ЖИДКОФАЗНАЯ КОНВЕРСИЯ ПРИРОДНОГО ГИПСА С ПОМОЩЬЮ РАСТВОРА КАРБОНАТА АММОНИЯ

АННОТАЦИЯ

Изучен процесс жидкостной конверсии природного гипса месторождения «Шорсув» (SO₃ - 45,83%, CaO - 32,26% и нерастворимый остаток - 1,58%) в зависимости от нормы карбоната аммония (100; 105 и 110%) и времени взаимодействия компонентов (5; 15 и 30 минут) при температуре 50^оС. Установлена оптимальная норма карбоната аммония - 105% и время взаимодействия – 30 минут, при которых степень конверсии гипса составляет 97.86% и скорость фильтрации карбонатного шлама – 1076 кг/м²ˑч.

ABSTRACT

The process of liquid conversion of natural gypsum from «Shorsuv» deposit (SO₃ - 45.83%, CaO - 32.26% and insoluble residue - 1.58%) depending on the rate of ammonium carbonate (100; 105 and 110%) and the time of interaction of the components (5; 15 and 30 minutes) at a temperature of 50°C. The optimal rate of ammonium carbonate is 105% and the interaction time is 30 minutes, at which the degree of gypsum conversion is 97.86% and the filtration rate of carbonate sludge is 1076 kg/m²ˑh.

Ключевые слова: природный гипс, карбонат аммония, жидкостная конверсия, степень конверсии гипса, скорость фильтрации, раствор сульфата аммония.

Keywords: natural gypsum, ammonium carbonate, liquid conversion, gypsum conversion rate, filtration rate, ammonium sulfate solution.

На территории Узбекистана имеется 25 разведанных месторождений гипса и ангидрита, в том числе по областям: Андижанской – 8; Джизакской–3; Кашкадаринской–2; Самаркандской – 4; Сурхандарьинской – 4; Ташкентской – 1; Ферганской – 2 и Каракалпакии – 1.

Наиболее крупными месторождениями являются Кунгуртауское и Каганское месторождения, расположенные в Самаркандской и Бухарской областях, соответственно. Наиболее приемлемым для разработки является Каганское месторождение, где переработку ведут предприятия СП-АО «Бухарагипс» и ИП-ООО КНАУФ «ГИПС БУХАРА».

Содержание CaSO₄ в гипсовых рудах указанных месторождений высокое, колеблется в пределах 72-74%. Среднее содержание в них SO₃ составляет 36%. Промышленные партии руды содержат и незначительных количеств нерастворимого в кислотах остатка, в пределах 0,2-0,5%. Лишь в некоторых партиях его содержание может достичь 1,8%. Встречаются и образцы, содержащие окислов алюминия и магния, но, в основном, в виде примесей, но с небольшими их концентрациями, не превышающие 0,1-0,5%.

В Ферганской долине расположено месторождение гипса «Шорсув», представляющий промышленный интерес, запасы  которых составляет более 35 млн. тонн [1, 2]. Это требует вплотную заниматься поиском рациональной технологии переработки гипса на востребованный народным хозяйством комплексный удобрительный композит – сульфат аммония или промышленной регенерации нерастворимой серы из состава гипса в водорастворимую сульфатную соль.

Выполненные исследования в этом направлении обобщены в монографии [3]. Наиболее эффективным способом переработки фосфогипса является жидкостная конверсия. Она отличается высокой степенью выхода сульфата аммония и карбоната кальция (фосфомела), а также более высоким качеством получаемых продуктов. Сделан вывод о том, что метод жидкофазной конверсии гипса (фосфогипса) в присутствии водных растворов углеаммонийных солей является более рациональным, чем газовые и газожидкостные варианты.

Известные в последние годы разработки в этом направлении не достигли оптимума, удовлетворяющего всех требований промышленного производства сульфата аммония, так как имеют некоторых недостатков.  Некоторые разработки [4] с целью оптимизации скорости фильтрации, полученной гипсовой суспензии в растворе сульфата аммония, допускают сильного разбавления исходного раствора карбоната аммония до 3-7%, что делает способ энергетически нецелесообразным. В других способах [5] процесс сильно усложнен, из-за необходимости охлаждения горячей конверсионной суспензии на стадии конверсии и нагрева этой же, но уже охлажденной вначале суспензии перед  ее фильтрацией.

Учитывая, что в условиях жидкостной конверсии гипса, скорость его конверсии и фильтруемость полученной суспензии, процесс регулирования процесса обычно производится путем изменения степени пресыщения осадка по иону карбоната, находящийся вокруг него. При этом необходимо строго проследить за изменением выходных параметров процесса – коэффициент конверсии исходного гипса или скорость фильтрация суспензии.

Для косвенной оценки разностей между равновесной концентраций ионов карбоната вокруг кристаллов и их концентраций с вводом свежей порции карбоната аммония в реакционную зону на выходные параметры процесса конверсии (К_разл. и V_{фильтр.}) проводили лабораторные опыты по жидкостной конверсии природного гипса месторождения «Шорсув», состава: SO₃ - 45,83%, CaO - 32,26% и н.о. - 1,58%. Расчетное количество кристаллизационной воды в нем составит 20,4%.

Опытная установка представляла собой декомпозер, снабженный мешалкой, термометром и обратным холодильником. Процесс конверсии природного гипса проводилась в промежутках времени 5-30 мин и нормах его расхода в пределах 100-110% от стехиометрии и температуре 50^оС. Температуру реакционной смеси выдерживали путем нагревания на водяной бане. Скорость перемешивания суспензии составил 200-250 об./мин. По окончании времени эксперимента реакционную массу фильтровали на воронке Бюхнера с бумажным фильтром с помощью вакуум- насоса при 0,8 атм. Расчет производительности фильтрации выполнен по формуле:

где, М – вес сухого карбонатного шлама, кг; t – время от момента заполнения воронки до ухода жидкости с поверхности осадка, ч; S – площадь поверхности воронки (S = π · r²), м².

В фильтрате и в сухом осадке определяли содержание сульфат аммония по азоту. Для этого влажный осадок сушили при температуре 60⁰С, до постоянной массы. Разложение природного гипса раствором карбоната аммония протекает по реакции:

CaSO₄ × 2H₂O + (NH₄)₂CO₃ ® CaCO₃ (мел) + (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O

Основные аналитические и технологические показатели по жидкостной конверсии приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Степень конверсии гипса и скорость фильтрации карбоната кальция в зависимости от нормы (NH₄)₂CO₃ и времени взаимодействия - гипса

Таблица 2.

Состав твердой фазы (карбоната кальция) в зависимости от нормы (NH₄)₂CO₃ и времени взаимодействия - гипса

Из табл. 1 видно массовая доля сульфата аммония в полученном фильтрате при промежутке времени 5 мин при норме 100% от стехиометрии составила 27,30%, при промежутке времени 30 мин и при норме 100% - 34,78%. Массовая доля сульфата аммония в полученном фильтрате при промежутке времени 5 мин и при норме 110% от стехиометрии составила 30,69%, при промежутке времени 30 мин – 36,32%.

Как показывают экспериментальные данные (табл. 1), в зависимости от времени взаимодействия компонентов скорость фильтрации карбоната кальция по сухому осадку составляет 509-836, 712-915 и 998-1076 кг/м²ˑч, соответственно для норм карбоната аммония – 100, 105 и 110%. Оптимальной нормой расхода карбоната аммония является 105% от стехиометрии, а времени взаимодействия – 30 минут. При этом степень конверсии гипса составляет 97.86%, со скоростью фильтрации карбонатного шлама – 1076 кг/м²ˑч.

Из табл. 2 видно при промежутке времени 5 мин  и при норме 100% от стехиометрии в твердой фазе массовая доля не конвертированного природного гипса составила 13.03%, при промежутке времени 30 мин и при норме 100% - 2,94%.  Массовая доля не конвертированного природного гипса в твердой фазе при промежутке времени 5 мин  и при норме 110% от стехиометрии составила 12,78%, при промежутке времени 30 мин и при норме 110% - 2,49%. То есть, с увеличением продолжительности конверсии от 5 мин до 30 мин и увеличением нормы карбоната аммония от 100 до 110% количество конвертируемого природного гипса уменьшается.

Список литературы:

1. Информация о месторождениях и источниках сырья. Минеральные ресурсы. // Узсаноаткурилишматериаллари уюшмаси. //uzsm.uz.
2. Инновационная карта Ферганской области. Паспорт региона. Минерально-сырьевая база//Агентство пo привлечению иностранных инвестиций при министерстве инвестиций и внешней торговли Республики Узбекистан. // https: invtst.gov.uz/ru/redional-map/ferganscay-oblast.
3. Мельников Е.А., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений. - М.: Химия, 1983. – 432с.
4. Патент РФ № 2510366  С01 F 11|18. Способ переработки фосфогипса на сульфат аммония и фосфомел. //. Муллаходжаев Т.И., Олифсон А Л.
5. Евразийский патент № 015407 В1, 2009/С1 С01С1Я244 (20006.01). Способ переработки фосфогипса на сульфат аммония и карбонат кальция. // Казак В.Г., Долгов В.В. и др.