脲硫酸復肥工業(yè)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究

侯翠紅，高 偉，苗俊艷，王好斌，張保林

(鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001)

0 引言

脲硫酸復肥生產(chǎn)工藝可充分利用我國廣泛存在的中、低品位磷礦資源一步法生產(chǎn)復合肥料，該工藝無磷石膏排放，縮短生產(chǎn)周期，極大地簡化氟回收系統(tǒng)，實現(xiàn)無“三廢”排放，提高生產(chǎn)效率。產(chǎn)品除含NPK外，還含有鈣、鎂、硫、硅、鐵等中微量營養(yǎng)元素，對于作物的全面營養(yǎng)和平衡施肥、增強作物的抗倒伏、防病害能力具有重要作用，產(chǎn)品中的氮和磷以絡(luò)合態(tài)形式存在，可降低氮的淋溶和揮發(fā)損失，減少磷的退化和固定，有效提高肥料養(yǎng)分利用率［1-2］，對延長我國磷資源的使用壽命、實現(xiàn)磷復肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。流體的密度和黏度對反應器的設(shè)計以及流體的輸送和傳熱具有重要意義［3］，因此，本文對脲硫酸溶液的密度、黏度進行了研究，為工業(yè)化提供基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

主要試劑:98%硫酸、鹽酸、硝酸，洛陽昊華化學試劑有限公司提供，均為分析純;鉬酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司提供，分析純;檸檬酸，天津市風船化學試劑科技有限公司提供，分析純。儀器:單孔智能水浴鍋、數(shù)顯無級恒速攪拌器、循環(huán)水式多用真空泵(鞏義英峪華科儀器廠);數(shù)顯黏度計(美國Brookfield DV-C)。

1.2 實驗方法

1.2.1 脲硫酸溶液的配制

實驗選用貴州開陽磷礦，礦粉粒度為0.15 mm。脲硫酸溶液中尿素、硫酸和水配比(物質(zhì)的量比)分別為1.8∶1∶1和2.0∶1∶1的。

1.2.2 脲硫酸分解磷礦

本文采用不同尿素與硫酸配比分解磷礦，考慮到工業(yè)上噴漿造粒對流動性的要求，分別對原磷礦用量的70%、75%、80%進行試驗。

1.3 分析測試方法

用比重瓶法對酸解劑和磷礦料漿的密度進行測定;用Brookfield DV-C型數(shù)顯黏度計［4］測定脲硫酸溶液及其分解磷礦料漿的黏度，測量精度為1 mPa·s;用磷鉬酸喹啉重量法［5］分別測定料漿中的有效磷(A-P2O5)和總磷(T-P2O5)的含量，并計算磷礦轉(zhuǎn)化率Xp=A-P2O5/T-P2O5。

2 結(jié)果與討論

2.1 脲硫酸溶液密度和黏度性質(zhì)研究

尿素和水的配比為1.8∶1∶1，硫酸和水的配比為2.0∶1∶1。用比重瓶法和黏度計法分別在25～85℃范圍內(nèi)測定脲硫酸溶液的密度和黏度，見圖1和圖2。

圖1 不同配比的脲硫酸密度曲線圖

由圖1可以看出，組成一定時，脲硫酸溶液的密度隨溫度的升高而減小;溫度一定時，脲硫酸溶液的密度隨尿素的摩爾分率的增加而減小，因為尿素是小分子，與水的性質(zhì)相似。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線擬合出的數(shù)據(jù)可知，1.8∶1∶1和2.0∶1∶1時密度很接近，所以脲硫酸密度ρ隨溶液溫度T的變化可用同一方程式(1)描述:

圖2 不同配比的脲硫酸黏度曲線圖

由圖2可以看出，脲硫酸溶液的黏度隨溫度的升高而減小，且在25～55℃隨溫度升高，黏度急劇減小。采用計算機擬合出組成一定的脲硫酸溶液黏度η(mPa·s)隨溫度T(℃)變化的方程式為:

式(2)中 A、η0、T1均為方程參數(shù)，隨溶液配比發(fā)生變化，見表1。

表1 式(2)擬合方程參數(shù)表

擬合方程線性回歸相關(guān)系數(shù)R2＞0.99，擬合精度較高，能夠較好地描述體系黏度隨溫度變化規(guī)律。因此不同配比的脲硫酸在不同溫度下的黏度可以利用擬合方程計算得到。

2.2 脲硫酸分解磷礦料漿性質(zhì)研究

采用脲硫酸溶液分解磷礦制得的料漿，磷礦轉(zhuǎn)化率在94%以上，料漿流動性較好。用比重瓶法和黏度計分別對料漿在50～85℃的密度和黏度進行了測定，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，不同酸解劑配比分解磷料漿密度和黏度隨溫度的升高而減小。根據(jù)測定的密度數(shù)據(jù)，用Origin8.0擬合出不同的溫度下料漿的密度ρ(kg/L)和料漿黏度η/(mPa·s)的方程形式分別為:

表2 脲硫酸分解磷礦所得料漿的密度和黏度

式(3)中ρ代表密度，式(4)中η代表黏度，式(3)和式(4)中的 A、B、C、D、E 均為方程參數(shù)，見表3。

表3 式(3)和(4)中的擬合參數(shù)

擬合方程線性回歸的相關(guān)系數(shù)R2＞0.99，其擬合精度較高，能夠較好地描述體系密度和黏度隨溫度變化的規(guī)律，因此不同配比的脲硫酸分解磷礦制得的料漿的密度和黏度可以利用擬合方程計算得到。

3 結(jié)論

本文對脲硫酸溶液的密度和黏度進行了測定，并對脲硫酸溶液分解磷礦制得的料漿的性質(zhì)進行了研究，料漿磷礦初期轉(zhuǎn)化率在94%以上，料漿黏度在8 200～12 800 mPa·s，流動性較好，可以順利輸送。

［1］侯翠紅，許秀成，王好斌，等.一種脲硫酸多營養(yǎng)功能性復肥的生產(chǎn)方法:中國，ZL201310096516.6［P］.2014-04.

［2］侯翠紅，張寶林，王光龍.清潔型脲硫酸復肥新工藝研究［J］.河南化工，2007(24):25-27.

［3］湯桂華，趙增泰，鄭 沖.硫酸［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1997.

［4］杭州大學化學系分析化學教研室.分析化學手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1997.

［5］GBT8773-2010，復混肥中有效磷的含量的測定［S］.