» » Термические способы получения калия
28.04.2015

Наиболее разработанными способами термического получения калия являются обменное разложение металлическим натрием едкого кали и хлористого калия.
При первом методе в реакционный аппарат непрерывно подаются расплавленные KOH и натрий, а в реакторе при 380—440° образуются едкий натр и металлический калий. Смесь расплавленных KOH (40%), NaOH (60%) и калия непрерывно вытекает из реактора. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность реакционного аппарата (рис. 2)
Второй метод базируется на реакции
KCl + Na = К + NaCl

В СШA этот способ реализован на заводе фирмы Каллари. При обменном разложении получается смесь хлоридов калия и натрия и сплав металлических калия и натрия. В колонне из нержавеющей стали, наполненной кольцами Рашига из того же материала, происходит перегонка сплава, в результате которой получают металлический калий. Этот же завод выпускает сплав калия с натрием, содержащий до 60% К.
Оба способа имеют ряд существенных недостатков: низкое использование сырья, обусловленное большими потерями его в производстве; низкое качество получаемого металлического калия (загрязнен натрием, щелочами, окислами и перекисями); легкая взрываемость получаемого продукта при наличии примесей; сильная коррозия аппаратов, вызванная присутствием едкого кали и приводящая к необходимости частой замены реакторов.
К термическим методам получения калия относится также сульфатный, основанный на реакции
2K2SО4 + 5Fe = 4К + FeS + 2Fe2О3 + SO2.

Недостатки его: высокая агрессивность расплава (остатков шихты) при температурах процесса 850—1050°; трудности, возникающие при извлечении остатков шихты из печи; низкое качество получаемого продукта. Хотя в этом случае применяется дешевый восстановитель и материальный поток относительно небольшой, но все же в настоящее время метод должен быть оценен как малоперспективный.
Недостатки термических способов получения калия и его сплавов с натрием побудили заняться разработкой вакуум-термических способов, этому благоприятствовало общее развитие вакуумной техники.
Вакуум-термические методы получения металлического калия базируются на следующих основных химических реакциях:
Термические способы получения калия

Кроме этого, могут быть осуществлены еще два метода получения металлического калия:
Термические способы получения калия
Термические способы получения калия

Алюмотермический способ разработан достаточно детально и может быть реализован в промышленности. Для его осуществления применяются вакуум-ретортные печи.
Загрузку и разгрузку реторты целесообразно производить без предварительного охлаждения. Перед началом термического процесса шихту следует выдержать при 600°. В последующем желательно максимально сократить продолжительность пребывания шихты при 700—800°, неблагоприятных для восстановления (улетучивание KCl). Наиболее полного извлечения калия добиваются, осуществляя процесс восстановления при температуре выше 900°; с повышением температуры продолжительность термического процесса резко сокращается. Давление в реторте во время реакции должно быть менее 0,5 мм рт. ст.
Технологические показатели этого способа в значительной мере зависят от состава шихты, наиболее перспективна шихта с молярным отношением CaO и KCl, равным 0,6—1,0 и Al к KCl, равным 0,8—1,2. Существенное повышение извлечения наблюдается при введении в шихту фтористых солей и, в частности, фтористого калия или фтористого кальция (5%). При применении алюминия в виде сплавов восстановительная способность его уменьшается с увеличением количества примесей.
Значительное влияние на извлечение калия оказывает крупность компонентов шихты — особенно восстановителя. Извлечение калия, приближающееся к 100%, можно получить лишь при работе на алюминиевом порошке и окиси кальция менее 36 мк.
Необходимость применения относительно дорогого алюминиевого порошка является недостатком алюмотермического метода.
Карбидотермический и силикотермический способы разработаны в одинаковой степени и оба могут быть реализованы в промышленности
При карбидотермическом способе можно применять в качестве восстановителя отходы карбидного производства (мелочь, получающаяся при дроблении блоков карбида кальция).
Удовлетворительные результаты восстановления достигнуты на вертикальной вакуум-ретортной печи, причем, в частности, решен вопрос раздельной конденсации соли и металла (рис. 3). Процесс можно вести без охлаждения печи, загружая шихту в горячую печь и выгружая продукты реакции также из горячей печи, что сокращает продолжительность цикла и снижает расход электроэнергии.
Термические способы получения калия

Разработаны технологические переделы процесса получения металлического калия и соответствующие мероприятия, обеспечивающие безопасность отдельных операций технологического процесса. Последнее имеет особо большое значение, поскольку выделение ацетилена может вызвать взрывы и отравление работающих.
Можно принять следующие технические условия на исходные материалы: потери при прокаливании хлористого калия не выше 0,3 /о, степень измельчения хлористого калия — не крупнее 80 меш, а карбида кальция — не крупнее 3 мм; время нахождения шихты на открытом воздухе не более 4 час. Некоторые показатели карбидотермического метода приведены в табл. 1.
Термические способы получения калия

По безопасности работы и меньшему удельному расходу восстановителя cиликотермический способ получения калия имеет преимущество перед карбидотермическим.
В качестве исходного сырья для получения калия силикотермическим методом применяют хлористый калий, известняк и ферросилиций Необходимо, чтобы исходные материалы содержали минимальное количество солей натрия, так как последний восстанавливается легче, чем :калий, и полностью переходит в продукт (металлический калий).
Исходная калийная соль должна быть высушена при температуре 200—400°. Остаточная влага не должна превышать десятых долей процента. Известняк прокаливается во вращающейся печи при температуре 1200—1250° до полного разложения карбоната.
Калийная соль, известь, фтористый кальций и ферросилиций подвергаются размолу во вращающейся шаровой мельнице до крупности — 80 меш. Соль и известь должны храниться в герметичной таре.
Исходные материалы дозируются и загружаются на 40—45 мин. в смеситель. Тщательно перемешанная шихта поступает на брикетирование, осуществляемое в валковых или револьверных прессах, при давлении порядка 500—700 кг/см2. Размеры брикетов диаметр 75 мм, высота 30 мм. Процесс прессования идет легко, а брикеты получаются прочными.
Готовые брикеты загружают в кюбеля и потом в горячую вакуум-ретортную электрическую или газовую печь. Температура процесса 900°. Остаточное давление в печи 0,2—0,3 мм рт. ст. Продолжительность цикла 10 час.: из них 2 часа загрузка и разгрузка печи и 8 час. процесс восстановления. Наиболее трудоемкой операцией при разгрузке печи является удаление сконденсировавшейся соли. Показатели силикотермического процесса приведены в табл.
Трудности, возникающие при электролитическом получении калия электролизом расплавленных сред при твердом или жидком катоде, вызывают необходимость дальнейших исследований как в части аппаратурного оформления, так и в направлении улучшения технико-экономических показателей.
В связи с получением при ряде процессов не калия, а сплавов его с натрием и свинцом, необходимо совершенствовать методы вакуумной отгонки калия из сплава свинец — калий и ректификации сплава натрий — калий.
Применяемый ныне способ получения калия обменным разложением едкого кали или хлористого калия металлическим натрием обладает существенными недостатками.
Более перспективны вакуумные методы (силикотермический или карбидотермический), которые могут быть реализованы в промышленном масштабе, для этого необходимо создание вакуумной печи, позволяющей получать за цикл 480—500 кг металлического калия.