Лабораторный практикум по химической технологии неорганических веще

Кроме того, при совместном присутствии обеих солей растворимость хлорида натрия с ростом температуры падает, а хлорида калия сильно повышается. На этих различиях и построены галургические операции разделения. Данную смесь солей разделяют путем ее растворения при повышенной температуре и кристаллизации KCl при охлаждении раствора.

Растворителем служит горячий раствор, насыщенный хлоридом натрия и ненасыщенный хлоридом калия. В результате, содержащийся в сильвините хлорид калия переходит в раствор, а в осадке остается хлорид натрия. При последующем нагревании оставшегося раствора он становится снова ненасыщенным относительно KCl и цикл повторяется.

Таким образом, принципиальная схема получения хлорида калия из сильвинита по методу растворения и кристаллизации состоит из следующих основных операций:

1.Выщелачивание дробленого сильвинита горячим маточным раствором, полученным после кристаллизации KCl.

2.Отделение горячего щелока от отвала (NaCl) и осветление

его.

3.Кристаллизация KCl охлаждением щелока.

4. Отделение от маточного раствора кристаллов KCl

исушка их.

5.Нагревание маточного раствора и возвращение его на выщелачивание хлорида калия из новых порций сильвинита.

Для определения наиболее рациональных режимов данной технологии необходимо провести статический анализ, при котором должна быть рассмотрена трехкомпонентная система KCl– NaCl–H2O. На рис. 2 изображены изотермы растворимости при 25

41

и 100 °С для системы KCl–NaCl–H2O в прямоугольном треугольнике состава, углы которого отвечают 100%-ным компонентам, т.е. KCl (т. K), NaCl (т. N) и Н2О (т. О), стороны – двухкомпонентным системам. Любая точка внутри треугольника соответствует трехкомпонентной системе. Кривые K1Е100N1 и K2Е25N2 отвечают изотермическим сечениям растворимости при температурах

100 и 25 °С. Любая точка внутри поля K1Е100K и K2Е25K соответствует системе из твердого хлорида калия и насыщенного этой

солью раствора при 25 и 100 °С. Иными словами, поля K1Е100K

иK2Е25K представляют собой области кристаллизации хлорида калия при 100 и 25 °С. Фигуративные точки внутри полей N1E100N

иN2E25N выражают системы из твердого хлорида натрия и раствора, насыщенного этой солью при 100 и 25 °С.

Рис. 2. Изотермы растворимости в системе KCl–NaCl–H2O

Эвтонические точки Е100 и Е25 отвечают растворам, насыщенным одновременно хлористым калием и хлористым натрием при 100 и 25 °С.

42

Фигуративные точки внутри треугольников NE100K и NE25K выражают трехфазные системы, состоящие из насыщенного раствора солей KCl и NaCl и двух твердых солей при 100 и 25 °С.

При обработке сильвинита горячим маточником образуется раствор, насыщенный солями хлористого калия и хлористого натрия. На диаграмме растворимости (см. рис. 2) ему отвечает т. Е100. Если этот раствор подвергнуть охлаждению от 100 до 25 °С, то при температуре 25 °С т. Е100 попадает в поле кристаллизации хлорида калия (KЕ25K2), т.е. при охлаждении насыщенного раствора состава т. Е100 образуются твердый хлористый калий и насыщенный раствор состава т. R, образующейся при пересечении соединительной линии KЕ100 и изотермы растворимости при 25 °С. Количественные соотношения образовавшихся фаз можно определить по правилу рычага:

Маточный раствор (т. R) после отделения кристаллов хлорида калия подается на выщелачивание сильвинита, состав которого характеризуется точкой S. При взаимодействии раствора (т. R) и сильвинита (т. S) образуются системы, характеризуемые фигуративными точками на линии SR. Точка m, образовавшаяся в результате пересечения линий RS и E100N, характеризует оптимальное соотношение количеств маточного раствора и сильвинита, поступающих в растворитель:

Количествоматочногораствора (т. R) = mS . Количествосильвинита (т. S) Rm

Для определения природы и состава фаз, образующихся в процессе выщелачивания, необходимо провести соединительную линию E100mN, которая показывает, что на выходе из растворителя образуются насыщенный раствор состава т. Е100 и твердая фаза т. N, представляющая собой чистый хлористый натрий, идущий в отвал:

43

Технологически это соответствует полному разделению сильвинита на чистые хлористый калий и хлористый натрий, так как в отвале будет 100%-ный хлористый натрий (т. N), а из насыщенного раствора (т. Е100) при охлаждении до 25 °С, как показано выше, выпадут кристаллы чистого хлористого калия.

Если маточника подается меньше, чем это требуется по оптимальному соотношению, например, т. т1 (рис. 3), тогда количество фаз определится из соотношения

Рис. 3. Моделирование с помощью диаграммы растворимости процессов растворения при излишке и недостатке жидкой фазы и последующей кристаллизации охлаждением

44

При температуре 100 °С фигуративная точка т1 попала в поле совместной кристаллизации KCl и NaCl, т.е. в поле KE100N. По правилу соединительной прямой и рычага определяем, что на выходе из растворителя система состоит из насыщенного раствора т. Е100 и твердой фазы т. S1. Положение точки S1 определяется соединительной прямой E100m1S1:

При охлаждении насыщенного раствора т. Е100, как показано выше, выпадут кристаллы хлорида калия, а твердая фаза т. S1 (отвал) представляет собой уже не чистый хлористый натрий, а с примесью хлористого калия. Значит, если маточника брать меньше, чем это необходимо по оптимальному соотношению, не будет достигнуто полного разделения сильвинита, и часть хлорида калия будет теряться с отвалом.

Если маточного раствора по отношения к определенному количеству сильвинита в растворитель подается больше, чем это отвечает оптимальному соотношению, то состав системы будет отвечать, например, точке т2. В результате выщелачивания эта система будет состоять из насыщенного раствора т. m2′ и твердой

фазы т. N (чистый хлорид натрия):

При охлаждении насыщенного раствора состава т. m2′ до 25 °С точка m2′ попадает в поле совместной кристаллизации KCl

и NaCl. Кристаллы хлористого калия и хлористого натрия находятся в равновесии с эвтоническим раствором т. Е25, следовательно, для определения состава и количества фаз, образующихся при охлаждении насыщенного раствора т. m2′ , через точки Е25

и m2′ нужно провести соединительную прямую, которая пересе-

45

чет гипотенузу KN в точке S2. При охлаждении до 25 °С система состоит из насыщенного раствора т. Е25 и твердой фазы т.S2:

а загрязненный хлоридом натрия.

Таким образом, условиям наиболее полного разделения сильвинита и получения продукта высокого качества отвечает количественное отношение маточного раствора и сильвинита, определяемое положением точки т.

Практическая часть

Схема установки и порядок выполнения работы

В лабораторных условиях процесс разделения смеси сухих солей проводят на установке (рис. 4), состоящей из пробирки 2

(т. R), получаемого после кристаллизации хлорида калия. Пробирку помещают в водяной термостат и нагревают до 100 °С. Отвешивают 50 г сильвинита или искусственной смеси с содержанием 25 % KCl и 75 % NaCl. Когда температура раствора достигнет 100 °С, вносят в пробирку отвешенное количество сильвинита (или смеси этих солей) и продолжают нагревание при перемешивании, поддерживая температуру смеси, равной 100 °С. Растворение соли проводят в течение 20–30 мин. В это время готовят воронку для горячего фильтрования. По истечении заданного времени выщелачивание прекращают и массу из пробирки переносят на фильтр (предварительно взвешенный), помещенный в воронке для горячего фильтрования. Фильтрат собирают в стакан. По окончании фильтрования взвешивают фильтр с осадком

иберут 2–3 г осадка для определения содержания в нем влаги

и10 г осадка для определения содержания в нем хлорида калия. Фильтрат в стакане охлаждают до 25 °С на воздухе или на

водяной бане. Выделившуюся соль из охлажденного раствора отделяют от жидкости фильтрованием при обычных условиях, взвешивают и берут 2–3 г соли для определения содержания

вней влаги и 5 г для определения содержания хлорида калия.

Впроцессе работы производят расчет теоретического выхода солей хлористого калия и хлористого натрия с помощью диаграммы растворимости, построенной по данным табл. 1.

По данным анализов определяют практический выход солей KCl и NaCl, а также степень извлечения хлорида калия из сильвинита в процессе выщелачивания, которая определяется по уравнению

β(α −Θ)

ε= α (β−Θ) 100,

где α – содержание хлорида калия в сильвините, %; β – содержание хлорида калия в готовом продукте, %; Θ – содержание хлорида калия в отвале, %.

47

48

Таблица 3

Результаты эксперимента

Методика определения массовой доли хлорида калия перхлоратным методом

Метод основан на образовании нерастворимого в этиловом спирте перхлората калия:

KCl + HClO4= KClO4 + HCl.

Перхлораты натрия и щелочно-земельных металлов растворимы в спирте. Сульфаты мешают определению калия этим методом, поэтому их следует предварительно удалить из раствора.

Ион SO24– удаляют из анализируемого раствора осаждением рас-

твором хлорида бария. Избыток хлорида бария, оставшийся в растворе, не мешает дальнейшему определению калия, так как перхлорат бария растворим в спирте.

Реактивы:

соляная кислота, 20%-ный раствор; хлорид бария, 5%-ный раствор; хлорная кислота плотностью 1,12 г/см3; этиловый спирт;

метиловый оранжевый – индикатор, 0,1%-ный раствор; перхлорат калия, насыщенный спиртовой раствор.

Ход анализа. 10 г осадка хлорида натрия (или 5 г осадка хлорида калия) смывают небольшим количеством воды в химический стакан, добавляют несколько капель метилового оранжевого и приливают соляную кислоту до перехода желтой окраски в розовую и кипятят 15 мин.

49

Нагрев временно прекращают, приливают 5 мл горячего раствора хлорида бария для осаждения сульфатов и снова кипятят несколько минут. Затем содержимое стакана охлаждают водой до комнатной температуры, переносят в мерную колбу на 250 мл, доводят объем раствора в колбе до метки и тщательно перемешивают. 20–30 мл раствора отфильтровывают через сухой фильтр в сухой стакан, отбрасывая первые порции фильтрата.

10 мл фильтрата пипеткой переносят в фарфоровую чашку для выпаривания диаметром 70–100 мм и приливают 6 мл раствора хлорной кислоты. Чашку помещают на электровоздушную баню и выпаривают при частом помешивании стеклянным пестиком, сдвигая осадок на дно чашки, до сиропообразной консистенции и появления густых белых паров хлорной кислоты. Содержимое фарфоровой чашки охлаждают до комнатной температуры, к нему добавляют 10 мл этилового спирта. Осадок тщательно растирают пестиком и декантируют в предварительно высушенный и взвешенный фильтрующий тигель.

Операцию растирания осадка со спиртом повторяют еще раз и затем переводят весь осадок в фильтрующий тигель при помощи насыщенного спиртового раствора перхлората калия. Осадок на фильтре промывают тем же насыщенным раствором перхлората калия, апод конец 10 мл этилового спирта, прибавляя его малыми порциями при отсасывании. Общее количество промывной жидкости должно быть 50–60 мл. Промытый осадок сушат в сушильном шкафу притемпературе 105–110 °С допостоянноймассы (m2).

Обработка результатов. Содержание хлорида калия (в %) в пересчете на сухое вещество вычисляют по формуле

где т1 – масса высушенного фильтрующего тигля, г; т2 – масса высушенного тигля с осадком, г; т – масса анализируемой пробы, г; 0,5381 – коэффициент пересчета перхлората калия на хлорид калия; W – содержание влаги в пробе, %.

50