СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ
METHOD OF CONTROLLING POTASSIUM CHLORIDE PRODUCTION PROCESS

Изобретение относится к технике управления процессом получения хлористого калия галургическим методом вводом воды в разбавленный водой осветленный насыщенный раствор, поступающий со стадий растворения сильвинитовых руд и осветления жидкой фазы из запиточного стакана в корпуса установки вакуум-кристаллизации.
Известен способ управления процессом получения хлористого калия, стабилизирующий содержание хлористого калия в продукте путем изменения расхода слабого раствора солей в глинистый шлам и горячий насыщенный щелок - см. авт.св. СССР №463633, кл. C01D 3/04, публ. 1973.
2
2
Способ отличается сложностью, так как его реализация невозможна без осуществления полного химического анализа входных потоков для определения состава твердых и жидких фаз. Аналитический контроль является длительным процессом, так как включает в себя отбор проб на подготовку к анализу и определение содержания компонентов в системе KCl-NaCl-HO в присутствии MgCl и др. примесей.
Результаты анализа поступают на производство с задержкой 3-4 часа, и в крупнотоннажном производстве хлористого калия (более 1 млн. тонн в год) они существенного влияния на ход процесса не оказывают. Поэтому результатами полного химического анализа пользуются как статистическим материалом.
На практике для обеспечения гарантированного качества кристаллизата хлористого калия, не загрязненного хлористым натрием, в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки (ВКУ) для формирования раствора, поступающего со стадий растворения сильвинитовой руды и осветления горячего насыщенного раствора, подают повышенный расход воды. Это приводит к потерям хлористого калия за счет вывода из процесса избыточных растворов, содержащих KCl.
Известен способ управления процессом получения хлористого калия путем изменения расходов входных потоков - прототип см. авт.св. СССР №948884, кл. C01D 3/04, G05D 27/00, публ. 07.08.82. Бюл. №20.
Способ предусматривает стабилизацию содержания хлористого калия в продукте путем регулирования расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от температуры этого раствора и концентрации в нем хлористого калия.
Известный способ отличается сложностью, так как не учитывает содержание в осветленном насыщенном растворе, поступающем со стадии растворения сильвинитовых руд в запиточный стакан ВКУ, хлористого натрия, в том числе в виде твердой фазы, и хлористого магния. Кроме того, реализация способа требует трудоемких расчетов материального баланса, что в условиях меняющихся составов осветленного раствора делает такой способ управления малоэффективным из-за высокой погрешности.
При недостатке воды, расходом которой регулируют качество получаемого продукта, продукт загрязняется хлористым натрием, поэтому известный способ предусматривает подачу воды в аппарат отделения раствора от кристаллизата. Но этот прием не всегда дает положительный эффект, так как кристаллы хлористого натрия обрастают кристаллами хлористого калия и не вымываются водой. Повышенный расход воды ведет к ее дебалансу в процессе и потерям целевого продукта. Способ не исключает применения методов аналитического контроля для определения содержания основного компонента - хлористого натрия.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в корпусы ВКУ при охлаждении осветленного разбавленного раствора, поступающего на охлаждение. Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа дополнительно измеряют расход осветленного насыщенного раствора, содержание в нем твердого кристаллического хлористого натрия и хлористого магния и расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки - ВКУ и температуру жидкой фазы в корпусах.
По полученным параметрам рассчитывают расходы воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпусы установки по следующим зависимостям и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды
- расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ, где i=1, 2, 3, 4 … N - определяется числом корпусов, т;
- расход испаренной воды в i корпусе, т;
KCl
NaCl
- расход воды в корпусах, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α=1 и по хлористому натрию α=1, т;
KCl
NaCl
- расход испаренной воды в 1 корпусе до степени насыщения раствора по хлористому калию α=1 и по хлористому натрию α=1, т.
Для первого корпуса ВКУ  т.е.
-
где  и расход воды, которую необходимо удалить в i и (i-1) корпусах, т;
- расход раствора в (i-1) корпусе, т;
- содержание воды в растворе (i-1) корпусе, %.
где i=1, 2, 3 … N корпусов;
2
2
- концентрация MgCl в осветленном растворе, т/1000 т НО;
i
t - температура в i корпусе ВКУ, °С.
разб.р-р
Расход разбавленного водой осветленного раствора G, т:
где  и  - расходы осветленного раствора и воды, поступающих в приемный бак ВКУ, т.
где  - расход раствора в (i-1) корпус, т;
2
- концентрация хлористого натрия в разбавленном растворе, т/1000 т HO;
KCl
NaCl
2
- концентрация насыщения раствора по хлористому натрию при α и α, равной 1, т/1000 т HO.
i
где t - температура раствора, °C;
2
2
- концентрация MgCl в осветленном растворе, т/1000 т HO.
2
где  - концентрация по хлористому натрию осветленного раствора, т/1000 т HO, включая NACl в твердой фазе.
NaCl
NaCl Hi
KCl
NaCl
где K - повышающий коэффициент для C при степени насыщения раствора по хлористому калию α<1 и α=1.
KCl
KCl
2
2
NaCl
где α - степень насыщения осветленного раствора в зависимости от концентрации в нем KCl, C, % концентрации в растворе MgCl,  т/1000 т HO, и температуры при α=1.
NaClтв
где K - коэффициент повышения концентрации NaCl за счет присутствия в осветленном растворе кристаллического хлористого натрия;
NaClтв
2
C - концентрация в растворе кристаллического хлорида натрия, т/1000 т HO.
Содержание воды, %, в жидкой фазе i-го корпуса ВКУ равно
KCli
KCl
NaCl
2
где C - концентрация насыщения раствора по хлористому калию в любом корпусе ВКУ при α=1 и α=1, т/1000 т HO.
NaCli
KCl
NaCl
2
где C - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α=1 и α, т/1000 т HO.
2
- концентрация хлористого магния в растворе I-го корпуса, т/1000 т HO.
Содержание воды в разбавленном осветленном растворе, поступающем в 1 корпус, %:
2
где  - концентрация KCl в разбавленном растворе, т/1000 т HO:
2
2
где  - концентрация MgCl в разбавленном растворе, т/1000 т HO.
KCli
KCli
2
C′ определяется по формуле для C для температуры в приемном баке ВКУ, т/1000 т HO.
KCl
NaCl
Для первого корпуса количество воды, которую необходимо испарить из раствора для получения раствора, насыщенного по KCl и NaCl, т.е. α=1 и α=1,  т:
KCl
В приведенных уравнениях для  α,  и др. размерность входящих в уравнение технологических параметров - температуры, концентрации и др. уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед параметрами и свободными членами.
В отличие от известного способа расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки определяется либо по прямым измерениям расхода пара из корпусов, либо расчетным путем по уравнениям теплового баланса и использованием технологических параметров, приведенных выше.
исп.
где Q - количество тепла, поглощаемого на самоиспарение воды из раствора, ккал/кг;
i
C - теплоемкость раствора, ккал/кг·град - по опыту калийных производств, она численно равна содержанию воды  в растворе i-го корпуса.
где
Теплота кристаллизации KCl определяется по уравнению:
кр.KCl
i
Q=-0,3391·t+60,356,
кр.KCl
где Q - теплота кристаллизации KCl, ккал/кг;
i
t - температура кристаллизации, °C.
кр.KCl
Количество выпавшего кристаллизата KCl, G, т, в i-м корпусе:
где все величины определялись ранее.
Количество тепла, выделившегося от кристаллизации KCl, , ккал:
где  - количество кристаллизата, кг.
Теплота парообразования из раствора в i-том корпусе ВКУ равна:
где  - теплота парообразования, ккал/кг раствора.
Количество испаренной воды в i-м корпусе,  т:
Сущность способа как технического решения заключается в следующем.
По предлагаемому способу осуществляют регулировку расхода воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры, при этом, в отличие от известного способа, по предлагаемому способу дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия, хлористого магния, расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды по корпусам вакуум-кристаллизационной установки, температуру жидкой фазы в корпусах и по полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор в корпуса установки вакуум-кристаллизации.
При производстве хлористого калия галургическим методом после растворения сильвинитовых руд образуется горячий раствор, насыщенный хлоридами калия и натрия и содержащий незначительное количество хлористого магния и хлористого натрия в кристаллическом виде. После осветления от нерастворимых этот раствор поступает на установки вакуум-кристаллизации, где раствор под вакуумом кипит и за счет этого охлаждается с выделением в твердую фазу кристаллического хлористого калия.
2
2
2
Осветленный раствор, поступающий на ВКУ, имеет степень насыщения по NaCl, равную 1,0; по KCl - от 0,92 до 1,0, содержит до 15 т на 1000 т HO кристаллического хлористого натрия в твердой фазе и до 14 т на 1000 т HO - MgCl. При этом соотношение хлоридов калия и натрия в растворе и их содержание зависит от температуры, которая колеблется в интервале от 93 до 97°C, и от степени насыщения раствора по KCl. Чем меньше степень насыщения раствора по KCl, тем выше содержание в растворе хлористого натрия. При подаче такого раствора на ВКУ и его охлаждении под вакуумом за счет испарения воды происходит вначале кристаллизация хлористого натрия и только когда при температуре охлаждения степень насыщения раствора по KCl достигнет 1, в твердую фазу начнет кристаллизоваться хлористый калий.
При этом кристаллы NaCl будут обрастать хлористым калием, в результате чего будет получаться некондиционный целевой продукт, загрязненный NaCl, несмотря на то, что с понижением температуры растворимость хлористого калия снижается, а хлористого натрия возрастает. В корпусы ВКУ подают воду для частичной компенсации воды, удаляемой за счет ее испарения из раствора под вакуумом. Для предотвращения загрязнения целевого продукта хлористым натрием в приемный бак ВКУ подают воду в количестве, необходимом для растворения кристаллического хлористого натрия в исходном растворе и понижения степени насыщения раствора по NaCl до степени насыщения раствора по KCL при начальной температуре кристаллизации.
NaCl
KCl
2
При кристаллизации хлористого калия на ВКУ при охлаждении раствора до температуры 30-40°С за счет его испарения под вакуумом необходимым условием является получение раствора со степенью его насыщения по NaCl - α≤1, в противном случае будет образовываться кристаллизат КСl, загрязненный хлористым натрием. При этом раствор по KCl всегда будет насыщен по хлористому калию, то есть α=1, Следовательно, в процессе всей кристаллизации хлористого калия хлористый натрий должен быть невыпадающим компонентом. Растворимость хлористого калия с понижением температуры резко снижается, а растворимость хлористого натрия растет. Поэтому воду, которая испаряется из раствора под вакуумом, необходимо компенсировать с учетом получения раствора в корпусе со степенью насыщения по хлористому натрию и хлористому калию равной 1 в присутствии MgCl.
В отличие от известных способов для определения расхода воды по корпусам разработаны эмпирические уравнения с использованием технологических параметров, оперативно определяемых с помощью контрольно-измерительных приборов.
По показаниям приборов имеем:
осв.р-р
G - расход осветленного раствора, поступающего на ВКУ, т;
- расход воды в приемный бак ВКУ, т;
- расход воды, испаренной в i корпусе, т.
paзб.р-р
Расход разбавленного раствора G составляет
KCl
C - содержание KCl в осветленном растворе, %;
п
t - температура разбавленного раствора в приемном баке ВКУ, °C;
i
t - температура раствора в i корпусе ВКУ, °C, где i - 1, 2, 3 … N и определяется числом корпусов.
Расход воды в i корпус или группу корпусов ВКУ , т, определяется из уравнения
KCl
NaCl
- расход воды в i корпус, которую необходимо удалить из раствора для получения в нем степени насыщения по хлористому калию α=1 и по хлористому натрию α=1, т;
Для первого корпуса ВКУ  т.е.
NaCl
KCl
Определим расход воды, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении для получения насыщенного раствора по хлористому натрию α=1 и по хлористому калию α=1.
Из экспериментальных данных имеем:
Таблица 1
№ п/п
Температура раствора, °C
Расход воды, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении для получения насыщенного раствора по NaCl α<sub>NaKCl</sub>=1 и по KCl α<sub>KCl</sub>=1
Уравнения для определения расхода воды для получения раствора со степенью насыщения α<sub>NaCl</sub>=1 и α<sub>KCl</sub> 1
<img file="00000066.tif" he="6" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000067.tif" he="20" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000068.tif" he="20" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
95
0
0
0
<img file="00000069.tif" he="6" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
90
0,817
0,757
0,694
<img file="00000070.tif" he="7" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000071.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
85
2,100
1,965
1,824
4
80
3,843
3,620
3,385
<img file="00000072.tif" he="6" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" />
5
75
6,038
5,713
5,371
<img file="00000073.tif" he="7" wi="52" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000071.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
6
70
8,675
8,235
7,774
7
65
11,743
11,177
10,582
<img file="00000074.tif" he="6" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
8
60
15,229
14,525
13,786
<img file="00000075.tif" he="7" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000071.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
9
55
19,117
18,266
17,372
10
50
23,391
22,384
21,326
11
45
28,033
26,863
25,633
12
40
33,026
31,686
30,276
13
35
38,349
36,834
35,238
14
30
43,982
42,288
40,502
2
Обработку экспериментальных данных таблиц с выводом уравнений проводили по стандартным методикам математического анализа с помощью программы Excel. R - величина достоверности аппроксимации.
2
2
2
Анализируя приведенные данные, определим поправочные коэффициенты перед показателем lnt и для свободного члена с учетом содержания в растворе хлористого магния в интервале от 0 до 14 т/1000 т HO. На 1 т MgCl на 1000 т HO поправки составят соответственно: (-0,2357) и (-1,05).
2
Подставляя значения поправок в уравнение для  при  получим зависимость расхода удаляемой воды при охлаждении раствора от максимальной температуры до значения t с учетом содержания в растворе хлористого магния при концентрации  т/1000 т HO.
i=1, 2, 3 … N корпусов;
2
- количество воды в любом корпусе, которую необходимо удалить из раствора при его охлаждении с 95°С до температуры в i-м корпусе, т/1000 т HO;
i
t - температура в i-м корпусе, °С;
2
- содержание хлористого магния в осветленном растворе, т/1000 т HO.
KCl
В приведенных уравнениях для  α,  и др. размерность входящих в уравнение технологических параметров - температуры, концентрации и др. уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед параметрами и свободными членами.
2
2
Рассчитываем  для i корпуса ВКУ, т/1000 т HO, и  для предыдущего корпуса или группы корпусов, т/1000 т HO.
Определяем
р-р i
Расход раствора в i-й корпус, G, равен
где
2
- концентрация хлористого натрия в разбавленном растворе, т/1000 т HO;
NaCl Hi
2
C - концентрация насыщения раствора по хлористому натрию в i-м корпусе, т/1000 т HO.
где
осв.р-р
G и  - расходы осветленного раствора и воды, поступающих в приемный бак ВКУ, т.
NaCl
2
2
2
KCl
Из экспериментальных данных концентрация насыщения раствора по NaCl C, т/1000 т HO, в зависимости от температуры и содержания в растворе MgCl,  т/1000 т HO, при степени насыщения раствора по KCl - α=1 составляет:
2
n
NaCl
2
NaCl
2
2
Из приведенных данных поправки на содержание в растворе MgCl перед коэффициентом lt и для свободного члена в уравнениях для определения концентрации насыщения раствора по NaCl, C, т/1000 г HO при α=l для содержания хлористого магния в растворе  от 0 до 14 т/1000 г HO, на 1 т MgCl составляют соответственно (-0,1786) и (-1,5643). Подставляя эти значения в уравнения для  получим:
2
где  - концентрация насыщения по хлористому натрию осветленного раствора, т/1000 т HO.
NaCl
NaCl
KCl
NaCl
где К - повышающий коэффициент для CH при степени насыщения раствора по хлористому калию α<1 и α=1.
NaCl Носнв.р-р
KCl
Определим концентрацию насыщения по NaCl-C в зависимости от степени насыщения раствора по хлористому калию - α<1 при  так как при снижении содержания в растворе хлористого калия растворимость хлористого натрия в нем растет.
Из экспериментальных данных имеем:
Таблица 3
№ п.п
Температура раствора, °С
Концентрация насыщения раствора по NaCl, т/1000 т H<sub>2</sub>O
Уравнения
αKCl=0,90
α=0,92
α=0,94
α=0,96
1
97
285,15
283,08
281,00
278,92
<img file="00000101.tif" he="6" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" /> R<sup>2</sup>=1
2
95
284,80
282,75
280,70
278,65
<img file="00000102.tif" he="5" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" /> R<sup>2</sup>=1
KCl
NaCl осв.р-р
2
KCl
Из приведенных данных поправки для коэффициентов перед α и для свободного члена в уравнениях таблицы 3, на 1°C составляют соответственно -0,7 и -0,9. Подставляя эти значения поправок в уравнение для температуры 97°C, получим уравнение для расчета концентрации NaCl, C, т на 1000 т HO в зависимости от температуры и степени насыщения раствора по KCl - α.
Из экспериментальных данных имеем (см. таблицу 4).
KCl
2
2
2
Из приведенных данных поправки для коэффициента перед C и для свободного члена в уравнениях для содержания в растворе MgCl,  в интервале от 0 до 14 т на 1000 т HO на 1 т MgCl, составляют соответственно: 0,00007143 и -0,006733, при этом по всем интервалам температур от 93 до 97°С эти поправки практически не меняются.
Таблица 4
№№ п/п
Содержание KCl при степени насыщения NaCl, α<sub>NaCl</sub>=1
Содержание MgCl<sub>2</sub> в растворе, <img file="00000105.tif" he="7" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" /> т/1000 т H<sub>2</sub>O
Степень насыщения раствора по KCl, α<sub>KCl</sub>
Уравнения для определения степени насыщения раствора по KCl, α<sub>KCl</sub>
0,92
0,94
0,96
0,98
1,00
1
Температура раствора -97 °C
Содержание KCl в растворе C<sub>KCl</sub>, %
0
19,82
20,17
20,51
20,85
21,18
α<sub>KCl</sub>=0,0589·C<sub>KCl</sub>-0,2475 R<sup>2</sup>=1
7
19,61
19,95
20,29
20,62
20,95
α<sub>KCl</sub>=0,0594·C<sub>KCl</sub>-0,2441 R<sup>2</sup>=1
14
19,39
19,72
20,06
20,39
20,72
α<sub>KCl</sub>=0,05988·C<sub>KCl</sub>-0,2407 R<sup>2</sup>=1
2
Температура раствора - 95°C
Содержание KCl в растворе C<sub>KCl</sub>,%
0
19,56
19,91
20,24
20,58
20,91
α<sub>KCl</sub>=0,05949·C<sub>KCl</sub>-0,2428 R<sup>2</sup>=1
7
19,35
19,68
20,02
20,35
20,68
α<sub>KCl</sub>=0,05995·C<sub>KCl</sub>-0,24 R<sup>2</sup>=1
14
19,13
19,46
19,80
20,13
20,45
α<sub>KCl</sub>=0,06046·C<sub>KCl</sub>-0,2367 R<sup>2</sup>=1
3
Температура раствора - 93°C
Содержание KCl в растворе C<sub>KCl</sub>, %
0
19,30
19,64
19,98
20,31
20,64
α<sub>KCl</sub>=0,06006·C<sub>KCl</sub>-0,2394 R<sup>2</sup>=1
7
19,09
19,42
19,75
20,08
20,41
α<sub>KCl</sub>=0,06057·C<sub>KCl</sub>-0,2361 R<sup>2</sup>=1
14
18,87
19,20
19,53
19,86
20,18
α<sub>KCl</sub>=0,06109·C<sub>KCl</sub>-0,2328 R<sup>2</sup>=1
2
Аналогично для  т/1000 т HO определяли из таблицы 4 поправку для указанных коэффициентов на 1°C изменения температуры, которая составляет соответственно 0,0004825 и (-0,003275).
KCl
NaCl
i
Подставляя эти значения поправок в уравнения для температуры 97°С и  получим уравнение для определения степени насыщения α для условий α=1,0;  t=93-97°С.
Степень насыщения по KCl осветленного раствора:
i
где t - температура раствора, °C;
2
2
- содержание MgCl в растворе, т/1000 т HO:
KCl
C - содержание KCL в растворе, %;
NaClтв.
NaClтв
2
ΣNaCl
2
K - прирост степени насыщения раствора по NaCl за счет содержания в нем кристаллического хлористого натрия, который определяется, как отношение концентрации кристаллического хлористого натрия - твердой фазы NaCl в насыщенном растворе - K, т/1000 т HO к суммарной концентрации хлористого натрия в твердой и жидкой фазах C раствора, т/1000 т HO, т.е.:
NaClтв.
где C определяется с помощью приборов-нефелометров либо аналитически;
NaCl Hосв.р-р
aCl
KCl
C - концентрация насыщенного раствора по N при α=1,
NaCl
NaCl Hi
2
KCl
NaCl H
2
Для определения коэффициента K необходимо определить концентрацию насыщения раствора по NaCl, C, в зависимости от температуры и содержания MgCl при α=1, где C и  - т/1000 т НО.
Из экспериментальных данных имеем:
n
2
2
2
Из приведенных данных поправки для коэффициентов перед lt для свободного члена в уравнениях для содержания хлорида магния в растворе в интервале от 0 до 14 т/1000 т НО, на 1 т MgCl на 1000 т HO составляют соответственно: (-0,1786) и (-1,5643).
2
2
Подставляя эти значения поправок в уравнение для MgCl=0, получим уравнение для определения концентрации насыщения раствора по NaCl в зависимости от температуры и содержания MgCl в нем:
Содержание воды , %, в жидкой фазе i корпуса ВКУ равно
KCli
KCl
NaCl
2
где C - концентрация насыщения раствора по хлористому калию в любом корпусе ВКУ при α=1 и α=1, т/1000 т HO.
KCli
2
2
2
Из экспериментальных данных определим концентрацию насыщения раствора по KCl C, т/1000 т HO в зависимости от температуры и содержания в растворе MgCl - , т/1000 HO.
2
KCl
2
NaCl
2
2
2
Из приведенных данных поправки на содержание в растворе MgCl перед коэффициентом t и для свободного члена, в уравнениях для определения концентрации насыщения раствора по KCl C т/1000 т HO, при α=1 для содержания хлористого магния в растворе в интервале  от 0 до 14, т/1000 т HO, на 1 т MgCl/1000 т HO, составляют соответственно, (-0,0038) и (-0,26). Подставляя эти значения поправок в уравнение для  получим:
NaCl Hi
KCl
NaCl
где C - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α=1 и α=1.
2
- концентрация хлористого магния в растворе i корпуса, т/1000 т НO).
Содержание воды в разбавленном осветленном растворе, поступающем в 1 корпус, %:
2
где  - концентрация KCl в разбавленном растворе, т/1000 т HO:
где
KCli
KCli
2
C′ определяется по формуле для C для температуры в приемном баке ВКУ, т/1000 т HO.
NaCl Hi
KCl
NaCl
где C - концентрация хлористого натрия в любом корпусе ВКУ при α=1 и α=1.
2
- концентрация хлористого магния в растворе i-го корпуса, т/1000 т HO.
KCl
NaCl
Для первого корпуса количество воды, которую необходимо испарить для получения раствора, насыщенного по KCl и NaCl, т.е. α=1 и α=1,  т:
2
Таким образом, замеряя оперативно температуру раствора, содержание в нем хлористого калия и взвеси кристаллического хлористого натрия, расход воды для разбавления осветленного раствора, расход испаренной воды и температуру в корпусах ВКУ с помощью приборного контроля, а содержание MgCl в растворе аналитически 1 раз в 12-24 часа и подавая эти параметры на контроллер, по уравнениям рассчитывают оптимальный расход воды в корпуса ВКУ и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды.
2
2
2
Приведенные эмпирические уравнения охватывают диапазон изменения технологических параметров: температуры, содержания в растворе хлоридов калия, натрия и магния, кристаллического хлористого натрия применительно к действующим галургическим фабрикам. Однако в случае изменения этих параметров в более широком диапазоне, например в периоды пуска и остановки производства, промывки оборудования и др., это практически не повлечет за собой изменения коэффициентов эмпирических уравнений, так как система KCl-NaCl-HO в присутствии MgCl не образует пересыщенных растворов, а влияние на процесс температуры и содержание в растворе MgCl имеют практически линейный характер.
В случае подачи в приемный бак ВКУ раствора циклонной пыли совместно с водой количество разбавленного раствора определится уравнением
Концентрация насыщения раствора по NaCl после разбавления водой осветленного раствора в приемном баке ВКУ с подачей в него раствора циклонной пыли составит
p-pi
в уравнение для расхода раствора в i корпус G заменяют на  и
i
i-1
Приведенные уравнения позволяют определять количество испаренной воды не с помощью расходомеров, а по перепаду температур между корпусами или группами корпусов, то есть по t и t.
исп
Из известных уравнений теплофизики, которые не являются предметом данного изобретения, количество тепла, поглощаемого на самоиспарение воды из раствора под вакуумом, Q, ккал, равно
исп
i
i
i-1
i
Q=C·G·(t-t),
i
где C - теплоемкость раствора в корпусах (по опыту работы калийных производств она численно равна содержанию воды в растворе при температуре охлаждения), ккал/кг·град;
i
G - количество раствора, поступающего в i-й корпус;
i
i-1
t и t - температуры в i-м и (i-1) корпусах ВКУ.
кр.KCl
Теплота кристаллизации KCl, Q, ккал/кг определяется по уравнению:
кр.KCl
i
Q=-0,3391·t+60,356,
i
где t - температура кристаллизации, °C.
i
i-1
2
Из уравнения табл.6 определяем концентрацию насыщения раствора по KCl в i-том и (i-1) корпусах ВКУ при температурах t - и t, т/1000 т HO. Количество выпавшего кристаллизата KCl в i корпусе равно
где все величины определялись ранее.
кр.KCl
Количество тепла, выделившегося от кристаллизации KCl, Q′, ккал:
кр.KCl
кр.KCl
кр.KCl
Q′=Q·G,
кр.KCl
где G - количество кристаллизата, кг.
Теплота парообразования из раствора в i-м корпусе ВКУ равна:
парообр
i
Q=-0,586·t+598,2,
парообр
где Q - теплота парообразования, ккал/кг раствора.
исп.i
Количество испаренной воды в i-м корпусе, G, т:
Предлагаемый способ позволяет получить 100% кристаллизат при условии ввода технически обоснованного количества воды в корпусы ВКУ взамен испаренной под вакуумом воды с учетом повышения растворимости хлористого натрия при охлаждении раствора. При необходимости получения кристаллизата, содержащего хлористый натрий, например 95% KCl, расход воды в приемный бак ВКУ должен быть сокращен на 5-10%.
Из описания сущности изобретения видно, что при реализации предполагаемого изобретения решается задача упрощения процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в корпусы ВКУ при получении хлористого калия.
Способ осуществляют следующим образом. Горячий осветленный насыщенный раствор направляют в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки, куда одновременно подают воду для его разбавления в заданном соотношении.
Замеряют:
- температуру раствора с помощью термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом, например с помощью первичного преобобразователя MFS2000 и преобразователя MFS081;
- расходы раствора и воды - с помощью индукционного расходомера типа СОРА ХЕ, откалиброванного на т/ч;
- массовую долю калия - измерителем калия, например фирмы Berthold LB 377-62;
- массовую долю кристаллизационного хлористого натрия анализатором мутности жидкости и концентрации взвеси, например ИКО-14;
2
- содержание MgCl в растворе - 1 раз в сутки аналитически;
- аналогично измеряется расход раствора циклонной пыли и содержание в нем KCl при подаче раствора циклонной пыли;
- расход пара из корпусов ВКУ с помощью расходомеров пара.
Сигналы с первичных преобразователей поступают на контроллер и ПЭВМ, где вычисляются оптимальные значения для задания расхода воды, которое поступает в контур регулирования расходом воды на ВКУ.
Распределение воды по корпусам определяется производителем хлористого калия: вода может подаваться в каждый корпус ВКУ; вся вода, необходимая для подачи по корпусам, может подаваться в запиточный стакан ВКУ; вода в корпусы может подаваться в виде промывочной жидкости корпусов ВКУ.
Первый вариант является предпочтительным, особенно в случае использования установки регулируемой кристаллизации, так как позволяет существенно улучшить гранулометрический состав кристаллизата - KCl за счет растворения его пылевых фракций и сокращения числа зародышей кристаллизации.
Примеры осуществления способа
Пример 1.
Имеем 14-корпусную вакуум-кристаллизационную установку.
Показания приборов:
температура осветленного раствора, t<sub>осв.p-p</sub>
96°C
температура в 1 корпусе, t<sub>1</sub>
85°C
температура в 14 корпусе ВКУ, t<sub>14</sub>
35°C
температура в приемном баке ВКУ после
разбавления раствора водой, t<sub>n</sub>
96°C
расход раствора, G<sub>осв.p.p</sub>
1900 т
расход воды в приемный бак ВКУ,
<img file="00000140.tif" he="7" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
расход испаренной воды,
<img file="00000141.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
содержание в растворе хлористого калия, C<sub>KCl</sub>
20,02%
содержание в растворе кристаллического
хлористого натрия, C<sub>NaClтв</sub>
10 т/1000 т H<sub>2</sub>O
содержание в осветленном растворе
хлористого магния,  определяется
аналитически 1 раз в 24 ч
6 т/1000 т H<sub>2</sub>O
KCl
Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по NaCl при α=1.
KCl
Рассчитаем степень насыщения осветленного раствора по хлористому калию, α.
KCl
Рассчитаем концентрацию хлористого натрия в осветленном растворе при α<1, -0,99.
NaClocв.p-p
i
KCL
i
C=-[103,8-0,7·(97-t)]·α+378,6-0,9)·(97-t)=
=-[103,8-0,7·(97-96)]·0,99+378,6-0,9·(97-96)=
2
=275,63 т/1000 т HO
NaCl
Рассчитаем коэффициент повышения концентрации насыщения раствора по хлористому натрию, K.
разб.р-р
Расход разбавленного раствора G:
осв.р.р
G - расход осветленного раствора, т/ч.
- расход воды на разбавление раствора в запиточный стакан ВКУ, т/ч.
разб.p-p
G=1900+138,18=2038,18 т/ч
2
Определим содержание MgCl в разбавленном растворе:
Содержание воды в разбавленном растворе
Рассчитаем расход воды, необходимый для удаления при температуре 85 и 35°C,  и
Расход воды, необходимый для удаления из раствора с температурой 85°C при его охлаждении до температуры 35°C составит:
KCl
NaCl
исп.1
Количество воды, которую необходимо испарить в 1 корпусе ВКУ для получения раствора со степенью насыщения α и α, равной 1, G′, определим:
NaClтв
Рассчитаем коэффициент прироста насыщения раствора по хлористому натрию за счет присутствия в нем кристаллического NaCl, C
NaCl
Рассчитаем концентрацию насыщения осветленного раствора с учетом поставок K и
Расход раствора в 14 корпусе ВКУ равен:
Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по хлористому натрию в 1 корпусе ВКУ при температуре 85°С.
Рассчитаем содержание KCl в 1 корпусе.
2
Определим содержание MgCl в 1 корпусе
Определим содержание воды в жидкой фазе 1 корпуса,
KCl
Рассчитаем концентрацию KCl в осветленном растворе при α=1 при 96°C
Концентрация KCl в разбавленном растворе,
Дополнительный расход воды в приемный бак ВКУ или в 1 корпус составит:
2
По показаниям приборов на ВКУ испарилось 125 т HO.
Пример 2
2
Показания приборов и содержание MgCl в осветленном растворе примем в соответствии с примером 1.
Определим расход воды в 5 и 6 корпусах ВКУ. Температура в 5 корпусе - 63°C, в 6 корпусе - 56°C.
разб.р-р
NaClосв.р-р
2
Расход разбавленного раствора, в соответствии с примером 1, G=2038 т. Содержание хлористого натрия в осветленном растворе с учетом поправочных коэффициентов C=285,1 т/1000 т HO.
разб.р.р
2
Содержание хлористого натрия в разбавленном растворе С - 266,17 т/1000 т HO.
Определим содержание хлористого калия  в 5 корпусе ВКУ:
Содержание хлористого натрия  в 5 корпусе ВКУ равно
Содержание хлористого магния в 5 корпусе
Содержание воды в жидкой фазе 5 корпуса
Определим содержание хлористого калия в жидкой фазе в 6 корпусе ВКУ
Определим содержание хлористого натрия в жидкой фазе 6 корпуса ВКУ
2
Определим содержание MgCl в растворе 6 корпуса ВКУ
Содержание воды в жидкой фазе 6 корпуса -  равно
Расход раствора в 6 корпусе равен
Определим расход воды, необходимый для удаления 6 корпуса ВКУ
Определим расход воды, необходимый для удаления 5 корпуса ВКУ
Определим расход воды для удаления в 6 корпусе с учетом расхода осветленного раствора
По показаниям приборов расход испаренной воды в виде расхода пара в 6 корпусе составил 16,8 т. Следовательно, расход воды в 6 корпусе составил
Аналогично может быть рассчитан расход воды в любой корпус ВКУ независимо от числа корпусов вакуум-кристаллизационной установки.
Пример 3
Входные параметры примера 3 - см. примеры 1 и 2.
Определим расход испарившейся воды в 6 корпусе ВКУ по температурам в 5 и 6 корпусов.
р-р6
6
р-р6
5
6
Количество тепла Q ккал, затраченное на охлаждение раствора в корпусе ВКУ за счет испарения воды из раствора, равно Q=С·G(t-t),
6
где С - теплоемкость раствора в 6 корпусе - численно равна содержанию воды в растворе,
р-р6
3
G - расход раствора в 6 корпусе - 1946·10 кг;
5
6
t и t - температура раствора в 5 и 6 корпусе, 63 и 56°C;
6
3
Q=0,6589·1946·1000·(63-56)=8975,5·10 ккал.
Из примера 2 содержание KCL в растворе 5 корпуса, который поступает в 6 корпус, равно
Содержание KCl в растворе 6 корпуса -
Расход раствора из 5 корпуса
Содержание воды в этом растворе:
Количество KCl в виде кристаллизата в 6 корпусе равно:
кр.KCl.
Q - теплота кристаллизции KCL, ккал/кг, равна:
кр.KCl.
6
Q=-0,3391·t+60,356 на 1 т KCl
кр.KCl.
3
Q=(-0,3391·56+60,356)·1000=41,37·10 ккал/т
Тогда выделится тепла от кристаллизации 22,68 т KCl
кр
3
3
Q′=41,37·10-22,68=938,5·10 ккал
парообр
6
3
Теплота парообразования воды в 6 корпусе равна Q=-0,586t+598,2=-0,586·56+598,2=565,38 ккал/кг или 565,38·10 ккал/т
Количество испаренной воды равно
Аналогично может быть рассчитан расход испаренной воды в любом корпусе ВКУ.