钾芒硝法制硫酸钾工艺及耗能研究

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1、第1 7卷第2期19 95年6月南昌大学 学报(工科版)Jor n ;u11ofNa 一 飞ehallgU一iv, 、ity(匕,一91:z。 。11: 193 7 %来自已经是成品的 氯 化 钾的转 化,主要 是 和 硫酸反应;其余1 3%来自盐湖卤水和 其它资源.由氯化钾和硫酸生 产硫酸钾,目前世界上仍以传统方法曼海姆炉 工艺.这种工艺与钾芒 硝法比较,投资大,反 应温度 高(45 0),腐 蚀性 严 重;高温下,用浓硫酸操 作,国 内无法 解决设备的材质问题,另外还存在着副 产品的回收问题.至今,在经济性和生 态学方而均 占有 优势 的是以芒硝 为原料,将 氯 化钾 转 比成硫酸钾的方法

2、,该法 投资小,反应条件温和,腐蚀性 小,无 废气、废 渣、污水 排放.且副 产p L J 可回收用 作工业盐.此外,芒硝是某些工业的废料,是一种廉价的原料.口前,以芒硝为原料生 产硫酸钾的生产装置很 少,在e Bl orus si a的o Si lgo rsk有一套工 业生 产装置,其 缺 点是副产品氯代钠作为 污水排放.另一家Me ss o一Ch emie tc ch l li k公司开发了连续结品法的中试新工艺,但尚未工业化生产,且过程较复杂,有冷冻系统,能耗较高.国 内,曾有 工艺途 径探讨的论文泛2,也有 进行中试 开发的报道.本试验的目的在于寻求一种比较简单的工艺途 径制取硫酸 钾

3、.收稿日期:一9 95一03一27南昌大学学报(工科版)1 995年用钾芒硝法制硫酸钾的理 论 依据是K一、Na一/ /l C一、50;2一H20的四元体系相 图.依据 无机盐类的溶 解度数 据3,绘 制 了该四元 水盐体系在 2 5 C、10 0C下的 干 盐 图;并 在分 析 相图 的基础 上,拟定 了制取硫酸钾 的工艺途 径,且在实验室的条件下,试验 证 实了途径的可行性,获取了有关的工艺参数,制取 了符合国标的硫酸钾,并进行 了耗能测 定.1试验原理在溶液 状 态下 用 芒 硝 转化氯 化 钾受水 盐体系 相 平衡 制约.可 能 参 与和形 成 的 盐 类 有:K C I、NaCI、K

4、ZSO、NaZSO;、NaZSO;zoIJZO和水溶液状 态的复盐钾 芒硝(3KZSO;NaZSO;).图1表示在不 同温度 下的K C卜NaZSO;一KZSO;一NaC卜HZO系统 的干盐 图.在任何温度下,确定硫酸钾和氯化钠浓度的这两 个区域不 可能相互连接,自然也就不 可能用 一步工艺过程把氯化 钾和硫酸 钠转化成 硫酸钾和氯化 钠.即 不能直接山下述方程式得到硫酸 钾.ZK C I+NaZSO;一KZSO;+ZNaC I如果先生成中问产品复盐钾芒硝(3KZSO;NaZSO;),然 后分解钾芒硝得 硫酸 钾,同时 得到氯化钠的饱 和溶液,此 为二步 法.6KC I+4Na:50;一3KZ

5、SO;NaZSO;+6NaC IZK C I+3KZSO;NaZSO4一4KZSO;+ZNaC INa:以)-K:S ().Na:S()-K,以.Na:沃).Kt汉)-s o冰111,O呢之。, Na:S)二10H:O.,K:50K:50Na:5 0.尾 消O的目之;O的“吕门O“工。,05Z.05Z翼。NaC I二Na:5 0-ZNaC】ZK CINaC IZNaCIK CI-25ZK C】NaC】ZNaC】ZK CI10 0图1。一 C、2 5一 C和10 0C时Na 一厂K一/l C一/50; 四元体系干盐图图2为2 5时Na一/K一/ l CS /O;一四元体系干 盐 图,描述 了二

6、步法生 产硫酸 钾 的工艺途径.该途径具有如下特 点:l )转化反应在 2 5下 进行,常压,腐 蚀性小;2 )蒸发在1 00下进行,且耗 能低;3 )流程较简单,循环量小;4 )无 废料、废气,无 污水排放.所采用的工艺途径叙述如下(参见图夕):l )制钾芒硝在2 5,将氯化钾、芒硝与水按一定的比例已成物 系“1”.因约 系点“l”落在钾芒硝结晶区内.反应后,将析 出钾芒钾Q与溶液“2”.其 反应式 为:K CI一NaZSO;+HZO一3KZSO;Na:50;+幸齐液2(l)第2期刘晓兀等:钾 芒硝法制硫酸钾工艺及耗能研究2)制硫酸钾将析 出的 钾芒硝Q与极化钾混合,配入适量水,使物系 点为

7、“6”.物 系点“6”位于硫酸钾的结品区.反应后结 品析 出硫 酸钾.万日导到浴液“E”.其反应式为:3KZS O;NaZSO;+K C I+r l:O一KZSO;+溶液E(2)3 )溶液“E”的处理将 溶液E与芒硝混合.调节水 员,配 成物 系“5”.物 系“5”位于钾芒硝结晶 区内,反应后析 出钾芒 硝,得到溶液“4”.其 反应式为NaZSO;+溶液E一3KZSO;NoZSO;+溶液4(3)4 )制 氯化纳加热 溶液“2”约至10 0C,山于溶液“2”位于10 0C氯化 钠结品区内,故可 析出氯化 钠,得溶 液“G”,将 溶液“G”,加入适 量水,冷却至2 5,将析 出钾芒硝 结品,得溶液

8、“3”5 )循环将溶液“3”与溶液“4”相 混合,调节水量 配成溶液“2”.新的循环开始.在新 的循环中,应 将所有 制得的钾芒 硝全部用于制硫酸钾.N:a( S)QK:以.02 0 1 0 3 04 050 mol%60n, 月工 口 JJ I . . . . . . . ,.八U L尸目J,nLI,“,八 11. .|1. .-n曰J口rn J 工J口Fn!|该月口.尸-l扣l,沙理 月刀;、J”O尸啥J乙IJ了r、 O议, aJ月产了.创一门卜比夕内夕. 廿Lr.卜玉 尹 J 尹J产、1009080 10 0峨一甲- 一r90犷奄卜、。李、ZNa+7060r e e , e s e s

9、e s ,3K:50;lO的r.Z,O的召之以。一mol肠7 08 09 0. .1/,、521 11 11. . r- 1一丫霍 穿子代 萝)/“若一泛 户r笼旦、7 06 05 03 0 4 02 01 0001020ZNaC I3040石0ZK+60mo】%戈C I丁7080_3.10 09010 0ZK C I图ZK一,NaC I.SO.一HZO 四元体系相图实线2 5、 C.虚线1。C2实验2.1原料硫酸钠:化学 纯和工业品(含NaZSOJ李9 5%)氯化钾:化学纯和工 业 品(含KC I)92写)么 2仪器及设 备恒温水浴;过滤器;恒温干 燥箱;真空泵;带搅拌装置 的反应器:IL,

10、ZL;结品器:1 L. 23实验方法 将计算量的氯 化钾、硫 酸钠、水等 物料加入反应片中.反应器置于恒温户浴,用 定温计控制反应 温度.开动搅拌器,使物 料均匀混合.反应 一 定l讨问后,立即分 离固、液 相 然后分 别(液、第2期刘晓兀等:钾 芒硝法制硫酸钾工艺及耗能研究2)制硫酸钾将析 出的 钾芒硝Q与极化钾混合,配入适量水,使物系 点为“6”.物 系点“6”位于硫酸钾的结品区.反应后结 品析 出硫 酸钾.万日导到浴液“E”.其反应式为:3KZS O;NaZSO;+K C I+r l:O一KZSO;+溶液E(2)3 )溶液“E”的处理将 溶液E与芒硝混合.调节水 员,配 成物 系“5”.

11、物 系“5”位于钾芒硝结晶 区内,反应后析 出钾芒 硝,得到溶液“4”.其 反应式为NaZSO;+溶液E一3KZSO;NoZSO;+溶液4(3)4 )制 氯化纳加热 溶液“2”约至10 0C,山于溶液“2”位于10 0C氯化 钠结品区内,故可 析出氯化 钠,得溶 液“G”,将 溶液“G”,加入适 量水,冷却至2 5,将析 出钾芒硝 结品,得溶液“3”5 )循环将溶液“3”与溶液“4”相 混合,调节水量 配成溶液“2”.新的循环开始.在新 的循环中,应 将所有 制得的钾芒 硝全部用于制硫酸钾.N:a( S)QK:以.02 0 1 0 3 04 050 mol%60n, 月工 口 JJ I . .

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14、制硫酸钾工艺及耗能 研究2 .6制备条件261温 度反应 器l,2,3:(25士0.5) 蒸发器:(10 0士5 )结晶器:(2 5士0.5)干燥 器:(1 20士5)2.6.2反 应时间反应(1)、反 应(3)的反 应时问均为lh.反应( 2)的反应时间为0.s. h2.6.3几个重 要的物 系 点的溶液组成(摩尔 百分数)榕液2ZNa十76.80;ZK一23.2050;2一1 1.02;ZC I一88.98溶液EZNa十32.15;ZK一67.8450;卜 5.65;ZCI一94.35溶液G,ZNa”6 7.82;ZK一3 2.1 85 0一卜 15.22;ZCI一84.783结果及讨论由

15、上述工艺途径和流程可见,制取硫酸钾的过 程主要包括三个化学反应过 程.制取氯化钠是一个物理蒸发过程.3.1加水t对反应(l )的影响加水量影响 这个反应的钾芒硝结晶量及分离后的固、液 成分.由表1可见,随加水量增加,固相结晶量减少,K十和50;2一的转化率降低,但是纯度增加.对应的液相浓度则愈远离相图中的溶液点“2”.表1加水量对反应l ()的影响(2 5C,反应lh )加水量理论值U。%理论值12。%理论值1 3。%理论值结晶量n3%理论产量107另理论产量10 3 肠理 论产量1。%理论产量27。8 648.0229.6350.860。221 40 3 6 89 30 10 22 8 妇L

16、6 7? 8 9 22 36 852!8只甘,.月内OROJK十含量(重量 写)以);卜(重量%)CI一(重量%)K一转化率(mol沁)别.一转化率( mol%)按K中计的产率(%)钾芒硝溶 液成分( mol%)ZK小S().卜23.541 1.5 224.6312.9828.8 550.58O。4667。0786.5089.8925.1015.3465.2884.4888.7 92 7。4117。10钾芒硝组成(重量 %):K一55.33,5 0.一57.87.Na,6.93理论上K十转 化率为:73.52%;理论上O S;转化率88.9 8写(mol%)南昌大学 学报(工 科版)9 915年3.2加水 量对反 应()2的影响表2的试验是 山反应()1所得的钾芒硝进 行第二步 反应.由表2可 知