加工硫酸鉀和硫酸鎂溶液的方法、生產(chǎn)硫酸鉀的方法和相關(guān)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】加工硫酸鉀和硫酸鎂溶液的方法、生產(chǎn)硫酸鉀的方法和相 關(guān)系統(tǒng)
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請要求以 Chastain 等人的名義、標(biāo)題為"METHODS OF PROCESSING SOLUTIONS OF POTASSIUM SULFATE AND MAGNESIUM SULFATE, METHODS OF PRODUCING POTASSIUM SULFATE, AND RELATED SYSTEMS的于2012年9月12日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號 61/699,917 的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明通常涉及加工堿金屬和堿土金屬復(fù)合物的水溶液以生產(chǎn)鉀堿的硫酸鹽 (sulfate of potash)、無水鉀鎂研^和/或其它含有堿金屬和堿土金屬的產(chǎn)物。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 雜齒石是具有SK2Ca2Mg(S04) 4 *2H20的礦物，其天然存在于例如德克薩斯州、新墨 西哥州、烏克蘭和德國的沉積層中。由于雜鹵石不具有足夠的水溶性以允許礦床被經(jīng)濟(jì)地 以溶浸法開采，因此礦床常規(guī)地經(jīng)地下開采以生產(chǎn)巖石或大塊形式的礦石。
[0006] 雜鹵石可用于生產(chǎn)多種鹽，諸如硫酸鉀（也稱為鉀堿的硫酸鹽或SOP)、硫酸鎂鉀、 硫酸鈣鉀、氫氧化鉀、硫酸鎂等。一些鉀鹽是化肥和用于多種工業(yè)過程的原料中的重要成 分。
[0007] 在不經(jīng)煅燒（即，加熱至雜鹵石至少部分離解的溫度）的情況下，雜鹵石在 水溶液中是可溶的或可浸出的，但是溶解相對緩慢。加工雜鹵石礦的幾種方法是已知 的，諸如在 JohnE. Conley 和 Everett P. Par tridge, "Potash Salt from Texas-New Mexico Polyhalite Deposits:C ommercial Possibilities, Proposed Technology, and Pertinent Salt-Sol ution Equilibria，〃U. S. Dept, of the Interior Bureau of Mines Bullet in 459(1944)中描述的那些。例如，雜鹵石可以通過本領(lǐng)域已知的方法 煅燒，并且K2S〇dPMgS0 4可以通過熱水、冷水或其它方法提取。所產(chǎn)生的液體可以經(jīng)歷 多種工藝以產(chǎn)生產(chǎn)物，諸如硫酸鉀（30?或1(230 4)、鉀鎂礬（K2S04MgS04,4H20)、軟鉀鎂礬 (K 2S04MgS04 *6H20)、無水鉀鎂礬（K2S04 CMgSOj、水鎂礬（MgS04 *H20)、瀉利鹽（MgS04 *7H20) 等。
[0008] 加工雜鹵石礦的已知方法通常需要大量的功率和/或蒸汽投入，并且可能具有加 工限制。例如，在一些方法中，1( 2504可以以約86%的效率回收，但是可能不為常規(guī)地用作化 肥的形式（例如，晶型、純度等）。在一些方法中，鉀可以完全作為SOP制備，但是效率可能 僅為約74%，并且蒸汽和功率需求可能相對較高。在其它方法中，K 2S04效率可以高達(dá)95 %， 但是具有更高的蒸汽和功率需求。一些方法可以以不理想的比例（即，以不能使產(chǎn)品的經(jīng) 濟(jì)值最大化的比例）產(chǎn)生含硫酸鹽的產(chǎn)品。因此，提供使這些缺點(diǎn)最小化或減輕的加工雜 鹵石的方法是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在一些實(shí)施方案中，加工含有硫酸鉀和硫酸鎂的水溶液的方法包括使循環(huán)晶體與 水溶液混合、使硫酸鉀結(jié)晶和使循環(huán)晶體結(jié)晶。所述循環(huán)晶體可包括鉀鎂礬和/或軟鉀鎂 礬以及任選地硫酸鉀。
[0010] 加工含有硫酸鉀和硫酸鎂的浸出鹵水的其它方法包括使循環(huán)晶體與浸出鹵水混 合、使硫酸鉀從濃縮溶液中結(jié)晶以形成第一貧鉀液體、使所述循環(huán)晶體從所述第一貧鉀液 體中結(jié)晶以形成第二貧鉀液體，和使無水鉀鎂礬從所述第二貧鉀液體中結(jié)晶。所述循環(huán)晶 體可以是鉀鎂礬或鉀鎂礬、軟鉀鎂礬和任選地硫酸鉀的混合物。循環(huán)晶體還可包括其它物 料，諸如含鈣鹽。
[0011] 用于加工本文公開的硫酸鉀和硫酸鎂鹵水的一些系統(tǒng)包括第一結(jié)晶器和與所述 第一結(jié)晶器流體連通的第二結(jié)晶器。所述第一結(jié)晶器被構(gòu)成并適于從濃縮液中沉淀硫酸 鉀。所述第二結(jié)晶器被構(gòu)成并適于從所述濃縮液中沉淀循環(huán)晶體以形成貧鉀循環(huán)鹵水。在 所述第二結(jié)晶器中沉淀的所述循環(huán)晶體具有適合循環(huán)至所述第一結(jié)晶器的組成以增加SOP 的生產(chǎn)。
[0012] 在一些實(shí)施方案中，用于從粗雜鹵石礦中生產(chǎn)硫酸鉀的工藝包括：煅燒雜鹵石的 固體顆粒以將至少一部分雜鹵石的固體顆粒轉(zhuǎn)化成含有Ca 2+、Mg2+、K+和SO廣的化合物的水 溶性組合物；在浸出回路內(nèi)溶解所述水溶性組合物以形成溶液，產(chǎn)生具有約1:1摩爾比的 1( 2504與MgS04的萃取液；向萃取液中加入包含鉀鎂礬和硫酸鉀中的至少一種的循環(huán)晶體以 產(chǎn)生具有比萃取液更高濃度的K 2S0JP MgSOd^中間體溶液；在第一蒸發(fā)步驟中在適于產(chǎn)生 具有比濃縮溶液更高濃度的K2S0JP MgSO 4的第一蒸發(fā)溶液并從其中沉淀含鈣鹽的條件下 從濃縮溶液中蒸發(fā)水；從第一蒸發(fā)溶液中分離含鈣鹽以產(chǎn)生包含K 2S〇dP MgS04的具有比濃 縮溶液更高濃度的這些離子的超濃縮的過濾溶液；在第二蒸發(fā)步驟中從超濃縮的溶液中蒸 發(fā)足夠的水以產(chǎn)生硫酸鉀的晶體和第二蒸發(fā)溶液；從第二蒸發(fā)溶液中分離硫酸鉀的晶體以 提供硫酸鉀產(chǎn)物；在第三蒸發(fā)步驟中從第二蒸發(fā)溶液中蒸發(fā)足夠的水以產(chǎn)生包括鉀鎂礬和 K 2S04中的至少一種的晶體和第三蒸發(fā)溶液；和使鉀鎂礬或鉀鎂礬和1(230 4的晶體循環(huán)至第 二蒸發(fā)步驟。循環(huán)晶體還可包括其它物料，諸如軟鉀鎂礬。
[0013] 附圖簡述
[0014] 圖1至13是說明用于從包含硫酸鉀和硫酸鎂的水溶液中生產(chǎn)S0P、循環(huán)晶體和無 水鉀鎂礬的系統(tǒng)和方法的實(shí)施方案的簡化方塊流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本文描述了用于以多種組合和濃度加工從天然存在的包含硫酸鉀和硫酸鎂的礦 衍生的水性介質(zhì)的新型系統(tǒng)和方法。所述方法可包括例如用于濃縮、結(jié)晶和物理分離（例 如，傾析、過濾等）的步驟，如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的。所述方法通常包括使多種類型的溶 液結(jié)晶以以選擇性的方式回收S0P、鉀鎂礬和/或軟鉀鎂礬，和任選地回收無水鉀鎂礬。一 些物料在某些方法中循環(huán)以增強(qiáng)產(chǎn)物回收率、提供能源效率等。一些方法包括并行操作以 改善工藝靈活性、穩(wěn)定性或經(jīng)濟(jì)性。本文提供的說明是用于描述本發(fā)明的實(shí)施方案的陳述。
[0016] 如本文所用，具體的礦物名稱（例如，雜鹵石、鉀鎂礬、無水鉀鎂礬等）可以指原礦 (as-mined)礦物、從原礦礦物中物理或化學(xué)分離的礦物或在工業(yè)過程中形成（例如，結(jié)晶） 的結(jié)晶固體。本文所述的具體礦物可以是基本純的或可以與其它物料或污染物混合。
[0017] 如本文所用，術(shù)語"多效蒸發(fā)器"和"MEE"各自意指并包括可操作的使一部分液體 在升高的壓力、環(huán)境壓力或減壓（真空）下沸騰的一系列或多個(gè)容器（或"效應(yīng)器"）。從 一個(gè)容器中提取的熱量可轉(zhuǎn)移至另一個(gè)容器中。多效蒸發(fā)器描述于例如1956年11月6日 頒布并且標(biāo)題為"多效蒸發(fā)器"的美國專利號2, 769, 489中。
[0018] 如本文所用，術(shù)語"機(jī)械式蒸發(fā)再壓縮蒸發(fā)器"和"MVR蒸發(fā)器"各自意指并包括 可操作地將蒸汽從容器壓縮的連接至鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)的容器。鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)作為能量投 入來操作以使一部分液體在容器中沸騰。機(jī)械式蒸發(fā)再壓縮蒸發(fā)器描述于例如1981年12 月1日頒布并且標(biāo)題為"Mechanical Vapor Recompression Evaporators"的美國專利號 4, 303, 468和1968年8月6日頒布并且標(biāo)題為"Recompression Evaporators"的美國專 利號3, 396, 086。MVR蒸發(fā)器可通過變頻驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力，其可允許在廣泛的功率范圍內(nèi)操 作。
[0019] 用于加工包含硫酸鉀和硫酸鎂的水性媒介物的系統(tǒng)（系統(tǒng)2)示意性地顯示在圖 1中。為了簡化附圖并闡明本發(fā)明，不是系統(tǒng)2的每個(gè)元件或組件都在本文中顯示或描述。 系統(tǒng)2還可以包括適當(dāng)?shù)墓艿?、連接器、傳感器、控制器等，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解 到的。系統(tǒng)2,如所說明的，包括用于使浸出鹵水4與循環(huán)液流42混合的第一混合裝置10。 這種浸出鹵水4包括含有從雜鹵石礦提取的溶解的和/或懸浮的物質(zhì)的水性媒介物。循環(huán) 液流42通常主要包括固體硫酸鉀和硫酸鎂。例如，循環(huán)液流42通常具有硫酸鉀與硫酸鎂 為至少約1:1，諸如至多約1. 6:1的摩爾比。循環(huán)液流42通常包括鉀鎂礬和/或軟鉀鎂礬 晶體，并且還可包括SOP。在系統(tǒng)2內(nèi)形成的循環(huán)液流42如下進(jìn)一步詳細(xì)描述?？墒菇?鹵水4與循環(huán)液流42混合以形成濃縮的鹵水14,其在鉀和鎂中比在浸出鹵水4中更濃縮。 濃縮的浸出鹵水14可任選地包括少量未溶解的固體。
[0020] 例如，如描述于2013年5月16日公布并且標(biāo)題為"Methods of Processing Polyhalite Ore, Methods of Producing Potassium Sulfate, and Related Systems" 的 美國專利申請公開號2013/0121900,可形成浸出鹵水4。例如，雜鹵石礦被破碎、洗滌和煅 燒。鍛燒描述于 John E. Conley 和 Everett P. Partridge, "Potash Salt from Texas-New Mexico Polyhalite Deposits:Commercial Possibilities, Proposed Technology, and Pertinent Salt-Solution Equilibria, "U. S.Dept.of the Interior Bureau of M