Способ получения кристаллогидрата сульфата алюминия

 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам получения используемого в основном в качестве коагулянта для очистки питьевой воды кристаллогидрата сульфата алюминия. Сущность способа состоит в репульпации гидроксида алюминия в воде, смешении пульпы с серной кислотой с образованием плава, выдержке последнего для полного разложения гидроксида алюминия при 100 - 120°С, введении в плав мелкодисперсной затравки - кислой соли сульфата алюминия с мольным отношением Al₂O₃ : H₂SO₄, в диапазоне 2 : 1 - 1 : 1, содержащей 35-50% кристаллизационной воды, и отверждении охлажденного воздухом плава путем его кристаллизации на охлаждаемой и смачиваемой водой движущейся поверхности. Кислая соль может быть получена в результате предварительной обработки мелкодисперсного сульфата алюминия серной кислотой, а также непосредственно в плаве за счет подачи в последний после его выдержки серной кислоты, взятой в количестве 0,08 - 0,25 ч. H₂SO₄ на 100 ч. плава, и мелкодисперсного сульфата алюминия, взятого в количестве 1 - 2 ч. на 100 ч. плава. Расход серной кислоты, используемой на стадии смешения, корректируется с учетом ее расхода на образование кислой соли. Способ позволяет интенсифицировать технологический процесс в ≈ 1,5 раза. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способам получения используемого в основном в качестве коагулянта для очистки питьевой воды кристаллогидрата сульфата алюминия, сырьем для производства которого служат гидроксид алюминия и серная кислота.

Известны способы получения кристаллогидрата сульфата алюминия путем смешения гидроксида алюминия или его суспензии в воде с серной кислотой и водой с образованием раствора сульфата алюминия и последующего распыления раствора форсункой во вращающемся барабане [К.В. Ткачев, А.К. Запольский, Ю.К. Кисиль. Технология коагулянтов. Л.: Химия, 1978, с. 95], в аппарате кипящего слоя [А. К. Запольский, А. А. Баран. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л. : Химия, 1987, с. 52], а также - разбрызгивания раствора внутри башни [К.В. Ткачев, А.П. Запольский, Ю.К. Кисиль. Технология коагулянтов. Л. : Химия, 1978, с. 95; А.К. Запольский, А.А. Баран. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987, с. 53]. Недостатками способов являются: 1) необходимость удаления избыточной воды и повышенные энергозатраты, а также 2) значительный пылеунос, достигающий 50%, а следовательно, сложнение процесса ввиду необходимости установки сложных очистных сооружений, не позволяющих, однако, полностью утилизировать целевой продукт.

Известны способы получения кристаллогидрата сульфата алюминия путем смешения гидроксида алюминия [Ф.К. Михайлов, Ю.В. Ласточкин, А.Д. Соколова, В. А. Немов. Авт. свид. СССР N 223077, кл. 12 m, 7/74, C 01 F, заявл. 5.01.1967, опубл. Б.И, 1968, N 24, с. 20], или пульпы гидроксида алюминия в воде [М. Е. Позин. Технология минеральных солей, т. 1, Л.: Химия, 1974, с. 645] с серной кислотой с образованием плава, выдержки последнего при 100^oC [Авт. свид. СССР N 223077, см. выше] или 110-120^oC [М.Е. Позин. см. выше] и отверждения охлажденного воздухом [там же] плава за счет его кристаллизации на движущейся поверхности - холодильных вальцах [Авт. свид. СССР Т 223077, см. выше; М.Е. Позин, см. выше] или прорезиненной ленте с температурой поверхности 83-88^oC [Патент ФРГ N 1146042, 1963]. Недостатками способов являются неудовлетворительное качество целевого продукта, обусловленное повышенным содержанием в нем нерастворимого остатка [Авт. свид. СССР N 223077, см. выше] и низким содержанием основного вещества, которое не превышает 14% в пересчете на Al₂O₃ [М.Е.Позин, см.выше], а также значительные затраты охлаждающих агентов (воздуха, воды или водно-солевых рассолов).

Известен способ получения кристаллогидрата сульфата алюминия [Патент США N 3011878, 1961], позволяющий сократить затраты на охлаждение плава. Способ предусматривает введение в плав до 2% твердой пыли сульфата алюминия в качестве затравки с последующей кристаллизацией охлажденного воздухом целевого продукта на движущейся поверхности - ленте. Введение затравки позволяет уменьшить работу образования зародышей кристаллообразования и тем самым ускорить процесс отверждения плава и сократить затраты агентов на его охлаждение.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является способ получения кристаллогидрата сульфата алюминия [Патент Франции N 1220251, C 01 F, 04.01.1960] на основе гидроксида алюминия и серной кислоты, включающий репульпацию гидроксида алюминия в воде, смешение пульпы с серной кислотой с образованием плава, выдержку последнего для полного разложения гидроксида алюминия, введение в плав мелкодисперсной затравки, отверждение охлажденным воздухом плава путем его кристаллизации на охлаждаемой и смачиваемой водой движущейся поверхности. Способ позволяет довести производительность кристаллизации до 3 т/ч при использовании ленты длиной 60 м, что однако не превышает 50 кг/час с 1 пог. м охлаждаемой поверхности.

Целью предлагаемого изобретения является интенсификация процесса отверждения кристаллогидрата сульфата алюминия, при которой съем продукта с 1 пог. м охлаждаемой поверхности возрастает до 105-130 кг/ч.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения кристаллогидрата сульфата алюминия, заключающемся в репульпации гидроксида алюминия в воде, смешении пульпы с серной кислотой с образованием плава, выдержке последнего для полного разложения гидроксида алюминия, введении в плав мелкодисперсной затравки и отверждении охлажденного воздухом плава путем его кристаллизации на охлаждаемой и смачиваемой водой движущейся поверхности, - выдержку плава ведут при 100 - 120^oC, а в качестве затравки используют кислую соль сульфата алюминия с мольным отношением Al₂O₃:H₂SO₄ в диапазоне 2:1-1:1 и содержащую 35-50% кристаллизационной воды. При этом кислую соль получают либо путем предварительной обработки мелкодисперсного сульфата алюминия серной кислотой, либо непосредственно в плаве путем подачи в последний после его выдержки серной кислоты, взятой в количестве 0,08-0,25 ч. H₂SO₄ на 100 ч. плава, и мелкодисперсного сульфата алюминия, взятого в количестве 1-2 ч. на 100 ч. плава. В связи с тем, что в плав вводится кислая соль, содержащая серную кислоту, расход последней учитывают в общем балансе серной кислоты, корректируя ее количество, подаваемое на смешение с пульпой гидроксида алюминия.

Таким образом, отличие заявляемого способа от известного состоит в выдержке плава при 100- 120^oC и использовании в качестве затравки кислых солей сульфата алюминия состава от 2Al₂(SO₄)₃ · H₂SO₄ · 24H₂O или Al₄H₂(SO₄)₇ · 24H₂O до Al₂(SO₄)₃ · H₂SO₄ · 24H₂O или Al₂H₂(SO₄)₄ · 24H₂O, для которых мольное отношение Al₂O₃ : H₂SO₄ отвечает диапазону от 2:1 до 1: 1, при содержании кристаллизационной влаги 35-50%, вместо солей состава Al₂(SO₄)₃ · n H₂O. Дополнительным (технологическим) отличием является введение в процесс серной кислоты в две стадии, причем на вторую стадию (получение кислой соли) подают 0,08 - 0,25 ч. H₂SO₄ и 1-2 ч. мелкодисперсного сульфата алюминия на 100 ч. плава. Указанные отличия позволяют в 1,6 - 2,5 раза сократить индукционный период кристаллизации сульфата алюминия и соответственно интенсифицировать процесс отверждения целевого продукта, обеспечивая производительность с 1 пог. м кристаллизационной поверхности, равную 105 - 130 кг/ч по сравнению с 50 кг/ч по прототипу.

Основой для создания технических элементов новизны и полезности заявляемого способа, а также выбора диапазонов варьирования физико-химических параметров, представленных в отличительной части формулы изобретения, явилось выполненное авторами исследование и обобщение свойств водных растворов и суспензий, содержащих гидрат и сульфат алюминия, а также серную кислоту (упрощенно система Al₂O₃ - SO₃ - H₂O).

Выбор количеств серной кислоты и затравки определяется качеством получаемого сульфата алюминия по уровню свободной кислоты и нерастворимого остатка, а также достигаемому положительному эффекту (съем продукта с 1 пог. м охлаждаемой поверхности). В таблице приводятся конкретные данные, обосновывающие оптимальный диапазон указанных параметров.

Как видно из данных таблицы, при малых расходах Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O и H₂SO₄ (0,8 и 0,06% соответственно) производительность стадии кристаллизации и отверждения целевого продукта невелика и не превышает 50 кг/ч с 1 пог. м поверхности. Увеличение доли Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O более 2% не дает эффекта, а при расходе серной кислоты свыше 0,25 ч. на 100 ч. плава массовая доля H₂SO₄ в сульфате алюминия составляет 0,15%, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ 12966-85.

Для конкретизации заявляемого способа получения кристаллогидрата сульфата алюминия приводятся примеры осуществления процесса.

Пример 1 1900 кг гидроксида алюминия (57,4% Al₂O₃, 0,5% Na₂O + K₂O) репульпируют в 1888 кг воды; полученную суспензию в реакторе с мешалкой обрабатывают 3386 кг серной кислоты (92,5% H₂SO₄). По окончанию загрузки реакционную массу выдерживают при 110^oC в течение 60 мин и далее в плав вводят 100 кг затравки в виде кислого сернокислого алюминия: Al₂(SO₄)₃ · H₂SO₄ · 24H₂O, который получают вне реактора путем обработки 76,4 кг Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O серной кислотой (47,5% H₂SO₄), взятой в количестве 23,6 кг.

Мольное отношение Al₂O₃:H₂SO₄ составляет 1:1 при содержании в затравке 49,5% воды. В результате осуществления процессов разложения гидроксида алюминия и образования центров кристаллизации сульфата алюминия получают 6774 кг плава, который после охлаждения до 100-105^oC сливают на движущуюся и охлаждаемую водой поверхность (кристаллизатор), выполненную в виде резиновой ленты длиной 30 м. Скорость движения ленты регулируют таким образом, чтобы толщина расплава, дополнительно охлаждаемого воздухом, составляла 10 мм. Длительность разгрузки реактора при этом 2 часа, что отвечает производительности кристаллизации 113 кг/ч с 1 пог. м ленты. Продукт содержит 16,3% Al₂O₃, 0,22% нерастворимого остатка (основные сульфаталюминаты натрия); серная кислота отсутствует.

Пример 2 1900 кг гидроксида алюминия репульпируют в 1870 кг воды; полученную суспензию в реакторе с мешалкой обрабатывают 3400 кг серной кислоты (92,5% H₂SO₄). По окончанию загрузки реакционную массу выдерживают при 110^oC в течение 90 мин и далее в плав вводят последовательно 8,7 кг H₂SO₄ (92,5%) и 110 кг Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O, что эквивалентно 100 кг затравки в виде кислой соли состава: 2Al₂(SO₄)₃ · H₂SO₄ · 24H₂O (мольное отношение Al₂O₃ : H₂SO₄ = 2:1, содержание воды 35,5%). В результате осуществления процессов разложения гидроксида алюминия и образования центров кристаллизации сульфата алюминия получают 6789 кг плава, который после охлаждения до 100-105^oC подвергают отверждению, аналогично описанному в примере 1, с той лишь разницей, что длительность разгрузки составляет 125 мин; это отвечает производительности ≈ 110 кг/ч. Продукт содержит 16,3% Al₂O₃, 0,2% нерастворимого в воде остатка; серная кислота отсутствует.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет в ≈ 1,5 раза интенсифицировать процесс получения кристаллогидрата сульфата алюминия в целом (с учетом стадий репульпации, смешения реагентов, выдержки массы, разложения гидроксида алюминия, охлаждения и отверждения плава).

Формула изобретения

1. Способ получения кристаллогидрата сульфата алюминия, включающий репульпацию гидроксида алюминия в воде, смешение пульпы с серной кислотой с образованием плава, выдержку последнего при 100 - 120^oС для полного разложения гидроксида алюминия, введение в плав мелкодисперсной затравки, отверждение охлажденного воздухом плава путем его кристаллизации на охлаждаемой и смачиваемой водой движущейся поверхности, отличающийся тем, что выдержку плава ведут при 100 - 120^oС, а в качестве затравки используют кислую соль сульфата алюминия с мольным отношением Al₂O₃ : H₂SO₄ в диапазоне 2 : 1 - 1 : 1, содержащую 35 - 50% кристаллизационной воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислую соль получают путем предварительной обработки мелкодисперсного сульфата алюминия серной кислотой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислую соль получают непосредственно в плаве путем подачи в последний после его выдержки серной кислоты, взятой в количестве 0,08 - 0,25 ч. H₂SO₄ на 100 ч. плава, и мелкодисперсного сульфата алюминия, взятого в количестве 1 - 2 ч. на 100 ч. плава.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что серная кислота, подаваемая на смешение с пульпой гидроксида алюминия, берется в количестве, учитывающем ее дальнейший расход на получение кислой соли.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:ОАО "Металлург"

(73) Патентообладатель:ЗАО "МЕТАХИМ"

Договор № 20576 зарегистрирован 14.12.2004

Извещение опубликовано: 20.02.2005        БИ: 05/2005