水鹽體系相圖及其應(yīng)用5

第五章四元水鹽體系相圖的應(yīng)用

第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析第二節(jié)加水法從人造光鹵石制取氯化鉀的相圖分析第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

一、硝酸鉀生產(chǎn)概述硝酸鉀（KNO3）是含氮、鉀元素的復(fù)合肥料，主要用于園藝作物。硝酸也用于食品工業(yè)和玻璃工業(yè)，還用來(lái)制造火藥和煙火。在自然界中天然硝酸鉀的礦藏量不多。我國(guó)古代最早制出硝酸鉀并用于制取火藥。直到目前，廣大農(nóng)村仍從草木灰提取硝酸鉀。第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

一、硝酸鉀生產(chǎn)概述在實(shí)驗(yàn)室，制取硝酸鉀一般用硝酸中和氫氧化鉀（鉀堿、苛性鉀）來(lái)制取硝酸鉀，即KOH+HNO3=KNO3+H2O

在工業(yè)生產(chǎn)中，用硝酸中和氫氧化鉀的生產(chǎn)方法很少采用，因?yàn)樗玫脑稀泬A（或稱(chēng)苛性鉀、氫氧化鉀）和硝酸都比較貴重。目前廣泛采用的是轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀。此外由氮氧化物和氯化鉀制取硝酸鉀，陽(yáng)離子交換法制取硝酸鉀。轉(zhuǎn)化法主要用硝酸鈉（NaNO3）和氯化鉀（KCl）的復(fù)分解反應(yīng)來(lái)制?。?/p>

KCl+NaNO3=KNO3+NaCl也可用其它硝酸鹽和氯化鉀、硫酸鉀或碳酸鉀進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)來(lái)制取硝酸鉀，例如：

KCl+NH4NO3=KNO3+NH4Cl第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖單固相溶解度曲面

面積ae1p1e4aLAKNO3的飽和面面積be2p1e1bLBNaNO3的飽和面面積ce3p2p1e2cLCNaCl的飽和面面積de4p2e3dLDKCl的飽和面圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖兩鹽共飽線(xiàn)

e1P1LA+BKNO3和NaNO3的共飽線(xiàn)

e2P1LC+BNaCl和NaNO3的共飽線(xiàn)

e3P2LC+DNaCl和KCl的共飽線(xiàn)

e4P2LA+DKNO3和KCl的共飽線(xiàn)

P1P2LA+CKNO3和NaCl的共飽線(xiàn)圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖三鹽共飽點(diǎn)

P1LA+B+CKNO3、NaNO3和NaCl的共飽點(diǎn)P2LA+D+CNaCl、KCl和KNO3的共飽點(diǎn)圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖幾何體代表的相區(qū)

體積ce3p2p1e2CcLC+CNaCl結(jié)晶及其飽和溶液的兩相區(qū)體積de4p2e3dDLD+DKCl結(jié)晶及其飽和溶液的兩相區(qū)體積ae1p1e4aALA+AKNO3結(jié)晶及其飽和溶液的兩相區(qū)體積be2p1e1bBLB+BNaNO3結(jié)晶及其飽和溶液的兩相區(qū)圖5-2多相區(qū)劃分圖圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖體積e2p1BCLB+C+（B+C）NaNO3、NaCl結(jié)晶及其共飽液的三相區(qū)，見(jiàn)圖5-2（b），此外還有四個(gè)三相區(qū)。圖5-2多相區(qū)劃分圖圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖1．恒溫圖四面體P1ABCLA+B+C+（A+B+C）是KNO3、NaNO3和NaCl結(jié)晶及其共飽液的四相區(qū)，見(jiàn)圖5-2（C）。另一個(gè)四相區(qū)是體積P2ADCLA+D+C+（A+D+C）是KNO3、KCl和NaCl結(jié)晶及其共飽液的四相區(qū)。圖5-2多相區(qū)劃分圖圖5-1K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)于100℃下的恒溫立體相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖2．投影圖

圖6-3100℃下K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

二、K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)相圖3．多溫圖可以看出，在所示的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)的性質(zhì)沒(méi)有質(zhì)的變化，只有量的變化，即在5～100℃之間，沒(méi)有復(fù)鹽和水合物生成，但各種鹽的溶解度都有較大的改變。在高溫下NaCl的相對(duì)溶解度最小，低溫下KNO3的相對(duì)溶解度最小（對(duì)此兩種鹽而言）。

圖6-5K+、Na+//Cl-、NO3-+H2O系統(tǒng)多溫相圖第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法第一節(jié)硝酸鉀生產(chǎn)的相圖分析

三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖5-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖1.根據(jù)（手冊(cè)提供的）數(shù)據(jù)，繪出100℃及5℃的干鹽相圖，如圖5-6：2.分析相圖，制定出原則流程，由圖我們可以清楚地看出：由5℃時(shí)的恒溫干鹽圖可知，其KNO3的結(jié)晶區(qū)（即飽和面）很大，而NaCl的結(jié)晶區(qū)很小。相反，由100℃時(shí)的恒溫干鹽相圖可知，NaCl的結(jié)晶區(qū)很大，而KNO3的結(jié)晶區(qū)（即飽和面）很小，根據(jù)以上兩個(gè)特點(diǎn)，我們可以確定制取KNO3的流程。①采取100℃時(shí)蒸發(fā)法提取NaCl；②采取冷卻法析出KNO3。三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖5-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（一）、不循環(huán)法流程1.等當(dāng)量（mol）點(diǎn)配料：以等當(dāng)量（mol）KCl和NaNO3混合物為原始組成，其組成點(diǎn)如圖中的點(diǎn)a，組成點(diǎn)a恰處于100℃時(shí)NaCl的結(jié)晶區(qū)中KCl+NaNO3a；；KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖5-7三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（一）、不循環(huán)法流程2.蒸發(fā)：在100℃時(shí)蒸發(fā)此溶液，飽和后有NaCl的結(jié)晶析出，液相組成點(diǎn)沿ab方向移動(dòng)，達(dá)到b時(shí)，KCl也已飽和，但未析出。濾出NaCl得到母液b，操作線(xiàn)為a→b。NaCl析出量可由直線(xiàn)Ab求出，即；KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（一）、不循環(huán)法流程3.冷卻鹽析：把母液b冷卻到5℃，b點(diǎn)落入KNO3結(jié)晶區(qū)。5℃蒸發(fā)此溶液，則液相沿bP2’方向移動(dòng)，到達(dá)P2’時(shí)，NaCl、KCl同時(shí)飽和，但未析出。濾去KNO3得母液P2’，過(guò)程操作線(xiàn)b→P2’返回系統(tǒng)，配入一定量的原料NaNO3和KCl可開(kāi)始第二個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)該過(guò)程的液相點(diǎn)都在b、P2’間變化。KNO3析出量MC可由直線(xiàn)CP2’求出，即KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（一）、不循環(huán)法流程由圖，我們可以看出采用上述方法，由于a、b兩點(diǎn)很近，即操作線(xiàn)ab、bP2’很短，每一次循環(huán)所得產(chǎn)品不多，即產(chǎn)率不高。而母液循環(huán)量大，反復(fù)加熱、冷卻很不經(jīng)濟(jì)。所以一般將母液廢棄而不進(jìn)行循環(huán)操作。這樣就勢(shì)必造成原料的損失。KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（二）、循環(huán)法流程1.a’點(diǎn)配料（非等摩爾點(diǎn)配料）：配料點(diǎn)a’為對(duì)角線(xiàn)BD和AP2連線(xiàn)的交點(diǎn)，

KCl和NaNO3的配料比由圖中可以清楚地看到NaNO3是過(guò)量的，也就是說(shuō)它是非等當(dāng)量（mol）點(diǎn)配料，a’點(diǎn)處于100℃時(shí)的NaCl結(jié)晶區(qū)中KCl+NaNO3a’；

KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7三、轉(zhuǎn)化法制取硝酸鉀生產(chǎn)的基本方法圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（二）、循環(huán)法流程2.蒸發(fā)鹽析（NaCl）：在100℃時(shí)蒸發(fā)溶液，液相組成點(diǎn)由a'到達(dá)P2點(diǎn)時(shí)KCl、KNO3同時(shí)飽和但未析出，NaCl析出量可由直線(xiàn)Aa'P2求出，即 濾去NaCl得母液P2，過(guò)程操作線(xiàn)a'P2。與不循環(huán)法中該過(guò)程相比，從圖中顯見(jiàn)操作線(xiàn)比ab長(zhǎng)的多，而線(xiàn)段Aa‘與Aa相差無(wú)幾，因此，與不循環(huán)流程相比較，NaCl析出量增多了，而母液量P2相應(yīng)減少了。

KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（二）、循環(huán)法流程3.冷卻鹽析（KNO3）：將母液P2冷卻到5℃，P2點(diǎn)落入KNO3結(jié)晶區(qū)，5℃時(shí)蒸發(fā)此溶液，液相沿P2d移動(dòng)，到達(dá)d時(shí)，NaCl也飽和但未析出，KNO3析出量MC可由直線(xiàn)Cd求出，即 從圖中可見(jiàn)，操作線(xiàn)P2d比P2‘b長(zhǎng)，而CP2又比Cb短，故KNO3的產(chǎn)率比不循環(huán)法中的大為增加，濾去KNO3，得母液d，過(guò)程操作線(xiàn)為P2d

KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7圖6-6K+、Na+//Cl-、NO3-–H2O四元交互系統(tǒng)100℃和5℃干鹽圖（二）、循環(huán)法流程母液d再加等當(dāng)量（mol）物料（NaNO3：KCl=1∶1）a混合到K點(diǎn)，以后循環(huán)過(guò)程為KP2dK……，即在此三點(diǎn)間循環(huán)變化。 KNO3NaCl母液返回系統(tǒng)原料a（或a’）蒸發(fā)過(guò)濾冷卻蒸發(fā)過(guò)濾圖6-7（三）、工藝計(jì)算（不循環(huán)法）1.在100℃蒸發(fā)由a到b的過(guò)程計(jì)算(以干鹽總和1mol為基準(zhǔn)計(jì)算)

溶液a溶液b由K+平衡解出Z：0.5=0.59Z∴Z=0.847由Na+平衡解出Y：0.5=Y+0.41Z∴Y=0.152由H2O平衡解出X：3.5=X+0.83Z∴X=1.100即100℃蒸發(fā)到b時(shí)，共蒸發(fā)了1.1mol的水，析出0.152mol的NaCl。（三）、工藝計(jì)算（不循環(huán)法）2.計(jì)算將NaCl分離后液相b冷卻到5℃，并使液相變到C時(shí)的KNO3析出量。C點(diǎn)的成分如上法求出，列出物料平衡表溶液b溶液C

解得：V=0.459；u=0.393；W=-0.500。第二節(jié)加水法從人造光鹵石制取氯化鉀的相圖分析

人造光鹵石是利用苦鹵生產(chǎn)氯化鉀過(guò)程中的一種中間物料，其大致組成（重量%）為：將含量很少的MgSO4忽略不計(jì)，人造光鹵石可看成屬于簡(jiǎn)單四元體系。300200100C0A（NaCl）（NaCl）ABis區(qū)C（MgCl2）（KCl）BP＇KRFMQGNSK＇B＇F＇G＇Q＇N＇S＇B（KCl）PM1M2M3N2圖5-17Na+、K+、Mg++||Cl--H2O體系25℃系統(tǒng)M（M0）蒸發(fā)過(guò)程M0L＇XZ（Car）（Car）M4Car區(qū)Bis區(qū)Bis區(qū)Car區(qū)A區(qū)A區(qū)B區(qū)LbC角放大C250200150100500CA（NaCl）（MgCl2）B（KCl）ABBisCar100℃75℃50℃40℃25℃10℃10℃25℃40℃100℃75℃圖5-18溫度對(duì)溶解度的影響該體系25℃相圖可見(jiàn)圖5-17，10℃、40℃、75℃、100℃的干基圖、水圖見(jiàn)圖5-18。(1)光鹵石Car是一種不相稱(chēng)復(fù)鹽，加水時(shí)分解為KCl。(2)溫度低更利于KCl的結(jié)晶析出。(3)KCl、NaCl共飽線(xiàn)是一條曲線(xiàn)，它是向著KCl頂點(diǎn)彎曲的，也就是說(shuō)，當(dāng)KCl、NaCl共飽時(shí)，溶解度要沿著這樣一條彎曲的曲線(xiàn)變化。一．人造光鹵石的加水過(guò)程1．M點(diǎn)的蒸發(fā)過(guò)程

100200300g/100gSg/100gSB＇278F＇K＇P＇T＇E＇179C＇113.5S＇M0M1M2M3M4M5R＇Q＇G＇63.676ZABCN＇TACGEPKMRQNSBKClBANaClMgCl2CarCarBisF一．人造光鹵石的加水過(guò)程2．加水過(guò)程100200300g/100gSg/100gSB＇278F＇K＇P＇T＇E＇179C＇113.5S＇M0M1M2M3M4M5R＇Q＇G＇63.676ZABCN＇TACGEPKMRQNSBKClBANaClMgCl2CarCarBisF二．加水法的基本流程1．一次加水法流程混合料M（M2）分解洗滌分離原料M（M＇）水W產(chǎn)品B（KCl）圖5-20一次加水法流程分解洗滌液K（K＇）30020010025℃C0A（NaCl）（NaCl）A（MgCl2）C（MgCl2）（KCl）BP＇KRFMQGNSK＇B＇F＇R＇G＇M＇Q＇N＇S＇B（K