1.3. Характеристика используемых химических реакторов.

Химические реакторы.

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляется химикотехнологический процесс сочетающий массо-, тепло-, импульсоперенос с одновременным протеканием химической реакции.

Испарительные кристаллизаторы.

Испарительные кристаллизаторы можно разделить на кристаллизаторы с воздушным охлаждением и вакуум-кристаллизаторы.

В кристаллизаторах с воздушным охлаждением происходит охлаждение раствора в результате испарения растворителя (воды), так как упругость пара, соответствующая температуре исходного раствора, больше парциального давления пара в воздухе и передачи воздуху физического тепла, так как температура исходного раствора выше температуры окружающего воздуха.

В вакуум-кристаллизаторах создается пониженное давление путем конденсации пара и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Когда остаточное давление в аппарате меньше упругости пара, сответствующей температуре раствора,этот раствор оказывается в перегретом состоянии. Он вскипает по всему объему и в результате испарения части растворителя охлаждается до температуры кипения раствора при данном остаточном давлении. Вследствие того, что здесь нет внешнего источника тепловой энергии, как в выпарных аппаратах, на испарение расходуется физическое тепло самого раствора. Отсутствие теплопередающих поверхностей позволяет изготавливать их из любых коррозионно-стойких материалов, в том числе обладающих малой теплопроводностью, или облицовывать их изнутри защитными покрытиями (резиной, пластмассами, кислотостойкими плитками и т. д.). Большим достоинством вакуум-кристаллизаторов является их герметичность.

В барабанном кристаллизаторе с воздушным охлаждением раствор и холодный воздух противотоком движутся внутри вращающегося барабана 1. Для уменьшения инкрустаций внутренних стенок барабан снаружи теплоизолируются или помещается в кожух 2 с трубой 3 для парового обогрева.

Вследствие снижения скорости охлаждения в барабанных кристаллизаторах с воздушным охлаждением получают более крупнокристаллический продукт по сравнению с продуктом из аппаратов с водяным охлаждением. Однако и в них наблюдается склонность к инкрустациям. Причина этого состоит в резком охлаждении воздухом пленки раствора в верхней части внутренней поверхности вращающегося барабана.

1.4. Характеристика конечных продуктов.

Нитрат калия.

Физико-химические свойства

Нитрат калия KNO₃ (калиевая селитра) представляет собой безводную кристаллическую соль белого цвета (иногда с желтовато-сероватым оттенком), плотностью 2,11 г/см³, плавящуюся при 334⁰. Выше 338⁰ разлагается на нитрит калия и кислород. Известны две кристаллические модификации KNO₃: при низких температурах образуются кристаллы ромбической формы, при более высоких температурах – ромбоэдрические кристаллы. Растворимость KNO₃ в воде (в г/100 г Н₂О): при 20^о – 31,5; 30^о – 45,6; 40 – 63,9; 60 – 109,9; 114 – 312.

В растворах азотной кислоты растворимость KNO₃ с увеличением концентрации кислоты понижается, достигает минимума, затем возрастает; минимальная растворимость KNO₃ при 50^о равна 24,91 % при содержании в растворе 27,63 % НNO₃ и 47,46% Н₂О.

Применение.

Нитрат калия используют для производства порохов, в пиротехнике, в пищевой и стекольной промышленности и как удобрение. К преимуществам нитрата калия по сравнению со многими другими удобрениями относятся: отсутствие балласта, что особенно важно при дальних перевозках и малая гигроскопичность.

Согласно ГОСТ 1949 – 65, к качеству калиевой селитры предъявляются следующие требования (в %):

	Сорт 1-й	Сорт 2-ой	Сорт 3-ий
KNO3 (в пересчете на сухой продукт), не менее……………………………………….	99,8	99,5	98,0
Влага, не более…………………………….	0,1	0,2	2,0
Хлористые соли (в пересчете на NаСl), не более……………………………………….	0,03	0,1	Не норми-руется
Углекислые соли (в пересчете не K2СO3), не более…………………………………….	0,02	0,04	То же
Не растворимый в воде остаток, не более..	0,03	0,03	» »
Не растворимый в соляной кислоте прокаленный остаток, не более…………...	0,005	0,02	» »
Окисляемые вещества, не более…………..	0,01	Не норми-руется	» »
Соли кальция и магния (в пересчете на кальций), не более…………………………	0,02	0,025	» »

Калиевая селитра, предназначаемая для производства порохов, должна содержать солей кальция и магния не более 0,002%.

Качество аттестованного продукта регламентировано ГОСТ 5.1138 – 71; он должен содержать в сухом веществе не менее 99,9% KNO₃; содержание примесей не должно превышать: влаги – 0,08%, хлоридов (NаСl) – 0,017, карбонатов (K₂СO₃) – 0,01%, не растворимого в воде остатка – 0,01%, не растворимого в соляной кислоте прокаленного остатка – 0,004%, веществ, окисляемых марганцовокислым калием (в пересчете на KNO₂) – 0,01%, солей Са и Mg (в пересчете на Са) – 0,002%.

Способы производства нитрата калия.

Нитрат калия в природе встречается в виде небольших залежей. Искусственным способом, известным с давних времен, калиевую селитру получали в так называемых селитряницах из компостов, в которые входили навоз, зола, известь, хворост и др. В результате биохимических процессов с течением времени в таких компостах образовывалась калиевая селитра, которую выщелачивали водой и подвергали кристаллизации; при этом получался сравнительно чистый продукт.

Получение нитрата калия нейтрализацией щелочей азотной кислотой вследствие необходимости затраты дорогого сырья – едкого кали или поташа и азотной кислоты осуществляют редко. Для нейтрализации берется 30 -35% раствор КОН и 50%-ая кислота или сухой поташ, содержащий 85 -87% К₂СО₃ и около 5% КНС₃, и 25 -30% -ная азотная кислота. Полученный раствор, содержащий около 30% КNО₃, выпаривают при 110 -120^о , отфильтровывают от примесей на фильтрпрессе и направляют на кристаллизацию. Кристаллы отфуговывают и высушивают.

Способ получения нитрата калия абсорбцией калиевыми щелочами нитрозных газов также применяется в ограниченных масштабах из-за дефицитности едкого кали и особенно поташа. Процесс этот аналогичен описанному выше процессу получения нитрата натрия абсорбцией нитрозных газов содой. При подаче на абсорбцию раствора едкого кали отбираемый из первой абсорбционной башни щелок содержит 350 -400 г/л КNО₂, 80 -100 г/л КNО₃ и 2 -3 г/л КОН. Инверсия проводится при 70 -80^о с избытком азотной кислоты до 30 г/л.

Наибольшее промышленное распространение имеет конверсионный способ получения нитрата калия. Представляет интерес получение его из окислов азота и хлористого калия.