陈晓玲

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001）

硫酸钾肥是极其重要的一种无氯优质钾肥，随着我国硫酸钾行业的生产技术不断完善，新的工艺方法也在不断发展和优化。张文辉等[1]提出，陈联梅等[3]改进硫酸铵-氯化钾热复分解法，生产工艺流程采用Aspen Plus来模拟设计及优化，实现年产30 万吨硫酸钾的设计目的。

1 硫酸钾合成的原理

本设计是年产30 万吨硫酸钾的生产工艺设计，采用热复分解法，利用硫酸铵和氯化钾的固体在高温下发生热复分解反应制得硫酸钾，

主反应化学方程式如下：

硫酸铵的分解温度在280℃以上，因为该反应温度控制在340℃以上，所以在制硫酸钾过程中，硫酸铵并未完全参与反应，而是部分发生了分解反应：

主反应副产物氯化铵和副反应产物氨气、二氧化硫的吸收处理增加了工艺生产成本。

2 Aspen Plus流程模拟设计

2.1 硫酸钾工艺流程简介

利用热复分解法生产硫酸钾的工艺流程可分为原料混合、反应器反应、硫酸钾分离。选用基于已知转化率或反应进度的化学计量反应器（Rstoic）和根据指定的流量或分离分率分离组分的组分分离器（Sep）来模拟硫酸钾的生成与分离。Aspen 流程模拟图如图1。

图1 硫酸钾工艺流程模拟图

2.2 运行模拟结果

模拟结果见表1。

表1 物料平衡

从以上模拟结果图中可以发现：该反应在模拟中符合质量守恒，硫酸钾产品的摩尔流量为231.926 kmol/h。在设定硫酸钾摩尔流量239.14 kmol/h，分离效率为97%的情况下，可以完成年产30 万吨硫酸钾的生产工作。

3 灵敏度分析

使用Aspen Plus 软件来模拟这个过程，这与我们的实际实验不同。由于本反应中的转化率由我们定义，本反应中温度对硫酸钾的收率没有影响，因此我们不进行温度敏感性分析，而硫酸铵的投加量是不确定的。因此，我们对硫酸铵的含量进行了灵敏性分析。硫酸铵的变化范围为239.140～299.094 kmol/h。以产品中硫酸钾的摩尔分数为采集变量，以进料中硫酸铵的含量为操作变量，灵敏度分析运行结果见图2。

图2 灵敏度分析图

当硫酸铵的摩尔流量为263.122 kmol/h 时，硫酸钾产品的摩尔分率达到最高，为0.283 192，硫酸钾产品纯度最高。

4 工艺优化

经Aspen Plus 工艺优化，由收敛结果可知，当反应器的操作温度为370℃时，硫酸钾的产量达到最高。

综上所述，我们可以总结出热复分解法生产硫酸钾的最佳工艺条件，如表2所示。

表2 硫酸钾最佳工艺条件

5 结论

本课题基于Aspen Plus工艺流程模拟软件，针对热复分解法生产硫酸钾工艺开展深入研究，对硫酸钾工艺流程进行模拟及优化，最后根据研究结果得出了年产30万吨硫酸钾工艺技术的最佳反应条件。

（1）通过综合考查氯化钾的用量、硫酸铵的用量、反应时间和相同的反应温度等因素对于产品质量和转化率的直接影响，在此基础上进一步开展了硫酸钾工艺参数的优化，获得最佳的反应条件：氯化钾摩尔流量平均值为478.28 kmol/h，硫酸铵摩尔流量平均值为291.92 kmol/h，反应温度平均值为370℃，反应时间为60 min。

（2）以Aspen 模拟软件为基础和工具，建立了硫酸钾的合成和分离过程，并对其中的工艺进行了模拟和计算，完成了工艺流程中的物料衡算和能量衡算。