《盐化工工艺学》

课程论文

论文题目： 硝酸钾

学生姓名： 刘 波

学 号： 201208014219

专 业： 化学工程与工艺

班 级： 2012级盐气化工

任课教师： 黄 美 英

完成时间：2014年12月

目 录

1生产简史 1

2硝酸钾的物化性质及用途 1

2.1物理化学性质 1

2.2硝酸钾的应用 1

2.3质量规格 2

3硝酸钾的生产方法 2

3.1 合成法 2

3.2 硝酸铵转化法（复分解法） 3

3.3吸收法 3

3.4 离子交换法 3

3.5转化法 3

4新工艺 4

4．1新工艺原理与流程[4] 4

4.2主要设备选型及特点 5

4.2.1 配料槽 5

4.2.2 空气冷却结晶塔 5

4.2.3 离心机 6

4.2.4 溶解槽 6

4.2.5 卧式冷却结晶器 6

4.2.6 硝酸钾洗涤机 6

4.2.7 干燥机组 6

4.2.8 蒸发设备 6

4.3新工艺装置特点 7

4.4 生产中应注意问题 7

结束语 8

致谢 9

参考文献 10

硝酸钾

【摘要】介绍了硝酸钾产品的生产简史及其主要物化性质、用途、国家标准、生产方法、典型生产方法的基本原理、工艺条件、工艺流程图以及相关的设备等。本文重点介绍一种硝酸钠转化法制取硝酸钾新工艺。该工艺根据传统硝酸钠生产硝酸钾经验,通过进一步试验与研究,对传统工艺与设备进行改造创新,实现连续工业化生产。

1生产简史

世界硝酸钾70%用于农业,以色列和美国产量最大，约占世界总量的四分之三，智利居第三位。1995年世界硝酸钾总能力约90万吨年，其中直接法的产量约占75%，中国硝酸钾现有生产能力约6万吨年，在建能力亦为6万吨年，其中约80%硝酸钾用于工业部门。

2硝酸钾的物化性质及用途

2.1物理化学性质

硝酸钾（钾硝石）是无水的白色粉末，在空气中不潮解。有时因带有杂质而显浅灰色。密度为2.11g/cm3334℃熔融，高于338℃，分解为亚硝酸钾和放出氧气。硝酸钾有两种晶体，即低温时，生成斜方形结晶；高温时生成菱形结晶。硝酸钾的溶解度随着硝酸浓度升高而降低，当达到最低值后，又升高；硝酸钾在水中的溶解度随着温度的升高而增大。纯品中含46.58%氧化钾和13.85%氮。硝酸钾易溶于水，而且溶解度随温度升高而急剧增加，在20℃时每100克水中可溶解31.2克，在100℃时可溶解247克。

硝酸钾是强氧化剂，与有机物接触能燃烧爆炸，运输、储存时注意安全。

2.2硝酸钾的应用

硝酸钾是一种重要的无机化工原料，主要用于制造黑火药、火柴、玻璃制品、光化学玻璃、陶瓷制品、药品、食品等。

硝酸钾在农业上是一种优良的低氯二元钾肥,其主要优点有：①总营养成分高达59%,其中约含13.5%~13.9%硝基氮及44.6%~46%的K2O；②当作为烟草、茶叶肥时,硫酸钾中的SO42-会使烟草、茶叶中含硫量偏高,降低品位,而硝酸钾则不存在这个问题；③硝酸钾在水中溶解度高,不易挥发,是液体肥料的最佳配料；④硝酸钾可被植物完全吸收,不会给生态环境带入化学物质残留；⑤硝酸钾不易潮湿结块,贮运方便；⑥是生产复合混配肥及特种肥料的重要原料。[1]

2.3质量规格

国家标准GB1918—2011

注：铵盐含量根据用户要求按本标准规定的方法进行测定。

3硝酸钾的生产方法

目前,生产硝酸钾的方法较多,其主要生产方法有以下几种：

3.1 合成法

本方法用硝酸和氯化钾作用生成硝酸钾、氯气和亚硝酸酰胺，而亚硝酸酰氯用硝酸氧化制得氯气。

此方法的缺点是：①生成的氯气如果能被其他化工产品消耗掉最好，如不能则有浪费，此法不能用；②此法对设备的腐蚀严重。

其反应方程式为：

3KCl+4HNO3=3KNO3+Cl2↑+NOCl↑+2H2O

3.2 硝酸铵转化法（复分解法）

将硝酸铵和氯化钾复分解制备硝酸钾,副产品为氯化铵。由于硝酸铵比硝酸钠便宜,副产品氯化铵可作为农用肥料或其它用途。该法生产的产品质量较上一法差,但成本较低,经济效益好。目前,我国约有60%的硝酸钾企业采用此法。

3.3吸收法

此法系用钾的碱溶液吸收硝酸尾气而得。

此法的缺点：主要是KOH的价格较贵，所以很少采用。

3.4 离子交换法

利用离子交换树脂或沸石,以氯化钾和硝酸盐为原料,根据阳离子交换树脂对钾铵离子吸附性很近的特点,利用阳离子交换树脂的作用,使氯化钾和硝酸盐溶液中的钾铵离子在离子交换树脂上进行相互转换,而得到硝酸钾溶液。目前国内有35%的工业硝酸钾生产企业采用此方法生产,若作为农用级产品的生产方法,则基本没有经济效益。[2]

3.5转化法

系用硝酸钠和氯化钾复分解而得，此法工艺简单，产品质量高，工业上采用较广。传统硝酸钠法生产硝酸钾工艺是先提取氯化钠，再提取硝酸钾，即硝酸钠与氯化钾及返回循环母液混合，蒸发浓缩至有大量氯化钠晶体析出，然后趁热保温过滤洗涤得副产品氯化钠，再将分离氯化钠的母液经冷却结晶分离得硝酸钾，分离硝酸钾的母液返回循环使用。

这种工艺存在不足：①在提取氯化钠蒸发结晶操作时，易产生爆沸现象，不利于采用真空高效蒸发器及多效蒸发；②高温热溶液中析出氯化钠晶体质量较差，晶粒很细小，过滤困难，吸附母液多，含硝酸钾多，需用水洗涤，故只能采用间歇式过滤器，不适合用离心机分离；③冷却结晶析出硝酸钾时，氯化钠始终处于饱和状态，在析出硝酸钾同时，伴有少量氯化钠晶体析出，致使析出硝酸钾晶体质量差，晶粒偏小。

4新工艺

4．1新工艺原理与流程[4]

为了克服上述传统工艺不足，我们根据相图原理[3]，采用了先提硝酸钾，后提氯化钠工艺流程。图1为Na+、K+//Cl-、NO3-—H2O体系在25℃、100℃下的相图，如图1所示。

图1 Na+、K+//Cl-、NO3- /H2O体系25℃、100℃相图

相图中四个顶点A、B、C、D是KNO3、NaNO3、NaCl和KCl的状态点。从相图可知,等摩尔氯化钾与硝酸钠组成M点,再与P点溶液组成V点, V点为配料点, V点溶液经冷却则析出硝酸钾后到H点，H点溶液在100℃经蒸发浓缩析出氯化钠后到P点, P点再加入等摩尔氯化钾与硝酸钠到V点,从图中还可看出,以后的循环过程为V→H→P→V,即在此三点之间变化构成一个封闭的循环。

根据相图和试验,确定有关工艺参数与新的硝酸钠转化法生产硝酸钾工艺流程,流程框图见图2。

图2 硝酸钠转化法制取硝酸钾工艺流程框图

工艺过程是：①将硝酸钠与氯化钾及盐母液与精钾母液按一定比例混合配成一定温度与浓度的溶液，然后将溶液冷却结晶、离心分离得粗硝酸钾；②粗硝酸钾加热水溶解，经除杂、冷却结晶、洗涤、离心分离、干燥得工业硝酸钾产品，分离精钾后的母液返回循环使用；③分离粗钾后的母液蒸发浓缩，然后离心分离得副产品氯化钠，分离氯化钠后的母液(包括洗涤水)返回循环使用。

4.2主要设备选型及特点

4.2.1 配料槽

配料槽1台，容积为15m3，平底圆筒体结构DN2600mm，高为3000mm，采用通蒸汽直接换热，采用3层搅拌器，转速50r/min，电机功率15kW，材质选用304、Q235。为防腐蚀，接触物料的304不锈钢采用钛纳米防腐涂层，实践证明，涂层具有较好防腐蚀性能。

4.2.2 空气冷却结晶塔

空气冷却结晶塔1台套，用于粗硝酸钾冷却与结晶，选用空气作为冷却介质冷却粗硝酸钾溶液，空气冷却结晶塔由塔体、冷却风机、循环泵组成。塔体DN3000mm，高为8000mm，材质选用304与Q235，塔体内接触物料的304不锈钢采用钛纳米防腐涂层；选用轴流风机，风量45000m3/h，风压285Pa，风机叶轮材质为铝合ZL104，其余为碳钢Q235B，电机功率515kW；循环泵选WJ型无堵塞耐腐浆泵，流量90m3/h，扬程30m，通过颗粒直径50mm，材质选用316L、Q235。

4.2.3 离心机

离心机3台，分别用于粗硝酸钾、精硝酸钾、氯化钠的离心分离，选用SD1250型吊袋式离心机，转鼓直径1250mm，最高转速960r/min，装料限度380kg，电机功率1815kW，材质选用316L、Q235。

4.2.4 溶解槽

溶解槽1台，平底圆筒体DN2500mm，高为3000mm；全容积为1515m3；直接通入蒸汽加热，搅拌转速34r/min，搅拌电机功率11kW，材质为321、Q235。

4.2.5 卧式冷却结晶器

卧式冷却结晶器2台套，用于精硝酸钾冷却与结晶，选用卧式螺带搅拌冷却结晶器，为敞口半圆底的卧式长槽，槽身外装夹套通水冷却，槽内装有螺带搅拌桨叶二组，搅拌轴采用空心轴，槽身两端端板装有搅拌轴轴承，并装有密封装置,防止溶液渗漏。设备半圆内径1600mm，槽宽DN1600mm，上部槽身高1600mm，槽长5000mm；搅拌转速23r/min，搅拌电机功率11kW，设备全容积1718m3，设备材质接触物料选304，其它选Q235B。设备特点是冷却面积大，搅拌效果好，传热系数高，另由于冷却换热面处于介稳区，无晶核自发形成，结晶只在加入的晶种上进行，无法在壁面成长，故可避免冷却面结疤。

4.2.6 硝酸钾洗涤机

硝酸钾洗涤机1台，用于洗涤粗硝酸钾中氯化物杂质，选用平板式洗涤机，设备过滤面积为210m2，设备内部有特殊结构的搅拌装置，通过搅拌装置的正、反转达到洗涤物料、卸除滤饼，搅拌电机功率15kW，搅拌转速11r/min，材质321、Q235。

4.2.7 干燥机组

选用GL9×60型振动流化床干燥机1台套，该机组包括干燥机1台、热送风机1台、冷送风机1台、散热器5片、分离器1台、布袋除尘器1台、引风机1台，设备材质：接触物料选304，其它选Q235。

4.2.8 蒸发设备

采用二效逆流蒸发，蒸发设备由Ⅰ效蒸发器1台、Ⅱ效蒸发器1台、冷凝器1台、水喷射泵1台组成。Ⅰ效蒸发器与Ⅱ效蒸发器均选用相同的外循环蒸发器,换热面积为20m2,设丝网除沫器。设备材质选石墨换热管与304、Q235，为防腐蚀,接触物料的304不锈钢采用钛纳米防腐涂层。

4.3新工艺装置特点

传统的硝酸钠生产硝酸钾工艺是先提取氯化钠再提取硝酸钾,新工艺装置为先提取硝酸钾再提取氯化钠,它有以下优点:

(1)新工艺硝酸钾冷却结晶析出过程中,氯化钠未达到饱和,冷却过程中始终没有氯化钠析出,故所得硝酸钾产品结晶质量好,结晶粒度大。

(2)传统工艺中,氯化钠结晶十分细小,氯化钠过滤分离时,不仅过滤困难,且需用热水洗涤才能洗去氯化钠中所含硝酸钾,新工艺副产品氯化钠是在硝酸钾未饱和条件下结晶析出,氯化钠含硝酸钾很少,结晶粒度大,过滤分离容易,便于采用离心机分离,效率高。

(3)传统工艺中精钾母液只能单独处理,不能直接返回循环,新工艺中精钾母液可以直接返回循环,从而简化工艺与设备。

(4)新工艺采用空气冷却结晶塔,用空气作为冷却介质冷却粗硝酸钾,不需使用冷却水,不存在结垢,生产能力大,节水,节能,且可实现连续化操作。

(5)整个装置循环生产,生产过程中产生的钾母液、盐母液、精钾母液、洗涤水全部返回循环使用,使投入的原料硝酸钠与氯化钾完全复分解转化为产品硝酸钾与氯化钠,生产过程中蒸发水份经冷凝后循环利用,由于整个工艺基本上封闭循环生产,无环境污染。

4.4 生产中应注意问题

(1)在氯化钠蒸发操作中,加入某种表面活性剂,可以降低氯化钠表面自由能,减少对硝酸钾与水的吸附,增大氯化钠结晶颗粒,从而减轻在蒸发器内换热管中结垢,同时便于氯化钠过滤与离心分离。

(2)以硝酸钠与氯化钾复分解法生产硝酸钾过程中,还应注意母液中杂质的累积与处理,对母液应定期处理去除杂质,才能确保产品质量合格及生产正常运转。母液中主要杂质是亚硝酸钠、硫酸钠和氯化镁。解决的办法是加入硝酸铵除去亚硝酸钠,加入氯化钡除去硫酸钠,加入碳酸钾除去氯化镁。

结束语

随着硝酸钾应用领域的不断扩大,农用钾肥在我国的大规模推广应用。我国应开发适合我国国情的新工艺。我国目前采用的生产工艺均不同程度的存在着缺陷。或受原料的限制,或使生产成本较高,或是不能实现大规模生产。力争本文新工艺早日实现规模化经营,增强国际竞争力,摆脱农业钾肥长期依赖进口的局面。

致谢

通过本次论文的编写，我从中学习到了生产硝酸钾的新工艺的工艺原理，在传统工艺的基础上进行创新，提高了产品质量。我深刻的认识到知识要学以自用，在传统的基础上进行创新，加强动手动脑能力。特别感谢黄美英老师对我们的悉心栽培，通过她对本科考试改革，加以创新，让我们得到锻炼，增强了我们对知识的求知欲。我相信通过她以及学院老师们对学生学习上的创新，我们学院同学们的个人能力会越来越出众。

参考文献

[1] 杨晓刚,牧剑波,王剑.硝酸钾的生产方法及市场前景[J].河南化工,1999,(3):13-141

[2] 张宏涛.邹辉.毛秀菊等.萃取法制取硝酸钾并联产氮钾复合肥的工艺研究[J].沈阳化工,1996,(2):1-41

[3] 苏裕光.吕秉玲.王向荣.无机化工生产相图分析(一) [M].北京:化学工业出版社, 1992

[4] 张罡 硝酸钠转化法制取硝酸钾新工艺 《化工设计》 2009年05期

硝酸钾