年產(chǎn)30萬噸硫酸鉀工藝流程模擬設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陳曉玲

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

硫酸鉀肥是極其重要的一種無氯優(yōu)質(zhì)鉀肥，隨著我國硫酸鉀行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷完善，新的工藝方法也在不斷發(fā)展和優(yōu)化。張文輝等[1]提出，陳聯(lián)梅等[3]改進(jìn)硫酸銨-氯化鉀熱復(fù)分解法，生產(chǎn)工藝流程采用Aspen Plus來模擬設(shè)計(jì)及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)30 萬噸硫酸鉀的設(shè)計(jì)目的。

1 硫酸鉀合成的原理

本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)30 萬噸硫酸鉀的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，采用熱復(fù)分解法，利用硫酸銨和氯化鉀的固體在高溫下發(fā)生熱復(fù)分解反應(yīng)制得硫酸鉀，

主反應(yīng)化學(xué)方程式如下：

硫酸銨的分解溫度在280℃以上，因?yàn)樵摲磻?yīng)溫度控制在340℃以上，所以在制硫酸鉀過程中，硫酸銨并未完全參與反應(yīng)，而是部分發(fā)生了分解反應(yīng)：

主反應(yīng)副產(chǎn)物氯化銨和副反應(yīng)產(chǎn)物氨氣、二氧化硫的吸收處理增加了工藝生產(chǎn)成本。

2 Aspen Plus流程模擬設(shè)計(jì)

2.1 硫酸鉀工藝流程簡介

利用熱復(fù)分解法生產(chǎn)硫酸鉀的工藝流程可分為原料混合、反應(yīng)器反應(yīng)、硫酸鉀分離。選用基于已知轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)進(jìn)度的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器（Rstoic）和根據(jù)指定的流量或分離分率分離組分的組分分離器（Sep）來模擬硫酸鉀的生成與分離。Aspen 流程模擬圖如圖1。

圖1 硫酸鉀工藝流程模擬圖

2.2 運(yùn)行模擬結(jié)果

模擬結(jié)果見表1。

表1 物料平衡

從以上模擬結(jié)果圖中可以發(fā)現(xiàn)：該反應(yīng)在模擬中符合質(zhì)量守恒，硫酸鉀產(chǎn)品的摩爾流量為231.926 kmol/h。在設(shè)定硫酸鉀摩爾流量239.14 kmol/h，分離效率為97%的情況下，可以完成年產(chǎn)30 萬噸硫酸鉀的生產(chǎn)工作。

3 靈敏度分析

使用Aspen Plus 軟件來模擬這個(gè)過程，這與我們的實(shí)際實(shí)驗(yàn)不同。由于本反應(yīng)中的轉(zhuǎn)化率由我們定義，本反應(yīng)中溫度對硫酸鉀的收率沒有影響，因此我們不進(jìn)行溫度敏感性分析，而硫酸銨的投加量是不確定的。因此，我們對硫酸銨的含量進(jìn)行了靈敏性分析。硫酸銨的變化范圍為239.140～299.094 kmol/h。以產(chǎn)品中硫酸鉀的摩爾分?jǐn)?shù)為采集變量，以進(jìn)料中硫酸銨的含量為操作變量，靈敏度分析運(yùn)行結(jié)果見圖2。

圖2 靈敏度分析圖

當(dāng)硫酸銨的摩爾流量為263.122 kmol/h 時(shí)，硫酸鉀產(chǎn)品的摩爾分率達(dá)到最高，為0.283 192，硫酸鉀產(chǎn)品純度最高。

4 工藝優(yōu)化

經(jīng)Aspen Plus 工藝優(yōu)化，由收斂結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)器的操作溫度為370℃時(shí)，硫酸鉀的產(chǎn)量達(dá)到最高。

綜上所述，我們可以總結(jié)出熱復(fù)分解法生產(chǎn)硫酸鉀的最佳工藝條件，如表2所示。

表2 硫酸鉀最佳工藝條件

5 結(jié)論

本課題基于Aspen Plus工藝流程模擬軟件，針對熱復(fù)分解法生產(chǎn)硫酸鉀工藝開展深入研究，對硫酸鉀工藝流程進(jìn)行模擬及優(yōu)化，最后根據(jù)研究結(jié)果得出了年產(chǎn)30萬噸硫酸鉀工藝技術(shù)的最佳反應(yīng)條件。

（1）通過綜合考查氯化鉀的用量、硫酸銨的用量、反應(yīng)時(shí)間和相同的反應(yīng)溫度等因素對于產(chǎn)品質(zhì)量和轉(zhuǎn)化率的直接影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了硫酸鉀工藝參數(shù)的優(yōu)化，獲得最佳的反應(yīng)條件：氯化鉀摩爾流量平均值為478.28 kmol/h，硫酸銨摩爾流量平均值為291.92 kmol/h，反應(yīng)溫度平均值為370℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min。

（2）以Aspen 模擬軟件為基礎(chǔ)和工具，建立了硫酸鉀的合成和分離過程，并對其中的工藝進(jìn)行了模擬和計(jì)算，完成了工藝流程中的物料衡算和能量衡算。