Патент на изобретение №2270168

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ СОЛЕЙ ЛИТИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности. Способ включает бикарбонизацию водного раствора карбоната лития углекислым газом при перемешивании, фильтрацию раствора бикарбоната лития, очистку его на ионообменной смоле, дебикарбонизацию, отделение карбоната лития, его промывку горячей водой и сушку. Карбонат лития подвергают механоактивации, бикарбонизацию проводят при температуре 0-18°С. Процессы бикарбонизации и очистки на сорбенте ведут при одинаковой температуре, а процессы бикарбонизации и дебикарбонизации проводят в вихревом дисперсном слое. Для получения фторида лития высокой чистоты очищенный карбонат лития подвергают повторной бикарбонизации в вихревом дисперсном слое, фильтрации и последующему взаимодействию с фторирующим агентом. Устройство включает установки бикарбонизации карбоната лития и дебикарбонизации раствора бикарбоната лития. Обе установки содержат корпус с размещенными на нем приводом вентилятора с воздухозаборником, вихревой камерой, резервуаром с патрубком, погруженным в рабочий раствор. В установке бикарбонизации карбоната лития воздухозаборник вентилятора, вихревая камера и резервуарное пространство над рабочим раствором объединены в герметичный замкнутый газовый контур с вмонтированными в него патрубком для ввода диоксида углерода и индикатором давления диоксида углерода, вихревая камера оснащена питателем с входным отверстием для подачи механоактивированного технического карбоната лития, расположенным в крышке вихревой камеры и прилегающим к лопаткам вихревой камеры с ее внутренней стороны. В установке для дебикарбонизации на входе воздухозаборника установлен воздушный фильтр, корпус оснащен патрубком отходящих газов из резервуарного пространства с рабочим раствором, соединенным через углекислотный регенератор с патрубком для ввода диоксида углерода в устройстве для бикарбонизации карбоната лития. В обеих установках патрубок, погруженный в резервуар с рабочим раствором, выполнен в виде регулируемого по глубине погружения заборной трубки, связанной трубопроводом через циркуляционный насос с патрубком, установленным на крышке вихревой камеры над отверстием кольцевой проточки между верхней крышкой и лопатками вихревой камеры с ее внутренней стороны. Привод вентилятора выполнен с регулируемым числом оборотов электродвигателя. Установки оснащены средствами контроля и регулировки. Предложенное изобретение позволяет повысить производительность химического процесса, обеспечивает оптимальные режимы работы реакторного оборудования устройства, улучшает качество продукции, снижает затраты на техническое обслуживание. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области техники получения особо чистых солей лития и может найти использование в химической, фармацевтической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения нитрата и карбоната лития особой чистоты (И.Б.Короткевич, А.С.Солюс, В.Е.Бромштейн. Ж. «Химическая промышленность», № 8, 1993). Очистку нитрата лития проводили методом экстрактивной кристаллизации, в процессе которой происходит также и глубокая очистка маточного раствора. Карбонизацией этого раствора получали карбонат лития особой чистоты.

Сущность экстрактивной кристаллизации заключается в том, что в горячий, насыщенный при 50°С раствор очищаемой соли вводят не смешивающийся с ним органический экстрагент. При кристаллизации в присутствии экстрагента равновесие распределения примеси между твердой фазой, маточным раствором и экстрагентом сдвигается в сторону последнего. Сдвиг равновесия происходит за счет предпочтительной экстракции примеси по сравнению с очищаемым веществом; если очищаемое вещество обладает высаливающим действием (как в данном случае), то степень извлечения примесей возрастает на несколько порядков. Таким образом, в процессе экстрактивной кристаллизации осуществляется очистка и кристаллов, и маточного раствора.

Исходным веществом для получения нитрата и карбоната лития являлся технический нитрат лития. При использовании в качестве экстрагента диэтилдитиокарбамата натрия был получен готовый продукт карбоната лития с содержанием, %: Fe 5*10^-6, Cu 1*10^-6, V 5*10^-6, Co 1*10^-7, Mn 5*10^-7, Ni 2*10^-7, Cr 1*10^-7. Содержания основного вещества и примеси натрия, кальция в данной статье не приводятся. Недостатком этого способа является сложность его проведения и использование в качестве экстрагента органосодержащей соли натрия, которую необходимо в дальнейшем регенерировать или утилизировать, что влечет за собой дополнительные расходы и усложняет технологический процесс в целом.

Troost L. в 1857 году показал, что карбонат лития может быть переочищен с помощью процессов бикарбонизации и дебикарбонизации (Troost L., Ann. Chim et pharm., 51, 103, 1857). Walker А.С. и другие в 1927 году исследовали зависимость растворимости карбоната лития от парциального давления над раствором (Walker А.С., Bray U.B., Jonston J., J. of Amer.chem. Soc., 49,1235, 1927).

Известен способ получения особо чистого карбоната лития по патенту США № 6048507, кл. С 01 D 015/00; C 01 D 7/00, 2000 г. Сущность изобретения заключается в процессе обработки раствора карбоната лития углекислым газом при комнатной температуре и выше при давлении от 1 до 20 атм. Очистка полученного раствора бикарбоната лития на ионообменной смоле на основе аминофосфоновой кислоты, дебикарбонизация при температуре от 60-100°С, фильтрация, промывка и сушка полученного осадка карбоната лития.

Недостатком вышеизложенного изобретения является использование повышенных давлений, что усложняет технологический процесс и заставляет использовать специальное оборудование, приводит к удорожанию конечного продукта.

Наиболее близким по способу получения особо чистых солей лития из технического карбоната лития является патент США № 6592832, кл. C 01 D 015/00; C 01 D 003/00, 2003 г.(прототип). Суть изобретения заключается в процессе обработки раствора карбоната лития углекислым газом с использованием повышенного давления, очистка полученного раствора бикарбоната лития на ионообменной смоле, дебикарбонизация, отделение чистого осадка карбоната лития, промывка, сушка, повторная бикарбонизация и получение фторида лития методом взаимодействия полученного раствора бикарбоната лития с фтороводородной кислотой с добавлением аммиака, промывка и сушка полученного осадка фторида лития.

Недостатком вышеизложенного изобретения является использование повышенных давлений в технологическом процессе бикарбонизации, что приводит к использованию специального оборудования, и ведет к высоким затратам при его промышленном производстве.

Известен способ организации контакта жидкости и газа и устройство для его осуществления (патент № 2084269, кл. 6 В 01 D 47/06, 1997), в котором устройство для организации контакта жидкости и газа, реализующее способ, включает распределительную камеру с тангенциальным патрубком для ввода газа, установленный в ней осесимметричный лопаточный завихритель, примыкающие к нему с разных сторон по вертикали и соосные с ним камеру для ввода жидкости и разделительную камеру, где геометрические параметры завихрителя засчитываются по формуле в зависимости от плотности жидкости и газа, массового расхода газа и др. величин. При этом для расширения диапазона режимных параметров завихритель выполнен с возможностью регулирования угла наклона лопаток.

Недостатком этого устройства является то, что в случае проведения на нем химических реакций, плотности жидкости и газа, расход газа и другие параметры в ходе реакции могут существенно меняться. Поэтому для достижения оптимальных условий проведения химической реакции одной регулировки угла наклона лопаток может быть недостаточно, отсутствуют средства контроля и регулирования указанных параметров. Кроме того, известное устройство не учитывает требований внешних условий ведения процесса (например, давление, температура). Наконец, процесс межфазного взаимодействия в устройстве рассматривается как двухфазный контакт жидкости и газа, тогда как при очистке от пыли существует третья – твердая фаза в виде частиц этой пыли и других примесей, которые в процессе работы вихревой камеры оседают на лопатки завихрителя, непредсказуемо изменяют режим работы устройства и требуют периодической разборки и чистки лопаточного завихрителя.

Известны способ санитарно-гигиенической обработки воздуха и устройство для его осуществления (патент № 2088262, кл. 6 А 61 L 9/00, 1997), содержащее корпус с установленными в нем вентилятором, емкостью с гигиеническим раствором в нижней части корпуса, вихревой камерой в виде горизонтального воздухозаборника с расположенными внутри него по окружности направляющими лопатками.

Недостатком известного устройства является его нестабильная работа. Это связано с тем, что нормальный режим работы вихревой камеры обеспечивается заданным перепадом давления между воздухозаборником вихревой камеры и резервуаром, при этом требуется поддерживать определенный уровень рабочего (гигиенического) раствора в емкости. Однако поскольку газовый контур в устройстве является открытым, возможен постоянный унос рабочего раствора с его парами, снижение уровня гигиенического раствора в резервуаре и выход параметров режима работы вихревой камеры за пределы оптимальных.

Кроме того, в рассматриваемом устройстве трудно реализуются химические реакции, при которых параметры жидкой и газовой среды, влияющие на формирование вихревого дисперсного слоя в вихревой камере, в процессе прохождения химической реакции во время работы устройства являются переменными. В устройстве не учитываются требования внешних условий проведения химических реакций и отсутствуют средства контроля и регулирования параметров химического процесса.

Известны способ и устройство для получения особо чистого карбоната лития (патент US 6207126, опубл. 27.03.2001 на 15 стр.), прототип, в котором процесс бикарбонизации осуществлен в устройстве, содержащем реактор, мешалку, трубопроводы барботирования углекислым газом, рубашку охлаждения и отстойник с выводом раствора бикарбоната. Как варианты, в качестве реакторов используются абсорбционная колонка, колонка с магазинами решетчатых тарелок и колонка Scheibel корпорации Glitch Technology. Процесс дебикарбонизации выполнен в устройстве, выполненном в виде емкости для осаждения с мешалкой, нагревателем, газоводом для возврата выделенного углекислого газа на бикарбонизацию и сливом маточного раствора с осадком очищенного карбоната лития.

Недостатками известных устройств являются низкая эффективность протекания химических реакций бикарбонизации и дебикарбонизации. Причинами низкой эффективности устройств являются неразвитость поверхности контакта жидкости и углекислого газа, что приводит к снижению производительности химического процесса, различные условия протекания химической реакции по высоте реакторов (колонок), когда в нижнюю часть колонок подается переизбыток газа, чтобы его хватило в верхней части, что приводит к перерасходу газа, недостаточное качество, вызванное прохождением химической реакции на рабочих поверхностях колонок, что для особо чистых продуктов может привести к наличию нежелательных примесей, затраты на техническое обслуживание по удалению твердого осадка на рабочих поверхностях колонок.

Единой технической задачей группы изобретений является повышение эффективности проведения химических процессов получения особо чистых солей лития за счет повышения производительности химического процесса, обеспечения оптимальных режимов работы реакторного оборудования устройства, улучшения качества продукции, снижения затрат на техническое обслуживание.

Единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается за счет того, что в способе получения особо чистых солей лития, включающем бикарбонизацию водного раствора карбоната лития углекислым газом при перемешивании, фильтрацию раствора бикарбоната лития, очистку его на ионообменной смоле, дебикарбонизацию, отделение карбоната лития, его промывку горячей водой и сушку, согласно формуле изобретения карбонат лития подвергают механоактивации, бикарбонизацию проводят при температуре 0-18°С, при этом процессы бикарбонизации и очистки на сорбенте ведут при одинаковой температуре, а процессы бикарбонизации и дебикарбонизации проводят в вихревом дисперсном слое. Задача решается также благодаря тому, что для повышения степени чистоты получаемых солей лития процессы бикарбонизации, очистки на сорбенте и дебикарбонизации повторяют. Задача решается также благодаря тому, что для получения фторида лития высокой чистоты очищенный карбонат лития подвергают повторной бикарбонизации в вихревом дисперсном слое, фильтрации, промывке и последующему взаимодействию с фторирующим агентом.

Единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается благодаря тому, что в известном устройстве, содержащем корпус с размещенными на нем приводом вентилятора с воздухозаборником, вихревой камерой, резервуаром с патрубком, погруженным в рабочий раствор, для реализации способа в установке бикарбонизации карбоната лития воздухозаборник вентилятора, вихревая камера и резервуарное пространство над рабочим раствором объединены в герметичный замкнутый газовый контур с вмонтированными в него патрубком для ввода диоксида углерода и индикатором давления диоксида углерода, вихревая камера оснащена питателем с входным отверстием для подачи механоактивированного технического карбоната лития, расположенным в крышке вихревой камеры и прилегающим к лопаткам вихревой камеры с ее внутренней стороны. В установке дебикарбонизации раствора бикарбоната лития на входе воздухозаборника установлен воздушный фильтр, корпус оснащен патрубком отходящих газов, установленным над резервуарным пространством с рабочим раствором, соединенным через углекислотный регенератор с патрубком для ввода диоксида углерода в устройстве для бикарбонизации карбоната лития. В обеих установках патрубок, погруженный в резервуар с рабочим раствором, выполнен в виде регулируемой по глубине погружения заборной трубки, связанной трубопроводом через циркуляционный насос с патрубком, установленным на крышке вихревой камеры над отверстием кольцевой проточки между верхней крышкой и лопатками вихревой камеры с ее внутренней стороны, привод вентилятора выполнен с регулируемым числом оборотов электродвигателя, а сами установки оснащены средствами контроля и регулировки расхода газа и рабочего раствора, контроля температуры и уровня рабочего раствора. При этом резервуар с рабочим раствором размещен внутри емкости с охлаждаемой для установки бикарбонизации карбоната лития и нагреваемой для установки дебикарбонизации раствора бикарбоната лития термостатируемой жидкостной рубашкой.

Указанная совокупность признаков по объекту-способу является новой и обладает изобретательским уровнем, так как проведение механоактивации позволяет разрушить кристалл карбоната лития и ускорить процесс бикарбонизации, проведение процесса бикарбонизации при температуре 0-18°С позволяет повысить растворимость карбоната лития, которая имеет обратную зависимость от температуры и получить раствор бикарбоната лития большей концентрации. Проведение процессов бикарбонизации в вихревой камере ускоряет процесс бикарбонизации за счет увеличения площади контакта газ-жидкость и позволяет использовать оборудование при атмосферном давлении, что упрощает и удешевляет процесс. Поддержание одинаковой температуры в процессах бикарбонизации и при очистке на сорбенте позволяет избежать газообразование в слое сорбента и выпадения осадка карбоната лития в процессе очистки на сорбенте. Неоднократное использование процессов бикарбонизации, очистки на сорбенте и дебикарбонизации позволяет получать соли лития с содержанием основного вещества 99,95% и более. Повторная бикарбонизация уже очищенного карбоната лития для получения фторида лития позволяет получить соль с низким содержанием СО₃, что необходимо для дальнейшего использования фторида лития в производстве литийионных аккумуляторов. Использование вихревой камеры для процесса дебикарбонизации ускоряет процесс выпадения соли карбоната лития и позволяет возвращать выделившейся углекислый газ на процесс бикарбонизации.

Указанная совокупность признаков по объекту-устройству является новой и обладает изобретательским уровнем исходя из нижеследующего.

Объединение в установке для бикарбонизации карбоната лития воздухозаборника вентилятора, вихревой камеры и резервуарного пространства над рабочим раствором в герметичный замкнутый газовый контур с патрубком для ввода диоксида углерода конструктивно обеспечивает условия сохранения газовой фазы в замкнутом объеме, ее циркуляцию вентилятором через вихревую камеру, в которой проводится химическая реакция, с требуемым расходом диоксида углерода (газовой фазы) по мере прохождения реакции. Фактический расход диоксида углерода в газовом контуре в процессе химической реакции определяется по индикатору давления диоксида углерода, который позволяет установить его требуемую величину посредством расходомера. Циркуляционный расход газа, подаваемого в вихревую камеру, контролируется дифференциальным манометром и регулируется числом оборотов электродвигателя привода. Указанные признаки обеспечивают условия существования газовой фазы химического процесса в количестве, достаточном для оптимального прохождения химической реакции. Оснащение вихревой камеры питателем с входным отверстием для подачи механоактивированного технического карбоната лития (твердая фаза), расположенным в крышке вихревой камеры и прилегающим к лопаткам вихревой камеры с ее внутренней стороны, обеспечивает непосредственную подачу твердой фазы химического процесса в вихревую камеру, где под действием центробежных сил твердая фаза равномерно распределяется, перемешивается и растворяется в дисперсном слое вихревой камеры, вступая в реакцию, не касаясь лопаток вихревой камеры. При этом, поскольку твердая фаза не осаждается на лопатках, в период эксплуатации вихревой камеры режимы протекания химической реакции остаются стабильными, периодическая чистка вихревой камеры не требуется.

Установка для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития имеет открытый газовый контур, на входе которого установлен воздушный фильтр, корпус оснащен патрубком отходящих газов из резервуарного пространством с рабочим раствором, соединенным через углекислотный регенератор с патрубком для ввода диоксида углерода в устройстве для бикарбонизации карбоната лития. Воздушный фильтр исключает попадание посторонних частиц в химический процесс получения чистого продукта, повышая его качество. Выделяемый в процессе дебикарбонизации раствора карбоната лития диоксид углерода через патрубок отходящих газов возвращается после регенерации в устройство бикарбонизации, обеспечивая экономичный по реакционному газу режим работы устройства. Оснащение резервуара с рабочим раствором нагреваемой термостатируемой жидкостной рубашкой активизирует процесс дебикарбонизации, повышая его производительность.

Оснащение обеих установок патрубком, погруженным в резервуар с рабочим раствором, выполненным в виде регулируемой по глубине погружения заборной трубки, связанной трубопроводом через циркуляционный насос с патрубком, установленным на крышке вихревой камеры над отверстием кольцевой проточки между верхней крышкой и лопатками вихревой камеры с ее внутренней стороны, обеспечивает принудительную подачу рабочего раствора (жидкой фазы) компонента химической реакции в вихревую камеру, при которой расход рабочего раствора не зависит от его уровня в резервуаре. Возможность регулировки заборной трубки по глубине погружения создает возможность устанавливать уровень забора рабочего раствора с учетом хода прохождения химической реакции, осуществляя забор из не прореагированной части раствора. Кольцевая проточка обеспечивает равномерное распределение рабочего раствора в вихревой камере. Расход рабочего раствора определяется расходомером и регулируется вентилем. Резервуар с рабочим раствором размещен внутри емкости с охлаждаемой (нагреваемой) термостатируемой жидкостной рубашкой, что позволяет регулировать растворимость твердой фазы в жидкой. Таким образом, приведенные выше конструктивные признаки устройства позволяют обеспечить оптимальное соотношение параметров и компонентов трехфазного химического процесса, определяемое предварительно стехиометрией химического взаимодействия. Производительность химического процесса в устройстве определяется режимом работы вентилятора привода. Регулируемое количество оборотов электродвигателя привода вентилятора позволяет задать максимальную, исходя из скорости протекания химической реакции, производительность. При этом за счет образования интенсивного мелкодисперсного газожидкостного дисперсного слоя и подачи в него активной твердой фазы химическая реакция в вихревой камере проходит с высокой производительностью и качеством в условиях атмосферного давления.

Оснащение устройств бикарбонизации и дебикарбонизации средствами контроля и регулировки расхода воздуха и рабочего раствора, контроля температуры и уровня рабочего раствора обеспечивает достижение оптимальных режимов проведение химического процесса.

На фиг.1 показана схема способа получения особо чистых солей лития. На фиг.2 показана установка для бикарбонизации карбоната лития, на фиг.3 установка для дебикарбонизации раствора карбоната лития.

Способ получения особо чистых солей лития осуществляется следующим образом (фиг.1). Предварительно механоактивированный карбонат лития загружают в установку, имеющую охладительную систему в расчете 50-90 г/л, и наливают дистиллированную воду. Охлаждение поддерживают в интервале температур 0-18°С, подачу углекислого газа, механоактивированного карбоната лития в вихревую камеру осуществляют в объеме, согласно химическому уравнению реакции. После завершения процесса бикарбонизации раствор бикарбоната лития через фильтр насосом перекачивают в емкость, из которой раствор бикарбоната лития проходит через сорбционную колонку, где происходит очистка от примесей щелочноземельных, цветных и тяжелых металлов. После чего раствор бикарбоната лития поступает в установку – дебикарбонизатор. В дебикарбонизаторе, имеющем вихревую камеру и подогрев до температуры 85-100°С, происходит осаждение карбоната лития с принудительным удалением углекислого газа и возврата его в начало процесса. После последующей промывки горячей дистиллированной водой или конденсатом отфильтрованный очищенный карбонат лития сушат, а маточный раствор после охлаждения возвращают для растворения следующей порции карбоната лития. Процессы бикарбонизации и очистку в сорбционной колонне проводят при одной температуре во избежание выпадения карбоната лития в колонне.

Для получения соли более высокого качества технологические циклы бикарбонизации, сорбционной очистки и дебикарбонизации повторяют. В дальнейшем очищенный таким способом карбонат лития подвергают взаимодействию с соляной, бромисто-водородной, серной, азотной, йодисто-водородной кислотой или другим реагентом для получения соответствующей соли лития.

Для получения соли фторида лития влажный очищенный карбонат лития повторно бикарбонизируют в вихревом дисперсном слое при температуре в пределах 0-18°С и фильтруют. После чего раствор бикарбоната лития подвергают взаимодействию с фторирующим реагентом – фтороводородной кислотой с избытком относительно стехиометрии. После выпадения соли фторида лития осадок промывают кипящей водой без углекислого газа или 1% раствором фтороводородной кислоты. Полученный осадок фторида лития высушивают.

Установка для бикарбонизации карбоната лития (фиг.2) содержит корпус 1, на котором установлен конусообразный резервуар 2 с рабочим раствором. Над резервуаром 2 установлены вихревая камера 3, связанная по газоводу 4 с центробежным вентилятором 5, которые с резервуарным пространством над рабочим раствором образуют герметичный замкнутый газовый контур. Привод центробежного вентилятора 5 выполнен регулируемым по числу оборотов электродвигателя. Резервуар 2 установлен в емкости 6 с охлаждаемой термостатируемой жидкостной рубашкой и контуром охлаждения, состоящим из трубопровода 7, термостата 8, циркуляционного насоса 9. Конусная вершина резервуара 2 заканчивается патрубком 10 уровнемера 11 и пробоотборником 12. В резервуаре 2 установлены датчик температуры 13 и заборная трубка 14 замкнутого контура рабочего раствора, состоящего из трубопровода 15, циркуляционного насоса 16, расходомера 17. Заборная трубка 14 выполнена регулируемой по высоте забора рабочего раствора. Рабочий раствор подается в кольцевую проточку 18, выполненную в крышке 19 вихревой камеры 3 и прилегающую к лопаткам 20 вихревой камеры 3 с ее внутренней стороны. В крышке 19 также выполнено отверстие 21, прилегающее к лопаткам 20 вихревой камеры 3 с ее внутренней стороны, над которым герметично установлен вибропитатель 22 для подачи механоактивированного технического карбоната лития. В газовод 4 вмонтирован трубопровод 23 подачи диоксида углерода из баллона 24 через расходомер 25. Диоксид углерода в процессе химической реакции расходуется и его расход контролируют индикаторм давления 26, установленным в надрезервуарном пространстве газового контура. Для контроля расхода газа, подаваемого в вихревую камеру 3 от вентилятора 5 в газоводе 4, установлена диафрагма 27 дифференциального манометра 28. Вентиль 29 предназначен для регулировки расхода рабочего раствора, вентиль 30 для регулировки расхода охлаждаемой жидкости, вентиль 31 и вентиль с входным патрубком 32 (от углекислотного регенератора устройства для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития) для регулировки расхода реакционного газа – диоксида углерода. Горловины 33 и 34 предназначены для заливки соответственно рабочего раствора и охлаждающей жидкости.

Установка для бикарбонизации карбоната лития работает следующим образом.

Через горловину 34 охлаждающая жидкость (например, вода) заливается в емкость 6. Через горловину 33 в резервуар 2 заливается рабочий раствор, например дистиллированная вода. Количество рабочего раствора контролируется по уровнемеру 11. Нижний конец заборной трубки 14 опускается ниже уровня рабочего раствора. В вибропитатель 22 насыпается сухой механоактивированный технический карбонат лития. Включается насос 9 и охлаждаемая в термостате 8 жидкость циркулирует в емкости 6, охлаждая резервуар 2. Температура в резервуаре контролируется датчиком температуры 13. Включается вентилятор 5 и устанавливается число его оборотов по заданному расходу газа в вихревой камере 3, который контролируется дифференциальным манометром 28. Газ (воздух) циркулирует в газовом контуре устройства и, проходя лопатки 20, образует в вихревой камере 3 вращающийся газовый поток. Включается циркуляционный насос 16 и вентилем 29 устанавливается расход по контуру рабочего раствора, подаваемого в кольцевую проточку 18 вихревой камеры 3. Расход рабочего раствора контролируется расходомером 17. В вихревой камере 3 рабочий раствор раскручивается вращающимся газовым потоком и под действием центробежных сил движется навстречу этому газовому потоку, при этом в вихревой камере 3 образуется двухфазный газожидкостной дисперсный слой. Открывается вентиль 31, подающий диоксид углерода из баллона 24 в газовый контур, который через индикатор давления 26 вытесняет воздух их газового контура. Включается вибропитатель 22 и технический карбонат лития подается и распределяется во вращающимся газожидкостном дисперсном слое. Происходит интенсивная трехфазная химическая реакция бикарбонизации технического карбоната лития с его растворением в дисперсном слое рабочего раствора и диоксида углерода. В ходе химической реакции диоксид углерода поглощается и его расход контролируется индикатором давления и устанавливается расходомером 25. Для ускорения проведения реакции заборная трубка 14 регулируется для забора раствора из не прореагировавшей части резервуара 2, а для анализа раствора используется пробоотборник 12. Полученный раствор бикарбоната лития сливается через пробоотборник 12 на фильтр и в промежуточную емкость (не показаны), а затем направляется в установку для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития или на получение других солей лития, например фторида лития.

Установка для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития (фиг.3) содержит корпус 1, на котором установлен конусообразный резервуар 2 с рабочим раствором. Над резервуаром 2 установлена вихревая камера 3, связанная по газоводу 4 с центробежным вентилятором 5, которые с резервуарным пространством над рабочим раствором образуют открытый газовый контур с воздухозаборником 6, на входе которого установлен воздушный фильтр 7, и патрубком 8 из резервуара 2 для отходящих газов. Патрубок 8 соединен с углекислотным регенератором 9 для улавливания диоксида углерода, возврата его через трубопровод 10 в газовую линию подачи диоксида углерода устройства для бикарбонизации карбоната лития. Привод центробежного вентилятора 5 выполнен регулируемым по числу оборотов электродвигателя. Резервуар 2 установлен в емкости 11 с нагреваемой термостатируемой жидкостной рубашкой, в которой установлены трубчатые электронагреватели (тэн) 12. Конусная вершина резервуара 2 заканчивается патрубком 13 уровнемера 14 и пробоотборником 15. В резервуаре 2 установлены датчик температуры 16 и заборная трубка 17 замкнутого контура рабочего раствора, состоящего из трубопровода 18, циркуляционного насоса 19, расходомера 20. Заборная трубка 17 выполнена регулируемой по высоте забора рабочего раствора. Рабочий раствор подается в кольцевую проточку 21, выполненную в крышке 22 вихревой камеры 3 и прилегающую к лопаткам 23 вихревой камеры 3 с ее внутренней стороны. Для контроля расход газа, подаваемого в вихревую камеру 3 от вентилятора 5 в газоводе 4, установлена диафрагма 24 дифференциального манометра 25. Вентиль 26 предназначен для регулировки расхода рабочего раствора. Горловины 27 и 28 предназначены для заливки соответственно рабочего раствора и термостатирующей жидкости.

Установка для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития работает следующим образом.

Через горловину 28 термостатирующая жидкость (например, вода) заливается в емкость 11. Через горловину 27 в резервуар 2 заливается рабочий раствор бикарбоната лития. Количество рабочего раствора контролируется по уровнемеру 14. Нижний конец заборной трубки 17 опускается ниже уровня рабочего раствора. Включаются оба тэна 12, обеспечивая быстрый нагрев, затем более мощный тэн отключается, а менее мощный обеспечивает термостатирование. Температура в резервуаре контролируется датчиком температуры 16. Включается вентилятор 5 и устанавливается число его оборотов по заданному расходу газа в вихревой камере 3, который контролируется дифференциальным манометром 25. Вентилятором 5 очищенный через воздушный фильтр 7 атмосферный воздух подается по газоводу 4, который, проходя лопатки 23, образует в вихревой камере 3 вращающийся газовый поток. Включается циркуляционный насос 19 и вентилем 26 устанавливается расход по контуру рабочего раствора, подаваемого в кольцевую проточку 21 вихревой камеры 3. Расход рабочего раствора контролируется расходомером 20. В вихревой камере 3 нагретый рабочий раствор раскручивается вращающимся газовым потоком и движется навстречу ему под действием центробежных сил, при этом в вихревой камере 3 образуется двухфазный газожидкостной дисперсный слой. Происходит интенсивная трехфазная химическая реакция дебикарбонизации раствора бикарбоната лития с выпадением в дисперсном слое и далее в емкости с рабочим раствором кристаллов очищенного карбоната лития. В ходе химической реакции диоксид углерода выделяется, улавливается углекислотным регенератором 9 и подается по трубопроводу 10 в газовую линию подачи диоксида углерода устройства для бикарбонизации карбоната лития на входной патрубок 32 (фиг.2). Для ускорения проведения реакции заборная трубка 17 регулируется для забора раствора из непрореагировавшей части резервуара 2, а для анализа раствора используется пробоотборник 15. Очищенный карбонат лития в виде кристаллов вместе с маточным раствором сливается через пробоотборник 15 в промежуточную емкость (не показана), осаждается на фильтре, сушится и является конечным продуктом или направляется на получение других чистых солей лития, например хлорида лития.

Оба устройства могут работать как совместно, так и отдельно друг от друга в технологических цепочках получения различных солей лития. При совместной работе устройств процесс глубокой очистки карбоната лития может проводиться путем многократной бикарбонизации и дебикарбонизации. При необходимости получения особо чистых солей лития между установками бикарбонизации и дебикарбонизации устанавливаются ионообменные колонки. При получении фторида лития исходным продуктом является раствор бикарбоната лития, соответственно возможно отдельное использование установки для бикарбонизации уже очищенного карбоната лития.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет получить высокоэффективный технологический процесс производства особо чистых солей лития, таких как карбонат, хлорид, хлорат, фторид, бромид, иодат, иодид, нитрат, нитрит, сульфат, гипохлорит и других соединений лития, особо чистого лития металлического, а также различные литированные оксиды металлов для литийионных аккумуляторов за счет обеспечения оптимальных режимов работы реакторного оборудования устройства, повышения производительности химического процесса, улучшения качества продукции, снижения затрат и требований к условиям проведения химических реакций.

Пример 1.

Способ получения особо чистого карбоната лития осуществляется следующим образом (фиг.1). Предварительно механоактивированный карбонат лития загружают в установку, имеющую охладительную систему в количестве 2000 г, и наливают дистиллированную воду в количестве 25 л. Охлаждение поддерживают в интервале температур 5-10°С, подачу углекислого газа в вихревую камеру осуществляют в объеме согласно химическому уравнению реакции. После завершения процесса бикарбонизации раствор бикарбоната лития через фильтр насосом перекачивают в напорную емкость. Полученный раствор бикарбоната лития пропускают через колонку с сорбентом и очищают от примесей катионов щелочных, щелочноземельных и цветных металлов. После очистки от примесей раствор бикарбоната лития перекачивают насосом в реактор дебикарбонизатора и при температуре 85-100°С проводят процесс дебикарбонизации, при этом удаляемый углекислый газ возвращают в реактор первой установки для бикарбонизации следующей партии карбоната лития.

Образовавшийся очищенный осадок карбоната лития отфильтровывают через нутч-фильтр, промывают дистиллированной горячей Т=85-100°С водой и высушивают в вакуумном шкафу при температуре 270°С, а маточный раствор возвращают для растворения следующей порции карбоната лития. Полученный карбонат лития имел следующие содержания примесей: натрий <1 ppm, калий <1 ppm, кальций <5 ppm, магний <3 ppm, железо <3 ppm, кремний <5 ppm, хлор-ион – <25 ppm, фосфат-ион – 40 ppm.

Пример 2.

Полученный очищенный карбонат лития в примере 1, не прошедший сушку, подвергают повторному процессу бикарбонизации и фильтрации аналогично примеру 1 с использованием установки с вихревой камерой. Полученный раствор бикарбоната лития подвергают процессу нейтрализации 45% фтороводородной кислотой с 20% избытком относительно стехиометрии, промывают 1% раствором фтороводородной кислоты. Полученный осадок фторида лития отфильтровывают и сушат при Т=150-200°С в вакуумной шкафу. Полученный фторид лития имел следующие содержания примесей:

натрий <6 ppm, калий <6 ppm, кальций <5 ppm, магний <3 ppm, железо <3 ppm, кремний <5 ppm, хлор-ион <25 ppm, фосфат-ион – 40 ppm, сульфат-ион – 30 ppm.

Формула изобретения

1. Способ получения особо чистых солей лития, включающий бикарбонизацию водного раствора карбоната лития углекислым газом при перемешивании, фильтрацию раствора бикарбоната лития, очистку его на ионообменной смоле, дебикарбонизацию, отделение карбоната лития, его промывку горячей водой и сушку, отличающийся тем, что карбонат лития подвергают механоактивации, бикарбонизацию проводят при температуре 0-18°С, при этом процессы бикарбонизации и очистки на сорбенте ведут при одинаковой температуре, а процессы бикарбонизации и дебикарбонизации проводят в вихревом дисперсном слое.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения степени чистоты получаемых солей лития процессы бикарбонизации, очистки на сорбенте и дебикарбонизации повторяют.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения фторида лития высокой чистоты очищенный карбонат лития подвергают повторной бикарбонизации в вихревом дисперсном слое, фильтрации и последующему взаимодействию с фторирующим агентом.

4. Устройство для получения особо чистых солей лития, включающее установки бикарбонизации карбоната лития и дебикарбонизации раствора бикарбоната лития, отличающееся тем, что обе установки содержат корпус с размещенными на нем приводом вентилятора с воздухозаборником, вихревой камерой, резервуаром с патрубком, погруженным в рабочий раствор, причем в установке бикарбонизации карбоната лития воздухозаборник вентилятора, вихревая камера и резервуарное пространство над рабочим раствором объединены в герметичный замкнутый газовый контур с вмонтированными в него патрубком для ввода диоксида углерода и индикатором давления диоксида углерода, вихревая камера оснащена питателем с входным отверстием для подачи механоактивированного технического карбоната лития, расположенным в крышке вихревой камеры и прилегающим к лопаткам вихревой камеры с ее внутренней стороны, в установке для дебикарбонизации раствора бикарбоната лития на входе воздухозаборника установлен воздушный фильтр, корпус оснащен патрубком отходящих газов из резервуарного пространства с рабочим раствором, соединенным через углекислотный регенератор с патрубком для ввода диоксида углерода в устройстве для бикарбонизации карбоната лития, при этом в обеих установках патрубок, погруженный в резервуар с рабочим раствором выполнен в виде регулируемого по глубине погружения заборной трубки, связанной трубопроводом через циркуляционный насос с патрубком, установленным на крышке вихревой камеры над отверстием кольцевой проточки между верхней крышкой и лопатками вихревой камеры с ее внутренней стороны, привод вентилятора выполнен с регулируемым числом оборотов электродвигателя, а сами установки оснащены средствами контроля и регулировки расхода газа и рабочего раствора, контроля температуры и уровня рабочего раствора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что резервуар с рабочим раствором для установки бикарбонизации карбоната лития размещен внутри емкости с охлаждаемой, а для установки дебикарбонизации раствора бикарбоната лития внутри емкости с нагреваемой термостатируемой жидкостной рубашкой.

РИСУНКИ