Исследование и разработка конверсионного способа получения сульфида натрия

Во многих производствах образуются в значительных количествах отходы, содержащие сульфат натрия. Потребность в нем на 50% удовлетворялась в бывшем СССР и США, (а в ряде стран полностью) за счет переработки промышленных отходов [1]. Попутным продуктом сульфат натрия является в производствах синтетических жирных кислот, искусственных волокон (главным образом, вискозы), бихрома-та натрия, силикагелей и др. В производстве глинозема — это содосульфатная смесь, а при переработке нефти — сульфатсодержащие сточные воды. Как правило, такой сульфат натрия является низкосортным и вследствие этого имеет ограниченный сбыт, что в условиях рыночной экономики имеет немаловажное значение.

Между тем, в производстве бихромата натрия получаемый отход традиционно перерабатывается в сульфид натрия вследствие невозможности его другого использования из-за содержащегося в нем высокотоксичного шестивалентного хрома. Этот пример показывает, что возможна и целесообразна переработка сульфатсо-держащих отходов в ценный, более дорогой и пользующийся опросом продукт.

Сульфид натрия широко применяется в цветной металлургии при обогащении медных, свинцово-цинковых, молибденовых и др. руд, в кожевенной промышленности для удаления волосяного покрова со шкур, в текстильной — при крашении тканей, в химической — для производства сернистых красителей и как восстановитель в ряде процессов. Применяемый сегодня способ производства сульфида натрия путем восстановления брикетированного сульфата натрия металлургическим коксом в шахтных печах исключает возможность переработки сульфатсодержащих растворов, образующихся во многих производствах. Этот способ, реализованный в промышленном масштабе в середине 60-х годов и являясь в то время прогрессивным, в настоящее время. морально устарел, не обеспечивает соблюдение повышенных требований к охране окружающей среды и является неконкурентоспособным с зарубежными как по технико-экономическим показателям, так и по качеству получаемого продукта. Все это, а также общий кризис российской экономики, привели к тому, что часть потребителей стали приобретать более дешевый зарубежный продукт, поставив под угрозу само существование отечественного производства сульфида натрия. Выход из этой ситуации возможен путем перевода производства на новый способ, обеспечивающий, содной стороны, безотходное производство, с другой — повышение его технико-экономических показателей и качества продукта до конкурентоспособного уровня. Вследствие этого исследование и разработка такого способа являются актуальными и насущно необходимыми для возрождения отечественного производства сульфида натрия. С точки зрения использования промышленных сульфатсодержащих отходов немаловажным является осуществление возможности подачи их в производство в виде растворов, что невозможно при существующем способе производства.

Цель и задачи исследования

Целью исследования являлась разработка и научное обоснование способа получения сульфида натрия, позволяющего расширить круг перерабатываемых сульфатсодержащих отходов, отвечающего современным требованиям к охране окружающей среды и конкурентоспособного в сравнении с зарубежными.

Критический анализ литературных данных обосновал необходимость разработки способа получения сульфида натрия путем конверсии сульфида бария при взаимодействии с сульфатсодержащими отходами с последующим восстановлением образующегося при этом сульфата бария до сульфида, существенно, что в этом случае бариевое сырье теоретически не расходуется и отсутствуют твердые отходы. Скудные и весьма противоречивые литературные сведения о конверсии сульфида бария в сульфид натрия определили задачи исследования:

— детальное изучение процесса конверсии,.

— теоретическое обоснование способа путем изучения растворимости в системе Ва$-№ 2 $-Н20,.

— лабораторные и опытно-промышленные испытания разрабатываемого способа и его технико-экономическая оценка.

Стремление к разработке такого способа было поддержано всеми заводами, имеющими в своем составе производство сульфида натрия, а также Менделеевским химзаводом им. Л. Я. Карпова, принявшим самое активное и непосредственное участие в исследованиях, проведенных совместно с Уральским научно-исследовательским химическим институтом (УНИХИМ). Целью такой работы кроме возрождения отечественного производства сульфида натрия являлось предоставить возможность и инструмент многим предприятиям для ликвидации имеющихся у них сульфатсодержащих растворов с получением полезного и дорогостоящего продукта. С этих позиций разраббтка способа, позволяющего снизить вредное влияние сульфатсодержащих сточных вод на окружающую среду и тем самым уменьшить техногенную нагрузку на нее' многих предприятий, приобретает народнохозяйственное звучание и значение.

Научная новизна. Впервыеисследован процесс конверсии сульфида бария в сульфид натрия на сульфате натрия различного происхождения с применением математического планирования эксперимента. Установлены оптимальные условия процесса и дано его математическое описание. Теоретически обоснованы режимы ряда стадий технологического процесса путем исследования растворимости в системе ВаБ-N825−420, сведения о которой отсутствуют в литературе. Разработана безотходная технология сульфида натрия, защищенная патентом РФ.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы при разработке: исходных данных для проектирования реконструкции цеха сульфида натрия Актюбин-ского завода хромовых соединений (1994 г.), технико-экономического обоснования (ТЭО) реконструкции цеха, сульфида натрия АО «Кучуксульфат» (1996 г.), ТЭО переработки сульфатсодержащих стоков на АО «Уфанефтехим» (1995 г.). Принято решение об использовании способа при реконструкции производства бариевых солей на АО «Химзавод им. Л.Я. Карпова» (г. Менделеевск, Татарстан).

На защиту выносятся:

— результаты детального изучения процесса конверсии сульфида бария в сульфид натрия и его математическое описание;

— экспериментально полученные сведения о растворимости в системе ВаЗ-МагЗ-НгО, являющиеся физико-химической основой конверсионного способа получения сульфида натрия- 7 результаты испытаний способа на опытно-промышленной установкебезотходный технологический процесс получения сульфида натрия конверсион ным способом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Цель работы имела дуалистический характер. Во-первых, необходимо было разработать такой способ производства сульфида натрия, который бы обеспечивал его конкурентоспособность, существенно сокращал воздействие на окружающую среду и служил технической основой для возрождения отечественного производст-! ва сульфида натрия. Во-вторых, способ должен обеспечивать возможность ввода в — процесс сульфата натрия в виде. раствора, что открывало бы перспективу исполь-• зования сточных сульфатсодержащих вод-отходов разнообразных производств и ' создавало бы техническую основу для ликвидации техногенных образований и сни-< жения антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Анализ литературных сведений позволил выбрать для разработки способ конверсии сульфида бария в сульфид натрия, — в котором бариевое сырье теоретически не расходуется, поскольку образующийся в результате конверсии сульфат бария подвергается восстановительному обжигу и превращаясь в сульфид, возвращается на конверсию. Благоприятные предпосылки для реализации такого способа в промышленности заключались в том, что процесс восстановительного обжига барита и выщелачивания плава сульфида бария в течение многих лет функционирует в производстве бариевых солей, а возможность использования в конверсионном способе имеющегося в цехах сульфида натрия выпарного оборудования не вызывала сомнений. Таким образом, разработка способа сводилась к детальному исследованию конверсии сульфида бария в сульфид натрия, фильтруемое&tradeсуспензий сульфата бария и выявлению особенностей восстановительного обжига оборотного сульфата бария по сравнению с баритом. Все эти задачи успешно решены, в результате чего установлена возможность использования: 1) значительной части оборудования действующих цехов по производству сульфида натрия- 2) промышленного опыта получения сульфида бария в производстве бариевых солей, а все это вместе гарантирует высокую надежность технических решений при проектировании реконструкции существующих производств сульфида бария.

Вторая цель также достигнута, поскольку показана предпочтительность введения сульфата натрия на конверсию в виде раствора и, следовательно, разработанный способ может служить своеобразным «санитаром» для многих производств, имеющих в качестве отходов сульфатсодержащие растворы.

На основании выполненной работы можно сделать следующие основные выводы. < I.

1.С применением метода математического планирования эксперимента детально' йсследован процесс конверсии сульфида бария в сульфид натрия, в результатечего определены оптимальные условия его осуществления и математическая модель. Опробованы в этом процессе различные виды кристаллического сульфата натрйя. Установлены высокие степень и скорость конверсии и их зависимость от вида (происхождения) применяемого сульфата натрия. 2. Впервые изучена взаимная растворимость солей в системе Ва5-№ 25-Н20 при 60 и 90 °C, являющаяся физико-химической основой процессов конверсии и выщелачивания плава сульфида бария. Зафиксирована высокая высаливающая способность сульфида натрия, которую необходимо учитывать при осуществлении этих процессов. В системе не обнаружено образования двойных солей.

3. Подробно изучен процесс фильтрации суспензий сульфата бария, установивший приемлемые для промышленной реализации скорости и другие показатели. На этой основе осуществлен выбор типа фильтров, показавший возможность использования дисковых вакуум-фильтров, имеющихся в существующих производствах сульфида натрия, что обеспечивает использование значительной части оборудования при реконструкции цехов с переводом на конверсионный способ.

4. Разработанный способ осуществлен по полной технологической схеме в цикловых лабораторных опытах, результаты которых затем были подтверждены испытаниями на опытно-промышленной установке. На их основе разработаны исходные данные для проектирования реконструкции существующих производств сульфида натрия на Актюбинском заводе хромовых соединений и АО «Кучуксульфат».

5. Конверсионный способ по сравнению с применяемым сегодня в промышленности восстановлением брикетированного сульфата натрия металлургическим коксом в шахтных печах характеризуется следующими положительными отличиями:

— возможность использования в качестве сырья растворов сульфата натрия и отсутствием необходимости в подготовке сырья перед подачей его в производство;

— высокой степёнью использования сульфата натрии 95 вместо 70%;

— применением ^ качестве углеродсодержащего восстановителя дешевого и менее дефицитнЬго малозольного нефтекокса, мелочь которого является отходом производства товарного кускового электродного;

— отсутствием в отходящих газах печи обжига сероводорода и окиси углерода и меньшим (в пределах норм ПДВ) содержанием диоксида серы-:

— существенным ' уменьшением образования твердого отхода производства с 600 до 3,5 кг (в пересчете на сухое) на 1 т сульфида натрия (63% № 28);

— повышенным качеством готового продукта — снижением содержания балластных солей (№ 2503, № 2С03, № 25 203, № 2504) с 8−10 до 3−5%;

— длительным сроком службы футеровки печи обжига — 4 года против 4−6 месяцев у шахтной печи.

6. Разработанные технико-экономические обоснования реконструкции цеха сульфида натрия АО «Кучуксульфат» и утилизации сульфатсодержащих сточных вод АО «Уфанефтехим» с использованием конверсионного способа демонстрируют его высокие технико-экономические показатели, которые могут быть реализованы при улучшении экономической ситуации в РФ.

7. Оригинальность конверсионного способа подтверждена патентом РФ.