提高硝酸钾生产中产品结晶率研究

张 罡，汤可攀，董朝领，张 龙，冯晓雷，宋玲玲，王清华

(1.威海沁和实业有限公司，山东 威海 264400；2.岳阳市钾盐科学研究所，湖南 岳阳 414000)

提高硝酸钾生产中产品结晶率研究

张 罡1，2，汤可攀2，董朝领1，张 龙1，冯晓雷1，宋玲玲1，王清华1

(1.威海沁和实业有限公司，山东 威海 264400；2.岳阳市钾盐科学研究所，湖南 岳阳 414000)

针对复分解法生产硝酸钾存在硝酸钾结晶率较低、成本高的缺点，本文选择了合适的盐析剂L，将盐析结晶技术应用于硝酸钾中试生产，确定了盐析结晶技术制取硝酸钾工艺流程及工艺条件。中试表明，采用盐析结晶技术可以使硝酸钾结晶率提高到78%，提高产量26%，降低蒸汽能耗25%。

硝酸钾 ;复分解法 ; 盐析结晶

硝酸铵与氯化钾复分解循环法生产硝酸钾与氯化铵工艺中，一个重要技术指标就是硝酸钾结晶率，硝酸钾结晶率是指溶液结晶析出硝酸钾过程中，结晶析出硝酸钾晶体中钾离子占原溶液中钾离子百分数。显然，硝酸钾结晶率越高，则硝酸钾产量越大，相应生产操作成本越小。国内现有企业采用复分解法生产硝酸钾，硝酸钾结晶率一般约48%，由于硝酸钾结晶率低，一部分硝酸钾未结晶析出，造成生产中工艺母液循环量大、能耗高、生产成本高[1-2]。因此，提高硝酸钾结晶率是降低生产成本的关健，为此我们研究采用盐析结晶技术，实现了提高硝酸钾结晶率。

1 盐析结晶原理与盐析剂选择

盐析结晶是指在盐溶液体系中，加入某种电解质盐析剂, 这种加入的盐析剂，其离子的水合作用比原溶液中其它盐较强, 它使溶液中自由水分子数减小, 从而提高溶液中欲结晶物质在溶液中的有效浓度，使欲结晶物质在溶液中结晶析出, 这就是盐析结晶[3-4]。

研究表明，水对阴、阳离子都有较强溶剂化作用，但对阳离子比阴离子有更大的溶剂化作用。因此盐析剂作用主要表现在盐析剂阳离子溶剂化作用上[4-5]。盐析剂与水结合愈强烈，盐析效应愈强。由于水合数与离子的大小有关，即离子愈小，水合数就愈大，盐析效应也愈强。盐析剂所含阳离子半径愈小，电荷愈多，则对被盐析离子的水化层影响愈大，使被盐析离子脱水愈易，其盐析效应愈强。所以化工生产中常用的盐析剂多是离子势较大的阳离子Li+、Al3+、Fe3+、Mg2+、Sn2+等形成的盐[6-7]。我们选择了这些阳离子所形成的氯化物和硝酸盐, 并通过探索性实验, 确定选用一种较合适的L盐析剂。

2 实验与结果

2.1 工艺流程

根椐复分解法生产硝酸钾工艺流程[8]，我们在实验室进行了盐析结晶技术制取硝酸钾与氯化铵实验，确定了盐析结晶技术制取硝酸钾工艺流程如图1所示。

其工艺过程是：将硝酸铵与氯化钾及盐析剂L溶于返回的母液Ⅱ加入适量水(实验开始时，预先配制母液Ⅱ，母液Ⅱ含有盐析剂)，加入适量氯化钾与补充损耗的盐析剂，加热至沸腾，并搅拌溶解配成硝酸钾结晶溶液，然后将溶液冷却到一定温度，结晶析出硝酸钾晶体，过滤分离得母液Ⅰ与硝酸钾。再将母液Ⅰ加入硝酸铵溶解配成氯化铵结晶溶液，蒸发浓缩到一定浓度后，将溶液冷却到一定温度，结晶析出氯化铵晶体，过滤分离得母液Ⅱ与氯化铵，母液Ⅱ返回循环使用[9]。

2.2 盐析剂对硝酸钾结晶率影响

控制硝酸钾结晶溶液中钾离子物质的量数与氯离子物质的量数相等，浓度为50%，冷却结晶终点温度为30℃，改变盐析剂L在溶液中含量。L量对硝酸钾结晶率影响结果如表1所示。

表1 盐析剂L量对硝酸钾结晶率影响结果

实验表明, 盐析剂L对硝酸钾盐析效应较强, 随着盐析剂L量增加, 其盐析效应增强, 硝酸钾结晶率增大。控制盐析剂量L为硝酸钾量(物质的量数)40%较合适，其结晶率达80.1%，产品质量较好。

2.3 结晶终点温度对硝酸钾结晶率影响

控制硝酸钾结晶溶液中钾离子物质的量数与氯离子物质的量数相等，水含量为50%，盐析剂L量为硝酸钾量(物质的量数)40%，不同结晶终点温度条件下硝酸钾结晶率影响结果如表2所示。

表2 结晶终点温度对硝酸钾结晶率影响结果

实验表明, 结晶终点温度越低，硝酸钾结晶率增加，但产品质量下降，从表中可知，硝酸钾结晶终点温度控制在20～30℃较佳。

2.4 浓度对硝酸钾结晶率影响

控制硝酸钾结晶溶液中钾离子物质的量数与氯离子物质的量数相等，盐析剂L量为硝酸钾量(物质的量数)40%，结晶终点温度控制在25℃，不同溶液浓度(以溶质总百分含量计)条件下硝酸钾结晶率影响结果如表3所示。

表3 浓度对硝酸钾结晶率影响结果

实验表明, 溶液浓度高于50%时，硝酸钾结晶率减小；溶液浓度低于50%时，硝酸钾结晶率也减小。溶液浓度控制在50%～55%较合适。

2.5 蒸发浓度对氯化铵结晶率影响

氯化铵结晶率是指溶液冷却结晶析出氯化铵过程中，结晶析出氯化铵晶体中氯离子占原溶液中氯离子百分数。显然要维持工艺平衡，须控制氯化铵结晶率与硝酸钾结晶率相等。

控制氯化铵结晶溶液中铵离子物质的量数与氯离子物质的量数相等，氯化铵结晶终点温度控制在55℃，不同蒸发浓度条件下氯化铵结晶率影响结果如表4所示。

表4 蒸发浓度对氯化铵结晶率影响结果

实验表明, 溶液蒸发浓度越高，氯化铵结晶率增大，但产品质量越差。控制溶液蒸发浓度70%较合适。

2.6 结晶终点温度对氯化铵结晶率影响

控制氯化铵结晶溶液中铵离子物质的量数与氯离子物质的量数相等，蒸发浓度控制在70%，不同氯化铵结晶终点温度条件下氯化铵结晶率影响结果如表5所示。

表5 结晶终点温度对氯化铵结晶率影响结果

实验表明, 结晶终点温度降低，氯化铵结晶率增大幅度较小，但产品质量越差。控制溶结晶终点温度55～65℃较合适。

2．7 中试应用

根椐实验室确定的工艺条件，我们进行了日产2吨硝酸钾中试应用试验，并将有无盐剂加入进行了比较，其结果详见表6。

表6 硝酸钾中试应用试验结果

3 结论

理论与实验表明，在Li+、Al3+、Fe3+、Mg2+、Sn2+等阳离子形成的盐中, 选择盐析剂L，采用盐析结晶技术制取硝酸钾与氯化铵工艺是可行的。

盐析结晶技术应用于硝酸铵与氯化钾复分解循环法生产硝酸钾与氯化铵工艺中，可以大幅度提高硝酸钾结晶率，使硝酸钾结晶率由原来48%提高78%，而且盐析剂始终保持在母液中循环反应与使用，由于采用盐析结晶技术，在不改变工艺流程与设备条件下，可使装置提高产量26%，降低蒸汽能耗25%，从而大幅度降低生产成本。

[1] 张 罡， 何斌鸿，沈晃宏.盐析结晶法制取硝酸钾研究.无机盐工业2006(12)：21-22.

[2] 张 罡,沈晃宏.硝酸钾生产新工艺[J].河南化工1995(4)：10-12.

[3] 房春晖.电解质水溶液的结构[J].盐湖研究,1995(2),59-73.

[4] 周 健,陆小华,王延儒,等.离子水化的分子动力学模拟[J].化工学报,2000(2),143-149.

[5] 潘晓梅，肖国民，杨志才，盐效分离过程中选择盐的方法[J]. 高 校 化 学 工 程 学 报 ，2004(6)：778-780.

[6] 陈富珍,陈正炎.从盐湖卤水中萃取锂的盐析效应研究[J].稀有金属,1997, 21(6)：411-414.

[7] 任洪东,崔现宝,杨志才.盐效分离作用理论预测[J].化学工程2004,32(2):6-9.

[8] 沈晃宏,张 罡,张一甫，等.年产20千吨硝酸钾生产装置概况[J].化工进展2002(7)：506-508.

[9] 张 罡，沈晃宏，张一甫.复分解三步循环法生产硝酸钾[J].现代化工，2002(1):41-42.

(本文文献格式：张 罡，汤可攀，董朝领，等.提高硝酸钾生产中产品结晶率研究[J].山东化工，2017，46(06)：38-39，42.)

2017-02-14

张 罡(1965—)，湖南湘阴人，大学本科，教授级高级工程师，主要从事化学工程技术研究开发与设计，湖南省新世纪121人才，中国化工学会无机酸碱盐专业委员会专家组成员，中国化肥专业委员会第十届委员，已发表论文92篇，获得中国发明专利14项，主持与参与国家、省、市科研项目9项。

TQ441.22

A

1008-021X(2017)06-0038-02