Исследование процесса конверсии хлорида калия с нитратом аммония в зависимости от технологических параметров

Калийно-аммиачная селитра, выпускаемая в довольно значительном количестве в ряде зарубежных стран, содержит 16–16,5 % N и 25 % К₂О. Ее изготавливают следующими способами:

1) механическим смешением сухих или увлажненных нитрата аммония и хлорида калия;

2) совместным выпариванием растворов нитрата аммония и хлорида калия;

3) введением в концентрированный раствор или плавь аммиачной селитры тонкоизмельченного хлорида калия с последующим гранулированием плава в грануляционных башнях. Последний способ представляет наибольший интерес, так как позволяет получить более однородное по составу удобрение [1].

При получении калийно-аммиачной селитры по любому способу в той или иной мере протекает реакция обменного разложения:

КС1 + NH₄N0₃ = KNO₃ + NH₄CI

Получаемый продукт содержит тесно сросшиеся кристаллы KNO₃ и NH₄C1. В результате образования KNO₂ — почти не гигроскопичной соли, — калийно-аммиачная селитра имеет лучшие физические свойства, чем чистый нитрат аммония.

В зависимости от условий приготовления калийно-аммиачная селитра содержит различное количество KNO₃. При механическом смешении увлажненных компонентов (2 % влаги) образуется около 7 % KNO₃, в случае совместного выпаривания растворов нитрата аммония и хлорида калия реакция образования KNO₃ протекает почти нацело.

При смешении плава аммиачной селитры, состоящего из 45 вес. ч. нитрата аммония и 5 вес. ч. воды, с 55 вес. ч. размолотого хлорида калия, около 88 % нитрата аммония превращается в KNO₃. При этом получается сухое рассыпчатое удобрение, которое не слеживается и легко рассеивается.

Производство нитрата калия конверсионным способом основано на обменном разложении:

NH₄NO₃ + KCl = KNO₃ + NH₄C1

Диаграмма растворимости в системе NH₄NO₃ + KCl = KNO₃ + NH₄Cl показывает, что поле кристаллизации KNO₃ сильно увеличивается при понижении температуры. Поэтому легко подобрать условия, обеспечивающие кристаллизацию большей части KNO3 при охлаждении концентрированного раствора, полученного смешением NH₄NO₃ и КСl. Использование этого способа затрудняется необходимостью после выделения KNO₃ выпаривания раствора хлористого аммония, интенсивно разрушающего выпарные аппараты. Кроме того, потребность в хлористом аммонии относительно невелика, как удобрение хлористый аммоний имеет весьма ограниченное применение.

Изучено [2] взаимодействие нитрата аммония (NH₄NO₃), плава карбамида (CO(NH₂)₂) с хлоридом калия (KCI). Исследование проводили методом дифференциально-термического анализа (ДТА) от комнатной температуры до 400°С. Приготовлены механические смеси NH₄NO₃, CO(NH₂)₂, и KCI в различных соотношениях исходных компонентов, которые затем расплавляли на специальной установке. Температура плавления смесей была ниже по сравнению с температурой плавления исходных компонентов и составляла 80°С. Дериватограммы образцов с соотношением компонентов 1:1:1: и 1:3:1 (соотношение N:K 1:1) показали их стабильность вплоть до начала температуры плавления 75°С. Отсутствие фазовых переходов нитрата аммония IV ↔ III ↔ II объясняется образованием твердого раствора в системе нитрата аммония, нитрата калия (образующегося в плаве в результате обменной реакции между нитратом аммония и хлоридом калия) и образованием эвтектики в системе нитрата аммония-карбамид, что хорошо согласуется с литературными данными.

Физико-химической основой процесса конверсии послужила диаграмма растворимости системы K⁺; NH₄⁺ // CI^–; NO₃^– — H₂O, из которой следует, что конверсия начинается при введении в систему насыщенного нитрата аммония и хлорида калия. Максимальной конверсии можно достичь лишь при повышенных температурных условиях.

Для исследования использовали кристаллический нитрат аммония и хлорид калия. Опыты проводили в круглодонной колбе, снабженной мешалкой, в которую загружали 7,11г KCl, 6,59г NH₄NO₃ и 11,30г H₂O. Колбу с раствором помещали в термостат с заданной температурой и интенсивно перемешивали. Через определенный промежуток времени проводили анализы химического состава жидкой и твердой фаз. Из результатов анализов следует, что степень конверсии зависит от температуры и увеличивается с ее ростом [3].

Процесс в основном заканчивается в течение 60 минут, при этом степень конверсии при 50, 75 и 100 °С составляет соответственно 66,0, 74,8 и 95,6 %. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса практически не приводит к повышению степени конверсии. При 100 °С выход по калию достигает 55,53 %.

Таблица

Зависимость степени конверсии нитрата аммония с хлоридом калия от температуры и продолжительности процесса

Из таблицы видно, что температура и время конверсии нитрата калия из хлорида калия и нитрата аммония играет ключевую роль. При температуре 50⁰С степень конверсии составляет в 30 мин 45,6 %, в 60 минут конверсия 66 % и 90 минут конверсия 67,2 %. При такой температуре проведение конверсии не дает экономический эффект. При температуре 75⁰С степень конверсии составляет в 30 мин конверсии 50,8 %, в 60 минут конверсии 74,8 % и 90 минут конверсии 75 %. Здесь можно увидеть положительное влияние температуры на конверсию. При температуре 100⁰С степень конверсии составляет в 30мин конверсии 80,9 %, в 60 минут конверсии 95,6 % и 90 минут конверсии 96,3 %. Анализируя эти данные, можно сделать вывод, что получение нитрата калия в промышленных масштабах вполне приемлемо и нитрат калия имеет большой спрос как на отечественном, так и на зарубежном рынках.

Физико-химические свойства готовой продукции.

Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма нитрата калия, полученного конверсией хлорида калия с нитратом аммония

Рис. 2. ИК-спектр нитрата калия, полученного конверсией хлорида калия с нитратом аммония

На рис. 1 и 2 представлены дифрактограммы и ИК-спектры нитрата калия.

По лабораторным данным разработана принципиальная блок-схема технологии производства нитрата калия и составлен материальный баланс на производство 1-ой тонны нитрата калия конверсионным методом.

Рис. 3. Принципиальная блок-схема технологии производства нитрата калия конверсионным методом

Технологическая схема получения нитрата калия включает следующие операции:

1. Растворение хлористого калия в горячем растворе.

2. Фильтрация полученного раствора в целях отделения нерастворимых примесей.

3. Обменное разложение между KCI и NH₄NO₃ с получением раствора KNO₃.

KCI + NH₄NO₃ = KNO₃ + NH₄CI.

4. Охлаждение полученного раствора в целях кристаллизации нитрата калия.

5. Отделение кристаллов нитрата калия методом центрифугирования.

6. Сушка полученного нитрата калия.

7. Маточный раствор после отделения нитрата калия подвергается упарке с целью отделения от маточника хлорида аммония.

8. Выделение из маточного раствора выпавших кристаллов NH₄CI.

9. Сушка выделенного хлорида аммония.

Материальный баланс получения нитрата калия из хлорида калия и нитрата аммония

Рис. 4. Материальный баланс получения нитрата калия конверсионным методом из хлорида калия Тюбегатанского месторождения и нитрата аммония местного производства.

Литература:

1.                  Химическая энциклопедия: в 5 т., т. 3 // Под общ. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Сов. энцикл., 1992. — 639с

2.                  Исследование взаимодействия в системе плавкости карбамид-хлорид калия-нитрата аммония. Ершенко Н. А., Таранушич В. А. Всероссийская научно-техн. конф. По тех. ТНВ, Казан — Менделеевск, 19–22 июня, 2001.Казан. 211–212.

3.                  Самадий М., Мирзакулов Х. Ч., Кучаров Б., Хужамкулов С. Разработка технологии получения нитрата калия конверсионным методом на основе местного сырья. // Аналитик киме фанининг долзарб муаммолари- 2010: III-Республиканская научно-техническая конференция. 31–23 апреля 2010. — Термиз, 2010. с.226–227.