способ получения кремнефтористого натрия

Формула изобретения

Способ получения кремнефтористого натрия путем взаимодействия кремнефтористоводородной кислоты и карбоната натрия с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта, отличающийся тем, что предварительно кремнефтористоводородную кислоту смешивают с маточным раствором отобранного после стадии отстаивания суспензии кремнефтористого натрия в объемном соотношении 1:1-2, а взаимодействие реагентов проводят в трубчатом реакторе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению соединений фтора и может быть использовано в производстве кремнефторида натрия (КФН) из кремнефтористоводородной кислоты (КФВК).

Известен способ получения кремнефторида натрия из фторсодержащих газов производств экстракционной фосфорной кислоты и удобрений путем их водной абсорбции, нейтрализации полученной КФВК содой или едким натром при рН 0,2-3,0 в течение 0,25-1 ч, отстаивания полученных кристаллов, их отделения и сушки. Нейтрализацию кислоты проводят в трех каскадно расположенных емкостных реакторах, снабженных мешалками для перемешивания реакционной массы. Получают основную массу кристаллов кремнефторида натрия с размером 40-60 мкм [А.с. № 859293, кл. С01В 33/10, В01D 53/14, 1979].

Недостатком способа является продолжительность и значительная металлоемкость процесса.

Известен способ получения кремнефтористого натрия взаимодействием кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия, включающий одновременное смешение и сушку полученной суспензии, причем смешение КФВК с карбонатом натрия ведут в течение 1,5-2 мин при рН 2,2-2,8. Способ позволяет получить кремнефтористый натрий с остатком на сите 0063 не более 14-15% и исключить стадию размола высушенного продукта [А.с. № 566764, кл. С01В 33/10, 1976].

Недостатком способа является сложность процесса из-за необходимости обеспечения одновременного смешения реагентов и сушку, а также металлоемкость процесса.

Известен способ получения кремнефтористых солей, в том числе кремнефтористого натрия (КФН), включающий смешивание КФВК со щелочными соединениями натрия до рН 1,5-3,0 не более чем за 3 с. Смешение реагентов проводят в реакторе с пропеллерной мешалкой. Способ позволяет снизить содержание диоксида кремния в готовом продукте [патент РФ № 2024429, кл. С01В 33/10, 1991].

Недостатком способа являются высокие энергозатраты на смешение реагентов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения кремнефтористого натрия путем взаимодействия КФВК с карбонатом натрия в многоступенчатом цикле с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта в аппарате кипящего слоя. Предварительно кремнефтористоводородную кислоту смешивают с суспензией КФН, отобранной после последней ступени взаимодействия, в объемном соотношении 1:1-3. Взаимодействие реагентов с получением суспензии КФН осуществляют в четыре ступени в емкостных реакторах, причем время пребывания реакционной массы на каждой ступени составляет 25-30 мин. За счет предварительного смешения КФВК с суспензией КФН и заданного объемного соотношения материальных потоков снижается вероятность протекания побочного процесса с образованием диоксида кремния, загрязняющего целевой продукт. Реакторы с объемом по 16 м³ снабжены мешалками с электродвигателями мощностью 22 кВт. Реакторы изготовлены из углеродистой стали, изнутри футерованы [А.с. № 1204562, Кл. С01В 33/10, 1983].

Недостатком способа является многоступенчатость процесса, высокая металлоемкость и относительно высокие затраты на смешение реагентов. Использование для рецикла суспензии кремнефторида натрия, содержащей твердую фазу, приводит к забиванию коммуникаций и оборудования.

Цель изобретения - уменьшение металлоемкости и энергозатрат на осуществление стадии смешения реагентов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения кремнефторида натрия путем взаимодействия кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия с последующим отстаиванием суспензии и сушкой продукта, взаимодействие реагентов осуществляют в трубчатом реакторе, причем предварительно кремнефтористоводородную кислоту смешивают с маточным раствором, отобранным после стадии отстаивания суспензии, в объемном соотношении 1:1-2.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен трубчатый реактор для осуществления нейтрализации КФВК содовым раствором,

на фиг.2 изображена принципиальная технологическая схема получения КФН с использованием трубчатого реактора.

Трубчатый реактор (фиг.1) представляет собой полый вертикальный цилиндрический аппарат 1 с внутренним диаметром 400-500 мм, высотой 1600-2000 мм, снабженный двумя технологическими штуцерами 2, 3 для тангенциального ввода раствора карбоната натрия (содового раствора) и смеси КФВК и маточного раствора, выходным штуцером 4 с диаметром 89-120 мм для отвода суспензии КФН, съемными крышками 5 и 6. На верхней крышке 5 реактора имеется щтуцер 7 для отвода углекислого газа. На нижней крышке 6 реактора имеется штуцер 8 для слива реакционной массы после остановок технологического процесса, при ведении осмотра и ремонтных работ. Штуцера 2, 3 с диаметром 45-57 мм тангенциального ввода реагентов расположены в нижней части реактора, причем ввод смеси КФВК и осветленного маточного раствора осуществляется по нижнему штуцеру 3, ввод содового раствора - по штуцеру 2. Крышки 5 и 6 реактора изготавливаются съемными в целях обеспечения осмотра и чистки реактора. Реактор изготавливается из материалов, коррозионно-устойчивых к действию фтористых соединений и кислот, например из фторопласта - 4 по ГОСТ 10007-80. Рабочий объем трубчатого реактора составляет 0,2-0,25 м³.

Сущность способа заключается в следующем. Взаимодействие кремнефтористоводородной кислоты с карбонатом натрия с образованием кремнефторида натрия протекает с выделением газообразного углекислого газа СO₂

H₂SiF₆+Nа₂СО ₃=Na₂SiF₆ +H₂O+CO₂

Процесс смешения реагентов можно интенсифицировать, проводя его в трубчатом реакторе, используя для перемешивания реакционной массы выделяемый поток углекислого газа. При этом достигается тщательное и объемное перемешивание всей реакционной массы без затрат энергоресурсов, исключаются локальные пересыщения раствора кислоты карбонатом натрия и возможность протекания побочных реакций с образованием диоксида кремния и фтористого натрия. Время пребывания реакционной массы в реакторе составляет 0,5-1 мин, что достаточно для полного протекания реакции нейтрализации кремнефтористоводородной кислоты. Трубчатый реактор заменяет собой каскад из трех емкостных реакторов, снабженных перемешивающими устройствами, чем достигается снижение металлоемкости процесса получения КФН и исключаются энергозатраты на стадии смешения реагентов.

Предварительное смешение КФВК маточным раствором в заданном объемном соотношении 1:1-2, использование для рецикла осветленного маточного раствора позволяют проводить процесс получения кремнефторида натрия без протекания побочных реакций и без забивания оборудования и коммуникаций твердыми отложениями. Уменьшение объемного соотношения КФВК и маточного раствора ниже 1:1 приводит к снижению содержания основного вещества в готовом продукте. Повышение указанного соотношения выше 1:2 требует увеличения энергозатрат на обеспечение повышенного расхода маточного раствора на рецикл без повышения качества готового продукта.

Способ осуществляют следующим образом. На фиг.2 приведена принципиальная схема получения кремнефторида натрия с использованием трубчатого реактора и рециклом маточного раствора. Исходная КФВК предварительно смешивается с маточным раствором в объемном соотношении кислота: маточный раствор = 1:1-2 и подается в трубчатый реактор 9 по нижнему штуцеру. В трубчатый реактор 9 также подается требуемое количество карбоната натрия в виде содового раствора по верхнему штуцеру. За счет выделяемого углекислого газа реакционная масса интенсивно перемешивается. Из выходного штуцера получаемая суспензия КФН самотеком отводится в отстойник 10. Углекислый газ через штуцер на крышке реактора выбрасывается в атмосферу. Сгущенная пульпа кристаллов кремнефтористого натрия из нижней части отстойника 10 отводится в сборник 11, откуда насосом 12 направляется на стадию сушки. Из верхней части отстойника осветленный маточный раствор сливается в сборник 13, откуда насосом 14 маточный раствор в заданном объемном соотношении подается на предварительное смешение с КФВК, а избыток раствора - направляется на утилизацию.

Целесообразность выбранных пределов показателей процесса приведена в примерах и в таблице 1.

Пример 1. 6 м³ 16%-ной КФВК (6900 кг) предварительно смешивается с 6 м³ (6060 кг) маточного раствора. Объемное соотношение потоков кислота: раствор 1:1. Далее смесь подается в трубчатый реактор. В трубчатый реактор также подается 3,75 м³ 18%-ного раствора карбоната натрия (4428 кг). В результате реакции нейтрализации выделяется 331 кг углекислого газа (168 м³). За счет выделяемого газообразного углекислого газа происходит интенсивное перемешивание реакционной массы - суспензии кремнефтористого натрия. Время пребывания реакционной массы в реакторе составляет 1 мин. Далее получаемая суспензия КФН в количестве 17057 кг из реактора самотеком направляется на отстаивание. Углекислый газ через отвод на верхней крышке реактора выбрасывается в атмосферу. Суспензия КФН в отстойнике отстаивается с образованием сгущенной пульпы и маточного раствора. Сгущенная пульпа с массовым отношением твердая фаза: жидкая фаза (Т:Ж)=1:3 в количестве 5340 кг отводится в промежуточный сборник и далее направляется на сушку. Осветленный маточный раствор в количестве 11717 кг (11,6 м³) из верхней части отстойника сливается в сборник, откуда насосом в объеме 6 м³ подается на смешение с исходной КФВК, а его избыток в объеме 5,6 м³ направляется на утилизацию. После сушки получают 1346 кг готового продукта, содержание основного вещества 99,2%. Процесс протекает без забивания оборудования и коммуникаций отложениями. Энергозатраты на перемешивание реагентов на стадии их взаимодействия отсутствуют.

Пример 2. 6 м³ 16%-ной КФВК (6900 кг) предварительно смешивается с 12 м³ (12120 кг) маточного раствора. Объемное соотношение потоков кислота: раствор = 1:2. Далее смесь подается в трубчатый реактор. В трубчатый реактор также подается

3,75 м³ 18%-ного раствора карбоната натрия (4428 кг). В результате реакции нейтрализации выделяется 331 кг углекислого газа (168 м³). За счет выделяемого газообразного углекислого газа происходит интенсивное перемешивание реакционной массы. Время пребывания реакционной массы в реакторе составляет 0,7 мин. Суспензия КФН в количестве 23117 кг самотеком направляется на отстаивание. Сгущенная пульпа КФН из нижней части отстойника с отношением Т:Ж=1:3 в количестве 5340 кг отводится в промежуточный сборник и далее направляется на сушку. Маточный раствор в количестве 17777 кг (17,6 м ³) из верхней части отстойника сливается в сборник, откуда насосом в объеме 12 м³ подается на смешение с исходной КФВК, а его избыток в объеме 5,6 м³ направляется на утилизацию. После сушки получают 1344 кг готового продукта, содержание основного вещества 99,3%. Процесс протекает без забивания оборудования и коммуникаций отложениями. Энергозатраты на перемешивание реагентов на стадии их взаимодействия в реакторе отсутствуют.

Таблица 1
Влияние объемного соотношения потоков КФВК и маточного раствора на содержание основного вещества в продукте.
№ опыта	Расход КФВК в трубчатый реактор, л/ч	Расход содового раствора в трубчатый реактор, л/ч	Расход маточного раствора в трубчатый реактор, л/ч	Объемное соотношение КФВК: маточный раствор	Содержание Na2SiF6 в готовом продукте, %
1	400	250	200	1:0,5	98,0
2	400	250	400	1:1	99,2
3	400	250	600	1:1,5	99,3
4	400	250	800	1:2	99,3
5	400	250	1000	1:2,5	99,3