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

Изобретение относится к технике управления процессом получения хлористого калия галургическим методом при формировании раствора вводом воды в осветленный насыщенный раствор, поступающий со стадий растворения сильвинитовых руд и осветления жидкой фазы в запиточный стакан установок 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. А.С. СССР №463633, кл. C01D 3/04, опубл. в 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. А.С. 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.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в запиточный стакан ВКУ при формировании осветленного насыщенного раствора для его последующего охлаждения. Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа дополнительно измеряют расход осветленного насыщенного раствора и содержание в нем твердого кристаллического хлористого натрия и хлористого магния.
По полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор в приемный бак вакуум-кристаллизационной установки по следующим зависимостям и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды:
,
где  - расход воды в приемный бак ВКУ, т;
oсв.p-p
G - расход осветленного раствора, т;
п
К - прирост степени насыщения раствора по хлористому натрию за счет содержания в нем кристаллического натрия:
,
2
где  - концентрация кристаллического NaCl в осветленном растворе, т/1000 т НO;
2
- концентрация NaCl в осветленном растворе, т/1000 т HO;
KCl
α - степень насыщения раствора по хлористому калию;
NaCl
KCl
K - коэффициент повышения концентрации насыщенного раствора по хлористому натрию при α<1
где t - температура раствора, °C;
2
2
- содержание MgCl в растворе, т/1000 т HO;
KCl
C - содержание KCl в растворе, %.
,
NaCl
KCl
2
где C - содержание хлористого натрия в растворе в зависимости от температуры t и степени насыщения раствора по KCl при α<1, т/1000 т HO;
NaCl
KCl
C=-[103,8-0,7(97-t)]α+378,6-0,9(97-t),
NaCl
2
KCl
2
где C - концентрация насыщения раствора по NaCl в зависимости от от температуры t и содержания в нем MgCl при α<1, т/1000 т НО;
KCl
где  - концентрация насыщения раствора по NaCl при α=1.
В случае подачи в раствор наряду с водой раствора циклонной пыли расход воды определяется по зависимости:
где  - расход воды в приемный бак ВКУ, т;
- расход воды с раствором циклонной пыли, т.
где  - степень насыщения раствора по хлористому калию после подачи в раствор циклонной пыли, содержащейся в растворе без учета воды этого раствора;
- содержание хлористого калия в растворе после подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли, %,
где
где  - расход циклонной пыли, т;
- содержание хлористого калия в растворе циклонной пыли, %.
- расход воды с раствором циклонной пыли, т.
KCl
NaCl
В приведенных уравнениях для α, C,  размерность искомой величины и размерность входящих в уравнение технологических параметров - температуры, концентрации и др. - уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед аналогичными параметрами и свободными членами.
Сущность способа как технического решения заключается в следующем. По предлагаемому способу управление процессом получения хлористого калия осуществляют путем изменения входного потока воды в поступающий на кристаллизацию раствор в зависимости от концентрации в нем хлористого калия и его температуры. В отличие от известного способа по предлагаемому способу дополнительно измеряют расход раствора и содержание в нем кристаллического хлористого натрия и хлористого магния и по полученным параметрам рассчитывают расход воды в поступающий на кристаллизацию раствор.
При производстве хлористого калия галургическим методом после растворения сильвинитовых руд образуется горячий раствор, насыщенный хлоридами калия и натрия и содержащий незначительное количество хлористого магния - до 14 т на 1000 т воды и хлористого натрия в кристаллическом виде. После осветления от нерастворимых этот раствор поступает на установки вакуум-кристаллизации (ВКУ), 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 - 1,0; по KCl - 0,92-1,0, содержит до 15 т на 1000 т HO кристаллического хлористого натрия в твердой фазе и до 14 т на 1000 т НО - MgCl. При этом соотношение хлоридов калия и натрия в растворе и их содержание зависит от температуры, которая колеблется в интервале 93-97°С, и от степени насыщения раствора по KCl. При этом 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 корпуса 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 КС1 при начальной температуре кристаллизации.
Этому условию удовлетворяет уравнение:
где  - расход воды в приемный бак ВКУ, т;
oсв.p-p
G - расход осветленного раствора, т;
KCl
α - степень насыщения раствора по KCl;
п
NaCl тв.,
2
ΣNaCl
2
К - 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 - Cт/1000 т HO к суммарной концентрации хлористого натрия в твердой и жидкой фазах C раствора, т/1000 т HO, т.е.
где  определяется с помощью приборов - нефелометров либо аналитически.
KCl
2
2
2
2
2
Для управления процессом подготовки раствора к вакуум-кристаллизации необходимо определить степень насыщения раствора по KCl - α в зависимости от температуры, °C; содержания в растворе MgCl, т на 1000 т HO; содержания в растворе KCl, %. Эти показатели, кроме содержания в растворе MgCl, определяются с помощью приборов оперативно, а содержание в растворе MgCl - аналитически. Однако этот показатель достаточно определять 1 раз в 12-24 часа, так как он мало меняется вследствие большого объема циркулирующих щелоков и незначительного изменения концентрации MgCl в сильвинитовой руде, поступающей на растворение.
KCl
В отличие от известных способов, в которых α определяется трудоемким способом путем расчета материальных балансов с учетом изменения технологических параметров, по предлагаемому способу этот параметр определяется с помощью эмпирических уравнений.
Из экспериментальных данных имеем (см. таблицу 1).
KCl
2
2
Из приведенных данных, усредняя поправки для коэффициентов перед C и для свободного члена в уравнениях для содержания в растворе , в интервале 0-14 т на 1000 т НО, получаем их значения на 1 т MgCl, соответственно: 0,00007143 и -0,006733, при этом во всем интервале температур 93-97°С эти поправки практически не меняются.
2
Аналогично для  НО определяли из таблицы 1 поправку для указанных коэффициентов на 1°С изменения температуры, которая составляет соответственно 0,0004825 и -0,003275.
KCl
Nacl
2
Подставляя эти значения поправок в уравнения для температуры 97°С и , получим уравнение для определения степени насыщения α для условий: C=1,0;  НО; t=93-97°С.
Степень насыщения раствора по KCl:
где t - температура раствора, °С;
2
2
- содержание MCl в растворе, т/1000 т HO;
KCl
C - содержание KCl в растворе, %.
KCI
KCI,
Размерность для α и размерность входящих в уравнение технологических параметров - , t, C уравновешивается соответствующей размерностью коэффициентов, стоящих перед аналогичными параметрами и свободными членами. Вышеизложенное относится и к другим уравнениям, приведенным в заявке на изобретение.
NaCl
KCl
K - коэффициент повышения концентрации осветленного раствора по NaCl при недонасыщении раствора хлоридом калия, т.е. α<1.
NaCl
KCl
2
где C - содержание хлористого натрия в растворе при α<1, т/1000 т HO;
_
KCl
2
концентрация насыщенного раствора по NaCl при α=1, т/1000 т HO.
NaCl
2
KCl
2
Для определения коэффициента K необходимо определить концентрацию насыщения раствора по NaCl в зависимости от температуры и содержания MgCl при α=1, где  и  - т/1000 т НО.
Из экспериментальных данных имеем:
n
2
2
2
Из приведенных данных, усредняя поправки для коэффициентов перед lt и для свободного члена в уравнениях для содержания хлорида магния в растворе в интервале 0-14 т/1000 т НО, получим их значения на 1 т MgCl на 1000 т НО 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:
NaCl
KCl
Определяем концентрацию насыщения по NaCl-α 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.
KCl
Из уравнения к таблице 1 определим степень насыщения раствора по KCl-α.
Из экспериментальных данных имеем:
KCl
NaCl
2
KCl
Из приведенных данных, усредняя поправки для коэффициентов перед α и для свободного члена в уравнениях таблицы 3, получим их значения на 1°C 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:
2
Таким образом, замеряя оперативно температуру раствора, содержание в нем хлористого калия и взвеси кристаллического хлористого натрия с помощью приборного контроля, а содержание MgCl в растворе аналитически 1 раз в 12-24 часа и подавая эти параметры на контроллер, по уравнениям к таблицам 1-3 рассчитывают оптимальный расход воды в приемный бак ВКУ для разбавления горячего осветленного раствора из отделения растворения сильвинитовой руды и вычисленные значения подают в качестве задания в систему управления расходом воды.
2
2
2
Приведенные эмпирические уравнения охватывают диапазон изменения технологических параметров по температуре, содержанию 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 имеет практически линейный характер.
KCl
На некоторых галургических фабриках в приемный бак ВКУ наряду с водой подают раствор циклонной пыли - разбавленный раствор KCl со стадии газоочистки сушки целевого продукта - хлористого калия, представляющий собой водный раствор мелкодисперсных частиц хлористого калия с содержанием KCl в основном 15-25%. При этом раствор KCl может быть получен как путем мокрой пылегазоочистки отходящих газов сушильного аппарата, так и растворением мелкодисперсных частиц KCl, улавливаемых системой сухой пылеочистки. В этом случае расход воды в приемный бак ВКУ должен быть пропорционально снижен. Расход хлористого калия G, т, поступающего в растворе циклонной пыли, определим по уравнению:
где  - расход раствора циклонной пыли, т;
- концентрация KCl в растворе циклонной пыли, %.
Расход воды, поступающей с раствором циклонной пыли, равен:
Концентрацию хлористого калия в исходном растворе , %, после подачи в него циклонной пыли без учета воды в этом растворе определим по уравнению:
Расход воды в приемный бак ВКУ -  в случае подачи в бак раствора циклонной пыли определяем по уравнению:
где  - расход воды в приемный бак ВКУ, т;
п
NaCl
, K, K - см. обозначения, приведенные ранее;
- см. обозначения уравнения;
KCl
KCl
- определяем по уравнению для α при условии замены C на .
Таким образом, определяя дополнительно содержание КС1 в растворе циклонной пыли и его расход с помощью оперативного приборного контроля, определяем расход воды в приемный бак ВКУ при условии ввода в исходный осветленный насыщенный раствор раствора циклонной пыли.
Данное техническое решение позволяет получить 100% кристаллизат при условии ввода технически обоснованного количества воды на корпуса ВКУ взамен испаренной на установке воды с учетом повышения растворимости хлористого натрия при температуре раствора под вакуумом. 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 предлагаемого изобретения решается задача упрощения процесса за счет оперативного управления средствами автоматизации расхода воды в осветленный раствор, поступающий на ВКУ для получения хлористого калия.
Способ осуществляют следующим образом. Горячий осветленный насыщенный раствор направляют в запиточный стакан вакуум-кристаллизационной установки.
Замеряют:
- температуру раствора с помощью термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом, например ТСМУ-055;
- расход раствора - с помощью индукционного расходомера типа СОРА ХЕ, откалиброванного на т/ч;
- массовую долю калия - измерителем калия, например фирмы Берхольд 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.
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 не является предметом данного изобретения.
Примеры осуществления способа
Пример 1
Показания приборов:
- температура раствора, t 96°С
осв.р-р
- расход раствора, G 1900 т
- содержание в растворе хлористого
KCl
калия, C 20,02%
- содержание в растворе кристаллического
2
хлористого натрия,  10 т/1000 т НО
2
- содержание в растворе 6 т/1000 т НО
хлористого магния,
определяется аналитически 1 раз в 24 ч.
KCl
Рассчитаем степень насыщения раствора по хлористому калию, α.
KCl
α=[0,0589+0,0004825·(97-96)+0,00007143·6]×20,02-0,2475+0,006733·6+0,003275·(97-96)=0,99.
KCl
Рассчитаем содержание хлористого натрия в растворе при α<1, - 0,99
2
=-[103,8-0,7·(97-96)]·0,99+378,6-0,9·(97-96)=275,63 т/1000 т HO.
KCl
Рассчитаем концентрацию насыщения раствора по NaCl при α=1:
NaCl
Рассчитаем коэффициент повышения концентрации насыщения раствора по хлористому натрию, K:
Рассчитаем коэффициент прироста насыщения раствора по хлористому натрию за счет присутствия в нем кристаллического NaCl:
Рассчитаем расход воды в приемный бак ВКУ:
Вычисленные значения подавали в качестве задания в систему управления расходом воды на ВКУ.
Пример 2
2
Показатели приборов и содержание MgCl - в соответствии с примером 1.
Дополнительно:
p-p цп.
- расход раствора с циклонной пыли G- 94 т;
KCl
- содержание в растворе циклонной пыли хлоридного калия C - 17,2%.
Рассчитаем расход циклонной пыли:
=0,01-94-17,2=1,617 т
Рассчитаем содержание хлористого калия в осветленном растворе после подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли:
Рассчитаем степень насыщения раствора по хлористому калию из условия подачи в него циклонной пыли без учета воды раствора циклонной пыли, :
=[0,0589+0,0004825(97-96)+0,00007143·6]×20,09-0,2475+0,006733·6+0,003275(97-96)=0,998
Рассчитаем расход воды с раствором циклонной пыли:
п
NaCl
Рассчитаем расход воды в приемный бак ВКУ (расчет К и K - см. пример 1)
Вычисленные значения подавали в качестве задания в систему управления расходом воды на ВКУ.