DE3113612C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Kaliumnitrat durch Umsetzen von Kaliumchlorid und Salpetersäure
in einem organischen Lösungsmittel in Form von Butanol
(en) und/oder Pentanol(en), bei dem die Reaktionsteilnehmer
in einem Mengenverhältnis von 0,9 bis 3 Mol Salpetersäure
pro Mol Kaliumchlorid eingesetzt werden, das Kaliumnitrat
abgetrennt wird, wobei die entfernte flüssige Phase aus einer
wäßrigen Lösung und einem Chlorwasserstoffsäure und Salpetersäure
enthaltenden organischen Lösungsmittelextrakt besteht
und der Lösungsmittelextrakt zur Gewinnung von Salpetersäure
enthaltender Chlorwasserstoffsäure gewaschen wird.
Kaliumnitrat wird nunmehr für eines der bedeutsamsten Kaliumdüngemittel
gehalten, das 46,58% Kali (ausgedrückt als K₂O)
und 13,6% Stickstoff (N) enthält. Als chemische Verbindung
ist es neutral. Sein Stickstoff/Kaliumoxid (N : K₂O)-Verhältnis
ist mit etwa 1 : 3,4 festgelegt. Reines Kaliumnitrat ist nur
geringfügig hygroskopisch und neigt daher weniger zum Zusammenbacken
als reines Kaliumchlorid. Kaliumnitrat ist auch weniger
hygroskopisch als andere Nitratsalze, die als Düngemittel
verwendet werden.
Das bis 1967 hergestellte Kaliumnitrat wurde meistens durch
die Umsetzung von Natriumnitrat mit Kaliumchlorid erhalten.
Wegen seiner hohen Kosten wurde es angestrebt, daß derartig
hergestelltes Kaliumnitrat hauptsächlich industriell angewandt
wurde. 1968 wurde in Israel
eine Anlage errichtet, um Kaliumnitrat aus
Kaliumchlorid und Salpetersäure herzustellen, wobei eine
Lösungsmittelextraktion entsprechend den Angaben in den
IL-PS 9539 und 9660 und den entsprechenden DE-PS
10 36 821 (entspricht US-PS 29 02 341) und 10 36 822 durchgeführt wird. Danach basiert
dieses Verfahren auf der folgenden Reaktion:
KCl + HNO₃⇄KNO₃ + HCl
Das Wesen dieses Verfahrens liegt in der Entfernung von
HCl aus der Reaktionsmischung, um auf diese Weise das Gleichgewicht
nach rechts zu verschieben. Dieses wird dadurch erreicht,
daß die Reaktionsmischung mit einem organischen
Lösungsmittel, das teilweise mit Wasser mischbar ist, in Kontakt
gebracht wird, in das die gebildete Chlorwasserstoffsäure
extrahiert wird. Die Reaktionspartner in Form von Salpetersäure
und Kaliumchlorid werden der Reaktion zugeführt,
was im wesentlichen in stöchiometrischen Anteilen geschieht.
In Gegenwart eines Lösungsmittels erfolgt eine vollständige
Überführung von KCl in KNO₃, was praktisch in der festen
Phase stattfindet. Im Hinblick auf eine vorteilhafte Verfahrensführung
ist jedoch die Gegenwart einer gewissen Menge
einer wäßrigen Phase bevorzugt. Diese wäßrige Phase stellt
eine Säure enthaltende Salzlösung dar, deren Zusammensetzung
von der Reaktionstemperatur und der Azidität des Reaktionslösungsmittels
abhängt, das bezüglich des Anteils an KCl und
HNO₃ gesättigt ist. Die Wasserbilanz wird über das gesamte
Verfahren so eingeregelt, daß die Menge der wäßrigen Phase
(Salzlösung) konstant bleibt. Die bevorzugte Reaktionstemperatur
liegt zwischen 0 und 10°C. In den vorgenannten Patentschriften
wird erwähnt, daß die Reaktion zwischen KCl und
HNO₃ und die Extraktion bei einer 63°C nicht überschreitenden
Temperatur durchgeführt werden. Die Umsetzung von KCl in KNO₃
erfolgt in einer Serie von Reaktoren unter Rühren. Die Reaktionsteilnehmer,
das rückgeführte Lösungsmittel und die rückgeführte
Salzlösung werden einem ersten Behälter zugeführt.
Die Dreiphasenreaktionsmischung in Form 1) des festen Kaliumnitrats,
2) des Chlorwasserstoffsäure- und Salpetersäurebeladenen
Lösungsmittels und 3) der Salzlösung werden einem
Dekantierbehälter zugeführt. Die Lösungsmittelphase wird abgetrennt
und einem Flüssig-Flüssig-Kontaktsystem zugeführt,
um als Nebenprodukt Chlorwasserstoffsäure in der Form einer
sehr verdünnten wäßrigen Lösung einer Konzentration von 5 bis
8 Gewichtsprozent zu entfernen. Um ein verkäufliches Produkt
zu erhalten, erfordert diese Chlorwasserstoffsäure eine
wesentliche Konzentrierung in einem Mehrstufenverdampfer.
Dies bedeutet zusätzliche Kosten und insbesondere erhöhte
Energieaufwendungen, was für das Verfahren sicherlich nachteilig
ist.
Die bei dem obigen Verfahren verwendeten organischen Lösungsmittel
sind im Hinblick auf Säuren spezifisch, d. h. Salze
werden nicht extrahiert. Nachteilig ist allerdings die Tatsache
zu bewerten, daß sie für Chlorwasserstoffsäure nicht
selektiv sind, so daß Salpetersäure gleichzeitig extrahiert
wird. Daneben ist es des weiteren bei diesem Verfahren nachteilig,
daß es eine zusätzliche Behandlung der Lösung erfordert,
z. B. eine Behandlung mit Formaldehyd, um den Nitratgehalt
zu eliminieren. Schließlich muß es zusätzlich als eine
weitere Störung des gesamten Verfahrens angesehen werden, daß
auch Reaktionspartner erforderlich sind, was sich in einem
gewissen Umfang auf die Produktionskosten auswirkt. Die organischen
Lösungsmittel, die in den beiden vorgenannten DE-Patentschriften
erwähnt werden, werden aus der aus einwertigen aliphatischen
Alkoholen mit 4 oder 5 Kohlenstoffatomen bestehenden Gruppe
ausgewählt.
Das Verfahren zur Herstellung von Kaliumnitrat, das in der
erwähnten Anlage in Israel angewandt
wird, basiert auf der Umsetzung von Kaliumchlorid zu Kaliumnitrat
unter Verwendung von Amylalkohol als organisches
Lösungsmittel.
Obwohl das Verfahren an sich ohne weiteres betrieben werden
kann und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ziemlich
günstig zu beurteilen ist, leidet es jedoch an zwei Hauptnachteilen.
Die überschüssige Reaktionslösung, die sich in
dem Reaktionssystem anhäuft, enthält etwa 6% Salpetersäure,
die durch eine zusätzliche Behandlung entfernt werden muß.
Des weiteren ist die Konzentration der als Nebenprodukt erhaltenen
Chlorwasserstoffsäure niedrig.
In den parallel laufenden israelischen Patentanmeldung
59 883 und 59 884 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein
wäßriges Reaktionsmedium ohne organisches Lösungsmittel arbeitet,
um die Reaktion zwischen Kaliumchlorid und Salpetersäure
durchzuführen. Eine vollständige Wiedergewinnung der Nitrationen
aus der verbrauchten Sole bzw. Salzlösung wird erreicht.
Die nitratfreie Salzlösung kann im wesentlichen zur
Gewinnung relativ hochkonzentrierter Lösungen von Chlorwasserstoffsäure
behandelt werden. Obwohl das Verfahren unter
wirtschaftlichen Gesichtspunkten ziemlich günstig zu beurteilen
ist, zeigt es den Nachteil des Erfordernisses relativ
niedriger Reaktionstemperaturen. So wird der bevorzugte Temperaturbereich
von -20 bis 0°C angegeben, um ein im wesentlichen
reines Kaliumnitrat zu erhalten.
In den letzten 20 Jahren erschienen mehrere theoretische
Erörterungen in der Literatur über die bevorzugte Extraktion
von Säuren niedriger Ionisierung, wie Salpetersäure,
gegenüber hochionisierten Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure.
So wurde z. B. bei der Beurteilung der Extraktion, die für
Salpetersäure und Chlorwasserstoffsäure getrennt in einem
System von Tributylphosphat und Wasser durchgeführt wurde,
gefunden, daß der größte Verteilungskoeffizient, gemessen
zwischen einer organischen und einer wäßrigen Phase, bei
Salpetersäure liegt, gefolgt von Chlorwasserstoffsäure. Zwei
unterschiedliche Mechanismen wurden vorgeschlagen (vgl. Baldwin
et al, J. Phys. Chem. 63, 118, 1959):
- a) HNO₃ verdrängt Wasser vom Tributylphosphat und wird extrahiert, was auf die Bildung eines besonderen Salzkomplexes zurückgeht, und
- b) HCl fügt Wasser zum Tributylphosphat und seine Extraktion wird gewöhnlich schwierig und stark durch das Hydrationsphänomen beeinflußt.
Nach einem anderen Bericht (Irving et al, J. Inorg. Nucl.
Chem. 10, 306, 1959) wird die Extraktion von HCl gegenüber
HNO₃ mit Tributylphosphat und Kerosinmischungen aus wäßrigen
Lösungen verglichen. Die Verteilungskoeffizienten von HNO₃
und HCl (gesondert) wurden für verschiedene Mischungen des
Tributylphosphats angegeben. Kerosin zeigt in allen Fällen,
daß HNO₃ besser als HCl extrahiert wird. Die oben erläuterte
bevorzugte Extraktion einer Säure gegenüber einer anderen
Säure, was von einer gewissen Bedeutung im Hinblick auf
theoretische Gesichtspunkte sein könnte, sollte als ein
allgemeiner Hintergrund angesehen werden, ohne darin irgendeine
Lehre zur möglichen Anwendung in einem komplexen
technologischen System, das bei der Herstellung von Kaliumnitrat
vorliegt, zu sehen.
Wie es in den vorgenannten Literaturstellen verlangt wird,
hängen wirksame Extraktionen einer starken Säure von der
starken Wechselwirkung ab, die zwischen der Säure und den
Lösungsmittelmolekülen existieren. Daher kann nicht die
Extrahierbarkeit von einer dieser Säuren in einem System
vorausgesagt werden, das bereits ein organisches Lösungsmittel,
wie Amylalkohol oder Butanol, enthält, das entsprechend
den vorgenannten Lehren nach den DE-PS 10 36 821
und 10 36 822 angewandt wird.
Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung eines einfachen
Verfahrens zur Herstellung von Kaliumnitrat aus Kaliumchlorid
und Salpetersäure, wobei die Reaktion zwischen den Reaktionsteilnehmern
in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels
in Form von Butanol(en) und/oder Pentanol(en) durchgeführt
wird und die gleichzeitig hergestellte Chlorwasserstoffsäure
im wesentlichen nitratfrei ist.
Des weiteren ist es Ziel der Erfindung, ein einfaches Verfahren
zur Herstellung von Kaliumnitrat aus Kaliumchlorid und
Salpetersäure anzugeben, bei dem relativ konzentrierte wäßrige
Lösungen der Chlorwasserstoffsäure als Nebenprodukt
anfallen.
Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß die wäßrige Lösung der Chlorwasserstoffsäure und der Salpetersäure
mit einem organischen Lösungsmittel in Form von organischen
Estern der Phosphorsäure, Ketonen mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen,
geraden (geradkettigen oder verzweigtkettigen)
und/oder cyclischen Polyäthern und/oder Polyalkylenglykolen
eines Molekulargewichts
von 1000 bis 3000, vorzugsweise in Gegenwart eines organischen
Verdünnungsmittels, in Kontakt gebracht wird, durch
das organische Lösungsmittel Salpetersäure unter Zurücklassen
einer relativ konzentrierten, im wesentlichen nitratfreien
wäßrigen Lösung der Chlorwasserstoffsäure selektiv extrahiert
wird, der NO₃- -beladene Lösungsmittelextrakt mit Wasser gewaschen
wird und die wiedergewonnene Salpetersäure und das gewaschene
Lösungsmittel dem Verfahren wieder zugeführt werden.
Die Erfinder des erfindungsgemäßen Verfahrens haben ausgiebige
Forschungsarbeiten durchgeführt, um das Problem der
Salpetersäuregegenwart in der Chlorwasserstoffsäure zu lösen.
Zusätzlich zu der Tatsache, daß beträchtliche Mengen Salpetersäure
darin vorliegen, was einen Verlust an Rohmaterial
bedeutet, ist es zwingend erforderlich, die Salpetersäure
mittels chemischer Reagentien zu eliminieren. So wird beispielsweise
bei der erwähnten Anlage in Israel
die Salpetersäure durch Umsetzung mit einem Überschuß
an Formaldehyd (Überschuß von etwa 50% über der stöchiometrischen
Menge) zerstört. Der Überschuß des Formaldehyds sollte
durch Abdestillieren eliminiert werden, da sonst mit dem
organischen Lösungsmittel des Systems unerwünschte Reaktionen
verursacht werden. Darüber hinaus zeigt die ebenfalls
anfallende Chlorwasserstoffsäure eine sehr niedrige Konzentration
von etwa 5 bis 8 Gewichtsprozent. Ihre Konzentrierung
in einem Mehrstufenverdampfer ist erforderlich, um ein
handelsfähiges Produkt zu erhalten. Diese zusätzliche Konzentrierungsmaßnahme
stellt sicherlich eine Belastung des Verfahrens
dar, das teure Energie verlangt. Das Ziel der Erfinder
war es, das allgemeine Fließbild der Anlage unverändert
zu lassen, d. h. die Reaktion zwischen dem Kaliumchlorid und
der Salpetersäure nicht in einem wäßrigen Medium durchzuführen
(wie in den genannten Patentanmeldungen vorgeschlagen),
wodurch relativ konzentrierte wäßrige Lösungen von Chlorwasserstoffsäure
direkt erhalten werden. Allgemein wurde bezweckt,
eine selektive Extraktion der zusammen mit der Chlorwasserstoffsäure
in der erhaltenen Salzlösung vorliegenden
Salpetersäure durchzuführen, wobei diese Lösungsmittel derartig
ausgewählt wurden, daß sie nicht die in dem Reaktionssystem
vorliegenden Pentanole beeinträchtigen. Ersichtlich
treten die Lösungsmittel der selektiven Extraktion mit der
Salzlösung, die bereits mit den genannten Pentanolen gesättigt
ist, in Kontakt. Demzufolge sind die zwei Lösungsmittel
in einem breiten Bereich miteinander mischbar. Unerwarteterweise
wurde gefunden, daß es möglich ist, einen gewissen
Bereich zwischen den zwei Lösungsmitteln aufrechtzuerhalten,
so daß die Pentanolkonzentration des Lösungsmittels für die
nitratselektive Extraktion in dem angestrebten Bereich aufrechterhalten
werden kann. Die vorliegende Erfindung stützt
sich auf dieses unerwartete Merkmal, das verwirklicht werden
kann, indem eingeregelte Verhältnisse der Phasen mit
verschiedenem Niveau der Azidität in den Batterien des Abstreifens
und Waschens des Lösungsmittels für die nitratselektive
Extraktion aufrechterhalten werden. Es wurde gefunden,
daß die Aufrechterhaltung der zwei Lösungsmittel in
dem Bereich von 1 bis 12 Teilen selektivem Lösungsmittel zu
1 bis 7 Teilen Pentanol die Extraktion des Nitrats sogar verbessert.
In der folgenden Tabelle 1 werden einige Ergebnisse der
Extrahierbarkeit der Salpetersäure aus einer wäßrigen Lösung
(Gehalt: 125 g/l HCl und 0,2 bis 60 g/l HNO₃) durch die
selektive Extraktion von Salpetersäure bei drei verschiedenen
Bedingungen angegeben:
- 1) Das selektive Lösungsmittel wird allein (ohne Pentanol) verwendet.
- 2) Die Mischung des Lösungsmittels enthält 16% Pentanol.
- 3) Eine andere Mischung des Lösungsmittels enthält 50% Pentanol.
Bei all diesen Versuchen wurden drei verschiedene Konzentrationen
von HNO₃ in der wäßrigen Phase gewählt : 0,05-1 g/l;
15-25 g/l und 45-60 g/l.
Bei den vorgenannten Versuchen bestand das selektive Lösungsmittel
aus Tributylphosphat (TBP) bei einer konstanten Konzentration
von 17%. Kerosin wurde als Verdünnungsmittel für
Amylalkohol und das selektive Lösungsmittel verwendet.
Aufgrund der obigen Ergebnisse stellt es sich heraus, daß
dann, wenn TBP allein verwendet wird, im wesentlichen keine
Veränderungen der HCl-Konzentrationen auftreten, jedoch ein
hohes Phasenverhältnis oder eine ansteigende Anzahl von
Mischer-Abscheidern erforderlich ist. Wenn TBP zusammen mit
Amylalkohol entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre verwendet
wird, treten keine Veränderungen der HCl-Konzentration
auf und ein niedrigeres Phasenverhältnis (organisch/wäßrig)
oder eine niedrigere Zahl von Mischer-Abscheidern ist erforderlich.
Wenn TBP mit Amylalkohol eingesetzt wird, jedoch in einem
Verhältnis außerhalb desjenigen, das von der Erfindung vorgeschlagen
wird, stellt sich eine bedeutende Abnahme der
HCl-Konzentration von etwa 10% ein. Darüber hinaus ergeben
sich Schwierigkeiten bei der Phasentrennung, obwohl das gleiche
Phasenverhältnis wie beim Versuch 2 angewandt wurde.
Der oben geschilderte Sachverhalt ergibt sich aus der erläuternden
Fig. 4, die die Gleichgewichtslinie des HNO₃,
das von der Salpetersäure in der wäßrigen Phase oder von der
der organischen Phase stammt, wiedergibt. Bei niedrigeren
Konzentrationen der Salpetersäure werden keine wesentlichen
Veränderungen im Verhalten der drei obigen Fälle beobachtet.
Mit einem Anstieg der Salpetersäurekonzentration tritt jedoch
ein Anstieg der Salpetersäureextrahierbarkeit ein. Natürlich
tritt beim Versuch 3 eine höhere Salpetersäureextrahierbarkeit
auf. In diesem Fall wird jedoch die Selektivität vermindert,
und es tritt, wie die Tabelle zeigt, eine Abnahme
der HCl-Konzentration von etwa 10% auf.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
darin zu sehen, daß billige Kunststoffmaterialien, wie gewöhnliches
Polyvinylchlorid, als Material der herangezogenen
Vorrichtungen verwendet werden können. Jedoch sind Tributylphosphat
oder Ketone als Weichmacher bekannt, so daß Polyvinylchlorid
ungeeignet erscheinen und teures Konstruktionsmaterial
erforderlich würde. Erfindungsgemäß wurde gefunden,
daß die Einverleibung eines Pentanols oder eines Butanols,
z. B. von Amylalkohol, in dem vorgenannten Bereich auf Polyvinylchlorid
einen stabilisierenden Effekt ausübt.
Die organischen Lösungsmittel, die Salpetersäure aus einer
Chlorwasserstoffsäure enthaltenden wäßrigen Lösung selektiv
extrahieren können, sind für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung geeignet, d. h. sie halten die Pentanolkonzentration
in dem organischen Lösungsmittel in dem vorgenannten
engen Bereich und werden in Form von organischen Estern von
Phosphorsäure vorzugsweise von Trialkylphosphaten, Ketonen
mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen, geraden (geradkettigen oder
verzweigtkettigen) oder cyclischen Polyäthern und/oder Polyalkylenglykolen
eingesetzt.
Unter den Trialkylphosphaten wird Tributylphosphat besonders
bevorzugt, das mit Wasser vollständig unvermischbar ist, so
daß keine Probleme mit der Wiedergewinnung von Lösungsmittel
auftreten. Tributylphosphat ist auch kommerziell verfügbar
und wird in großem Umfang zur Extraktion von Uran herangezogen.
Andere Phosphor enthaltende organische Verbindungen,
wie organische Ester der Phosphorsäure oder Phosphinsäure,
können grundsätzlich auch zur Verwendung als selektive Extraktionsmittel
für Salpetersäure in Betracht gezogen werden,
wobei jedoch diese Lösungsmittel nicht so häufig auf dem
Markt erhältlich sind, da sie teurer als Tributylphosphat
sind.
Für die Zwecke der Erfindung geeignete Ketone sollten selbstverständlich
ebenfalls nur geringfügig mit Wasser mischbar
sein. Unter ihnen sind diejenigen bevorzugt die 5 bis 10
Kohlenstoffatome enthalten. Typische Beispiele derartiger
Ketone sind Methylisobutylketon, Methylcyclohexanon und
Methylpropylketon.
Gerade oder cyclische Polyäther eines Molekulargewichts
von 100 bis 1000 sind für die Zwecke der Erfindung als selektive
Extraktionsmittel ebenfalls verwendbar. Beispiele derartiger
Äther sind Dibutyläther und Diäthylenglykoldibutyläther.
Polyalkylenglykole, die für die selektive Extraktion
von Salpetersäure brauchbar sind, sollten geringfügig mit
Wasser mischbar sein und ein Molekulargewicht in dem Bereich
von 1000 bis 3000 haben. Ein Beispiel einer derartigen Verbindung
stellt Polypropylenglykol (Molekulargewicht 2000)
dar.
Alle diese organischen Lösungsmittel, die Salpetersäure selektiv
extrahieren, werden vorzugsweise zusammen mit einem
organischen Verdünnungsmittel, das deren Handhabung und Phasenabtrennung
unterstützt, eingesetzt. Im allgemeinen können
die meisten Kohlenwasserstoffe als Verdünnungsmittel für
die organischen Lösungsmittel verwendet werden, wobei das
einzige Erfordernis darin zu sehen ist, daß sie Chlorwasserstoffsäure
nicht extrahieren, um nicht die selektive Extraktion
der Salpetersäure aus der gleichfalls Chlorwasserstoffsäure
enthaltenden wäßrigen Lösung zu beeinträchtigen. Typische
Beispiele derartiger Kohlenwasserstoffe sind Benzol,
Toluol und Kerosin. Das Verhältnis zwischen dem organischen
Verdünnungsmittel und dem selektiven organischen Lösungsmittel
kann in dem breiten Bereich von 80 : 20 bis 20 : 80 (Volumen)
schwanken.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sehr einfach durchführen
und behebt die nachfolgend genannten Hauptnachteile
der bekannten Verfahren, die auf der erwähnten Anlage in Israel
durchführbar sind.
- (a) Die gleichfalls erzeugte Chlorwasserstoffsäure hat eine sehr niedrige Konzentration in dem Bereich von 5 bis 8 Gewichtsprozent.
- (b) Die gleichfalls erzeugte Chlorwasserstoffsäure (5 bis 8% HCl) enthält etwa 1 g/l Salpetersäure, die eliminiert werden sollte, wenn mit einer im wesentlichen vollständigen Wiedergewinnung der Salpetersäure verglichen wird, wobei die ebenfalls gewonnene Chlorwasserstoffsäure (13 bis 15% HCl), die weniger als 0,05 g/l Salpetersäure enthält, zu einer Verbesserung des Verfahrens führt.
- (c) Probleme in der Extraktionsbatterie aufgrund der Lösungsmittelrezyklisierung, die dem System auferlegt wird, stören.
- (d) Der Nitratgehalt in der Chlorwasserstoffsäure sollte durch Einverleibung eines Fremdreaktionsmittels, z. B. Formalin, über das stöchiometrisch erforderliche Maß hinaus eliminiert werden. Dieser Überschuß muß obligatorisch entfernt werden, um nicht unerwünschte Reaktionen mit dem Pentanol auftreten zu lassen, was zu schweren Verlusten an Pentanol führt. Das allgemeine Verfahren zu seiner Entfernung besteht darin, eine Destillation durchzuführen, was zusätzlichen Energieverbrauch bedeutet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Hauptvorteile
gekennzeichnet:
- (a) Beträchtliche Einsparung an Brennstoff wird erzielt. Gleichzeitig hergestellte Chlorwasserstoffsäure wird in relativ konzentrierter Lösung erhalten.
- (b) Verluste an Salpetersäure treten nicht auf. Nahezu sämtliche Nitratanteile werden wiedergewonnen und dem Verfahren wieder zugeführt.
- (c) Das Verfahren schließt keine Veränderungen des Grundverfahrens nach den vorgenannten DE-PS 10 36 821 und 10 36 822 und keine zusätzliche Batterie von Flüssig- Flüssig-Kontaktoren bzw. -Extraktoren für die salpetersäureselektive Extraktion ein, die für das Fließbild des Grundverfahrens erforderlich ist.
- (d) Dem System wird hohe Flexibilität verliehen, was darauf zurückgeht, daß die Lösungsmittelrezyklisierung über die Extraktionsbatterie eliminiert ist, wobei es sich um eine Tatsache handelt, die auch die Maßnahme der Phasentrennung unterstützt.
Das allgemeine Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens, das
nachfolgend beschrieben wird, besteht aus zwei unabhängigen
Zyklen, wobei jeder Zyklus ein verschiedenes organisches
Lösungsmittel verwendet. Pentanole werden als Medium der
Reaktion zwischen dem Kaliumchlorid und der Salpetersäure
verwendet. Ein organisches Lösungsmittel in Form von organischen
Estern der Phosphorsäure, Ketonen mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen,
geraden (geradkettigen oder verzweigtkettigen)
und/oder cyclischen Polyäthern und/oder Polyalkylenglykolen
wird zur selektiven Extraktion der Salpetersäure verwendet.
Diese zwei Zyklen sind über eine wäßrige Phase miteinander
verbunden, die von einem Zyklus zu dem anderen strömt. Auf
diese Weise wird der erforderliche Schritt des Abstreifens
bzw. Austreibens der Chlorwasserstoffsäure bei dem Grundverfahren
ausgeschlossen, was weniger Beladung bei dem Flüssig-
Flüssig-Extraktionskontaktor und geringere Mengen des Pentanols
in dem System bedeutet. Dieses Betriebskennzeichen ist
von großer Bedeutung für das Grundverfahren, da es zu
einer bedeutsamen Verbesserung der Phasentrennung führt.
Nachfolgend wird die Erfindung noch näher anhand der Fig. 1,
2 und 3 erläutert, die ein Fließbild einer Anlage wiedergeben,
in der das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft durchführbar
ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Fachmann
das vorstehend und nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren ohne weiteres gewisse Änderungen, Modifikationen
und dergleichen unterziehen kann, ohne sich von
dem Wesen der Erfindung zu lösen.
Die Fig. 1 stellt schematisch ein Fließbild einer bevorzugten
Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar. Salpetersäure und Kaliumchlorid werden über die Leitungen
1 und 2 und gewaschenes Pentanol (z. B. Amylalkohol) über
die Leitung 17 einem gekühlten Reaktionsbehälter 3 zugeführt.
Die Reaktionsprodukte werden zusammen mit nicht umgesetzten
Reagentien und der flüssigen Phase (organisch und wäßrig)
über die Leitung 4 in ein Dekantiergefäß 5 überführt, aus
dem über die Leitung 6 nasse Kristalle des Kaliumnitrats
mit oder ohne Kaliumchlorid, in Abhängigkeit von dem Ausmaß
der erzielten Umsetzung, abgezogen werden. Die organische
Phase, die Chlorwasserstoffsäure und die Salpetersäure enthält,
wird über die Leitung 7 in einen mehrstufigen Flüssig-
Flüssig-Kontaktor 8 überführt, in dem die Chlorwasserstoffsäure
durch den über die Leitung 24 zugeführten wäßrigen
Strom und den Überschuß an Salzlösungen aus der Leitung 31
gewaschen wird. Über die Leitung 9 wird das gewaschene
Lösungsmittel abgezogen und in zwei Ströme aufgegliedert,
wovon einer durch die Leitung 10 zu dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor
12 gelangt, worin er durch Leitungswasser aus einer
Leitung 22 gewaschen wird, während der zweite Strom über die
Leitung 11 zusammen mit einem Strom aus der Leitung 13 in
eine Leitung 14 (nach einem Vorkühlen) in den zweiten Reaktionsbehälter
16 geführt wird, in den auch über die Leitung
18 überschüssige Salzlösung von dem ersten Reaktionsbehälter
3 und das gewaschene Pentanol (Amylalkohol) eingeführt werden.
Durch Kühlen des Reaktionsbehälters 16 werden Kaliumnitratkristalle
erhalten und über die Leitung 19 abgezogen.
Die aus dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 8 austretende wäßrige
Phase, die Chlorwasserstoffsäure zusammen mit etwas Salpetersäure
enthält, wird über die Leitung 25 dem Flüssig-Flüssig-
Kontaktor 28 zugeführt, in das auch ein selektives Extraktionsmittel
für Salpetersäure über die Leitung 29 eingeführt
wird, was zu einer relativ konzentrierten Lösung der Chlorwasserstoffsäure
in der Leitung 26 führt, die im wesentlichen
frei von Salpetersäure ist. Der nitratbeladene Lösungsmittelextrakt,
der den Flüssig-Flüssig-Kontaktor 28 verläßt, wird
über eine Leitung 30 einem weiteren Flüssig-Flüssig-Kontaktor
27 zugeleitet, der ebenfalls mit Leitungswasser über die Leitung
20 beschickt wird, von dem das gewaschene Lösungsmittel
zur Batterie 28 über die Leitung 29 rückgeführt wird. Von
dieser Batterie wird die die Salpetersäure enthaltende wäßrige
Lösung über die Leitung 21 in den Flüssig-Flüssig-Kontaktor
8 eingeleitet, was zusammen mit dem wäßrigen Strom
über die Leitung 23, der von dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 12
stammt, erfolgt (die kombinierten Ströme werden in dem Fließbild
in der Leitung 24 geführt).
Die Fig. 2 stellt schematisch eine weitere Anlage zur Durchführung
des verbesserten erfindungsgemäßen Verfahrens dar,
bei dem lediglich eine Reaktionsstufe genutzt wird. Salpetersäure
und Kaliumchlorid werden über Leitungen 1 und 2 zusammen
mit gewaschenem Pentanol (z. B. Amylalkohol) über eine
Leitung 16 einem gekühlten Reaktionsbehälter 3 zugeleitet.
Die Reaktionsprodukte werden zusammen mit nicht umgesetzten
Reagentien und der flüssigen Phase (organisch und wäßrig)
über eine Leitung 4 in ein Dekantiergefäß 5 überführt, aus
dem nasse Kristalle von Kaliumnitrat mit oder ohne Kaliumchlorid,
in Abhängigkeit von dem Ausmaß der erzielten Umsetzung,
über die Leitung 6 abgezogen werden. Die organische
Phase von dem Dekantiergefäß 5 wird über eine Leitung 7
einem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 8 zugeführt, in dem sie
im Gegenstrom mit einem wäßrigen Strom aus der Leitung 23
gewaschen wird. Das in der Leitung 9 weitergeleitete gewaschene
Lösungsmittel wird in zwei gesonderte Ströme aufgeteilt:
Einer wird in der Leitung 10 geführt und tritt in
einen anderen Flüssig-Flüssig-Kontaktor 12 ein und wird dort
durch Leitungswasser aus einer Leitung 21 gewaschen. Der
zweite Strom wird über die Leitung 11 wieder dem Reaktionsbehälter
3 zugeführt (der vereinigte Strom in der Leitung 16
enthält den beladenen Lösungsmittelextrakt aus der Leitung 15
von dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 14). Der Strom des gewaschenen
Lösungsmittels wird über die Leitung 13 in einen
Flüssig-Flüssig-Kontaktor 14 überführt, worin er die Säuren der
aus der Leitung 17 stammenden Salzlösung bzw. Sole extrahiert.
Die lösungsmittelerschöpfte Salzlösung tritt aus dem
Flüssig-Flüssig-Kontaktor 14 über die Leitung 18 aus. Die
wäßrige Phase, die aus dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 8 über
die Leitung 25 abgeführt wird, deren Strom Chlorwasserstoffsäure
mit etwas Salpetersäure enthält, wird in einen weiteren
Flüssig-Flüssig-Kontaktor 26 geleitet, in dem die Salpetersäure
selektiv durch einen Strom gewaschenen selektiven
Lösungsmittels (aus Leitung 28) extrahiert wird. Eine relativ
konzentrierte Lösung der Chlorwasserstoffsäure, die im
wesentlichen frei von Salpetersäure ist, wird erhalten und
über die Leitung 27 fortgeführt. Der nitratbeladene organische
Lösungsmittelextrakt wird nach seiner Weiterführung in
einer Leitung 29 in einem anderen Flüssig-Flüssig-Kontaktor
19 gewaschen, wobei das Waschen durch Zuführen von Leitungswasser
aus einer Leitung 24 erfolgt. Die wäßrige Lösung der
Salpetersäure, die über die Leitung 20 von der Batterie 19
abgeführt wird, wird mit einem wäßrigen Strom aus der Leitung
22 von dem Flüssig-Flüssig-Kontaktor 12 vereinigt und
in die Batterie 8 über Leitung 23 geführt, um den über die
Leitung 7 zugeführten beladenen Lösungsmittelstrom (vom
Dekantiergefäß 5) zu waschen.
Die Fig. 3 zeigt schematisch ein Fließbild, das lediglich
die selektive Extraktion von Salpetersäure aus einem Chlorwasserstoffsäure
enthaltenden Strom beschreibt. Die ebenfalls
etwas Salpetersäure enthaltende Chlorwasserstoffsäurelösung
wird über eine Leitung 1 in einen Flüssig-Flüssig-Kontaktor
2 überführt. In die gleiche Batterie tritt ein Strom
gewaschenen selektiven organischen Lösungsmittels über eine
Leitung 4 ein. Ein Strom einer relativ konzentrierten Chlorwasserstoffsäurelösung,
die im wesentlichen frei von Salpetersäure
ist, wird über die Leitung 3 abgeführt. Der nitratbeladene
Lösungsmittelextrakt gelangt über die Leitung 5 zu
einem weiteren Flüssig-Flüssig-Kontaktor 6, indem er durch
Leitungswasser aus einer Leitung 7 gewaschen wird, woraus
ein Strom in der Leitung 8 resultiert, der eine wäßrige
Lösung von Salpetersäure enthält, die wieder dem Verfahren
zugeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen des
weiteren erläutert werden. Die darin angegebenen Konzentrationen
beziehen sich auf Gewichtsprozent, sofern nichts
anderes gesagt wird.
Dieses Beispiel läßt sich unter Bezugnahme auf die Fig. 1
erläutern. Kommerziell erhältliches Kaliumchlorid wurde in
einer Menge von 1000 kg/h zusammen mit Salpetersäure (60%)
(Leitungen 1 bzw. 2) in einer Menge von 1350 kg/h und gewaschenem
Amylalkohol (Leitung 17) in einer Menge von 13 m³/h
eingeleitet. Die Temperatur in dem Reaktor betrug etwa 15°C.
Kaliumnitratkristalle (99%ige Reinheit) wurden in einer
Menge von 1250 kg/h aus dem Dekantiergefäß (über Leitung 6)
erhalten. In dem zweiten Reaktor 16 wurde die Temperatur auf
etwa 0°C gehalten und eine zusätzliche Menge von 50 kg/h
Kaliumnitratkristallen ausgeschieden, deren Reinheit 99,8%
betrug. Der mit Chlorwasserstoffsäure beladene Lösungsmittelextrakt
(Leitung 7) wurde in 12 Einheiten des Mischer-Abscheiders
durch überschüssige Salzlösung und verdünnte Salpetersäure
(Leitung 24 bzw. 31) gewaschen, wobei die Verhältnisse
zwischen den Phasen 4 (organisch) zu 1 (wäßrig) betrugen.
Die erhaltene und über die Leitung 25 geführte Chlorwasserstoffsäure
enthielt etwa 15% HCl und 4% HNO₃. Sie wurde
mit einer selektiven organischen Lösungsmittellösung in
Kontakt gebracht, die 25% Tributylphosphat und 25% Amylalkohol in
Kerosin enthielt, wozu 12 Einheiten von Mischer-
Abscheidern dienten. Das Verhältnis zwischen den eingespeisten
Phasen betrug 2 (Lösungsmittel) zu 1 (wäßrige Chlorwasserstoffsäure).
3,0 m³/h einer Lösung von Chlorwasserstoffsäure
(15%), die lediglich 0,05 g/l Salpetersäure enthielt, wurde
über die Leitung 26 als Nebenprodukt erhalten. Der nitratbeladene
Lösungsmittelextrakt (Leitung 30) wurde durch
2,2 m³/h Leitungswasser (über Leitung 20) gewaschen. Das
Tributylphosphat wurde dem Verfahren wieder zugeführt.
Dieses Beispiel läßt sich durch die Fig. 3 erläutern. Der
Versuch des Beispiels 1 wurde wiederholt. Dieses Mal wurde
die selektive Extraktion der Salpetersäure mittels eines
Polypropylenglykols (Molekulargewicht 2000) (20%) und Amylalkohol
(20%) in Toluol (60%) durchgeführt. Ein Strom der
Chlorwasserstoffsäure (13%) (HCl), der 4% HNO₃ enthielt,
wurde in einer Menge von 1 l/h (Leitung 1) einem 12stufigen
Flüssig-Flüssig-Kontaktor 2 zugeführt, in dem die Salpetersäure
durch einen Strom gewaschenen Polypropylenglykols
(aus Leitung 4) extrahiert wurde. Das Verhältnis zwischen
den Phasen betrug 1,8 (organisches Lösungsmittel) zu 1
(Chlorwasserstoffsäurelösung). Chlorwasserstoffsäure einer
Konzentration von 12%, die lediglich 0,08 g/l Salpetersäure
(aus Leitung 3) enthielt, wurde in einer Menge von 1 l/h als
Nebenprodukt erhalten. Der salpetersäurebeladene Lösungsmittelextrakt
(aus Leitung 5) wurde mittels 0,9 l/h Leitungswasser
(aus Leitung 7) gewaschen. Das Polypropylenglykol wurde
rückgeführt.
Dieses Beispiel kann auf die Fig. 1 bezogen werden. Die Entfernung
der Salpetersäure aus dem Überschuß der Salzlösung
(Leitung 31) wurde wie im Beispiel 1 durchgeführt. Das
selektive organische Lösungsmittel für die Salpetersäure war
in diesem Fall eine Mischung aus 15% Tributylphosphat, 25%
Amylalkohol und 60% Kerosin. Das Verhältnis zwischen den
Phasen betrug 5 : 1 (Lösungsmittelphase zu wäßriger Phase).
Die Extraktion wurde in 12 Stufen von Mischer-Abscheidern
durchgeführt. Die erhaltene Salzlösung enthielt weniger als
0,4 g/l Salpetersäure und etwa 150 g/l Chloridionen.
Auch dieses Beispiel läßt sich auf die Fig. 1 beziehen. Die
Entfernung der Salpetersäure aus dem Überschuß der Salzlösung
(Leitung 31) wurde wie im Beispiel 1 durchgeführt. Das
selektive organische Lösungsmittel für die Salpetersäure
war in diesem Fall eine Mischung aus 80% Methylisobutylketon
und 20% Pentanol. Das Verhältnis zwischen den Phasen
betrug 2 : 1 (Lösungsmittelphase zu wäßriger Phase). Die
Extraktion wurde in 12 Stufen von Mischer-Abscheidern durchgeführt.
Die erhaltene Chlorwasserstoffsäure hatte eine
Konzentration von 13% und enthielt weniger als 0,1 g/l
Salpetersäure.
Dieses Beispiel läßt sich anhand der Fig. 2 erläutern.
1000 kg/h kommerziellen Kaliumchlorids wurden zusammen mit
1370 kg/h Salpetersäure (60%, Leitungen 1 bzw. 2) und
13 m³/h gekühltem gewaschenem Amylalkohol (Leitung 16) eingespeist.
Die Temperatur in dem Reaktor betrug etwa 15°C.
1300 kg Kaliumnitrat (99%ige Reinheit) wurden erhalten und
über Leitung 6 abgezogen.
Das mit Chlorwasserstoffsäure beladene Lösungsmittel wurde
über die Leitung 7 fortgeführt und in 12 Stufen von Mischer-
Abscheidern mittels verdünnter Salpetersäure aus der Leitung
23 gewaschen. Das Verhältnis zwischen den Phasen betrug
4 : 1 (organische zur wäßrigen Phase). Die erhaltene Chlorwasserstoffsäurelösung
der Leitung 25 enthielt etwa 13% HCl
und 4% HNO₃ und wurde in 12 Stufen von Mischer-Abscheidern
mit einer selektiven organischen Lösungsmittellösung (aus
Leitung 28) in Kontakt gebracht, die 20% Tributylphosphat,
20% Amylalkohol und 60% Kerosin enthielt. Das Verhältnis
der eingespeisten Phasen betrug 2 : 1 (Lösungsmittel zur wäßriger
Chlorwasserstoffsäure). 3,5 m³/h Chlorwasserstoffsäure
(13 Gewichtsprozent), die lediglich 0,05 g/l Salpetersäure
enthielt, wurden über die Leitung 27 als Nebenprodukt erhalten.
Der salpetersäurebeladene Lösungsmittelextrakt wurde
über die Leitung 29 fortgeführt und mittels 2,2 m³/h Leitungswasser,
das über die Leitung 24 zugeführt wurde, gewaschen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Kaliumnitrat durch
Umsetzen von Kaliumchlorid und Salpetersäure in einem organischen
Lösungsmittel in Form von Butanol(en) und/oder Pentanol(en),
bei dem die Reaktionsteilnehmer in einem Mengenverhältnis
von 0,9 bis 3 Mol Salpetersäure pro Mol Kaliumchlorid
eingesetzt werden, das Kaliumnitrat abgetrennt wird,
wobei die entfernte flüssige Phase aus einer wäßrigen Lösung
und einem Chlorwasserstoffsäure und Salpetersäure enthaltenden
organischen Lösungsmittelextrakt besteht und der Lösungsmittelextrakt
zur Gewinnung von Salpetersäure enthaltender
Chlorwasserstoffsäure gewaschen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lösung der Chlorwasserstoffsäure
und der Salpetersäure mit einem organischen Lösungsmittel in
Form von organischen Estern der Phosphorsäure, Ketonen mit 5
bis 10 Kohlenstoffatomen, geraden und/oder cyclischen Polyäthern
eines Molekulargewichts von 100 bis 1000 und/oder mit
Wasser geringfügig mischbaren Polyalkylenglykolen eines Molekulargewichts
von 1000 bis 3000, gegebenenfalls in Gegenwart
eines organischen Verdünnungsmittels, in Kontakt gebracht
wird, durch das organische Lösungsmittel Salpetersäure unter
Zurücklassen einer relativ konzentrierten, im wesentlichen
nitratfreien wäßrigen Lösung der Chlorwasserstoffsäure selektiv
extrahiert wird, der NO₃-beladene Lösungsmittelextrakt
gewaschen wird und die wiedergewonnene Salpetersäure und das
gewaschene Lösungsmittel dem Verfahren wieder zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die als Nebenprodukt erhaltene, im wesentlichen nitratfreie
Chlorwasserstoffsäure in einer Konzentration von etwa 14 Gewichtsprozent
gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das selektive organische Lösungsmittel für Salpetersäure
Tributylphosphat, Methylisobutylketon, Methylcyclohexanon,
Methylpropylketon, Polypropylenglykol (Molekulargewicht
2000) und/oder Diäthylenglykoldibutyläther enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als organisches Verdünnungsmittel Benzol,
Toluol, Kerosin und/oder irgendein anderer Kohlenwasserstoff,
der Chlorwasserstoffsäure nicht extrahiert, verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der selektiven Extraktion von Salpetersäure die Mischung
des Butanols oder Pentanols mit dem selektiven organischen
Lösungsmittel in dem Verhältnis von 1 bis 12 Teilen
selektivem Lösungsmittel zu 1 bis 7 Teilen Butanol oder Pentanol
gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von Butanol oder Pentanol zu selektivem
organischen Lösungsmittel für die Salpetersäure vorherrscht,
indem die Flüssigkeitsströme in den Batterien zum Abstreifen
und Waschen des selektiven organischen Lösungsmittels für
die Salpetersäure eingeregelt und ein unterschiedliches
Aziditätsniveau beibehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung eingesetzt wird, die
aus Polyvinylchlorid besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß Butanol oder Pentanol in einer solchen Menge vorliegt,
daß 1 bis 12 Teile selektives Lösungsmittel auf 1 bis 7 Teile
Butanol oder Pentanol entfallen.
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