潘明旺等:离子交换法生产高纯硝酸钾的工艺研究
科研与生产
离子交换法生产高纯硝酸钾的工艺研究
潘明旺, 张留成, 李佐邦
(河北工业大学化工学院, 天津
300130)
[摘要]介绍了以农用硝酸铵和氯化钾为原料, 采取离子交换法生产高纯硝酸钾的工艺。该工艺操作容易, 稳定性好。对
蒸发设备的选型进行了评价。
[关键词]离子交换; 硝酸钾; 工艺
[中图分类号]TQ 114. 262. 3; TQ 131. 13
+
+
[文献标识码]B[文章编号]1003-5095(2000) 02-0021-03
硝酸钾是一种重要的化工原料, 用途很广, 主要
用于烟火、黑色炸药、医药、玻璃工业、选矿、工及食品工业, 还用作化肥、前, , 通, , 原料利用率低, 产品分离困难。利用硝酸和氯化钾制取硝酸钾的方法, 环境污染大, 设备腐蚀严重。离子交换法生产硝酸钾, 原料来源广泛, 我们利用农用肥料硝酸铵和氯化钾通过强酸性阳离子交换树脂进行交换反应生产出工业一级品硝酸钾, 替代了原用硝酸和氯化钾制取硝酸钾的工艺路线, 生产工艺简捷, 无环境污染。
1. 1(001×7) 4%的盐酸溶液把离子交换树H 型, 再用精制的氯化钾溶液将H 型树脂全部转为钾型树脂, 供交换反应使用。其反应原理如下:
洗脱过程:
RSO 3K +N H 4NO 3
3N H 4+KNO 3
再生过程:
RSO 3N H 4+KCl
3K +N H 4Cl
1生产原理、工艺流程及主要设备
工业硝酸铵氯化钾肥料→→离子交换
式中R 表示001×7型强酸性阳离子交换树脂
的基体。
1. 2硝酸钾生产工艺流程示意图
离心分离粉碎包装→成品
KNO 3溶液
图1硝酸钾生产工艺流程示意图
1. 3主要设备(表1)
表1主要设备一览表
规格
2000×1500×10002000×1500×1000
1. 5m
3
15m
3
15m
3
3～5m
3
80～100m
3
2
数量
23221
工艺操作过程
设备名称化盐池高位槽盐液贮槽离子交换柱离心机结晶槽硝酸钾溶液槽氯化铵溶液槽浓缩釜去离子水贮槽材质水泥碳钢(防腐) 玻璃钢碳钢(防腐) 不锈钢陶瓷水泥衬里水泥衬里搪瓷水泥
交换溶液的配制2. 1. 1硝酸铵溶液的制备
将肥料硝酸铵放入硝铵溶解槽内, 加入计算量的软化水, 搅拌溶解(稍加热) , 待溶解完后过滤硝铵
2. 1
若干
1241
溶液, 滤液静置, 清液导入硝酸铵溶液贮槽和高位槽, 供离子交换使用。2. 1. 2氯化钾溶液的配制
将工业氯化钾肥料加入预先放有适量软水的化盐槽中, 充分搅拌, 使其完全溶解。根据投料前测定的原料氯化钾中钙、镁离子含量, 加入适量碳酸钾、氢氧化钾溶液, 以去除钙、镁等离子。待槽内溶液搅
[收稿日期]2000-01-12
[作者简介]潘明旺(1964-) , 男, 讲师, 现从事高分子化工的科研与
教学工作。
拌均匀后, 将粗盐水导入斜板沉降槽内进行沉降, 沉降后的上层清液注入粗盐水贮槽中备用。离子交换反应[1, 2]
2. 2. 1洗脱操作
将配制好的硝铵溶液(浓度为1. 8～2. 8mol/L ) , 采取顺流淋洗方式, 由高位槽经流量计从塔顶流入, 控制流速为1. 5m 3/h , 交换后的硝酸钾溶液
2
. 2
2. 3原料及产品分析
氯化钾按G B 6549. 4-86和G B 6549. 1-86所示方法测定钙、镁离子及钾含量; 硝酸铵以G B 2945-82所示方法测定氮含量; 硝酸钾纯度按G B 1918-80试验方法进行测定。
3
3. 1
结果与讨论
从塔底流出。待硝酸铵溶液全部进柱后,
以上铵相同的方向和流量用去离子水顶出交换柱中留存的硝酸钾, 并促使硝铵进一步转化为硝酸钾, 当流出液的密度大于1. 00g /cm 3时, 为硝酸钾溶液开始流出, 此时应立即收集, 直到流出液的密度重新变为1. 00
g /cm 时, 停止收集, 合并上铵洗脱液和水洗液, 送
3
由图2硝酸铵洗脱曲线可见, 硝酸钾溶液浓度随交换时间的变化出现一个峰值, 且其浓度随交换时间的变化速率较大, 即曲线较陡。由中控检测得知, 通过离子交换柱渗透出的铵离子浓度很小, 这样就确保了交换出的硝酸钾溶液的质量, , 硝酸铵被定:上, , 上铵, 一般为60%65%以下。同时, 我们, 硝酸铵浓度越低, 铵转化率越高, 但浓度过低, 将使交换出的硝酸钾产品溶液浓度过低, 增加蒸发负担和产品的浓缩费用。因此, 应综合考虑各种因素。
3. 2由图3氯化钾溶液再生曲线可知, 氯化铵流出液浓度在经过峰值后, 再生曲线开始缓慢下降, 曲线右端一段时间内似出现一平台, 交换反应时间相对延长。这时因为为了制备纯硝酸钾, 氯化钾投入量相对硝酸铵是过量的, 这样再生过程中就可将铵型树脂全部转为钾型。此平台的出现和交换反应时间的延长是因氯化铵与氯化钾流出液两者之间浓度的叠加引起的[3]。在制备纯硝酸钾的离子交换反应中, 必须有一定量的钾型树脂作为保护层, 其工作交换容量是不能很大的[4]
。同时, 氯化钾的过量应视具体操作条件而定, 氯化钾过量太多, 会造成原料浪费, 且产生更多的氯化钾和氯化铵的混合物。氯化钾不过量或过量太少, 就会造成铵离子的大量渗透, 生产出不合格的硝酸钾产品。
3. 3在生产中, 我们采用减压脱水的方式, 用夹套式加热搪瓷釜浓缩硝酸钾溶液, 但是该方法蒸发时间长, 能量利用率低, 能耗较大, 增加了产品的成本。因此, 在硝酸钾溶液的蒸发浓缩中, 可选用“L ”型蒸发器和降膜蒸发器等, 采取三效蒸发工艺, 以便充分利用蒸发过程中的二次蒸发, 减小能耗, 降低成本, 提高经济效益。
蒸发器浓缩。洗脱曲线见图2。
图2洗脱曲线
再生操作
采取逆流再生方式, 将氯化钾溶液(浓度为1. 8～2. 8mol/L ) 由高位槽经流量计从塔底入柱, 从塔顶流出氯化铵溶液, 控制流量为1. 5m 3/h 。上完氯化钾溶液后, 关闭盐水阀, 打开去离子水阀, 以
2. 2. 2
相同的流速顶出交换柱中留存的氯化铵, 使氯化钾进一步转化成氯化铵。当流出液的密度大于1. 00
3
g /cm 时, 为氯化铵溶液, 应立即收集, 检验有无钾离子渗出, 当有大量钾离子渗出时, 应将流出液转入另一贮槽, 因为此时的流出液为氯化钾和氯化铵的混合液, 直至流出液的密度为1. 00g /cm 3时, 停止收集。再生曲线见图3。
图3再生曲线
(下转第29页
)
石印等:聚氨酯漆固化剂TD I —TM P 加成物的研究
性等, 尤其是游离单体的含量。摩尔比过小, 分子量大, 粘度高, 工艺不稳定, 易胶化, 但游离单体含量少, 摩尔比过高, 游离单体多, 需采用薄膜蒸发法、溶剂萃取法等进行后处理, 以降低游离单体的含量, 工艺复杂, 设备多, 投资大, 工时长, 成本高。通过实验得知, 二者的摩尔比为3. 0～3. 15较理想。2. 4二元醇的选择
二元醇能调节反应的官能度、降低产物的粘度, 同时也降低成本。其加量应小于5%, 否则会影响与羟基组份的混溶性和成膜的性能。
溶剂的影响
有机溶剂虽不是成膜物质, 但在生产过程、贮存、施工和成膜过程中起着重要作用。醋酸丁酯溶解力强、挥发快、流平欠佳、易产生气泡。二甲苯溶解力不够, 使反应无法进行。将二甲苯与醋酸丁酯
2. 5
深及成膜后的泛黄。抗氧剂不仅在生产过程中使产物颜色变浅, 接近无色, 而且在贮存过程中不易变色, 成膜后泛黄也变轻。加量一般在0. 4‰～2‰。2. 7磷酸的影响
加成物在贮存过程中不稳定, 易增稠甚至胶化, 造成损失。磷酸可中和原材料中的碱性离子和催化剂, 抑制NCO 基与其它物质的反应, 从而延长贮存期限, 加量一般约为TD I 的0. 5‰。3结语
通过对TD I —TM P 加成物生产工艺、反应因素的探讨及对原材料和助剂的选择, 可制成颜色浅、粘度低、游离单体少、贮存稳定、施工及应用性能良好的聚氨酯漆固化剂。
[参]
1]) [M 北京[[M ].:.
[3]TD I 预聚物色泽的方法[J].上海涂料,1996, (4) .
[4]马想生, 等. TD I —TM P 加成反应的因素[J].涂料工业, 1998, (11) . [5]朱
配合使用, 可降低成本。为1∶1较为合适。2. 6通CO , 但解决不了贮存中颜色变
斌. 单釜快速合成TD I 预聚体[J].涂料工业,1998, (8) .
(上接第22页)
4
4. 1
结论
利用肥料氯化钾和硝酸铵, 采用离子交换法可以生产工业一级品硝酸钾。
4. 2在确保产品质量的前提下, 设法提高交换反应的硝酸钾溶液浓度, 减小水的蒸发量, 降低能耗。
离子交换法生产硝酸钾工艺简单, 原料来源丰富, 无环境污染。
4. 4为节能降耗, 工业规模的硝酸钾生产不宜采用夹套式加热搪玻璃釜作蒸发浓缩设备, 宜选用蒸发
4. 3
效果好的“L ”型和膜式蒸发器, 采取多效蒸发工艺, 可获得良好的经济效益。
[参考文献]
[1]常延春, 等. 离子交换法生产高纯度硝酸钠的研究[J].陕西化
工,1988, (4) :1-7.
[2]吴树华, 等. 离子交换法制硝酸钠中试报告[J].无机盐工业, 1988, (2) :23-25.
[3]廖晓垣. 用硝酸铵和工业盐生产硝酸钠[J].化学世界,1986,
(12) :534-539.
[4]李藻初. 高纯硝酸钾制备的研究[J].无机盐工业,1993, (4) :
14-19.
[5]赵景利, 等. 碳酸钾溶液的蒸发技术研究[J].河北工业大学学
报,1997,26(2) .
The Stud y of Production Technolo gy on Ref ined Potassium Nitrate b y Ion Exchan g e
PA N M i n g -w an g , Z HA N G L i u -chen g , L I Zuo -ban g
(Hebei U niversit y of Technolo gy , Tian j in 300130,China )
Abstract :The technolo gy was described in t his p a p er which refined p otassium nit rate was p roduced b y usin g ion ex 2chan g e. A g ricult ural ammonium nit rate and p otassium chloride were used as raw materials in t he p rocess. The technolo gy is sim p le. Re p eatabilit y of t he technolo gy is g ood. The selection of eva p orator t yp es was discussed to reduce ener gy cost.
K e y words :ionexchan g e ; p otassium nit rate ;technolo gy