 1,6 и 0,25%, соответственно.

На рисунках 1 и 2 приведены микрофотография одного из образцов сульфата калия, полученная на сканирующем микроскопе (Leica DM500, Германия) и его элементный состав.

Рисунок 1. СЭМ образца полученного сульфата калия

Рисунок 2. Энергодисперсионный спектр образцов

Энергодисперсионный анализ (рис.2) продуктов показал, что в опытах под №4 и №66 получаются продукты с наименьшим содержанием хлора, а образование кристаллов сульфата калия наблюдается во всех вариантах.

Из рентгенограмм, приведенных на рисунке 3 видно, что минералогический состав продуктов состоит из K₂SO₄, KCl и Et₂NH₄HCl, их содержание колеблется в интервалах 75-95; 1-5 и 0-25% соответственно.

Образец № 4

Образец № 7

Рисунок 3. Рентгенограммы образцов

Номера образцов соответствуют номерам табл.1.

Заключение: Таким образом, в изученных интервалах оптимальным соотношением исходных компонентов Et₂NH:H₂SO₄:KCl:H₂O, являются 1:(0,46:0,61):(0,80:1,20):(7,23-7,78), а концентрация серной кислоты - 81-93%, при этом выход сульфата калия составляет 79,31- 91,8%.  Содержание ионов К⁺ и SO₄^2- в маточном растворе равно 1,6: 0,58 и 0,25: 2,94%, соответственно.

Список литературы:

1. Эшметова Д.З., Джандуллаева М.С., Бобокулов А.Н., Тоиров З.К., Эркаев А.У., Хазратова Ш. Изучение процесса конверсии хлорида калия в присутствии диэтиламина. UNIVERSUM:ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ,№ 2(83), 77-82 ст. Москва-2021г.
2. Бобоқулов А.Н., Эркаев А.У., Тоиров З.К. Исследование процесса получения гидрокарбоната калия с применением диэтиламина.// UNIVERSUM: Химия и биология, № 10(40), 22-28 ст. Москва-2017г. http://7universum.com/ru/nature/archive/item/5168
3. 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),V-8 Issue-9S2, July 2019.
4. Пaнaсенко В.В., Гринь Г.И., Мaзунин С.A. Фaзовые рaвновесия в тройной системе KCl–(С₂Н₅)₂NН₂Cl – Н₂О при 30 °С. Вестник НТУ «ХПИ», Хaрьков, 2010. № 11. С. 103–107.
5. Пaнaсенко В.В., Гринь Г.И., Пaнaсенко В.A. и др. Изучение рaстворимости солей в системе (С₂Н₅)₂NН₂Cl – (С₂Н₅)₂NН₂НСО₃ – Н₂О при 30 °С // XVIII Укрaинскaя конференция по неоргaнической химии с учaстием зaрубежных ученых: тезисы доклaдов, (27 июня – 1 июля 2011 г.). Хaрьков: ХНУ имени В. Н. Кaрaзинa, 2011. С. 278.
6. Пaнaсенко В.В., Гринь Г.И., Пaнaсенко В.A. и др. Зaвисимость между состaвом и свойствaми системы K⁺, (С₂Н₅)₂NН₂⁺ // НСО₃^- – Н₂О при 30 °С // Восточно-Европейский журнaл передовых технологий. Хaрьков. 2011. № 4/6 (52). С. 38–41.
7. Мазунин С. А., Чечулин В. Л. Высаливание как физико-химическая основа малоотходных способов получения фосфатов калия и аммония: монография / С. А. Мазунин, В. Л. Чечулин; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. — Пермь, 2012.— 114 с.