СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЙОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF CRYSTALLINE IODINE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к способам получения кристаллического йода-реактивных квалификаций и может быть использовано для производства йода из высококонцентрированных йодсодержащих растворов техногенного происхождения или из йодных концентратов, получаемых при переработке природных йодсодержащих вод.
Известен способ получения кристаллического йода реактивных квалификаций из йода, получаемого из производственных йодных концентратов путем плавки его под слоем серной кислоты при 120-150°С, дробления остывшего плава, промывки водой для удаления серной кислоты и сушки [В.И. Ксензенко, Д.С. Стасиневич. Химия и технология брома, йода и их соединений. М., "Химия", 1995г., 356-357 с]. Основные недостатки способа заключаются в необходимости использования большого количества серной кислоты (2-Зт на 1т йода), больших потерях йода с отработанной кислотой, низком качестве готового продукта из-за наличия в нем сульфатов, тяжелых условиях труда вследствие прямого контакта рабочего персонала с йодом и наличии других опасных факторов (концентрированная серная ' кислота при высоких температурах).
3
Известен способ получения кристаллического йода реактивных квалификаций сублимацией в потоке газа-носителя, который заключается в том, что через йод, который находится в испарителе продувается газ-носитель, преимущественно воздух, нагретый до температуры 114-400°С, при этом количество газа-носителя и его скорость выбирается так, чтобы насыщенный парами йода газ-носитель на выходе из испарителя имел температуру ниже температуры плавления йода (90-110°С) [Патент ПНР №68017, МКИ С01В7/14]. Общим признаком данного способа с предлагаемым является очистка йода методом сублимации и подача газа-носителя в испаритель. Недостатком способа является высокая температура (300-350°С) ведения процесса, которая вызывает необходимость поиска специальных стойких материалов, так как общедоступные материалы химически неустойчивые в йоде (титан), не выдерживают механического напряжения возникающей из-за разницы температур (эмаль), или плавятся (фторопласт). Применение нетрадиционных материалов (например, сплав ниобия с танталом) для изготовления испарителя сильно удорожает очистку йода. При температуре 90-110°С газа-носителя, насыщенного йодом, который выходит из испарителя, равновесная концентрация паров йода составляет 350-800 г/м. Указанная концентрация ограничивает производительность способа. Сохранение необходимого соотношения количества сублимируемого йода и газа-носителя является достаточно сложной задачей ведения технологического процесса, так как в последствии это соотношение будет меняться в зависимости от сокращения эффективной площади контакта газа-носителя и йода, а следовательно и уменьшения степени насыщения газа-носителя йодом, что приведет к потере йода в ловушке абгазов и уменьшению выхода готового продукта.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения кристаллического йода реактивных квалификаций с использованием сублимации йода-сырца [В.ИКсензенко, Д.С. Стасиневич. Химия и технология брома, йода и их соединений. М., "Химия", 1995г., 351-357 с]. По этому способу йод выделяют из концентратов в виде кристаллов элементарного йода, которые с помощью центрифуги или нутч-фильтра отделяют от маточного раствора, получая так называемую йод-пасту. Затем йод-пасту сушат нагретым воздухом. Йод-сырец подвергают сублимации. Сублимацию йода проводят в специальных печах (испарителях), куда загружают стальные кюветы или керамические тигли с йодом. Печи имеют газовый обогрев. Пары йода, выходящие из печи, конденсируются в холодильниках (конденсаторах), изготовленных из керамических, асбоцементных или фторопластовых труб, охлаждаемых воздухом. В испарителе поддерживают температуру выше температуры плавления йода (114-180°С). Процесс ведут так, чтобы температура паров йода при десублимации была ниже температуры его плавления (113,6°С), в противном случае происходит сильное налипание йода на стенки конденсатора, так как что пары йода в этом случае не десублимируются, а сначала конденсируются с образованием жидкого йода, который потом кристаллизуется в плотную твердую массу. Удаление кристаллов йода из кристаллизатора проводят вручную с использованием специальных скребков или зубила с молотком. Недостатком данного способа являются необходимость обезвоживания (сушки) йод-пасты перед сублимацией, тяжелый ручной труд при высокой загазованности рабочих мест на стадиях обезвоживания и сублимации йода, низкое качество продукта и большие безвозвратные потери йода (5-10%). Для получения йода реактивного марки "Ч" йод приходится иногда подвергать многократной сублимации.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение и удешевление технологического процесса, улучшение условий труда, повышение качества готового продукта, сокращение потерь йода, повышение производительности устройства.
Заявляемый способ и устройство для его осуществления характеризуется как известными признаками:
- выделение йода из растворов и получения йод-пасты;
- обезвоживание йод-пасты;
- сублимация йода;
- использование испарителя йода, конденсатора йода с приемником готового продукта и хвостового вентилятора; так и новыми признаками:
- обезвоживание йод-пасты проводится за счет испарения воды на первом этапе процесса сублимации йода;
- добавка карбоната натрия в йод-пасту перед сублимацией в количестве, что обеспечивает рН конденсата воды не ниже 4,0;
- проведение процесса сублимации обезвоженного йода при температуре паров йода 114-184°С и снижение парциального давления паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимацией за счет разбавления воздухом до давления ниже давления насыщенных паров йода в тройной точке;
- изготовление конденсатора йода из эластичной пленки натянутой на каркасе, внутреннее пространство конденсатора находится под разрежением, что обеспечивает исключение выхода паров йода, при этом приемник йода есть одновременно и тарой для готового продукта.
Выполнение поставленной задачи достигается тем, что полученную при выделении из йодных концентратов и отделенную от маточных растворов йод-пасту сразу направляют на сублимацию, без предварительной сушки, обезвоживание йод-пасты проводят за счет испарения воды на начальной стадии сублимации, перед сублимацией в йод-пасту добавляют небольшое количество карбоната натрия, процесс сублимации обезвоженного йода ведут при температуре йода 114-184°С, парциальное давление паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимацией снижают ниже давления паров йода в тройной точке, а сублимацию йод-пасты осуществляют на устройстве, схема кртороого приведена на Рисунке.
Устройство для получения кристаллического йода состоит из испарителя 1, представляющего собой эмалированную емкость с рубашкой, внутри которой находится теплоноситель, который разогревается с помощью теплоэлектронагревателей. Испаритель накрывается крышкой, в которой предусмотрены отверстия для установки двух трубок: одна для барботажа воздухом расплавленного йода, другая для подачи воздуха на разбавление йодовоздушной смеси. Крепление барботажной трубки предусматривает, возможность регулировки углубления ее под слой жидкого йода. Внутреннее пространство испарителя с помощью фторопластовой трубки соединяется с конденсатором 2. Конденсатор 2 представляет собой каркас, на который натянута эластичная стойкая к йоду пленка. К нижней части конденсатора присоединен приемник йода 3, который является одновременно и тарой для готового продукта. Внутреннее пространство конденсатора находится под разрежением благодаря работе хвостового вентилятора 5, соединенных между собой через ловушку абгазов (скруббер) 4.
Заявляемый способ сублимации йода с помощью устройства осуществляется следующим образом. Йод-паста в количестве до 1,0-1,5 т загружается в испаритель 1, представляющий собой эмалированную емкость с рубашкой, сверху йод-пасты загружается 8-10 кг карбоната натрия. Рубашка испарителя заполнена высокотемпературным теплоносителем с температурой кипения не ниже 250°С (например, полиметилсилоксаном марки ПМС-100), нагреваемым ТЭНами до температуры 150-200°С. При нагревании йод-пасты до температуры кипения воды начинается отгонка воды. Пары воды при этом насыщенны парами йода. Смесь паров воды и йода конденсируется на поверхности конденсатора 2, выполненного из эластичной пленки (например, из фторопласта или лакоткани на основе фторопласта и стекловолокна). С поверхности конденсатора вода стекает, а кристаллы йода периодически стряхиваются (путем легкого постукивания по полимерной пленке) в приемник 3. Вода через отверстие в нижней части приемника вытекает и собирается в сборнике, а йод остается в приемнике 3, который по мере заполнения его йодом снимается и заменяется на новый. рН вытекающей из приемника воды контролируется, чтобы его значение было не выше 4,0. Полученный влажный йод используют для загрузки на следующей операции сублимации.
После того, как отгонка воды заканчивается, а йод, оставшийся в испарителе, расплавится (на практике в зависимости от количества и влажности йод-пасты, которая загружается, это достигается через 1-2 суток), в испаритель 1 начинают подавать воздух. Часть воздуха барботируют через расплав йода (или обдувают им поверхность расплава йода) для насыщения его парами йода. Другую часть воздуха подают в верхнюю часть испарителя для разбавления концентрации паров йода. Смесь воздуха и паров йода поступает в конденсатор, где йод десублимируется на поверхности пленки и периодически стряхивается в приемник, который одновременно является тарой для готового продукта. Отгонка сухого йода продолжается 2-3 суток. За одну операцию получают 0,7-1,2 т сухого готового продукта. Производительность устройства 50-70 тонн/год.
Воздух из конденсатора отсасывается вентилятором 5 через ловушку абгазов 4. С помощью вентилятора в системе испаритель-конденсатор поддерживается небольшое разрежение 2-5 мм вод.ст., что исключает загазованность помещения парами йода.
Процесс сублимации сухого йода ведут при температуре паров йода 114-184°С. При температуре ниже 113,6°С йод становится твердым веществом и процесс испарения его резко замедляется. Температуру выше 184°С достичь невозможно, так как при этой температуре в условиях атмосферного давления йод закипает.
Разбавление воздухом концентрации паров йода, полученных при барботаже воздуха через расплав йода или при обдуве поверхности расплава йода, делают таким образом, чтобы парциальное давление паров йода в полученной смеси не превышало давления насыщенных паров йода в тройной точке (87 мм рт.ст.). В противном случае при конденсации паров происходит образование не кристаллов, а расплава йода, который при затвердевании превращается в бесформенную массу, которая не соответствует критериям кристаллического йода реактивных квалификаций.
Отличительными признаками данного изобретения от прототипа являются:
1. Обезвоживание йод-пасты проводится за счет испарения воды на первом этапе процесса сублимации йода.
2. Добавка карбоната натрия в йод-пасту перед сублимацией в количестве, которое обеспечивает рН конденсата воды не ниже 4,0. Если конденсат воды будет более кислым, то качество готового продукта снижается за счет попадания в него кислот, присутствующих в йод-пасте.
3. Проведение процесса сублимации обезвоженного йода при температуре паров йода 114-184°С и снижение парциального давления паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимации за счет разбавления воздухом до давления ниже давления насыщенных паров йода в тройной точке (87мм рт.ст.)5 что обеспечивает получение высококачественных кристаллов готового продукта, которые легко снимаются с поверхности конденсации.
4. Изготовление конденсатора йода из эластичной пленки, натянутой на каркасе, внутреннее пространство конденсатора находится под разрежением, что обеспечивает исключение выхода паров йода, при этом приемник йода является одновременно и тарой для готового продукта. Это обеспечивает возможность легкого встряхивания кристаллов йода с охлаждаемой поверхности, облегчает условия труда, обеспечивает повышение качества готового продукта и сокращение его потерь за счет исключения прямого контакта персонала с готовым продуктом, уменьшения загазованности помещения парами йода.
Примеры конкретного осуществления.
2
Пример 1. В устройство для получения кристаллического йода реактивных квалификаций, которое содержит испаритель йода, конденсатор йода с приемником готового продукта, ловушку абгазов и хвостовой вентилятор, загрузили 768 кг йод-пасты с содержанием основного вещества 85%, полученной при выделении йода из отходов производства монокристаллов, и 192 кг влажного йода с предыдущей операции с содержанием влаги 10% в испаритель, представляющий собой эмалированную емкость с рубашкой, вместимостью 630л. Сверху йод-пасты загрузили 6,1 кг карбоната натрия. Включили нагрев испарителя. По мере нагрева йод-пасты из нее начинает испаряться вода и йод, которые поступают в конденсатор, который представляет собой аппарат в виде камеры поверхностного охлаждения площадью 7м, выполненной из эластичной фторопластовой пленки, натянутой на металлическом каркасе.
3
3
Вода, что сконденсировалась в конденсаторе, стекает в приемник, куда периодически, легкими постукиваниями по пленке, стряхивается и йод. Из приемника вода через отверстие стекает в сборник, где происходит контроль ее качества по величине рН. Величина рН в процессе отгонки воды изменяется в пределах от 7,0, в начале процесса отгонки воды, до 6,0 в конце процесса отгонки воды. Несконденсированные в конденсаторе пары воды и йода с помощью хвостового вентилятора подаются в ловушку абгазов, где поглощаются щелочным раствором. После полной отгонки воды из испарителя начинают подачу воздуха внутрь испарителя для отгонки сухого йода, как готового продукта, для чего часть воздуха расходом 5 м/ч подают через расплав йода, а другую часть подают в верхнюю часть испарителя для разбавления концентрации паров йода с расходом 20 м/ч. Температуру паров йода на выходе из испарителя поддерживают - 160°С. В процессе отгонки контролируют соотношение между количеством поданного воздуха через расплав и количеством воздуха, поданного на разбавление, чтобы парциальное давление паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимацией было ниже давления насыщенных паров йода в тройной точке. Следят также за соотношением между подачей воздуха в испаритель и отсосом из конденсатора паров йода хвостовым вентилятором через ловушку абгазов, оно должно быть таким, чтобы в системе испаритель-конденсатор поддерживалось небольшое разрежение (15 мм вод.ст.), обеспечивающее предотвращение выхода паров йода за пределы конденсатора в случае наличия неплотности в нем или нарушения цельности. Сухой йод поступает в приемник, являющийся тарой для готового продукта, который по мере наполнения заменяют новым. После полной отгонки йода нагрев отключают. Остаток солей, образовавшийся в испарителе, после охлаждения выгружают и отправляют на выделение и кристаллизацию йод-пасты. Туда же направляют и раствор из ловушки абгазов. При загрузке в сублиматор 768 кг йод-пасты с массовой долей йода 85% и 192 кг влажного йода с предыдущей операции, содержащий 10% влаги было получено:
- 616,7 кг готового продукта, или 614,5 кг в пересчете на 100% йод;
- 192,0 кг влажного йода, или 172,8 кг в пересчете на 100% йод;
- 111,8 кг конденсата, содержащего 0,3 кг йода;
- 16,8 кг солей, содержащих 12,3 кг йода;
- 150,0 кг растворов из ловушки абгазов, содержащих 23,1 кг йода.
При этом безвозвратные потери йода (механические потери, выбросы в -атмосферу и др.) составили 3,5 кг.
Выход продукта по отношению к йоду, загруженному с йод-пастой, составляет 94%.
Возвратные потери йода, направленные на выделение и кристаллизацию йод-пасты составляют 5,5%.
Безвозвратные потери составляют 0,4% от количества йода, который загружается с йод-пастой.
Время проведения одной операции 110 часов, из них отгонка воды составляет 45 часов, отгонка готового продукта - 60 часов, нагрев и охлаждение испарителя 5 часов. Производительность устройства в режиме отгонки сухого йода - 15 кг/час.
Сравнительная характеристика качества готового продукта, полученного методом сублимации, и исходного сырья с показателями качества в соответствии с ГОСТ 4159 представлены в табл. 1.
Пример 2. Процесс отгонки йода с помощью устройства для получения йода кристаллического реактивных квалификаций производился как в примере 1, который отличался тем, что перед сублимацией в йод-пасту добавляли различные количества карбоната натрия и определяли диапазон · изменения рН конденсата воды. В зависимости от величины рН конденсата определялось качество готового продукта. Результаты измерений представлены в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что независимо от вида йод-пасты расход карбоната натрия должн обеспечивать рН конденсата воды не ниже 4,0. Так при изменении рН конденсата воды от 7,0 до 4,0 качество готового продукта удовлетворяет требованиям ГОСТ 4159, уменьшение величины рН ниже 4,0 приводит к несоответствию качества продукции ГОСТу.
Пример 3. Процесс отгонки йода с помощью устройства для получения йода кристаллического реактивных квалификаций производился, как и в примере 1, который отличался тем, что процесс сублимации обезвоженного йода производили при различных температурах, результаты представлены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что производительность устройства при понижении температуры паров йода менее 114°С снижается. Температуру свыше 184°С. достичь невозможно, так как при этой температуре и при атмосферном давлении йод закипает.
Пример 4. Процесс отгонки йода с помощью устройства для получения йода кристаллического реактивных квалификаций производился, как и в примере 1, который отличался тем, что в процессе сублимации сухого йода подачу воздуха на барботаж и разбавление осуществляли в разных соотношениях, что представлено в табл. 4.
Из табл. 4 видно, что увеличение парциального давления паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимацией до давления выше насыщенных паров йода в тройной точке (87 мм рт.ст.) приводит к образованию плава йода при конденсации, ухудшению его товарного вида и потребительских свойств.
Таким образом, приведенные выше примеры показывают, что использование данного технического решения, которое заключается в обезвоживании йод-пасты за счет испарения воды на первом этапе процесса сублимации йода, добавлении карбоната натрия в йод-пасту, загружаемого в количестве, что обеспечивает рН конденсата воды не ниже 4,0, проведении процесса сублимации в широком интервале температур от 114 до 184°С с парциальным давлением паров йода в йодовоздушной смеси перед десублимацией ниже давления насыщения в тройной точке (87 мм рт.ст.) за счет разбавления их воздухом на устройстве получения йода кристаллического реактивных квалификаций, конденсатор которого выполнен из эластичной пленки натянутой на каркасе, внутреннее пространство конденсатора находится под разрежением, что обеспечивает предотвращение выхода паров йода, с приемником йода который является одновременно тарой для готового продукта, позволяет упростить и удешевить процесс получения йода, улучшить условия труда, повысить качество готового продукта, сократить потери йода и повысить производительность оборудования.