張益帥

（天脊集團(tuán)鉀鹽有限公司，山西 長治 047507）

引言

硝酸鉀是一種廣泛應(yīng)用在玻璃加工、復(fù)合肥料等領(lǐng)域的化合物，全球硝酸鉀產(chǎn)能主要集中在美國和以色列，其產(chǎn)能占據(jù)了總產(chǎn)能的70%以上，我國的硝酸鉀制備產(chǎn)業(yè)在近幾年有了飛速的發(fā)展，規(guī)模和制備工藝均有了長足的進(jìn)步，但和世界先進(jìn)水平還存在著較大的差距。目前我國硝酸鉀生產(chǎn)主要采用離子交換法，但該方法在生產(chǎn)過程中存在著純水、硝酸銨、氯化鉀消耗量大，工藝流程相對復(fù)雜的不足，難以滿足快速“綠色”生產(chǎn)的需求，極大地限制了我國硝酸鉀產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

本文在對傳統(tǒng)的離子交換法生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的硝酸鉀生產(chǎn)工藝流程，該生產(chǎn)工藝是對離子交換法的改進(jìn)，通過低濃度硝酸鉀循環(huán)提取、高濃度硝酸鉀蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥的一個流程生產(chǎn)，減少了在硝酸鉀制備過程中純水、能量的消耗量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的硝酸鉀生產(chǎn)工藝能夠?qū)⒓兯南牧拷档?3.4%，將運(yùn)行能耗降低7.6%，為進(jìn)一步提升硝酸鉀生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，提高市場競爭力奠定了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)硝酸鉀生產(chǎn)工藝流程分析

目前我公司生產(chǎn)硝酸鉀時，主要是以硝酸銨、氯化鉀為原料，通過001×7 陽離子交換樹脂進(jìn)行離子置換，最終形成硝酸鉀，其反應(yīng)方程為[1]式（1）、式（2）：

式中：X 表示交換樹脂中的分子骨架，我公司為鈉骨架。

在實(shí)際生產(chǎn)的過程中兩種化學(xué)反應(yīng)交替進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)硝酸鉀的連續(xù)生產(chǎn)。

在工業(yè)化批量生產(chǎn)的過程中，首先利用流量泵將氯化鉀精鹽水從交換柱的下側(cè)傳輸?shù)疥栯x子交換柱一側(cè)，在此完成鉀離子從溶液中轉(zhuǎn)移到陽離子樹脂上，銨離子則從樹脂上轉(zhuǎn)移到溶液中去，進(jìn)而完成鉀離子和銨離子的互換，形成新的氯化銨溶液從交換柱的上側(cè)進(jìn)入到存儲槽內(nèi)，該過程會持續(xù)進(jìn)行到樹脂內(nèi)的銨離子全部被溶液中的鉀離子置換完，此時停止供應(yīng)氯化鉀精鹽水。然后利用脫鹽水從交換柱的下側(cè)開始向上進(jìn)行清洗，將殘留的氯化銨溶液給洗掉，直到?jīng)_洗液中的氯離子含量滿足要求時停止沖洗。

完成以上步驟后用流量泵把硝酸銨溶液加入到交換柱的上部，讓銨離子從溶液轉(zhuǎn)移到樹脂中，讓鉀離子從樹脂中轉(zhuǎn)移到溶液中，進(jìn)而形成硝酸鉀溶液并進(jìn)入到溶液存儲槽內(nèi)。該過程會一直持續(xù)到銨離子被置換完成，然后對交換柱進(jìn)行水洗，直至水洗溶液中的鉀離子滿足要求，完成一個完整的置換周期。按以上流程反復(fù)進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)硝酸鉀的連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝流程圖

2 硝酸鉀制備工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進(jìn)行排放，因此加大了對純水的消耗，而由于對低濃度硝酸鉀和氯化銨洗液的排放等也進(jìn)一步加大了對原料氯化鉀和硝酸銨的消耗。不僅硝酸鉀的制備效率偏低，而且也會產(chǎn)生一定的環(huán)境污染，因此本文提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，在不影響硝酸鉀制備效率的情況下降低生產(chǎn)過程中對純水及原料的消耗，且硝酸鉀純度可以滿足農(nóng)業(yè)用硝酸鉀國家標(biāo)準(zhǔn)，該新的工藝流程如下頁圖2 所示[2]。

圖2 新型硝酸鉀制備工藝流程圖

由圖2 可知，優(yōu)化后的工藝流程包括：上鉀→反洗1→反洗2→上銨→水洗[3]，提高了固定床陽離子交換柱的離子捕捉效率。其中，反洗水利用的是儲槽內(nèi)循環(huán)利用的低濃度溶液洗滌水，首先不使用純水進(jìn)行洗滌，不增加純水消耗；其次洗滌水經(jīng)過循環(huán)又收集進(jìn)入廢水槽和冷卻水槽等儲水槽中，洗滌水不外排，既能實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能，又能消除環(huán)境影響。其整個生產(chǎn)工藝流程和現(xiàn)有的氯化銨制備工藝流程相近，只是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水洗液會被存儲并作為下一個循環(huán)周期的低濃度硝酸鉀溶液使用，同時增加了高濃度氯化銨及高濃度硝酸鉀的蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥工藝流程，提高了氯化銨副產(chǎn)品和硝酸鉀的生產(chǎn)品質(zhì)。

對高濃度硝酸鉀溶液蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥工藝流程分析可知，在制備過程中從離子交換柱產(chǎn)生的高濃度硝酸鉀的濃度不足，因此需要經(jīng)過一系列的蒸發(fā)后才能達(dá)到結(jié)晶的需求，為了提高蒸發(fā)結(jié)晶的效率，采用了二效降膜蒸發(fā)工藝[4]。一效蒸發(fā)的時候需要采用0.6 MPa 的低壓蒸汽，處理完成后產(chǎn)生的約110 ℃的二次蒸汽可以作為二效蒸發(fā)時的熱媒，二效蒸發(fā)后產(chǎn)生的約90 ℃的蒸汽排空。在工作過程中二效蒸汽冷凝液可以回收后用于溶解精制過程中的硝酸銨和氯化鉀，當(dāng)完成蒸發(fā)后硝酸鉀溶液的質(zhì)量濃度可以達(dá)到400 g/L～500 g/L，然后轉(zhuǎn)移到結(jié)晶罐內(nèi)，開始進(jìn)行冷卻結(jié)晶，結(jié)晶完成后用高速離心機(jī)進(jìn)行分離并漂洗。系統(tǒng)將離心液回收到一效蒸發(fā)器中重復(fù)使用[5]，硝酸鉀在進(jìn)行干燥時可以采用熱空氣干燥，空氣的溫度不低于140 ℃，在干燥管內(nèi)，硝酸鉀濕料被氣流帶起來后隨空氣氣流進(jìn)入到流化床內(nèi)完成干燥并封裝，形成高質(zhì)量的硝酸鉀晶體。粉塵通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行回收，形成硝酸鉀粉末。

3 應(yīng)用情況分析

為了對該新型硝酸鉀制備工藝的實(shí)際效果進(jìn)行研究，本文對不同工藝條件下的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行對比分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對比可知，在生產(chǎn)過程中，能夠?qū)⒓兠壳Э讼跛徕浿苽鋾r所需的純水消耗量由46 kg 降低到目前的3 kg，純水消耗量降低了93.4%，將生產(chǎn)過程中能耗由最初的251 kW·h/t，降低到目前的231.9 kW·h/t，將工作能耗降低了7.6%。新的生產(chǎn)工藝流程能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)用硝酸鉀的純度提高至96%，接近工業(yè)級硝酸鉀99.8%的純度。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)硝酸鉀生產(chǎn)過程中存在的純水消耗量大、能耗高、工藝流程復(fù)雜的不足，提出了一種新的硝酸鉀制備工藝，通過低濃度硝酸鉀循環(huán)提取、高濃度硝酸鉀蒸發(fā)、結(jié)晶、離心、干燥的一個流程生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了硝酸鉀生產(chǎn)的高純度、低能耗，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）傳統(tǒng)硝酸鉀制備工藝，需要將低濃度的硝酸鉀和氯化銨洗液進(jìn)行排放，因此加大了對純水的消耗和外排水造成的環(huán)境污染，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化、綠色化生產(chǎn)；

2）新的硝酸鉀制備工藝優(yōu)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水洗液會被存儲并作為下一個循環(huán)周期的洗滌低濃度硝酸鉀和氯化銨溶液使用，降低了對水和能量的消耗；

3）新的硝酸鉀制備工藝能夠?qū)⒓兯南牧拷档土?4%，將運(yùn)行能耗降低7.6%，農(nóng)業(yè)用硝酸鉀的純度接近工業(yè)級水平，極大地提升了硝酸鉀的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。