Получение калийно-азотного сульфатного удобрения конверсией хлорида калия серной кислотой

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью получения комплексных сульфатных калийных удобрений, не содержащих в своем составе хлорид-иона, накопление которого в почве приводит к снижению урожайности и повышению уровня засоления почвы. Цель работы: исследование стадий конверсии хлорида калия серной кислотой и нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака в технологии получения калийно-азотного сульфатного удобрения, определение оптимальных параметров протекания этих стадий. Методы исследования: теоретический анализ протекающих процессов, моделирование технологического процесса в лабораторных условиях, определение концентрации соляной кислоты путем аргентометрического титрования хлорид-иона, исследование изменения содержание иона HSO 4 - посредством титрования продукта гидроксидом натрия, рентгенофазовый анализ продукта, полученного при нейтрализации. Результаты. Исследован процесс получения калийно-азотного сульфатного удобрения путем вакуумной конверсии хлорида калия серной кислотой с последующей нейтрализацией полученного гидросульфата калия раствором аммиака. На стадии конверсии установлено влияние остаточного давления и концентрации серной кислоты в реакционной смеси на выход основных продуктов - гидросульфата калия и хлороводорода, а также концентрацию получаемой соляной кислоты. При исследовании процесса нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака получены зависимости степени нейтрализации от длительности процесса при температурах 25, 40 и 60 °С. Выводы. Установлено, что применение разряжения на стадии конверсии хлорида калия серной кислотой позволяет снизить температуру кипения реакционной смеси, тем самым уменьшить температуру процесса конверсии, а также увеличить выход основных продуктов конверсии - гидросульфата калия и хлороводорода. Выявлено, что с увеличением концентрации серной кислоты в реакционной смеси выход гидросульфата калия и хлороводорода возрастает. Процесс конверсии следует проводить при избытке серной кислоты от стехиометрии, так как серная кислота, являясь водоотнимающим реагентом, связывает часть воды и тем самым снижает растворимость продуктов реакции. Чтобы избежать накопления серной кислоты в маточном растворе и потери сырья, избыток серной кислоты должен составлять не более чем 20 % от стехиометрического количества, рассчитанного по уравнению реакции. Продуктом нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака является сульфат калия-аммония KNH 4 SO 4, который можно использовать в качестве комплексного калийно-азотного удобрения. На основании проведенных исследований определены оптимальные параметры протекания процессов конверсии хлорида калия серной кислотой (Т=90 °С, остаточное давление 40 кПа, соотношение Н 2 О/КСl=1,5, концентрация H 2 SO 4 46 % мас.) и нейтрализации гидросульфата калия раствором аммиака (Т=60 °С, t=40 минут) в технологии получения калийно-азотного сульфатного удобрения.

The relevance of the research is caused by the necessity to obtain complex potassium sulfate fertilizers, which do not contain chloride ion. The accumulation of the latter in soil leads to lower yields and increases the level of soil salinity. The main aim of the work is to investigate potassium chloride conversion with sulfuric acid and potassium hydrogensulfate neutralization stages by ammonia solution in production of potassium-nitrogen sulfate fertilizer; to define optimal parameters of these stages. The methods used in the study: theoretical analysis of the processes, modeling of technological process in laboratory conditions, definition of hydrochloric acid concentration by chloride ion argentometric titration, study of changes in the content of ion HSO 4 - by titration of product with sodium hydroxide, X-ray analysis of product, obtained by neutralization. The results. The authors have studied the production of potassium-nitrogen sulfate fertilizer by vacuum potassium chloride conversion with sulfuric acid with further neutralization of the obtained potassium hydrogensulfate by ammonia solution. At conversion it was determined that the residual pressure and sulfuric acid concentration in reaction mixture influence on the output of basic products - potassium hydrogen sulfate and hydrogen chloride, and on concentration of the obtained hydrochloric acid as well. Studying the potassium hydrogensulfate neutralization with the ammonia solution the authors determined the dependence of neutralization degree on the process duration at 25, 40 and 60 °C. The findings. It was ascertained that application of rarefaction at the potassium chloride conversion stage with sulfuric acid allows reducing the reaction mixture boiling temperature, thereby decreasing the conversion temperature, and increasing as well the output of the basic conversion products - potassium hydrogensulfate and hydrogen chloride. It was revealed that the output of potassium hydrogensulfate and hydrogen chloride increases with the increase of sulfuric acid concentration in reaction mixture. The conversion should be carried out at sulfuric acid excess from stoichiometry, as the sulfuric acid, being the dehydrating agent, binds a part of water and reduces the solubility of reaction products. Application of sulfuric acid excess more than 20 % of stoichiometric amount is inappropriate, as it leads to accumulation of sulfuric acid in mother liquor and raw material losses. Sulfate of potassium and ammonium KNH 4 SO 4, is the product of potassium hydrogensulfate neutralization by ammonia solution. It can be used as a complex potassium and nitrogen fertilizer. Based on the carried out researches the authors determined the optimal parameters of potassium chloride conversion with sulfuric acid (Т=90 °С, residual pressure 40 kPa, ratio Н 2 О/КСl=1,5, concentration H 2 SO 4 46 wt. %) and potassium hydrogensulfate neutralization with ammonia solution (Т=60 °С, t=40 minutes) in technology for obtaining potassium and nitrogen sulfate fertilizer.