蒸馏法生产硝酸钾工艺研究

王恒磊，王 欣，陈学惠，王 超，李秋霞

(1.山东化工职业学院，山东 潍坊 261108；2.山东省海洋化工科学研究院，山东 潍坊 262737)

硝酸钾作为一种重要的无机化工产品，不仅广泛应用于军事和焰火等领域，并且它还是一种营养成分高达60%的优质化学肥料，全部都是小溶性养分，钾离子和硝酸根离子可很快被农作物吸收，是化学性质的钾氮复合肥，完全由有效物组成，施用之后无残留[1]。它是忌氯作物如烟草、咖啡、番茄、葡萄、柑桔、园艺、花卉、马铃薯、鳄梨、茶叶等的优质肥料，可明提高经济作物的产量和品质[2]。

但是在我国，硝酸钾生产面临钾资源缺乏、工艺路线不合理、现有企业生产规模较小等问题，造成生产成本偏高，硝酸钾的潜在市场虽然很大，由于受生产成本，大规模生产工艺技术不成熟等因素的制约发展缓慢，因此，开发硝酸钾生产新技术、新工艺是我国迫切需解决的问题[3-4]，利用氯化钾和硝酸通过蒸馏法生产硝酸钾是非常值得开发的且具有工业化前景的方法。

1 实验部分

1.1 实验原理及流程

氯化钾和硝酸溶液在温度较低时按下式反应：KCl+HNO3KNO3+HCl (1)，若反应温度过高，则有副反应发生：HNO3+3HClNOCl+Cl2+2H2O(2)，既消耗了原料，又产生了污染[5]。反应(1)被认为是可逆反应，为使反应向右迸行，需降低体系生成物—盐酸的浓度。实验拟采取减压蒸馏方法将盐酸移出体系，为减少副反应发生，需要对真空度及反应温度进行控制，工艺流程如图1。

图1 蒸馏法制备硝酸钾工艺流程图Fig.1 The process flow diagram of preparation of potassium nitrate by distillation method

1.2 实验仪器与试剂

仪器：BSA2202S电子天平、HH-WO(5 L)多功能油浴锅、WB2000-M型顶置式搅拌器、DLSB-5/20L型低温冷却液循环泵、101-1A 型电热鼓风干燥箱、883全自动离子色谱仪。

试剂：浓硝酸(工业级)，山东鲁西化工有限公司；氯化钾(工业级)，潍坊昌乐昌汇；硝酸银(AR)，天津市华东试剂厂；四苯硼酸钠(AR)，上海灵锦精细化工有限公司；无水乙醇(AR)，莱阳经济技术开发区精细化工厂；氢氧化钠(工业级)，淄博永嘉化工有限公司；甲基红指示剂(AR)、酚酞指示剂(AR)，天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.3 实验方法

实验主要分为三步进行：将氯化钾、浓硝酸、过滤母液(首次反应用去离子水)按一定配比加入四口烧瓶，溶解；对溶解后的体系进行减压蒸馏，得到含有HCl的硝酸钾浓缩液；将减压蒸馏后的体系进行低温结晶，经水洗、烘干，即可得到硝酸钾产品。

2 实验结果与讨论

(1)不同配比对反应的影响

当蒸馏压力为-0.04 MPa，控制蒸馏速度相同的条件下，探索不同配比(氯化钾与硝酸摩尔比)对体系分离的影响，结果见图2。

图2 不同配比对体系分离的影响Fig.2 The influence of different ratio for separation system

由图2可以看出，随着蒸馏馏分质量的增加，馏分中氯离子与硝酸根的含量均呈上升趋势；当馏分质量大于100 g时，馏分中氯离子含量随硝酸投入量的增加而升高，这是因为随着蒸馏过程进行，体系中氯离子浓度逐渐降低，分离难度越来越大，而适量增加硝酸投入量，会因硝酸夹带有利于盐酸分离。

(2)不同真空度对反应的影响

实验选取原料配比n(KCl、HNO3)=1 ∶1.4，蒸馏速率控制相同的条件下，不同真空度对反应影响如图3所示。

图3 不同真空度对体系分离的影响Fig.3 The influence of different vacuum degree for separation system

由图3可以看出：真空度过低或者过高都不利于氯离子分离，在真空度-0.04 MPa时氯离子分离效果最好。这是因为在硝酸过量条件下，增大真空度，过量的硝酸和水优先分离，抑制了盐酸分离出体系；真空度降低，减压蒸馏需要的温度越高，从而导致副反应加剧。

(3)不同蒸发量对产量影响

图4是不同投料配比体系在同一真空度条件下得到不同馏分时的关系曲线，蒸馏过程中控制蒸馏速度相同。

由图4可以看出：随着馏分质量的增加，产品结晶量逐渐增加；在相同馏分质量下，结晶量随着硝酸配比增加而增大。这是因为随着蒸馏进行，盐酸逐渐分离出体系，促使反应向正向进行；硝酸过量越多，结晶体系残留硝酸越多，越有利于反应正向进行，但由于KCl投入量固定，增加硝酸投入量不会明显增加硝酸钾产量，反而造成浪费，不经济。

图4 不同蒸发量对产量影响Fig.4 The influence of different evaporation for yield

(4)不同温度对产量影响(图5)

图5 不同温度对产量影响Fig.5 The influence of different temperature for yield

由图5可以看出，随着温度降低，结晶量增加，有利于结晶，当温度达到0 ℃时，继续降低温度，固体析出量趋于平缓，综合考虑成本可选择结晶温度0 ℃即可。

3 小结

综上可以得出，对于结晶体系，硝酸过量越多越有利于结晶；对于分离体系，蒸馏越彻底越有利于盐酸分离，因此，结合盐酸分离、硝酸损失和产品结晶量并结合生产成本考量，选取n(KCl、HNO3)=1 ∶1.4，蒸馏压力为-0.04 MPa，馏分质量为总体系的35%，结晶温度为0 ℃作为生产条件，在此条件下得到的产品符合GBT 20784-2013。