馬明德(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海格爾木816000)
硝酸鉀生產工藝及原料技術路線
馬明德(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海格爾木816000)
硝酸鉀作為無機化工原料的一種,其在工業(yè)生產中的應用十分廣泛,例如玻璃澄清劑、食品防腐劑、藥物等產品的制造都與硝酸鉀有著密切聯系。由于硝酸鉀的主要成分中含有植物生長所需的鉀與氮,所以其在農業(yè)生產中的應用前景也非常可觀。本文通過對硝酸鉀的性質及其作用進行分析,并對其生產工藝技術路線進行探討,以供相關研究工作者進行參考。
硝酸鉀;生產;概念;作用;工藝技術
硝酸鉀別名硝石、上硝,分子式KNO3,分子量101.10,為無色斜方晶系結晶或白色粉末,也可造粒加工成粒狀,硝酸鉀作為一種無機化工原料,具有很強的氧化性,是一種無色透明的固體,易溶于水,在空氣不易溶解,用途比較廣泛。根據其具體應用途徑可將其分為兩大類:工業(yè)級硝酸鉀和農業(yè)級硝酸鉀。
1.1工業(yè)級硝酸鉀
工業(yè)硝酸鉀是制造黑色火藥(如礦山火藥、引火線、爆竹等)的原料,也用于焰火以產生紫色火花。機械熱處理作淬火的鹽浴。陶瓷工業(yè)用于瓷彩釉彩藥。用作玻璃澄清劑,用于制造汽車燈玻璃、光學玻璃、顯像管玻殼等。尤其是隨著現代新興工業(yè)和高科技研究成果的迅猛發(fā)展,該產品的作用和地位日益重要。高純度、高質量的硝酸鉀是生產光學玻璃、車燈玻殼、高檔彩色顯像管玻殼的重要原料之一。
1.2農業(yè)級硝酸鉀
農用硝酸鉀(又稱肥料級硝酸鉀)是優(yōu)質無氯鉀肥,含有13%以上的硝態(tài)氮和44%以上的氧化鉀,全部都是水溶性氧分,鉀離子和硝酸根離子可很快被農作物吸收,是化學性質的氮鉀復合肥,可明顯提高煙草、甜菜、柑桔等經濟作物的產量和品質。近年來硝酸鉀也被用于無土栽培植物的營養(yǎng)液的配制。硝酸鉀在農業(yè)生產中的應用非常廣泛,并且利用率非常高,且應用方式多樣化,其所具備的優(yōu)點對推進農業(yè)生產發(fā)展有著重要意義。
硝酸鉀的生產工藝與技術路線有許多種類,下面主要從以下幾點進行具體分析,離子交換法、低溫萃取法、高溫蒸餾法、復分解法等。
2.1離子交換法
該法以氯化鉀和硝酸銨溶液為原料,根據陽離子交換樹脂對鉀、銨離子吸附性很近的特點,利用陽離子交換樹脂的作用,使氯化鉀和硝酸銨溶液中的鉀、銨離子在離子交換樹脂上進行相互交換,從而得到硝酸鉀溶液和氯化銨溶液,交換過程如下:
NH4NO3+KR=RCl+KNO3
KCl+NH4R=KR+NH4Cl
R~~陽離子交換樹脂高分子骨架部分。
優(yōu)點:該法實現了生成鹽的分離,交換后硝酸鉀流出濃度高,經蒸發(fā)濃縮一次結晶可得到一級品,工藝流程短,成熟可靠,設備簡單可連續(xù)操作,原料成本低。
缺點:本法的是副產氯化銨溶液濃度低,回收加工能耗較高。
2.2低溫萃取法
該法利用有機溶劑除去氯化鉀和硝酸反應生成的HCl,再從溶液結晶析出硝酸鉀,所采用的有機溶劑是異戊醇等。這種方法是比較具有競爭力的生產硝酸鉀的工藝,但該工藝需要加熱和制冷兩套設備,流程比較復雜,需要投入一些復雜的設備,以及一些材料比如需要塑料、欽材、石墨等多種耐腐蝕材料。
KCl+HNO3=KNO3+HCl
優(yōu)點:適合于大規(guī)模生產,能耗比較低。
缺點:萃取劑價格昂貴,副產物對設備腐蝕嚴重,故生產設備需優(yōu)質防腐材料,投資大,收率低且在低溫下HCl所呈形態(tài)難以回收加工。
2.3高溫蒸餾法
該法生成的亞硝酰氯用硝酸氧化成氯氣,硝酸鉀則溶解在過量的硝酸水溶液中,蒸發(fā)結晶出硝酸鉀。這個生產工藝比較復雜,操作條件比較苛刻,工作環(huán)境也比較惡劣。由于需要使用濃硝酸進行反應,而過程中有有毒氣體及液體的產生所以需要用到高級防腐材料。
4HNO3+3KCl=Cl2+3KNO3+NOCl+2H2O
缺點:反應生成的混合氣體具有很強的腐蝕性,故而設備需優(yōu)質防腐材料,投資大,能耗高。
2.4復分解法
此法利用氯化鉀和硝酸鈉復分解轉化換出硝酸鉀和氯化鈉,隨著溫度升高,硝酸鉀溶解度顯著增大,而氯化鈉溶解度卻變化不大,所以將反應溫度控制在119~122℃可除去氯化鈉,母液經過濾,水洗,重結晶,干燥而得產品。
KCl+NaNO3=KNO3+NaCl
優(yōu)點:此法工藝技術成熟,質量及純度好,工藝簡單易操作。
缺點:原料硝酸鈉天然儲量少,價格昂貴,副產品氯化鈉銷路不好,經濟上不合算。
2.5復分解循環(huán)法
此法利用氯化鉀和硝酸銨進行反應,根據不同溫度下處物質溶解度之間差異進行分離提純。
KCl+NH4NO3=KNO3+NH4Cl
優(yōu)點:此法工藝成熟簡單易操作,鉀回收率高,無污染。原料氯化鉀,硝酸銨來源廣,價格低,副產品銷路好。
缺點:冷卻工序及蒸發(fā)工序設備效率低,從而影響了整體工藝的規(guī)模大型化。
綜上所述,離子交換法,生產工藝投資少,占地面積小,國內工藝技術成熟,操作簡單易掌握,有利于人員的培訓,保證了產品的質量,在有條件的地區(qū)利用太陽能攤曬副產品氯化銨,節(jié)約了生產成本,也是一種較普遍采用的生產工藝。復分解循環(huán)法,原料來源可靠,工藝技術成熟,而且這種方法能耗較低,它實行的是全封閉系統(tǒng)循環(huán),沒有“三廢”排出可見,也是最直接的方法。目前每年全國硝酸鉀需求量約為50~60萬噸,由于硝酸鉀具有愈來愈廣的工業(yè)用途和農用價值,加之未來光熱電站熔鹽的應用,硝酸鉀的市場前景非常廣闊,優(yōu)化硝酸鉀的生產工藝十分必要。
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