Способ получения калия фосфорно-кислого двузамещенного

 

Изобретение относится к производству калия фосфорно-кислого двузамещенного, используемого в химической промышленности для приготовления пирофосфатных электролитов пассивирования и меднения, а также в биохимии для приготовления буферных растворов, при выращивании микроорганизмов, при биосинтезе антибиотиков и ферментов. Сущность изобретения заключается в способе получения калия фосфорно-кислого двузамещенного, который включает нейтрализацию фосфорной кислоты гидроокисью калия при исходном молярном соотношении K₂O/P₂O₅, равном (2,7-3,2): 1, полученный раствор кипятят в течение 60-90 мин, после чего в отфильтрованный раствор добавляют фосфорную кислоту до соотношения К₂О/Р₂O₅, равного (1,96-2,05):1, насыщенный раствор перед кристаллизацией выдерживают в течение 90-120 мин, а кристаллизацию ведут при охлаждении сначала со скоростью 4^oС/ч до температуры 35-40^oС и затем со скоростью 7^oС/ч до температуры 15-20^oС с последующим отделением товарного продукта от маточного раствора центрифугированием. Кроме того, фильтрацию осуществляют путем пропускания раствора через слой активированного угля. Технический результат разработанного способа заключается в улучшении качества товарного продукта за счет снижения содержания в нем примесей, а также повышении производительности процесса за счет увеличения выхода готового продукта в виде крупных кристаллов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к производству фосфатов щелочных металлов, в частности калия фосфорнокислого двузамещенного, используемого в химической промышленности для приготовления пирофосфатных электролитов пассивирования и меднения, а также в биохимии для приготовления буферных растворов, при выращивании микроорганизмов, при биосинтезе антибиотиков и ферментов.

Известен способ получения двузамещенного фосфорнокислого калия путем взаимодействия углекислого калия и фосфорной кислоты с последующим упариванием полученного раствора до прекращения выделения СO₂, добавлением гидроокиси калия, упариванием раствора до плотности 1,7 и кристаллизацией в течение 2-х суток при комнатной температуре (Ю.В.Карякин, И.И.Ангелов "Чистые химические вещества", Москва, "Химия", 1974, с.141).

К недостаткам известного способа следует отнести длительность процесса в целом, сложность проведения операции взаимодействия углекислого калия и фосфорной кислоты с целью предотвращения сильного пенообразования в реакционном пространстве из-за выделения в ходе реакции двуокиси углерода, а также низкое качество товарного продукта, содержащего большое количество примесей сульфатов, железа и др., что в целом делает процесс малоэффективным.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ получения калия фосфорнокислого двузамещенного, включающий нейтрализацию фосфорной кислоты гидроокисью калия с образованием водного раствора, упаривание, фильтрацию для отделения примесей, кристаллизацию при охлаждении и отделение товарного продукта от маточного раствора ("Термическая фосфорная кислота, соли и удобрения на ее основе" под ред. Н.Н.Постникова, М., Химия, 1976, с.298).

Известный способ предусматривает нейтрализацию 85%-ной реактивной фосфорной кислоты раствором щелочи, полученный раствор упаривают при 103^oС, отфильтровывают от выпавших осадков нерастворимых веществ и охлаждают. В процессе охлаждения происходит кристаллизация К₂НРO₄; кристаллы отделяют на центрифуге от маточного раствора, который используют в процессе.

Существенным недостатком известного способа является невысокая производительность процесса (выход продукта составляет не более 52%), а также то, что в нем предусматриваются дорогостоящие химически чистые исходные реагенты, в противном случае, как показали эксперименты, товарный продукт содержит примеси полуторных окислов. Низкий выход готового продукта вызывается образованием в данных условиях калия фосфорнокислого двузамещенного в виде мелких кристаллов, плохо отделяющихся от маточного раствора. Вышеотмеченные недостатки в целом делают процесс малоэффективным.

Заявляемое изобретение направлено на разработку экономичного способа получения товарного калия фосфорнокислого двузамещенного, позволяющего обеспечить оптимальную производительность процесса и высокое качество товарного продукта при использовании кислоты низкого качества.

Технический результат разработанного способа заключается в улучшении качества товарного продукта за счет снижения содержания в нем примесей, а также повышении производительности процесса за счет увеличения выхода готового продукта в виде крупных кристаллов и снижении себестоимости производства.

Указанный технический результат достигается способом получения калия фосфорнокислого двузамещенного, включающим нейтрализацию гидроокиси калия фосфорной кислотой, кипячение, фильтрацию для отделения примесей, кристаллизацию при охлаждении и отделение товарного продукта от маточного раствора, в котором нейтрализацию ведут при исходном молярном соотношении К₂O/P₂О₅, равном (2,7-3,2):1, полученный раствор кипятят в течение 60 - 90 мин, после чего в отфильтрованный раствор добавляют фосфорную кислоту до соотношения K₂O/P₂O₅, равного (1,96-2,05): 1, насыщенный раствор перед кристаллизацией выдерживают в течение 90-120 мин, а кристаллизацию ведут при охлаждении сначала со скоростью 4^oС/час до температуры 35-40^oС и затем со скоростью 7^oС/час до температуры 15-20^oС. Кроме того, фильтрацию осуществляют путем пропускания раствора через слой активированного угля.

Сущность заявляемого способа состоит в следующем.

Проведенные исследования позволили установить, что проведение нейтрализации гидроокиси калия фосфорной кислотой в заявляемом соотношении компонентов с последующей термической обработкой полученного раствора перед фильтрацией, доводкой отфильтрованного раствора до установленного соотношения компонентов, выдержкой насыщенного раствора и двуступенчатой кристаллизацией продукта обеспечивают значительное снижение содержания примесей в готовом продукте и повышение выхода товарного калия фосфорнокислого двузамещенного.

Исследования показали, что осуществление заявляемого приема двустадийной нейтрализации исходных компонентов позволяет в наибольшей степени коагулировать и отделить примеси.

Заявляемый диапазон исходных молярных соотношений К₂O/Р₂O₅, составляющий (2,7-3,2):1, был установлен экспериментально.

Оказалось, что проведение нейтрализации при исходном соотношении К₂O/P₂O₅, превышающем 3,2:1, приводит к тому, что при последующей доводке в реакторе необходимо добавить большее количество очищенной кислоты, что неизбежно повышает себестоимость процесса и ухудшает его технико-экономические показатели. При недостижении нижнего предела заявляемого соотношения наблюдается ухудшение процесса коагуляции и осаждения примесей, что в конечном итоге ухудшает качество товарного продукта.

Кипячение полученного раствора перед фильтрацией в установленных режимах обеспечивает максимальную коагуляцию примесей для их последующего выделения из раствора на стадии фильтрации.

Превышение заявляемых режимов приводит к упариванию раствора и забиванию концентрированным раствором фильтационного оборудования и, как следствие, получению продукта, не соответствующего ТУ, кроме того, приводит к неоправданному перерасходу электроэнергии и, следовательно, экономически нецелесообразно.

При недостижении заявляемых режимов наблюдалось наличие нежелательных примесей в готовом продукте.

Осуществление фильтрации путем пропускания раствора через слой активированного угля обеспечивает максимальный вывод примесей на этой стадии процесса, в противном случае возможно появление примеси железа в готовом продукте.

Эксперименты показали, что проведение доводки раствора в заявляемых условиях существенно влияет на улучшение качества конечного продукта.

Диапазон молярных соотношений K₂O/Р₂О₅, составляющий (1,96-2,05):1, был определен в ходе исследований. Было установлено, что при проведении реакции при соотношении К₂O/Р₂О₅, превышающем 2,05:1, в готовом продукте наблюдается наличие примесей трехзамещенного фосфата калия. При недостижении нижнего предела заявляемого соотношения готовый продукт содержит примесь монокалийфосфата.

Выдержка перед кристаллизацией в течение 90-120 мин позволяет предотвратить образование инкрустированного слоя двузамещенного фосфорнокислого калия на теплопередающих стенках кристаллизатора и тем самым повысить съем готового продукта с кристаллизатора.

Было установлено, что выдержка насыщенного раствора менее 90 мин не обеспечивает высокого выхода готового продукта (образуются мелкие кристаллы, налипающие на стенки кристаллизатора), тогда как превышение заявляемого временного интервала приводит к необоснованному увеличению времени проведения процесса и тем самым снижению производительности.

В ходе исследований было установлено, что проведение постадийного охлаждения с заявляемыми скоростями способствует образованию однородных и одинаковых по величине, крупных кристаллов двузамещенного фосфорнокислого калия. Заявляемые режимы кристаллизации определены исходя из обеспечения оптимальных показателей процесса с точки зрения его экономичности, выхода готового продукта и его качества.

Так, при охлаждении на 1-й стадии со скоростью, большей 4^oС/час, наблюдалось образование мелких и неравномерных кристаллов готового продукта, тогда как проведение процесса при скорости, меньшей 4^oС/час, оказывается экономически нецелесообразным. Охлаждение на этой стадии до температуры, превышающей 40^oС, приводит к образованию мелких кристаллов. При охлаждении же до температуры, меньшей 35^oС, увеличивается время кристаллизации.

Оптимальная скорость охлаждения на 2-й стадии, как показали эксперименты, составляет 7^oС/час. Превышение заявляемого значения приводит к образованию неравномерных по величине кристаллов готового продукта и снижению его выхода, а охлаждение с меньшей скоростью увеличивает время процесса и поэтому является экономически нецелесообразным. Проведение процесса при температурах, меньших 15^oС, приводит к ухудшению качества готового калия фосфорнокислого двузамещенного (наблюдаются примеси шестиводного дикалийфосфата двузамещенного), в то время как при температурах, превышающих 20^oС, происходит снижение выхода готового продукта.

Ниже приведен пример, подтверждающий возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного выше технического результата.

Пример В реактор-нейтрализатор с работающей мешалкой подают раствор гидрооксида калия с плотностью 1,4 г/см³ в количестве 420 литров, затем заливают 85%-ную фосфорную кислоту в количестве 100 литров (соотношение K₂O/P₂О₅ составляет 2,9: 1). Полученный раствор подвергают кипячению в течение 90 мин, подавая пар в рубашку. Упаренный раствор отфильтровывают от выпавших в осадок полуторных окислов путем пропускания его через слой активированного угля. Отфильтрованный раствор поступает в доводочный реактор, в который подают ортофосфорную кислоту в количестве 44 литра (соотношение K₂O/Р₂O₅ составляет 2:1), после чего раствор сливают в сборник готового раствора. Готовый раствор калия фосфорнокислого двузамещенного из сборника погружным насосом подают в кристаллизатор, где выдерживают в течение 90 мин, затем подают в рубашку холодную воду для охлаждения сначала со скоростью 4^oС/час до температуры 35^oС и затем со скоростью 7^oС/час до температуры 20^oС. Образовавшиеся кристаллы отделяют на центрифуге.

Выход готового продукта составил 60% от стехиометрии, содержание основного вещества - 99,1%, содержание примесей соответствует требованиям ГОСТ 2493-75 изм.2.

Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в таблице.

В указанной таблице сравниваются показатели заявляемого способа (опыты 2, 3, 6-8, 11, 12, 15, 16, 19, 20, 23 и 24) и опытов, условия, проведения которых выходят за пределы, регламентированные формулой изобретения (опыты 1, 4, 5, 9, 10, 13, 14, 17, 18, 21, 22 и 25).

Как видно из представленных материалов, только совокупность заявляемых признаков обеспечивает возможность достижения оптимальных показателей процесса получения калия фосфорнокислого двузамещенного.

При нарушении заявляемых соотношений наблюдаются ухудшение качества готового продукта (опыты 1, 5, 9, 10 и 22), снижение выхода готового продукта (опыты 14, 21 и 25), увеличение себестоимости процесса (опыты 4, 13, 7 и 18).

Таким образом, заявляемое изобретение успешно решает задачу создания экономичного способа получения калия фосфорнокислого двузамещенного, позволяющего обеспечить оптимальную производительность процесса и высокое качество товарного продукта.

Формула изобретения

1. Способ получения калия фосфорно-кислого двузамещенного, включающий нейтрализацию гидроокиси калия фосфорной кислотой, кипячение, фильтрацию для отделения примесей, кристаллизацию при охлаждении и отделение товарного продукта от маточного раствора, отличающийся тем, что нейтрализацию ведут при исходном молярном соотношении К₂О/Р₂О₅, равном (2,7-3,2): 1, полученный раствор кипятят в течение 60-90 мин, после чего в отфильтрованный раствор добавляют фосфорную кислоту до соотношения K₂O/P₂O₅, равного (1,96-2,05) : 1, насыщенный раствор перед кристаллизацией выдерживают в течение 90-120 мин, а кристаллизацию ведут при охлаждении сначала со скоростью 4^oС/ч до температуры 35-40^oС и затем со скоростью 7^oС/ч до температуры 15-20^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтрацию осуществляют путем пропускания раствора через слой активированного угля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2