钦 贺,杨雯雯

(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司, 新疆哈密市 839000)

芒硝法生产硫酸钾分析计算

钦 贺,杨雯雯

(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司, 新疆哈密市 839000)

通过相图分析确定以芒硝及氯化钾为原料,采用芒硝法制取硫酸钾,并详细介绍了3种基本工艺流程及条件,包括一步法制取硫酸钾,二步法制取硫酸钾不回收母液,二步法制取硫酸钾回收母液。利用Na＋、K＋//Cl－、SO42－－H2O四元体系25℃相图,定量计算制取硫酸钾、钾芒硝过程,以及用水分解钾芒硝析出硫酸钾的过程。

芒硝;氯化钾;相图分析;硫酸钾;钾芒硝

芒硝法生产硫酸钾工艺是以芒硝和氯化钾为原料,经过复分解反应制取硫酸钾。该方法的理论基础是Na＋、K＋//Cl－、SO42－－H2O四元体系25℃相图(见图1)。用氯化钾和芒硝制取硫酸钾的工艺流程有:一步法制取硫酸钾;二步法制取硫酸钾不回收母液;回收母液,冷冻回收芒硝法等。回收母液,冷冻回收芒硝法法生产硫酸钾是利用两段转化、一次蒸发来完成硫酸钾及副产品工业盐的生产,其主要原料是芒硝、氯化钾、水,整个系统封闭循环。进入系统的水主要有二转化加入的工艺水、原料芒硝带入的结晶水;流出系统的水主要是蒸馏水。只有二者达到平衡整个系统才能稳定运行。笔者研究该工艺时将芒硝中的结晶水归类为外加水,方便流程计算和指导生产。通过3种不同工艺流程理论分析,明确最佳反应路线及物料间的配比计算,进一步巩固分析相图的理论基础,为实际生产提供技术支撑。

1 相图理论分析

相图分析表明,为了最大限度制取产品,应使系统控制在对产品之外的其他固相刚饱和而未析出时为最佳,为了提高产品的回收率,相图中代表产品产量的杠杆臂长度与液相量的比值应尽可能大。析出产品后的母液中,含产品盐元素离子越少越好,或者是含另一种产品盐越多越好,这就表明反应进行的更完全。故分析工艺路线时K2SO4损失于液相中的量越少,回收率越高。

一步法反应生产硫酸钾过程中,首先物料A(氯化钠)与B(芒硝)转化生成产品D(硫酸钾)和母液E,故DE线段与AB线段的交点可以保证产品D的产率最高,所以将物料A和物料B加水按照一定的比例配制O点进行转化,可以得到物料D和母液E。因为母液E点位于共饱点上,根据作图指数反算离子组分计算,母液F、V、K、H同理,得出的离子组分数据见表1。

图1 Na＋、K＋//Cl－、－H2O四元体系25℃、100℃相图

表1 母液点离子组分

二步法制取硫酸钾不回收母液,主要先通过生成中间产物钾芒硝,然后利用钾芒硝和氯化钾反应得到硫酸钾产品。在确定此方法时,理论依据是OE、O′E线段代表硫酸钾比例,从图1中可以看出O′E线段距离明显大于OE线段距离,故二步法必然大于一步法的硫酸钾产率。首先物料A和物料B按照一定的比例配制系统点T,转化生成物料C和母液F,其次将物料C和物料A混合配制O′点,转化生成产品D和母液E。

二步法制取硫酸钾回收母液,该方法是以二步法生产硫酸钾为依托,回收母液主要是可以充分回收钾资源,降低生产成本。根据上述内容可知,产生了母液E和母液F,分析相图可以得知在母液E中加入一定比例的物料B转化可以生成母液H、K、F。由于母液F位于该100℃相图体系的不饱和区域,所以处理母液F时可以将温度升高至100℃,转化析出氯化钠和母液V,此时母液V又位于该25℃相图体系的不饱和区域,将母液V进行25℃降温处理,可以得到中间产物C和母液H,将母液H和母液K混合至母液F处,这样可以使母液在系统内实现循环,故母液E和物料B混合产生母液K点最为合适。

2 结果与讨论

2.1 一步法制取硫酸钾

KCl＋Na2SO4＋H2O→K2SO4＋母液E,在相图上表示,其过程为A＋B→D＋E。假设100gKCl与xgNa2SO4及加入yg水生成mgK2SO4和ng母液E(E点),则可得到一步法物料平衡式(见表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。

由分析结果可知,一步法生产硫酸钾使用100g KCl时,需要38.53gNa2SO4在加入247.63g水转化可以得到39.33gK2SO4和346.83g母液E。

故一步法生产硫酸钾产率γ%＝39.33× 0.4487/100×0.5245＝33.65%

2.2 二步法制取硫酸钾不回收母液

二步法制取硫酸钾通过钾芒硝为中间产物,然后以钾芒硝和氯化钾为原料生产硫酸钾,反应基本原理为:

假设100gKCl与xgNa2SO4及加入yg水生成mgNa2SO4·3K2SO4和ng母液F,则可得到二步法物料平衡式(见表3)。

表3 二步法制取钾芒硝物料平衡式

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

由分析结果可知,生产中间产物钾芒硝使用100gKCl时,需要105.93gNa2SO4再加入199.23 g水转化可以得到110.18gNa2SO4·3K2SO4和294.98g母液F。

故生产钾芒硝产率γ%＝110.18×0.3529/100 ×0.5245＝74.13%

根据得到的钾芒硝,计算加入xgKCl和yg水生成mgK2SO4和ng母液E,可得到平衡方程式(见表4)。

表4 二步法得到硫酸钾物料平衡式

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

由分析结果可知110.18gNa2SO4·3K2SO4,需要再加入70.33gKCl和175.97gH2O转化得到112.55gK2SO4和243.93g母液E。

综合两个歩骤可以得出硫酸钾产率γ%＝112.55×0.4487/170.33×0.5245＝56.53%

2.3 二步法制取硫酸钾回收母液

当回收母液E时,加入一定量的物料B时,导致溶液不饱和,此时需要先失去部分水才可以生成钾芒硝。故反应原理为母液E＋Na2SO4→Na2SO4·3K2SO4＋母液K＋H2O↑。

根据2.2节中得到的母液E量,计算加入xgNa2SO4生成ygNa2SO4·3K2SO4和mg母液K,蒸发水量为ng可得到平衡方程式(见表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时,母液F点在25℃的共饱点上,但100℃时该溶液变为氯化钠相区的不饱和溶液,经过蒸发析盐,得到母液V和氯化钠。

反应基本原理为:母液F(100℃)→NaCl＋母液V＋H2O↑,母液F升温物料平衡见表6。

表6 母液F升温物料平衡

解方程得到x＝20.44g,y＝209.72g,m＝64.81g。

产生的母液V由100℃的共饱点变为25℃钾芒硝相区饱和溶液,加入定量的水转化可以得到钾芒硝和母液H。

反应基本原理为:母液V(25℃)＋H2O→Na2SO4·3K2SO4＋母液H,母液V降温物料平衡见表7。

表7 母液V降温物料平衡

解方程得到x＝8.05g,y＝6.41g,m＝211.36g。

此时通过相图配比分析母液点H/母液点K＝0.91/1可以配至母液点F,产生母液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与母液H混合至母液F,这样可以将母液一直循环在系统内,钾资源得到充分回收利用。按照此工艺点的控制几乎可以回收所有的母液。并得到钾芒硝56.75g和20.44g附加产品氯化钠。

综合以上歩骤可以得出硫酸钾钾产率:

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

3 结 论

(1)根据以上理论计算分析、工艺流程的选取并结合现场经验,绘制了二步法回收母液制取硫酸钾数字工艺流程(见图2)。

(2)芒硝法生产硫酸钾,造成系统水不平衡的因素较多,有其先天性,也受转化温度、配料点的选择、蒸发终点的控制、原料结晶水、工艺水等影响,在生产实践中,控制加水量是十分关键,它直接影响钾离子的回收率。

(3)文中所采用的原料A和原料B是纯物质,实际生产中是含有杂质。故在设计工艺流程时,要加入氯化钾和芒硝的提纯过程。然后依据提纯后原料的组成进行相图分析,方法和文中计算分析方法一致。

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2017-05-03)

钦 贺(1989－),男,江苏徐州人,助理工程师,主要从事盐类矿物加工工程研究,Email:594413865＠qq.com。