2-й Конгресс стран Меркосур по химическим технологиям
4-й Конгресс стран Меркосур по проектированию технологических систем
Технологическая схема экстрактивной кристаллизации гидроксида лития
Мария E. Табоада, Хавьер С. Вега, Луис A. Систернас и Теофило A. Грабер Факультет химических технологий, Университет Антофагаста
Аннотация. В настоящем исследованим рассматривается технология добавления второго растворителя, этанола, в водные растворы гидроксида лития с целью получения кристаллов гидроксида лития.
Прежде всего, с помощью трехкомпонентной системы лития гидроксида-воды-этанола при различных температурах были получены диаграммы растворимости и плотность.
Используя результаты, полученные с помощью общего анализа данных по растворимости для LiOH - воды - трехкомпонентной системы этанола, было продемонстрировано, что добавление спирта уменьшило растворимость гидроксида лития. Это в свою очередь означает, что создать перенасыщение можно с помощью drowning-out путем добавления этанола в водный раствор соли.
Кроме того, было проведено экспериментальное исследование кристаллизации с целью распределения кристаллов по размерам путем высаливания с этанолом в процессе парообразования. В опытах по кристаллизации путем парообразования кристаллы LiOH.H2O имели средний размер 0,4 мм, в то время как
кристаллы, полученные путем высаливания имели средний размер от 0,1 до 0,4 мм в зависимости от скорости потока и концентрации вспомогательного растворителя.
Был разработан Процесс, использующий drowning-out кристаллизацию гидроксида лития из водных растворов с помощью фазовых диаграмм. Проект процесса включает в себя смеситель, кристаллизатор, выпарной аппарат, сушитель, необходимые для получения кристаллического моногидратного гидроксида лития из водного раствора.
Этот проект процесса был сравнен с традиционным вариантом, то есть с выпарной кристаллизацией, включая баланс массы, баланс энергии и распределение кристаллов по размерам. Важным фактором при использовании процесса парообразования является стоимость топлива, и с учетом возможного ее увеличения представляется весьма интересным и выгодным альтернативный вариант, в котором применяется drowning-out с использованием этанола.
Ключевые слова: гидроксид лития, drowning-out кристаллизация, проект процесса.
1. Введение
Неметаллическая горнодобывающая промышленность Чили достигла серьезных успехов на мировом уровне. Прежде всего, это связано с географическими, геологическими и климатическими особенностями страны, которые существенно облегчили разработку ее месторождений, в которых добываются такие минеральные соли как: KCl, K2SO4, LiCO3, NaNO3, Na2SO4, KNO3, H3BO3.
Чили является одноий из основных стран производителей карбоната лития в мире. Литиевуе соли добываются из скважин "Салар де Атакама" на севере Чили.
Моногидратный диоксид лития как правило получают при рреакции карбоната лития с гидроксидом кальция в водяном растворе. Из-за его термостойкости моногидрат используется в производстве смазочных материалов и чернил (Kirk-Othmer, 1981).
Одной из проблем, с которой сталкиваются предприятия по производству неорганических солей, является получение кристаллизованного продукта высокой степени чистоты по приемлемой цене с заранее определенными размерами кристаллов. Как правило, это трудно осуществимое требование, так как в процессе производства образуется большое количество мелких частиц, mass of particles, шламовых включений в стеклах, что понижает конкурентоспособность товара на рынке.
На сегодняшний день основной задачей является поиск новых способов модернизации процессов производства и достижения конкурентоспособности. Именно поэтому экстрактивная кристаллизация является весьма перспективным методом, при котором сорастворитель входит в водную фазу, что ухудшает растворимость и благоприятствует процессу выпадения солей. Данный процес называется “высаливанием”. Он обладает множеством преимуществ. Например, создать начальные расстворы высокой концентрации можно путем растворения неоднородного кристаллического материала в подходящем для этого растворителе. Этим способом можно получить соли высокой степени чистоты и при комнатной температуре. В этом случае важными переменными величинами являются: смешиваемость присадочного/дополнительного растворителя с исходным раствором, ограниченная растворимость растворенного вещества в присадочном/дополнительном растворителе, экономическая целесообразность разделения органического растворителя от воды, а также физические свойства системы органического растворителя + воды + соли, Berry и Dyle, (1997).
Еще одним ограничением применения кристаллизации drowning-out может быть доступность информации о физических свойствах системы соль + вода + вспомогательный растворитель. Подобные сведения важны при проектировании, осуществлении, оптимизации и управлении сложных процессов кристаллизации, Mersmann, (1993).
Научная работа по изучению солей лития является отчетом исследователей под руководством товарища А. Картон (1994). В результате этой работы были получены данные по растворимости и концентрации сульфата лития в водном растворе этанола при температуре от 282,75 до 323,15 градусов по Кельвину и при весовой концентрации этанола от 0 до 0,6 единиц. В другой работе товарищ А. Картон с коллегами (1996) представил данные по растворимости, концентрации, вязкости, проводимости/проницаемости и коэффициентам рефракции насыщенных растворов формиата лития в воде + этаноле при температуре от 283,15 до 313,15 градусов по Кельвину и при весовой концентрации этанола от 0 до 0,8 единиц. В обеих работах свойства этих веществ представлены уравнениями с функцией температуры и весовой концентрацией этанола. Было обнаружено, что наличие этанола значительно ухудшало растворимость и концентрацию водных растворов сульфата лития и формиата лития.
Товарищ А. Картон с коллегами (1995) приводят данные о концентрации и вязкости насыщенных растворов сульфата калия лития в воде + этанол при 298,15 градусах по Кельвину. Уравнения даны для обоих свойств в виде функций растворимости. Также была определена растворимость этой двойной соли в воде и в водном этаноле при 298,15 градусах по Кельвину. В данной работе весовая концентрация этанола находится в пределах от 0 до 0,4 единиц.
Растворимость водяных растворов гидроксида лития мало зависит от температуры, что делает процесс кристаллизации температурой относительно неэффективным, сообщает Х. Табоада и др. (2005).
Как и в случае с экстрактивной кристаллизацией, другие методы, базирующиеся на добавлении выбранного растворителя для очищения/рафинации сырых солей, показаны для обеспечения значительной экономии энергии по сравнению с парообразованием, сообщает Д. Вейнгартнер и др. (1999), Х. Табоада и др. (2004).
В настоящем исследовании диаграмма состояния для воды + этанол + гидроксид лития показана при температуре 25°C. Данная система представляет интерес при проектировании процесса кристаллизации солей гидроксида лития с использованием этанола в качестве вспомогательного растворителя. Характеристики водяных растворов гидроксида лития подходят для применения методов, при которых добавляются осаждающие реактивы, поскольку они обладают растворимостью, уменьшающейся с увеличением температуры и незначительно меняют свойство растворимости при изменении температуры. Также в настоящей статье нами приводятся данные о концентрации насыщенных растворов гидроксида лития в водяной смеси этанола.