鄭建國(guó)，付強(qiáng)強(qiáng)，高璐陽(yáng)，陳宏坤

（1.金正大諾泰爾化學(xué)有限公司，貴州 甕安 550400；2.養(yǎng)分資源高效開(kāi)發(fā)與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；山東 臨沂276700；3.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂 276700）

水溶磷酸一銨，主要用作肥料，紙張、織物的防火劑［1］，也應(yīng)用在制藥和反芻動(dòng)物飼料中。在防火劑領(lǐng)域，水溶磷酸一銨主要應(yīng)用于生產(chǎn)ABC 干粉滅火劑，ABC干粉滅火劑是干粉滅火器的主要材料，2010—2015年，干粉滅火器產(chǎn)量維持每年10%的增長(zhǎng)幅度。

水溶磷酸一銨的市場(chǎng)認(rèn)可度不僅局限在產(chǎn)品含量合格，而且在很大程度上受堆密度影響，堆密度小的產(chǎn)品在滅火器中的填充量小，直接影響滅火器效能［2］。貴州金正大諾泰爾化學(xué)有限公司（以下簡(jiǎn)稱公司）及時(shí)優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)，將水溶磷酸一銨的堆密度由0.66 ～0.70 g/mL 提高到0.785 g/mL，對(duì)提升該款產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為公司水溶磷酸一銨生產(chǎn)線。磷酸與氨中和得到磷酸一銨料漿（此步驟涉及中和度），料漿過(guò)濾后濾液送到干燥塔塔頂，在一定壓力下進(jìn)行噴霧干燥（此步驟涉及塔頂泵壓力），從熱風(fēng)爐出來(lái)的熱風(fēng)由塔底進(jìn)入干燥塔（此步驟涉及熱風(fēng)進(jìn)塔溫度），在塔底出料口得到干粉磷酸一銨。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

脫硫磷酸，w（P2O5）22.78%，產(chǎn)自公司磷酸車間；氨氣，來(lái)自公司氨站；酚酞試劑、溴甲酚綠均由標(biāo)準(zhǔn)試劑配制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 堆密度測(cè)定方法

堆密度分為松密度和振實(shí)密度，實(shí)驗(yàn)采用松密度。將水溶磷酸一銨用磨樣器粉磨10 s，取250 mL具塞量筒放在天平上，置零，在不施加外力情況下將100 g樣品填充到量筒中，讀取體積V［3］。

松密度的計(jì)算公式：ρ=100 g/V。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

影響水溶磷酸一銨堆密度的因素有很多，如磷酸的品質(zhì)、中和度、熱風(fēng)進(jìn)塔溫度、塔頂泵壓力、液體流速、料漿過(guò)濾后濾液品質(zhì)和干燥后產(chǎn)品水含量等。本實(shí)驗(yàn)選取中和度、熱風(fēng)進(jìn)塔溫度（以下統(tǒng)稱進(jìn)塔溫度）、塔頂泵壓力進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述已知的3個(gè)主要影響因素，選取合適的影響區(qū)間，利用Design-Expert 10.0.3 軟件中的Box-behnken 設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并用響應(yīng)面分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找到最合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)進(jìn)塔溫度設(shè)定為130 ℃，塔頂泵壓力設(shè)定為5.5 kPa 時(shí)，改變中和度（0.95、0.97、1.00、1.05、1.10），考察中和度對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 中和度對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響

由圖1可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度最初隨中和度的增加而增加，到中和度為1.00時(shí)堆密度最大，當(dāng)中和度繼續(xù)增大時(shí)，堆密度隨之減小，當(dāng)中和度＞1.05時(shí)，堆密度隨中和度的增大而增大，但是增大的幅度很小，因此中和度為1.00時(shí)，堆密度最大，選取0.97 ～1.05這個(gè)區(qū)間進(jìn)行響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)中和度設(shè)定為1.00，進(jìn)塔溫度設(shè)定為125 ℃時(shí)，改變塔頂泵壓力（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 kPa），考察塔頂泵壓力對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 塔頂泵壓力對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響

由圖2可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度隨塔頂泵壓力的增大而增大，當(dāng)塔頂泵壓力達(dá)到6.5 kPa 時(shí)堆密度最大，之后堆密度隨塔頂泵壓力的增大而減小，選取塔頂泵壓力為6.0 ～7.0 kPa 進(jìn)行響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)塔頂泵壓力設(shè)定為5.5 kPa，中和度設(shè)定為1.00 時(shí)，改變進(jìn)塔溫度（120、125、130、135、140 ℃），考察進(jìn)塔溫度對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 進(jìn)塔溫度對(duì)產(chǎn)品堆密度的影響

由圖3 可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度在120 ～125 ℃時(shí)隨進(jìn)塔溫度升高而增大，在125 ～135 ℃隨進(jìn)塔溫度的升高而減小，在135 ～140 ℃時(shí)隨溫度升高而增大，但溫度＞140 ℃時(shí)生產(chǎn)線的能耗太大，選取120～130 ℃進(jìn)行響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 單因素選取及分析方案

依照響應(yīng)面分析法中的Box-behnken 設(shè)計(jì)原則及單因素分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取單因素實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)條件作為中水平（0 水平），高水平與低水平可以選取中水平左右一個(gè)區(qū)間的點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素及水平

按照表1進(jìn)行響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以中和度、塔頂泵壓力、溫度為影響因素，以堆密度為響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

2.2.2 模型建立及分析

通過(guò)表2所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert軟件進(jìn)行多元方程回歸解析，得到各影響因素與響應(yīng)值堆密度Y之間的多元二次方程:

各影響因子與響應(yīng)值堆密度的顯著關(guān)系由F值來(lái)判定，其中P值（Prob＞F）越小說(shuō)明此變量的顯著性越高［3］，由方差分析表（見(jiàn)表3）可知，此模型的顯著水平為0.012 2，遠(yuǎn)小于0.05，說(shuō)明此模型是非常顯著的。由表3可知，各影響因素顯著水平依次為塔頂泵壓力＞中和度＞進(jìn)塔溫度。在各因素之間交互作用分析中，僅有AB的P值為0.044 1＜0.05，說(shuō)明只有中和度和塔頂泵壓力兩個(gè)因素的交互作用是顯著的。

表3 模型差值分析

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對(duì)得到的回歸線方程進(jìn)行繪圖分析，得到各影響因素之間的響應(yīng)面與等高線，可同時(shí)分析雙因素變化對(duì)結(jié)果的影響。根據(jù)曲線面的變化趨勢(shì)及等高線的中心匯集可以比較直觀的得到最佳參數(shù)點(diǎn)［4］。

當(dāng)進(jìn)塔溫度為125 ℃時(shí)，中和度與塔頂泵壓力之間的相互作用見(jiàn)圖4。從圖4可以看出堆密度隨中和度和塔頂泵壓力的增加而增加，最大值匯集于底部等高線閉合中心點(diǎn)，在中和度為1.01、塔頂泵壓力為7 kPa時(shí)，堆密度較高。

當(dāng)塔頂泵壓力為6.5 kPa 時(shí)，中和度與進(jìn)塔溫度之間的相互作用見(jiàn)圖5。從圖5 可以看出堆密度隨中和度與進(jìn)塔溫度的增大而先增大后減小，等高線閉合中心點(diǎn)中和度為1.01，進(jìn)塔溫度為125 ℃，此時(shí)堆密度較高。

圖4 中和度與塔頂泵壓力對(duì)堆密度影響的響應(yīng)面與等高線

當(dāng)中和度為1.01，塔頂泵壓力與進(jìn)塔溫度之間的相互作用見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，堆密度隨進(jìn)塔溫度的升高而先增大后減小，隨塔頂泵壓力的增大而增大，在等高線閉合中心點(diǎn)塔頂泵壓力為7 kPa，進(jìn)塔溫度為125 ℃時(shí)堆密度較高。

圖5 中和度與進(jìn)塔溫度對(duì)堆密度影響的響應(yīng)面與等高線

圖6 塔頂泵壓力與進(jìn)塔溫度對(duì)堆密度影響的響應(yīng)面與等高線

2.2.4 最佳工藝條件計(jì)算

利用Design-Expert 10.0.3 軟件的Box-behnken設(shè)計(jì)原則進(jìn)行模擬計(jì)算，響應(yīng)值堆密度選擇最大，最佳工藝條件為中和度1.005 65、塔頂泵壓力7 kPa、進(jìn)塔溫度125.727 ℃，在此條件下堆密度可達(dá)到0.806 g/mL。根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行車間參數(shù)調(diào)整并做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，得到的水溶磷酸一銨堆密度為0.785 g/mL，與模型推測(cè)值偏差2.6%，但比之前生產(chǎn)的水溶磷酸一銨堆密度顯著提高。

3 結(jié)論

利用Design-Expert 10.0.3軟件的響應(yīng)面分析法中的Box-behnken設(shè)計(jì)原則對(duì)水溶磷酸一銨生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝參數(shù)為中和度1.005 65、塔頂泵壓力7 kPa、進(jìn)塔溫度125.727 ℃，在此條件下堆密度可達(dá)到0.806 g/mL。車間實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值為0.785 g/mL，與模型推測(cè)值偏差2.6%，在可以接受的范圍內(nèi)，說(shuō)明響應(yīng)面分析法得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，可以應(yīng)用在類似工藝的優(yōu)化上。