復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀新工藝研究

王恒磊，姜媛媛，劉亭，陳曉輝，鐘世強(qiáng)

（山東天一化學(xué)股份有限公司，山東濰坊262737）

復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀新工藝研究

王恒磊，姜媛媛，劉亭，陳曉輝，鐘世強(qiáng)

（山東天一化學(xué)股份有限公司，山東濰坊262737）

介紹了以硝酸鎂與氯化鉀為原料，通過(guò)復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀的工藝原理、特點(diǎn)及流程。新工藝具有工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備操作費(fèi)用低、操作安全方便等優(yōu)點(diǎn)。在中試基礎(chǔ)上對(duì)原料消耗做了分析，結(jié)果表明，使用該工藝生產(chǎn)1 t硝酸鉀分別消耗氯化鉀0.80 t、菱苦土0.26 t、硝酸1.21 t、工藝水5 t、蒸汽2 t。

硝酸鉀；復(fù)分解；濕壁結(jié)晶器

硝酸鉀是一種含有60%營(yíng)養(yǎng)成分的優(yōu)質(zhì)復(fù)合肥料，所有元素均為水溶性養(yǎng)分，鉀離子和硝酸根可以快速被作物吸收，施用后無(wú)任何殘留［1］。硝酸鉀還是忌氯作物（如煙草、咖啡、番茄、葡萄、柑橘、花卉、馬鈴薯、鱷梨、茶葉等）的首選復(fù)合肥料，可明顯提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［2］。此外，硝酸鉀作為一種重要的無(wú)機(jī)化工原料，也廣泛應(yīng)用于軍事和火藥等領(lǐng)域。

中國(guó)硝酸鉀行業(yè)面臨鉀資源缺乏、工藝路線不合理、生產(chǎn)成本偏高等一系列問題，硝酸鉀的潛在市場(chǎng)雖然很大，但由于受生產(chǎn)成本、大規(guī)模生產(chǎn)工藝技術(shù)不成熟等因素的制約發(fā)展緩慢，因此，開發(fā)硝酸鉀生產(chǎn)新技術(shù)、新工藝是中國(guó)亟需解決的問題［3-7］。筆者采用氯化鉀和硝酸鎂通過(guò)復(fù)分解反應(yīng)，經(jīng)濕壁結(jié)晶器生產(chǎn)硝酸鉀可大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，是值得開發(fā)且具有工業(yè)化前景的方法。

1 工藝原理及特點(diǎn)

1.1 工藝原理

向有定量水的反應(yīng)釜中投入菱苦土，緩慢加入硝酸溶液，不停攪拌至pH達(dá)6左右，確保菱苦土充分溶解。菱苦土與硝酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)式：

向菱苦土與硝酸反應(yīng)完成液中投入氯化鉀，不斷攪拌至溶解，隨后冷卻降溫，因硝酸鉀溶解度隨溫度下降而顯著降低，氯化鎂溶解度隨溫度下降變化緩慢，所以隨著溫度的下降，溶液中析出大量硝酸鉀晶體，主要化學(xué)反應(yīng)式：

因此，以硝酸、菱苦土、氯化鉀為原料生產(chǎn)硝酸鉀，其總反應(yīng)方程式：

分離硝酸鉀晶體后的母液1主要含有氯化鎂與部分硝酸鉀，故將其經(jīng)蒸發(fā)濃縮和冷卻結(jié)晶除去硝酸鉀和少量氯化鎂，分離得到的母液2中主要含有氯化鎂，將其進(jìn)一步蒸發(fā)濃縮，再經(jīng)制片得到MgCl2·6H2O，主要化學(xué)反應(yīng)式：

1.2 工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：工藝流程簡(jiǎn)單，投資小，能耗低，一次轉(zhuǎn)化率高，操作安全、方便等，具有很好的工業(yè)化前景。

缺點(diǎn)：副產(chǎn)品氯化鎂純度不高，需要經(jīng)2次蒸發(fā)濃縮，工序設(shè)備效率低，從而會(huì)影響整體工藝的規(guī)模化生產(chǎn)。

2 工藝流程

圖1為用硝酸鎂與氯化鉀為原料生產(chǎn)硝酸鉀的工藝流程示意圖。

圖1 復(fù)分解法生產(chǎn)硝酸鉀工藝流程圖

2.1 配鎂與反應(yīng)工序

在不斷攪拌條件下向反應(yīng)釜中加入定量的水，分批次投入所需菱苦土，再緩慢加入適量的硝酸溶液，反應(yīng)過(guò)程中一定要控制好加酸速度，使反應(yīng)溫度保持在80～110℃，以防沸溢，調(diào)整反應(yīng)溶液pH為6左右，經(jīng)板框壓濾機(jī)除去雜質(zhì)后送入反應(yīng)釜。

保持反應(yīng)釜溫度為95℃左右，在勻速攪拌條件下緩慢加入氯化鉀并保溫6～8 h，使氯化鉀完全溶解后，送入結(jié)晶器結(jié)晶。

2.2 結(jié)晶與分離工序

將反應(yīng)熱料液從水平小管加入濕壁結(jié)晶器（見圖2），冷空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)并流吹入，高速氣流將溶液散布到整個(gè)結(jié)晶管內(nèi)壁上，一部分由于空氣的冷卻作用，一部分由于蒸發(fā)作用，溶液開始結(jié)晶。晶漿與空氣共同從結(jié)晶管的末端排出至緩沖罐，將緩沖料液送入離心機(jī)分離，并用少量工藝水洗滌得到硝酸鉀。分離硝酸鉀晶體后的母液1送至蒸發(fā)工序，硝酸鉀晶體則送至干燥設(shè)備烘干，所得產(chǎn)品即為硝酸鉀，經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，該法一次結(jié)晶效率可達(dá)90%以上。

圖2 濕壁結(jié)晶器簡(jiǎn)圖

2.3 蒸發(fā)與分離工序

母液1中主要含有氯化鎂與部分硝酸鉀，故將其送至蒸發(fā)器濃縮到1.26 g/cm3后，轉(zhuǎn)入冷卻結(jié)晶器，經(jīng)冷卻結(jié)晶后硝酸鉀晶體析出，同時(shí)也會(huì)析出少量氯化鎂。再經(jīng)離心機(jī)分離，得到的固體可返回反應(yīng)器重復(fù)利用。母液2中主要含有氯化鎂，將其再次送至蒸發(fā)器中。

2.4 氯化鎂制片工序

將分離得到的母液2通過(guò)蒸發(fā)濃縮至1.31 g/cm3后，濃縮液轉(zhuǎn)入制片釜中保溫，將制片機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)打開，向筒內(nèi)持續(xù)注入冷卻循環(huán)水，將制片釜料液緩慢放入制片槽內(nèi)，制片包裝即為氯化鎂產(chǎn)品。

3 產(chǎn)品質(zhì)量與效益分析

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量

中試制備得到的硝酸鉀產(chǎn)品經(jīng)多次檢測(cè)，其質(zhì)量組成見表1。由表1可見，產(chǎn)品符合GB 1918—2011《工業(yè)硝酸鉀》一等品標(biāo)準(zhǔn)。所產(chǎn)六水氯化鎂產(chǎn)品其質(zhì)量組成詳見表2。由表2可以看出，產(chǎn)品符合QB/T 2605—2003《工業(yè)氯化鎂》輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 硝酸鉀產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果%

表2 氯化鎂產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

3.2 成本效益分析

根據(jù)中試結(jié)果，以生產(chǎn)1 t硝酸鉀計(jì)，根椐實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)，其原料噸產(chǎn)品消耗分別為氯化鉀0.80 t、菱苦土0.26 t、硝酸1.21 t、工藝水5 t、蒸汽2 t，副產(chǎn)六水氯化鎂0.9 t。

本文根據(jù)中試數(shù)據(jù)進(jìn)行年產(chǎn)1萬(wàn)t硝酸鉀項(xiàng)目設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益分析。預(yù)計(jì)本項(xiàng)目總投資1000萬(wàn)元，其中土建與廠房投資約600萬(wàn)元，設(shè)備等固定資產(chǎn)投資約400萬(wàn)元，生產(chǎn)管理人員30人，表3為該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益分析。

表3 1萬(wàn)t/a硝酸鉀項(xiàng)目的成本效益分析

由以上分析可知，按年產(chǎn)1萬(wàn)t硝酸鉀可實(shí)現(xiàn)年銷售收入4450萬(wàn)元，年生產(chǎn)成本為3876.2萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)年利稅為573.8萬(wàn)元，年利潤(rùn)為410.5萬(wàn)元，投資回收期為2.43 a，投資利潤(rùn)率為41.05%。

4 結(jié)論

1）本項(xiàng)目與中國(guó)現(xiàn)有硝酸鉀生產(chǎn)工藝相比，具有工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備操作費(fèi)用低、操作安全方便等優(yōu)點(diǎn)；2）本工藝所用濕壁結(jié)晶器除了風(fēng)機(jī)功率消耗外，其設(shè)備操作費(fèi)用很低，大大降低了生產(chǎn)成本，該法冷卻結(jié)晶過(guò)程中也伴有蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶效率可達(dá)90%以上；3）本項(xiàng)目對(duì)母液2進(jìn)行分步蒸發(fā)濃縮，通過(guò)第一次濃縮得到鉀鎂復(fù)鹽并將其循環(huán)利用，從而得到高純度的氯化鎂母液，克服了現(xiàn)存工藝中副產(chǎn)品純度不高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值偏低等問題；4）采用該工藝技術(shù)擬建一套年產(chǎn)1萬(wàn)t的硝酸鉀裝置，可副產(chǎn)0.9萬(wàn)t六水氯化鎂，項(xiàng)目總投資1000萬(wàn)元，可實(shí)現(xiàn)年銷售收入4450萬(wàn)元，年生產(chǎn)成本為3876.2萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)年利稅573.8萬(wàn)元，年利潤(rùn)410.5萬(wàn)元，投資回收期為2.43 a，投資利潤(rùn)率為41.05%。

［1］張俊先.硝酸鉀的技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)展望［J］.現(xiàn)代化工，1999，19（9）：34-36.

［2］汪家銘.我國(guó)硝酸鉀發(fā)展概況與市場(chǎng)前景［J］.化工科技市場(chǎng)，2009，32（1）：23-28.

［3］王艷語(yǔ).直接法硝酸鉀母液的優(yōu)化利用研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

［4］李雅芙，劉素芹.硝酸鉀生產(chǎn)工藝綜述［J］.海湖鹽與化工，2004，34（3）：27-30.

［5］王恒磊，朱丹，崔佳惠.等.蒸餾法制備硝酸鉀工藝研究［J］.應(yīng)用化工，2016，45（增刊）：182-184.

［6］段正康，謝帆，張濤，等.硝酸鉀生產(chǎn)工藝概述及復(fù)分解法存在的問題與對(duì)策［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2015，47（5）：4-8.

［7］馬譽(yù)景，金央，李軍，等.硝酸和氯化鉀直接制備硝酸鉀工藝研究及優(yōu)化［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2015，47（3）：31-34.

Study on preparation of potassium nitrate by double decomposition method

Wang Henglei，Jiang Yuanyuan，Liu Ting，Chen Xiaohui，Zhong Shiqiang
（Shandong Tianyi Chemicals Co.，Ltd.，W eifang 262737，China）

A new technology，including the principle，characteristics，and process，for the preparation of potassium nitrate by double decomposition method with magnesium nitrate and potassium chloride as the raw materials was introduced.It has the advantages，such as simple process，low cost，convenient，and safe operation.The raw material consumption analysis results by pilot scale indicated that 0.80 t of potassium chloride，0.26 t of magnesite，1.21 t of nitric acid，5 t of process water，2 t of steam were consumed respectively for 1 t of potassium nitrate′s production.

potassium nitrate；double decomposition；wet wall crystallizer

TQ131.13

A

1006-4990（2017）11-0048-02

2017-05-12

王恒磊（1988—），男，工程師，碩士，現(xiàn)從事鉀鹽生產(chǎn)工藝研發(fā)工作。

聯(lián)系方式：wanghengleizn@126.com