DE3707406C2 - - Google Patents
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- DE3707406C2 DE3707406C2 DE19873707406 DE3707406A DE3707406C2 DE 3707406 C2 DE3707406 C2 DE 3707406C2 DE 19873707406 DE19873707406 DE 19873707406 DE 3707406 A DE3707406 A DE 3707406A DE 3707406 C2 DE3707406 C2 DE 3707406C2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01D—COMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
- C01D5/00—Sulfates or sulfites of sodium, potassium or alkali metals in general
Description
Zum Stand der Technik (vgl. "Ullmanns Encyklopädie
der technischen Chemie", 4. Aufl., 1977, Bd. 13,
S. 480) gehören zweistufige Verfahren zur Herstellung
von Kaliumsulfat, bei denen in einer ersten Prozeß
stufe ein sulfathaltiges Salz wie Na₂SO₄ und MgSO₄
oder deren Hydrate mit der Reaktionslösung der zwei
ten Stufe und eventuell zusätzlichem Kaliumchlo
rid zu einem sulfathaltigen Doppelsalz und einer
chloridreichen Lösung umgesetzt wird. Doppelsalze,
die in derartigen Prozessen als Zwischenprodukt
entstehen, sind
- Leonit: K₂SO₄ · MgSO₄ ·4H₂O,
- Schönit: K₂SO₄ · MgSO₄ · 6H₂O,
- Langbeinit: K₂SO₄ · 2MgSO₄,
- Glaserit: Na₂SO₄ · 3K₂SO₄.
- Schönit: K₂SO₄ · MgSO₄ · 6H₂O,
- Langbeinit: K₂SO₄ · 2MgSO₄,
- Glaserit: Na₂SO₄ · 3K₂SO₄.
In einer zweiten Prozeßstufe wird das Doppelsalz
mit einer Kaliumchloridlösung umgesetzt. Dabei ent
steht ein Kaliumsulfatkristallisat und eine Reak
tionslösung, die noch viel Kaliumchlorid enthält
und in der ersten Stufe des Prozesses verwertet
wird.
Die Umsetzungen verlaufen z. B. nach folgenden Glei
chungen:
4 Na₂SO₄ + 6 KCl = Na₂SO₄ · 3 K₂SO₄ + 6 NaCl
und
Na₂SO₄ · 3 K₂SO₄+2 KCl=4 K₂SO₄+2 NaCl.
In allen Fällen entstehen bei den genannten Verfahren
zur Herstellung von Kaliumsulfat-Lösungen, die - neben
MgCl₂ und NaCl - noch beträchtliche Mengen
an KCl und auch an Sulfationen enthalten. Diese
müssen entweder abgestoßen werden, was erhebliche
Verluste an Wertstoffen verursacht, oder aber, sie
müssen unter Rückgewinnung von Kalium und Sulfat
enthaltenden Salzen eingedampft werden. Letzteres
erfordert einen hohen Einsatz von Wärmeenergie und
verursacht daher hohe Kosten.
Es sind auch Verfahren zur Gewinnung von Kaliumsulfat
in Anionenaustauscherprozessen bekannt, bei denen von
einem mit Sulfationen beladenen Austauscher diese
durch Reaktion mit einer Kaliumchloridlösung desor
biert und gegen Chloridionen ausgetauscht werden.
Nach der DE-OS 33 31 416 wird ein Austauscher in der Cl-
Form im Kontakt mit einer Gipssuspension mit Sulfat
ionen beladen. Die Sulfationen werden mit einer 25%
igen KCl-Lösung desorbiert und Kaliumsulfatkristalli
sat durch Aufsättigen der Lösung mit KCl ausgefällt.
Nach der DE-OS 36 07 641 werden Anionen
austauscher durch Umsetzung mit MgSO₄-Lösungen mit
Sulfationen beladen. Die Sulfationen werden mit einer
gesättigten Kaliumchloridlösung, die gleichzeitig an
Kaliumsulfat gesättigt ist, vom Harz desorbiert. Da
bei kristallisiert Kaliumsulfat schon während der
Austauschreaktion aus.
Nach der EP 1 99 104 A2 werden mit Sulfat beladene
Anionenaustauscher mit einer etwa halbkonzentrierten
Kaliumchloridlösung umgesetzt. Es entsteht eine Kali
umsulfatlösung, die noch Kaliumchlorid enthält. Aus
ihr wird Kaliumsulfat durch Auflösen von Kaliumchlorid
ausgefällt. Die entstehende, wiederum etwa halbkonzen
trierte Kaliumchloridlösung, die an Kaliumsulfat ge
sättigt ist, wird erneut zur Desorption von Sulfatio
nen vom Ionenaustauscher verwandt.
Diese Anionenaustauschprozesse haben den Vorteil
einer hohen Ausnutzung der Rohstoffe. Insbesondere
läßt sich eine sehr hohe Kaliumausbeute erzielen. An
dererseits ist der Aufwand für Investitions- und
Betriebskosten für eine Gesamtanlage zur Herstellung
von K₂SO₄ nach dem Ionenaustauschverfahren hoch.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von
Kaliumsulfat in einem Produktionsprozeß, bei dem
in einer Prozeßstufe sulfathaltige Doppelsalze, die
neben K₂SO₄ noch MgSO₄ oder Na₂SO₄ enthalten, mit
Kaliumchloridlösungen unter Kristallisation von Ka
liumsulfat zersetzt werden, gefunden, welches dadurch
gekennzeichnet ist, daß die für die Zersetzung des
Doppelsalzes erforderliche Kaliumchloridlösung zu
nächst mit einem mit Sulfationen beladenen Anionen
austauscher zur Reaktion gebracht wird, der Kalium
chloridlösung während oder nach dem Anionenaustausch
weiteres Kaliumchlorid zugesetzt wird, die entstande
ne Kaliumchlorid und Kaliumsulfat enthaltende Lösung,
die gegebenenfalls festes K₂SO₄ enthält, dann mit
dem Doppelsalz unter Bildung von festem Kaliumsulfat
umgesetzt und das angefallene Kaliumsulfat abge
trennt und getrocknet wird.
Dabei wird die hohe Rohstoffverwertung des Ionenaus
tauschprozesses genutzt. Gleichzeitig werden aber
erhebliche Vereinfachungen des Prozesses dadurch er
reicht, daß Verfahrensschritte beider Herstellungs
prozesse gemeinsam durchgeführt werden können und
daß beim Ionenaustausch auf komplizierte Kreisläufe
von Lösungen verzichtet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache,
daß einerseits in verschiedenen Prozessen zur Her
stellung von K₂SO₄ sulfathaltige Doppelsalze mit ei
ner Kaliumchloridlösung umgesetzt werden und daß in
dieser Prozeßstufe das Produkt Kaliumsulfat entsteht,
daß aber andererseits auch beim Anionenaustausch mit
einer Kaliumchloridlösung Sulfationen vom Sulfat
ionen beladenen Austauscher desorbiert werden, wobei
nach der Gleichung
R₂SO₄+2 KCL ⇄ 2 RCl+K₂SO₄
auch hier Kaliumsulfat
entsteht.
Da nur das Volumen an Kaliumchloridlösung für die
Sulfationen-Desorption vom Austauscherharz einge
setzt wird, das für die Umsetzung mit dem Doppelsalz
sowieso benötigt wird, entsteht nur für den K₂SO₄-
Anteil, der aus der Doppelsalzumsetzung resultiert,
eine "Sulfatmutterlauge". Diese Lauge muß entweder
direkt abgestoßen oder einer Weiterverarbeitung zu
geführt werden, an deren Ende auch ein Laugenabstoß
mit Verlust an Wertstoffen steht. Nur durch einen
sehr teuren Eindampfprozeß können die Wertstoffe
Kalium und Sulfat weitgehend zurückgewonnen werden.
Der K₂SO₄-Anteil, der über den Ionenaustauschprozeß
gewonnen wird, verursacht dagegen keinen Anfall an
"Sulfatmutterlauge" und vermeidet damit alle Pro
bleme, die mit ihrer Entfernung oder Verwendung
verbunden sind. Der Ionenaustausch bietet also eine
Chance zur Erhöhung der K₂SO₄-Produktion ohne Folgen
für den Laugenhaushalt.
In einer Variante des Verfahrens wird der sulfatbe
ladene Austauscher mit einer konzentrierten Kalium
chloridlösung umgesetzt. Es entsteht eine an KCl
abgereicherte, an K₂SO₄ gesättigte Lösung und festes
K₂SO₄. Durch Aufsättigen der Lösung mit KCl wird
der größte Teil des gelösten K₂SO₄ ausgefällt und
eine KCl-Lösung erhalten, wie sie zur Zersetzung
des Doppelsalzes im anderen Herstellungsprozeß er
forderlich ist. Man kann die Aufsättigung der Lö
sung mit KCl auch schon während des Ionenaustau
sches vornehmen, indem man der KCl-Lösung von vorn
herein festes KCl hinzufügt. Bei der Zersetzung kri
stallisiert auch noch das letzte in der Lösung ver
bliebene K₂SO₄ aus, so daß schließlich das gesamte
vom Ionenaustauscher desorbierte Sulfation in Form
von K₂SO₄-Kristallisat zusätzlich zu dem aus der
Doppelsalzzersetzung stammenden K₂SO₄ vorliegt.
Bei der beschriebenen Variante fällt K₂SO₄ schon
während des Austauschprozesses aus. Das erfordert
eine Abtrennung der KCl-K₂SO₄-Lösung zusammen mit
dem K₂SO₄-Kristallisat vom Harz in einem schwierigen
Verfahrensschritt. Das Verfahren läßt sich aber in
einer anderen Variante unter Umgehung dieser Schwie
rigkeiten wesentlich einfacher gestalten. In diesem
Fall wird zur Desorption des Sulfats eine an KCl
nicht gesättigte Lösung eingesetzt, die mehr K₂SO₄
aufnehmen kann als eine gesättigte. Vorteilhaft ar
beitet man bei erhöhter Temperatur von ca. 50 bis
80°C, da mit der Temperatur - bei gleicher Gesamt
konzentration an Kaliumionen - die Aufnahmefähig
keit der Lösung für K₂SO₄ ansteigt.
Die aus dem Austauscher ablaufende Lösung, die an
K₂SO₄ noch untersättigt ist, wird, wie oben beschrie
ben, mit KCl aufgesättigt und der Zersetzung des
Doppelsalzes zugeführt.
Das in der Stufe der Zersetzung aus beiden Prozessen
angefallene Kaliumsulfat wird in den Verfahrensstufen
der Fest-Flüssig-Trennung und der Trocknung gemein
sam weiterverarbeitet.
Ein wesentlicher Vorteil der Kombination eines Anio
nenaustauschprozesses zur Kaliumsulfatgewinnung mit
einem anderen Kaliumsulfatprozeß besteht darin, daß
die Kaliumchloridlösung den Ionenaustauschprozeß
gleichsam nur durchläuft und daß daher diesem stets
frische KCl-Lösung zugeführt wird. Dadurch entfallen
komplizierte Kreisläufe von Lösungen, wie sie bei
den Verfahren nach DE-OS 33 31 416 und
DE-OS 36 07 641 erforderlich sind.
Es wird auch die Anreicherung von Verunreinigungen,
wie z. B. Natriumchlorid in der Kreislauf-KCl-Lösung
vermieden, und es ist möglich, ein mit NaCl stark
verunreinigtes Kaliumchlorid einzusetzen, wenn dies
NaCl im Prozeß der Doppelsalzzersetzung nicht stört.
Da stets eine neue KCl-Lösung angesetzt werden muß,
können hierzu im Ionenaustauschprozeß anfallende
dünne, Kaliumsalz enthaltende Lösungen verwandt wer
den und gleichermaßen Verdünnungseffekte in Lösun
gen zum Auf- und Abkonzentrieren kompensiert werden.
Es entstehen praktisch keine Verluste an Kalium.
Auch Sulfat geht in diesem Teil des Prozesses nicht
verloren. Der Halbzyklus der Desorption von Sulfat
ionen vom Harz kann so effizient und unkompliziert
durchgeführt werden.
Als Sulfatquellen zur Beladung des Austauschers mit
Sulfationen werden bevorzugt diejenigen benutzt,
die auch in mit dem Ionenaustausch kombinierten Ver
fahren verwandt werden. Dies kann z. B. Kieserit
(MgSO₄ · H₂O) sein, wenn Leonit oder Schönit als
Zwischenprodukte entstehen, oder Thenardit (Na₂SO₄)
bzw. Glaubersalz (Na₂SO₄ · 10 H₂O) bei Glaserit als
Zwischenprodukt.
Selbstverständlich kann die Beladung auch mit natür
lichen Wässern, in denen Sulfate gelöst sind, wie
sie z. B.in Na₂SO₄ und MgSO₄ enthaltenen Seen vor
kommen, erfolgen.
Grundsätzlich können aber auch verschiedene Sulfat
quellen verwandt werden, z. B. Gips beim Ionenaus
tausch und Mg- oder Na-Sulfate im mit dem Ionenaus
tausch kombinierten Verfahren.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen das Verfahren
noch weiter.
100 l des schwach basischen, mit Cl-Ionen beladenen
Austauscherharzes Duolite A 374 wurden in einer Aus
tauschersäule mit einer 120 g MgSO₄/l enthaltenden
Lösung, die auf pH 3 eingestellt war, zu 85% mit Sulfat
ionen beladen.
Nach Verdrängung der salzhaltigen Lösung mit Wasser
aus dem Harzbett wurde der Austauscher in ein Rührgefäß
überführt. Nach Ablassen des Wassers aus dem Zwischen
raumvolumen wurde das Harz mit 100 l einer 55°C warmen
KCl-Lösung mit 362 g KCl/1, 3 g K₂SO₄/l (Lösung 1) und
17,7 kg KCl-Kristallisat unter vorsichtigem Rühren umge
setzt. Bei der Umsetzung wurden Sulfationen vom Harz
desorbiert, die KCl-Lösung nahm K₂SO₄ bis zur Sättigung
auf, und weiteres K₂SO₄ fiel als Kristallisat aus.
Die entstandene K₂SO₄-gesättigte KCl-Lösung (Lösung 1a.),
das feine K₂SO₄-Kristallisat und nicht verbrauchtes KCl
wurden durch Siebung vom Harz getrennt, das Harz dann
wieder mit Hilfe von Lösung 1a. in die Austauschersäule
überführt. Jetzt wurden nacheinander folgende Lösungen
aufgegeben:
- 2. 30 l mit 240 g KCl/l,
- 3. 30 l mit 120 g KCl/l,
- 4. 60 l Wasser.
Bei der Umsetzung und durch Verdrängung von gesättigter
KCl/K₂SO₄-Lösung aus dem Harz durch Lösung 2. wurden
eine Produktfraktion, bestehend aus
- - 100 l Lösung mit 356 g KCl/l und 15 g K₂SO₄/l (Lösung1a.),
- - 13,5 kg K₂SO₄-Kristallisat und
- - 4,7 kg nicht verbrauchtes KCl
erhalten.
Nach der Produktfraktion wurden als Eluate folgende
Lösungen erhalten:
- 2a. 30 l mit 246 g KCl/l und 6 g K₂SO₄/l,
- 3a. 30 l mit 129 g KCl/l und 4 g K₂SO₄/l,
- 4a. 30 l mit 12 g KCl/l.
30 l Wasser verblieben im Austauscherharz, das für
die nächste Beladung mit MgSO₄-Lösung bereitstand.
Aus den Lösungen 2a. bis 3a. und Wasser wurden durch
Auflösen von 24,6 kg KCl 100 l KCl-Umsetzungslösung
(Lösung 1.) für den nächsten Austauschzyklus hergestellt.
Außerdem wurden je 30 l der Lösungen 2. und 3. durch
Auflösen von 7,2 bzw. 3,6 kg KCl neu angesetzt.
Da nur Spuren von Kaliumionen im Austauscher verblieben,
betrug die Kaliumausbeute des Prozesses über 99%.
Die 100 l Produktfraktion (Lösung 1a.) aus dem Ionenaus
tauschprozeß wurden dann mit 64,5 kg Schönit
(K₂SO₄ · MgSO₄ · 6H₂O) umgesetzt. Es wurden erhalten:
- - 115 l "Sulfatmutterlauge" mit einer Temperatur von 39°C mit 215 g KCl/l, 87 g MgCl₂/l und 58 g MgSO₄/l und
- -61,2 kg K₂SO₄, davon
15,0 kg aus dem Ionenaustauschprozeß. Auf einen Teil K₂SO₄-Produkt aus der Schönitzersetzung ent fielen also 0,32 Teile K₂SO₄ aus dem Ionenaustausch.
100 l des schwach basischen, mit Cl-Ionen beladenen
Austauscherharzes Kastel 102 A wurden in einer Austauscher
säule mit einer Lösung, die 40 g Na₂SO₄/l und 3 g NaCl/l
enthielt und die auf pH 4 eingestellt war, zu 90%
mit Sulfationen beladen. Die Salzlösung wurde mit
Wasser aus dem Harzbett verdrängt. Darauf wurde das
Bett mit 170 l einer 50°C warmen Lösung mit 162 g KCl/l
und 2 g K₂SO₄/l beaufschlagt, anschließend mit 90 l
Wasser.
Eluiert wurden folgende Lösungen:
- 1. 17 l salzfreies Wasser,
- 2. 30 l mit 2,5 g KCl/l und 2,9 g K₂SO₄/l,
- 3. 183 l mit 83 g KCl/l und 76 g K₂SO₄/l,
- 4. 30 l mit 12 g KCl/l und 9 g K₂SO₄/l.
Die salzarmen Lösungen 2. und 4. wurden verwandt,
um neue KCl-Aufgabelösung für den folgenden Austausch
zyklus herzustellen. Aus ihnen und Wasser entstanden
durch Auflösen von 27,1 kg KCl 170 l Aufgabelösung.
Die Kaliumausbeute betrug mehr als 99%.
Die Produktlösung 3. des Ionenaustauschprozesses ent
hielt 13,9 kg K₂SO₄. Diese Lösung wurde mit 95,1 kg
eines Glaseritproduktes der Zusammensetzung
Na₂SO₄ · 2,8K₂SO₄ und 56,3 kg KCl-Kristallisat umgesetzt.
Bei der Umsetzung entstanden
- - 203 l einer "Sulfatmutterlauge" mit einer Temperatur
von 30°C mit
241 g KCl/l, 87 g NaCl/l und 25 g K₂SO₄/l und - - 108,6 kg K₂SO₄, davon
13,9 kg aus dem Ionenaustauschprozeß. Auf einen Teil K₂SO₄ aus dem Glaseritprozeß entfielen also 0,15 Teile K₂SO₄ aus dem Ionenaustausch.
Claims (9)
1.Verfahren zur Herstellung von Kaliumsulfat in
einem Produktionsprozeß, bei dem in einer Prozeß
stufe sulfathaltige Doppelsalze, die neben K₂SO₄
noch MgSO₄ oder Na₂SO₄ enthalten, mit Kalium
chloridlösungen unter Kristallisation von Kalium
sulfat zersetzt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die für die Zersetzung des Doppelsalzes erfor
derliche Kaliumchloridlösung zunächst mit einem
mit Sulfationen beladenen Anionenaustauscher zur
Reaktion gebracht wird, der Kaliumchloridlösung
während oder nach dem Anionenaustausch weiteres
Kaliumchlorid zugesetzt wird, die entstandene
Kaliumchlorid und Kaliumsulfat enthaltende Lösung,
die gegebenenfalls festes K₂SO₄ enthält, dann
mit dem Doppelsalz unter Bildung von festem Kalium
sulfat umgesetzt und das angefallene Kaliumsulfat
abgetrennt und getrocknet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß zur aus dem Austauscher ablaufenden
Lösung unmittelbar festes KCl hinzugegeben wird
und dadurch K₂SO₄ auskristallisiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der chloridbeladene Anionenaustauscher mit
Lösungen von Alkali- oder Erdalkalisulfaten in
die Sulfatform überführt wird.
4.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der chloridbeladene Anionenaustauscher mit
einer Gipssuspension in die Sulfatform überführt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der sulfatbeladene Austauscher mit einer an
Kaliumchlorid gesättigten Lösung unter Ausfällung
von Kaliumsulfatkristallisat umgesetzt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konzentration der Kaliumchlorid
lösung während des Austausches durch Zusatz von
festem Kaliumchlorid aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der sulfatbeladene Austauscher mit einer an
Kaliumchlorid ungesättigten Lösung einer solchen
Konzentration umgesetzt wird, daß aus der entste
henden Kaliumchlorid-Kaliumsulfat-Lösung während
des Ionenaustausches kein Kaliumsulfatkristallisat
ausfällt.
8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 und 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustausch
bei Temperaturen zwischen 10 und 80°C durchgeführt
wird.
9. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Doppelsalze Leonit
(K₂SO₄ · MgSO₄ · 4H₂O), Schönit (K₂SO₄ · MgSO₄ ·
6H₂O), Langbeinit (K₂SO₄ · 2MgSO₄) oder Glaserit
(Na₂SO₄ · 3K₂SO₄) mit der Kaliumsulfatkristalli
sat enthaltenden Kaliumchloridlösung aus dem
Ionenaustauschprozeß umgesetzt werden.
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Publication Number | Publication Date |
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DE3707406A1 DE3707406A1 (de) | 1988-09-15 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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