欽 賀,楊雯雯

(國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司, 新疆哈密市 839000)

芒硝法生產(chǎn)硫酸鉀分析計(jì)算

欽 賀,楊雯雯

(國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司, 新疆哈密市 839000)

通過(guò)相圖分析確定以芒硝及氯化鉀為原料,采用芒硝法制取硫酸鉀,并詳細(xì)介紹了3種基本工藝流程及條件,包括一步法制取硫酸鉀,二步法制取硫酸鉀不回收母液,二步法制取硫酸鉀回收母液。利用Na＋、K＋//Cl－、SO42－－H2O四元體系25℃相圖,定量計(jì)算制取硫酸鉀、鉀芒硝過(guò)程,以及用水分解鉀芒硝析出硫酸鉀的過(guò)程。

芒硝;氯化鉀;相圖分析;硫酸鉀;鉀芒硝

芒硝法生產(chǎn)硫酸鉀工藝是以芒硝和氯化鉀為原料,經(jīng)過(guò)復(fù)分解反應(yīng)制取硫酸鉀。該方法的理論基礎(chǔ)是Na＋、K＋//Cl－、SO42－－H2O四元體系25℃相圖(見(jiàn)圖1)。用氯化鉀和芒硝制取硫酸鉀的工藝流程有:一步法制取硫酸鉀;二步法制取硫酸鉀不回收母液;回收母液,冷凍回收芒硝法等?；厥漳敢?冷凍回收芒硝法法生產(chǎn)硫酸鉀是利用兩段轉(zhuǎn)化、一次蒸發(fā)來(lái)完成硫酸鉀及副產(chǎn)品工業(yè)鹽的生產(chǎn),其主要原料是芒硝、氯化鉀、水,整個(gè)系統(tǒng)封閉循環(huán)。進(jìn)入系統(tǒng)的水主要有二轉(zhuǎn)化加入的工藝水、原料芒硝帶入的結(jié)晶水;流出系統(tǒng)的水主要是蒸餾水。只有二者達(dá)到平衡整個(gè)系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行。筆者研究該工藝時(shí)將芒硝中的結(jié)晶水歸類為外加水,方便流程計(jì)算和指導(dǎo)生產(chǎn)。通過(guò)3種不同工藝流程理論分析,明確最佳反應(yīng)路線及物料間的配比計(jì)算,進(jìn)一步鞏固分析相圖的理論基礎(chǔ),為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 相圖理論分析

相圖分析表明,為了最大限度制取產(chǎn)品,應(yīng)使系統(tǒng)控制在對(duì)產(chǎn)品之外的其他固相剛飽和而未析出時(shí)為最佳,為了提高產(chǎn)品的回收率,相圖中代表產(chǎn)品產(chǎn)量的杠桿臂長(zhǎng)度與液相量的比值應(yīng)盡可能大。析出產(chǎn)品后的母液中,含產(chǎn)品鹽元素離子越少越好,或者是含另一種產(chǎn)品鹽越多越好,這就表明反應(yīng)進(jìn)行的更完全。故分析工藝路線時(shí)K2SO4損失于液相中的量越少,回收率越高。

一步法反應(yīng)生產(chǎn)硫酸鉀過(guò)程中,首先物料A(氯化鈉)與B(芒硝)轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)品D(硫酸鉀)和母液E,故DE線段與AB線段的交點(diǎn)可以保證產(chǎn)品D的產(chǎn)率最高,所以將物料A和物料B加水按照一定的比例配制O點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,可以得到物料D和母液E。因?yàn)槟敢篍點(diǎn)位于共飽點(diǎn)上,根據(jù)作圖指數(shù)反算離子組分計(jì)算,母液F、V、K、H同理,得出的離子組分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 Na＋、K＋//Cl－、－H2O四元體系25℃、100℃相圖

表1 母液點(diǎn)離子組分

二步法制取硫酸鉀不回收母液,主要先通過(guò)生成中間產(chǎn)物鉀芒硝,然后利用鉀芒硝和氯化鉀反應(yīng)得到硫酸鉀產(chǎn)品。在確定此方法時(shí),理論依據(jù)是OE、O′E線段代表硫酸鉀比例,從圖1中可以看出O′E線段距離明顯大于OE線段距離,故二步法必然大于一步法的硫酸鉀產(chǎn)率。首先物料A和物料B按照一定的比例配制系統(tǒng)點(diǎn)T,轉(zhuǎn)化生成物料C和母液F,其次將物料C和物料A混合配制O′點(diǎn),轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)品D和母液E。

二步法制取硫酸鉀回收母液,該方法是以二步法生產(chǎn)硫酸鉀為依托,回收母液主要是可以充分回收鉀資源,降低生產(chǎn)成本。根據(jù)上述內(nèi)容可知,產(chǎn)生了母液E和母液F,分析相圖可以得知在母液E中加入一定比例的物料B轉(zhuǎn)化可以生成母液H、K、F。由于母液F位于該100℃相圖體系的不飽和區(qū)域,所以處理母液F時(shí)可以將溫度升高至100℃,轉(zhuǎn)化析出氯化鈉和母液V,此時(shí)母液V又位于該25℃相圖體系的不飽和區(qū)域,將母液V進(jìn)行25℃降溫處理,可以得到中間產(chǎn)物C和母液H,將母液H和母液K混合至母液F處,這樣可以使母液在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán),故母液E和物料B混合產(chǎn)生母液K點(diǎn)最為合適。

2 結(jié)果與討論

2.1 一步法制取硫酸鉀

KCl＋Na2SO4＋H2O→K2SO4＋母液E,在相圖上表示,其過(guò)程為A＋B→D＋E。假設(shè)100gKCl與xgNa2SO4及加入yg水生成mgK2SO4和ng母液E(E點(diǎn)),則可得到一步法物料平衡式(見(jiàn)表2)。

表2 一步法物料平衡式

解方程得到x＝38.53g,y＝247.63g,m＝39.33g,n＝346.83g。

由分析結(jié)果可知,一步法生產(chǎn)硫酸鉀使用100g KCl時(shí),需要38.53gNa2SO4在加入247.63g水轉(zhuǎn)化可以得到39.33gK2SO4和346.83g母液E。

故一步法生產(chǎn)硫酸鉀產(chǎn)率γ%＝39.33× 0.4487/100×0.5245＝33.65%

2.2 二步法制取硫酸鉀不回收母液

二步法制取硫酸鉀通過(guò)鉀芒硝為中間產(chǎn)物,然后以鉀芒硝和氯化鉀為原料生產(chǎn)硫酸鉀,反應(yīng)基本原理為:

假設(shè)100gKCl與xgNa2SO4及加入yg水生成mgNa2SO4·3K2SO4和ng母液F,則可得到二步法物料平衡式(見(jiàn)表3)。

表3 二步法制取鉀芒硝物料平衡式

解方程得到x＝105.93g,y＝199.23g,m＝110.18g,n＝294.98g。

由分析結(jié)果可知,生產(chǎn)中間產(chǎn)物鉀芒硝使用100gKCl時(shí),需要105.93gNa2SO4再加入199.23 g水轉(zhuǎn)化可以得到110.18gNa2SO4·3K2SO4和294.98g母液F。

故生產(chǎn)鉀芒硝產(chǎn)率γ%＝110.18×0.3529/100 ×0.5245＝74.13%

根據(jù)得到的鉀芒硝,計(jì)算加入xgKCl和yg水生成mgK2SO4和ng母液E,可得到平衡方程式(見(jiàn)表4)。

表4 二步法得到硫酸鉀物料平衡式

解方程得到x＝70.33g,y＝175.97g,m＝112.55g,n＝243.93g。

由分析結(jié)果可知110.18gNa2SO4·3K2SO4,需要再加入70.33gKCl和175.97gH2O轉(zhuǎn)化得到112.55gK2SO4和243.93g母液E。

綜合兩個(gè)歩驟可以得出硫酸鉀產(chǎn)率γ%＝112.55×0.4487/170.33×0.5245＝56.53%

2.3 二步法制取硫酸鉀回收母液

當(dāng)回收母液E時(shí),加入一定量的物料B時(shí),導(dǎo)致溶液不飽和,此時(shí)需要先失去部分水才可以生成鉀芒硝。故反應(yīng)原理為母液E＋Na2SO4→Na2SO4·3K2SO4＋母液K＋H2O↑。

根據(jù)2.2節(jié)中得到的母液E量,計(jì)算加入xgNa2SO4生成ygNa2SO4·3K2SO4和mg母液K,蒸發(fā)水量為ng可得到平衡方程式(見(jiàn)表5)。

表5 回收母液E物料平衡式

解方程得到x＝49.74g,y＝50.34g,m＝212.74g,n＝30.59g

回收母液F時(shí),母液F點(diǎn)在25℃的共飽點(diǎn)上,但100℃時(shí)該溶液變?yōu)槁然c相區(qū)的不飽和溶液,經(jīng)過(guò)蒸發(fā)析鹽,得到母液V和氯化鈉。

反應(yīng)基本原理為:母液F(100℃)→NaCl＋母液V＋H2O↑,母液F升溫物料平衡見(jiàn)表6。

表6 母液F升溫物料平衡

解方程得到x＝20.44g,y＝209.72g,m＝64.81g。

產(chǎn)生的母液V由100℃的共飽點(diǎn)變?yōu)?5℃鉀芒硝相區(qū)飽和溶液,加入定量的水轉(zhuǎn)化可以得到鉀芒硝和母液H。

反應(yīng)基本原理為:母液V(25℃)＋H2O→Na2SO4·3K2SO4＋母液H,母液V降溫物料平衡見(jiàn)表7。

表7 母液V降溫物料平衡

解方程得到x＝8.05g,y＝6.41g,m＝211.36g。

此時(shí)通過(guò)相圖配比分析母液點(diǎn)H/母液點(diǎn)K＝0.91/1可以配至母液點(diǎn)F,產(chǎn)生母液H有211.36g,母液K有212.74g,但是需要母液H有193.59g,剩余母液H有17.77g。母液K與母液H混合至母液F,這樣可以將母液一直循環(huán)在系統(tǒng)內(nèi),鉀資源得到充分回收利用。按照此工藝點(diǎn)的控制幾乎可以回收所有的母液。并得到鉀芒硝56.75g和20.44g附加產(chǎn)品氯化鈉。

綜合以上歩驟可以得出硫酸鉀鉀產(chǎn)率:

γ%＝(112.55×0.4487＋56.75×0.3529)/ 170.33×0.5245＝78.95%

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)以上理論計(jì)算分析、工藝流程的選取并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),繪制了二步法回收母液制取硫酸鉀數(shù)字工藝流程(見(jiàn)圖2)。

(2)芒硝法生產(chǎn)硫酸鉀,造成系統(tǒng)水不平衡的因素較多,有其先天性,也受轉(zhuǎn)化溫度、配料點(diǎn)的選擇、蒸發(fā)終點(diǎn)的控制、原料結(jié)晶水、工藝水等影響,在生產(chǎn)實(shí)踐中,控制加水量是十分關(guān)鍵,它直接影響鉀離子的回收率。

(3)文中所采用的原料A和原料B是純物質(zhì),實(shí)際生產(chǎn)中是含有雜質(zhì)。故在設(shè)計(jì)工藝流程時(shí),要加入氯化鉀和芒硝的提純過(guò)程。然后依據(jù)提純后原料的組成進(jìn)行相圖分析,方法和文中計(jì)算分析方法一致。

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2017-05-03)

欽 賀(1989－),男,江蘇徐州人,助理工程師,主要從事鹽類礦物加工工程研究,Email:594413865＠qq.com。