Способ управления процессом растворения хлористого калия

Изобретение может быть использовано в галургическом производстве. Способ управления процессом растворения хлористого калия включает регулирование подачи руды в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, измерение температуры готового раствора и расхода растворяющего раствора. В качестве руды используют электролит, полученный при электролизе расплава обезвоженного синтетического карналлита, имеющий следующий состав: KCl - 60-80%, MgCl₂+CaCl₂ - 7-9%, нерастворимые частицы - до 1%, NaCl - остальное. Дополнительно измеряют содержание хлористого магния в готовом растворе, его расход, содержание хлористого калия в галитовом отвале и его расход. По полученным параметрам определяют предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, рассчитывают оптимальный расход электролита и вычисленное значение подают в качестве задания в систему управления расходом электролита: где G_э - расход электролита, т; G_г.р-р - расход готового раствора, т; G_p.p-p - расход растворяющего раствора, т; G_o - расход галитового отвала, т; С_KClэ - содержание хлористого калия в электролите, %; С_{KCl г.р-р} - предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, %; C_{KCl р.р-р} - содержание хлористого калия в растворяющем растворе, %; С_KClо - содержание хлористого калия в галитовом отвале, %. Изобретение позволяет упростить процесс растворения хлористого калия за счет оперативного управления средствами автоматизации расходом электролита, подаваемого на растворение, в зависимости от изменения технологических параметров процесса. 3 табл.

 

Изобретение относится к технике управления процессом растворения хлористого калия из электролита, образующегося при электролизе синтетического карналлита в производстве металлического магния.

Способы растворения электролита для последующего выделения из осветленного насыщенного раствора хлоридов натрия и калия, используемых в производстве синтетического карналлита, освещены, например, в трудах «Соликамские карналлиты»: Сб. научных трудов, СПб., информационно-издательское агентство «ЛИК», 2007, с.126-129.

Известен способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения расходов входных потоков, регулирования расхода воды в поступающий на кристаллизацию щелок в зависимости от температуры этого щелока, концентрации в нем хлористого калия, расхода воды на промывку кристаллизационных аппаратов, расхода и температуры оборотного щелока, а также регулирования расхода воды в аппарат отделения щелока от кристаллизата в зависимости от заданного содержания хлористого калия в продукте и расхода оборотного щелока - см. а.с. СССР №948884, кл. C01D 3/04, G05D 24/00, публ. 07.08.82, Бюл. №29.

Известный способ является сложным, поскольку применительно к процессу растворения электролита не учитывает наличие в нем до 9% хлористого магния и хлористого кальция, которые влияют на растворимость хлористого калия и хлористого натрия, а следовательно, приведенные в способе функциональные связи имеют высокую погрешность в управлении, что приводит к нарушению водного баланса процесса.

Известен способ управления процессом растворения сильвинитовых руд, включающий регулирование подачи руды в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, измерение температуры готового раствора, определение содержания хлористого натрия в растворе расчетным методом, измерение плотности, температуры и расхода растворяющего раствора, определение содержания в нем хлористого натрия по содержанию полезного компонента, плотности и температуре, расчет расхода подачи руды по приведенным в патенте зависимостям, вычисленное значение которого подают в качестве задания в систему управления весовым дозатором - прототип - см. «Способ управления процессом растворения сильвинитовых руд», заявка RU №2007114473(015710) от 17.04.2007; публ. Бюл. №31, 2008 г.

Недостатком известного способа является его сложность вследствие необходимости определения содержания хлористого натрия в растворяющем и готовом растворах расчетным методом по косвенным параметрам, что при растворении электролита в условиях повышенного содержания в растворах хлористого магния вносит погрешность в работу системы управления.

Известный способ также не учитывает неполноту растворения хлористого калия из частиц плава электролита, который в отличие от сильвинитовых руд, распадающихся при измельчении на сильвин и галит, сохраняют свой состав, а при растворении электролита наблюдается экранирование его частиц хлористым натрием, препятствующим полному выщелачиванию хлористого калия.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расходом электролита, подаваемого на растворение, в зависимости от изменения технологических параметров процесса.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного способа в качестве руды используют электролит, дополнительно измеряют содержание хлористого калия в галитовом отвале и его расход, по полученным параметрам определяют предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, рассчитывают по следующей зависимости оптимальный расход электролита и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом электролита:

где G_э - расход электролита, т;

G_г.р-р - расход готового раствора, т;

G_р.р-р - расход растворяющего раствора, т;

G_o - расход галитового отвала, т;

- содержание хлористого калия в электролите, %;

- предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, %;

- содержание хлористого калия в растворяющем растворе, %;

- содержание хлористого калия в галитовом отвале, %.

,

где A=-a_оT²+a₁T-a₂,

В=-в_оТ²+в₁Т-в₂,

где а₀, a₁, a₂, в₀, в₁, в₂ - вспомогательные эмпирические коэффициенты;

Т - температура готового раствора, °С, где коэффициенты:

А, а₂ - безразмерные; а₀ - 1/град²; a₁ - 1/град; В, в₂ - %; в₀ - %/град; в₁ - %/град, которые получены по стандартной методике математического анализа по программе Excel, см., например, Решение математических задач средствами Excel. В.Я.Гельман, Изд. Питер, 2003.

Сущность способа как технического решения заключается в следующем. В отличие от известного способа, включающего регулирование подачи руды в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, измерение температуры готового раствора и расхода растворяющего раствора, по предлагаемому способу в качестве руды используют электролит, дополнительно измеряют содержание хлористого магния в готовом растворе и расход раствора.

При электролизе расплава обезвоженного синтетического карналлита образуется металлический магний и расплав электролита состава: КСl - 60-80%, ΣMgCl₂, CaCl₂ - 7-9%, нерастворимые частицы (металлический магний, оксид магния, оксихлориды магния, фториды и др.) - до 1%, NaCl - остальное.

При измельчении охлажденного расплава электролита состав его частиц по фракциям практически не изменяется.

В настоящее время электролит используется как калийное удобрение либо антигололедный препарат, однако с развитием технологии синтетического карналлита с использованием в качестве хлормагниевого сырья растворов MgCl₂ появилась необходимость применить электролит как калийную составляющую синтетического карналлита - см., например, «Соликамские карналлиты»: Сб. научных трудов, СПб., «ЛИК», 2007.

Для этого из электролита необходимо получить хлористый калий с примесью хлористого натрия в заданном соотношении хлоридов методом селективного выщелачивания электролита горячим оборотным раствором с последующей вакуум-кристаллизацией смеси KCl+NaCl из осветленного насыщенного раствора. На стадии осветления из процесса выводятся примеси - избыточный хлористый натрий (галитовый отвал) и нерастворимые, которые не позволяют получать синтетический карналлит в соответствии с требованиями магниевого производства. При растворении электролита горячим оборотным раствором необходимо получить раствор, насыщенный по хлористому калию при температуре растворения в интервале 90-95°С и повышенном содержании в растворе хлористого магния.

Содержание хлористого калия в готовом растворе существенно зависит от колебаний указанных технологических параметров. При осуществлении процесса растворения необходимо стремиться к достижению максимального содержания в растворе хлористого калия с учетом того, что раствор будет насыщен по хлористому натрию, а содержание хлористого магния в нем будет изменяться в зависимости от параметров технологических процессов растворения-кристаллизации.

Из экспериментальных данных имеем:

Таблица 1
Содержание хлористого магния в растворе, %	Содержание хлористого калия в растворе, насыщенном по КС1, % (предельное значение )
Т=90°С	Т=95°С	Т=100°С
1	2	3	4
9,55	-	-	15,56
9,63	-	15,99	-
9,71	15,38	-	-
11,51	-	14,98	15,51
11,60	-	-	-
11,64	-	14,92	15,47
11,69	14,39	-	-
11,73	-	14,92	-
11,83	14,33	-	-
11,84	-	-	15,33
11,93	-	14,80	-
12,03	14,20	-	15,23
12,12	-	14,70	-
12,17	-	-	15,18
12,22	14,11	-	-
12,25	-	14,64	-
12,35	14,04	-	-
12,50	-	-	15,0
12,59	-	14,46	-
12,68	13,89	-	-
12,83	-	-	14,82
12,92	-	14,27	-
13,02	13,74	-	-
14,13	-	-	14,13
14,21	-	13,63	-
14,36	13,05	-	-

Проводя обработку экспериментальных данных таблицы 1 с выводом уравнения по стандартным методикам математического анализа с помощью программы EXCEL, получили для параметров предельное содержание хлористого калия - в зависимости от содержания в растворе хлористого магния - %.

где А, В и R² - см. таблицу 2;

R² - величина достоверности аппроксимации.

Таблица 2
№ п/п	Температура, Т, °С	Коэффициенты	R2
А	В, %
1	90	0,5003	20,2347	0,9996
2	95	0,5177	20,9787	0,9998
3	100	0,5302	21,6216	0,9997

Проводя обработку значений коэффициентов А и В таблицы 2 для различных температур, получим уравнения:

А=-а_оТ²+a₁T-a₂,

В=-в_оТ²+в₁T-в₂,

где а_о, a₁, a₂, в_о, в₁, в₂ - вспомогательные коэффициенты;

Т - температура готового раствора, °С - см. таблицу 3.

Таблица 3
№ п/п	Коэффициенты группы а	Коэффициенты группы в	R2
обозначение коэффициента	размерность	значение	обозначение коэффициента	размерность	значение
1	ао	1 /град2	0,000098	во	%/град2	0,002022	1,0000
2	a1	1 /град	0,02161	в1	%/град	0,52287	1,0000
3	a2	-	0,6508	в2	%	10,4454	1,0000

Значение вспомогательных коэффициентов может быть уточнено в случае получения большего массива данных в интервале температур 90-100°С, а также при расширении диапазона температурного интервала.

Таким образом, замеряя температуру готового раствора и содержание в нем хлористого магния, определяют предельное значение содержания хлористого калия в продукционном растворе, которое характеризует его качество (оптимальное значение C_KCl в готовом продукте).

По предлагаемому способу замеряют дополнительно содержание хлористого калия в галитовом отвале, , %, и расход отвала - G_o, т.

Определяя по уравнениям предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, рассчитывают по следующей зависимости оптимальный расход электролита, G_э, т:

где G_э - расход электролита, т;

G_г.р-р - расход готового раствора, т;

G_р.р-р - расход растворяющего раствора, т;

G_o - расход галитового отвала, т;

- предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, %;

- содержание хлористого калия в соответствующих потоках, %.

Выбранные интервалы технологических параметров при разработке способа управления процессом растворения электролита характеризуют промышленную технологию, однако приведенные зависимости распространяются и на значения параметров, выходящих за рамки, принятые в данной заявке.

Содержание хлористого магния в готовом растворе определяют аналитически. Например, объемным методом 1 раз в 2 часа. Такая частота определений вполне достаточна, учитывая большие объемы циркулирующего раствора и инертность системы. Однако могут быть использованы и другие методы - например, спектрофотометрические.

При наличии в хлормагниевом растворе хлористого кальция его содержание в растворе приводится к эквивалентному содержанию в растворе хлористого магния - по уравнению, применяемому на калийных предприятиях.

где - содержание CaCl₂ в готовом растворе, %;

К=0,68-0,0013Т,

где Т - температура раствора.

Таким образом, оперативно измеряя значения технологических параметров процесса растворения электролита с помощью контрольно-измерительных приборов и рассчитывая по предлагаемым зависимостям оптимальный расход электролита с подачей вычисленного значения в качестве задания в систему управления расходом электролита, решают задачу упрощения процесса.

Способ осуществляют следующим образом. На стадию растворения электролита подают нагретый растворяющий раствор и измельченный электролит. Полученную суспензию разделяют с получением осветленного насыщенного горячего раствора и смеси галитового отвала и нерастворимого остатка. Готовый раствор направляют на вакуум-кристаллизацию с получением смеси KCl+NaCl заданного состава и оборотного растворяющего раствора, направляемого на растворение электролита.

Замеряют:

- температуру готового раствора с помощью термопреобразователя с уницифицированным выходным сигналом, например с помощью первичного преобразователя ТСМУ Метран-274;

- расход готового и растворяющего раствора с помощью электромагнитного расходомера, например, типа Метран-370;

- содержание хлористого калия в электролите, галитовом отвале и растворяющем растворе с помощью измерителя калия, например, фирмы «Berthold» LB 377-62;

- содержание хлористого магния в готовом растворе - аналитическим методом или с помощью электрофотометра.

Рассчитывают оптимальный расход электролита:

где определяют:

где А=-а_оТ²+a₁T-а₂,

B=в_oT²+в₁T-в₂.

При этом сигналы с первичных преобразователей поступают на контроллер, где вычисляют оптимальные значения расхода электролита в зависимости от текущих технологических параметров, а затем - в контур регулирования расхода электролита, поступающего на растворение.

Примеры осуществления способа

Пример 1.

Показания приборов:
- расход готового раствора, Gг.p-p, т	144,0
- расход растворяющего раствора, Gp.p.p, т	127,0
- расход галитового отвала, Go, т	2,5
- содержание хлористого калия в растворяющем растворе, , %	7,5
- содержание хлористого калия в электролите. Сэ, %	70,6
- содержание хлористого калия в галитовом отвале, Со, %	20,2
- содержание хлористого магния в готовом растворе, (определяется аналитически 1 раз в 2 часа)	13,11
- температура готового раствора, Т, °С	90

Рассчитывали предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, , %:

где - содержание хлористого калия в готовом растворе, %.

А=-а_оТ²+a₁T-а₂,

где а_о=0,000098,

a₁=0,02161,

a₂=0,6508 - см. таблицу 3 описания изобретения.

A=-0,000098·90²+0,02161·90-0,6508=0,5003,

B=-в_oT²+в₁T-в₂,

в_о=0,002022,

в₁=0,52287,

в₂=10,4454 - см. таблицу 3.

B=-0,002022·90²+0,52287·90-10,4454-20,2347

Определим оптимальный расход электролита:

Вычисленное значение оптимального расхода электролита подали в качестве задания в систему управления расходом электролита.

Способ управления процессом растворения хлористого калия, включающий регулирование подачи руды в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, измерение температуры готового раствора и расхода растворяющего раствора, отличающийся тем, что в качестве руды используют электролит, полученный при электролизе расплава обезвоженного синтетического карналлита, имеющий следующий состав: КСl 60-80%, MgCl₂+CaCl₂ 7-9%, нерастворимые частицы до 1%, NaCl остальное, дополнительно измеряют содержание хлористого магния в готовом растворе, его расход, содержание хлористого калия в галитовом отвале и его расход, по полученным параметрам определяют предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, рассчитывают по следующей зависимости оптимальный расход электролита и вычисленное значение подают в качестве задания в систему управления расходом электролита:
,
где G_э - расход электролита, т;
G_г.р-р - расход готового раствора, т;
G_р.р-р - расход растворяющего раствора, т;
G_o - расход галитового отвала, т;
- содержание хлористого калия в электролите, %;
- предельное содержание хлористого калия в готовом растворе, %;
- содержание хлористого калия в растворяющем растворе, %;
- содержание хлористого калия в галитовом отвале, %.

где - содержание хлористого магния в растворе, %,
А=-а_оТ²+а₁Т-a₂, В=-в_оТ²+в₁Т-в₂,
а_о, а₁, а₂, в_о, в₁, в₂ - вспомогательные коэффициенты;
Т - температура готового раствора, °С,
где коэффициенты А, а₂ - безразмерные; а_о - 1/град²; а₁ - 1/град; В, в₂ - %; в_о - %/град²; в₁ - %/град.