РОЗДІЛ 2
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
2.1 Обгрунтування вибраного напрямку дослідження
Аналіз літературних даних показує, що, незважаючи на великі поклади полімінеральних калійних руд та значну потребу в калійних добривах, калійна галузь в Україні має значні труднощі, що обумовлені виробленням легкорозчинних калійних руд і відсутністю ефективної технології перероблення важкорозчинних руд.
Попередні дослідження показали доцільність використання в новій технології оборотного карналіту і карналітового розчину для конверсії важкорозчинного лангбейніту в легкорозчинний каїніт. Науково-технічні дані для реалізації нової технології відсутні. Для обґрунтування промислового варіанту технології необхідно провести лабораторні дослідження, щоб виявити вплив параметрів процесу на ступінь витягу корисних компонентів. На основі емпіричних закономірностей необхідно обґрунтувати оптимальні значення параметрів процесу і розробити основні вимоги для технології перероблення полімінеральної калійної руди. В кінці роботи необхідно запропонувати промисловий варіант технології і виконати оцінку техніко-економічних показників виробництва, з урахуванням практики перероблення полімінеральної калійної руди. Вирішенню вказаних завдань присвячені матеріали дисертації.
Процес конверсії лангбейніту з карналітом у середовищі карналітового розчину в каїніт описується маловивченим рівнянням реакції
К2SO4·2MgSO4+nH2O+КСl·МgCl2·6H2O = 3 KCl·MgSO4·3H2O + (n-3) H2O (2.1)
Якщо припустити, що реакція конверсії проходить на поверхні лангбейніту, то молекули води карналітового розчину сприяють розчиненню лангбейніту, який знаходиться в нерівноважних умовах, та пререходу у розчин. За сприятливих умов, коли склад отриманого розчину відповідає полю кристалізації каїніту в системі К+, Mg2+// Cl-, SO42- (Н2О), утворюються кристали каїніту. Як видно з рівняння реакції (2.1), на конверсію лангбейніту з карналітом потрібна значно менша кількість води, яка на шенітизацію (див. рівняння (1.3)). Вода в реакційну суміш вводиться з карналітовим розчином, який разом із продуктами розчинення забезпечує створення середовища, що відповідає полю кристалізації каїніту на діаграмі розчинності (рис. 2.1).
У середовищі карналітового розчину поступово розчиняється МgCl2 карналіту. Карналітовий розчин витрачається на конверсію, реакційна маса в кінці процесу стає майже сухою, не залишається непрореагованого МgCl2. Тому на стадії розчинення конвертованої руди буде високою швидкість розчинення калійно-магнієвих мінералів, порівняно з розчиненням руди, лангбейніт якої конвертований з хлоридмагнієвим розчином. Як видно з рис. 2.1, за температури 55 0С на діаграмі розчинності домінуюче місце займає область кристалізації калію сульфату, леоніту та сильвіну. За збільшення вмісту магнію хлориду з'являється поле кристалізації каїніту. На діаграмі розчинності в системі К+, Mg2+// Cl-, SO42- (Н2О) за 55 0С є поля кристалізації кристалогідратів магнію сульфату, що зумовлено дегідратуючою дією магнію хлориду. Щоб лангбейніт конвертував у каїніт потрібно створити сприятливі умови кристалізації каїніту, для цього, як видно з рис. 2.1, потрібно збільшувати вміст КCl і МgCl2, а отже, вводити карналіт.
Нижче наведені результати дослідження впливу технологічних параметрів на процес конверсії лангбейніту в каїніт.
2.2. Опис лабораторної установки, вихідних матеріалів
і методики проведення експериментів
Дослідження проводили в ізотермічних умовах на періодично діючих установках. Відібрану з діючого калійного рудника лангбейнітову породу, без домішок глини та інших мінералів, подрібнювали на лабораторній щоковій дробарці до розміру менше 3 мм. Фракцію лангбейніту 1-3 мм відділяли, відмивали від домішок легкорозчинних солей великою кількістю холодної водопровідної води при перемішуванні та фільтрували на фільтрі з ситчастою перегородкою. Залишкову міжкристалічну вологу витісняли ацетоном, промитий лангбейніт сушили за 60 0С протягом однієї доби. Отримали продукт такого складу (мас.%): 19,12 К+; 11,44 Mg2+; 0,16 Са2+; 0,06 Na+; 0,12 Cl-; 69,01 SO42-, 0,09 Н2О (або 97,32 % лангбейніту, 0,11 % ангідриту, 0,94 % полігаліту, 0,12 % галіту, 0,08 % сильвіну, 1,42 % арканіту).
Карналіт готували з хлоридмагнієвих розчинів, що утворюються при переробленні полімінеральних калійних руд, методом синтезу з кристалічним калію хлоридом (марки "ч.д.а."). Виробничий розчин магнію хлориду нагрівали до температури 70 ... 80 0С, ця температура відповідає регламенту виробництва карналіту магнієвого заводу. Вихідний розчин випарювали до вмісту Mg2+ - 7,60 %. Осад солей, що при цьому викристалізовувалися, відділяли від розчину. До отриманого розчину при безперервному перемішуванні додавали кристалічний КСl (ч.д.а.). Суспензію повільно випарювали і безперервно перемішуючи відбирали проби, які розфільтровували під вакуумом. Рідку і тверду фази аналізували на вміст іонів К+ та Mg2+. Після отримання карналіту потрібного складу, що визначається мольним співвідношенням в твердій фазі 2К+:Mg2+=1:1, суспензію відстоювали і фільтрували на вакуум-фільтрі. Одержаний склад твердої фази карналіту (мас. %): 13,04 - К+; 8,15 - Mg2+; 0,16 - Са2+; 1,5 - Na+; 38,28 - Cl-; 0,20 - SO42-; 38,67 - Н2О (або 92,7 % - карналіту; 0,35 % - бішофіту; 4,17 % - NaCl; 0,36 % - гіпсу і 0,21 % - СаСl2, 2,21 % - Н2О). Співвідношення 2К+:Mg2+ в твердій фазі дорівнювало 0,99.
Для експериментальних досліджень використовували карналітовий розчин такого складу (мас. %): К+ - 0,33; Mg2+ - 7,52; Са2+ - 0,45; Na+ - 0,26; Cl- - 23,42; SO42- - 0,02; H2O - 68,0 (склад у еквівалентних індексах: Х= 0,07; У= 98,65). Склад карналітового розчину відповідає складу маточного розчину, що утворюється при переробленні полімінеральної калійної руди на стадії кристалізації карналіту.
Для досліджень брали наважки 1000 г лангбейніту і 706 г карналіту, що відповідають стехіометричним кількостям, розрахованим за рівнянням реакції (2.1), з урахуванням чистоти компо