濕法磷酸制備磷酸二氫鉀實驗研究

李興平，劉 陽，李樹坤，范傳海，于南樹，2，3

(1.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東臨沂 276000;2.養(yǎng)分資源高效利用與綜合開發(fā)國家重點實驗室，山東臨沂 276000;3.國家緩控釋肥工程技術研究中心，山東 臨沂 276000)

磷酸二氫鉀是一種高濃度的高級磷鉀復肥，具有營養(yǎng)成分高，化學性穩(wěn)定，易溶于水，吸濕性小，不結(jié)塊，因而適合于各種土壤和作物。近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。同時，磷酸二氫鉀作為無機類磷酸鹽也是現(xiàn)代醫(yī)學、化學化工及食品工業(yè)的重要原料［1－2］。

國內(nèi)外磷酸二氫鉀的生產(chǎn)方法主要有中和法［3］、溶劑萃取法［4］和復分解法［5］:中和法由于原料氫氧化鉀價格較高，生產(chǎn)成本高，因而限制了大規(guī)模的生產(chǎn);溶劑萃取法工藝流程復雜，有機溶劑多為醇類、胺類以及脂類、酮類、烷基氧磷類等，其價格較高，污染大，投資較高;復分解法具有原料價格便宜、產(chǎn)率較高等優(yōu)點。本文以濕法磷酸、氨氣和氯化鉀為原料，采用復分解法［6－7］，通過調(diào)節(jié)原料配比、磷酸一銨濃度、反應溫度、反應時間等工藝條件制取磷酸二氫鉀。

1 實驗

1.1 實驗原理

先將濕法稀磷酸脫硫脫砷，然后通入氨氣制得磷酸一銨溶液，再將氯化鉀加入到磷酸一銨溶液中，通過增加反應物氯化鉀的濃度和減少存在于母液中磷酸二氫鉀晶體的量，使反應平衡向正反應方向移動，趨于完成，主要化學反應式為:

NH3+H3PO4=NH4H2PO4

KCl+NH4H2PO4=KH2PO4+NH4Cl

磷酸二氫鉀在水中由于同離子效應，同時溫度的急劇下降溶解度也隨之降低，磷酸二氫鉀結(jié)晶的量也隨之增加。過量的氯化鉀可以轉(zhuǎn)移到副產(chǎn)品氮磷鉀復合肥中［8］，也可以制備硫酸鉀。

1.2 實驗原料

表1 稀磷酸化學成分分析

濕法稀磷酸取自金正大諾泰爾化學有限公司，工業(yè)氯化鉀來自俄羅斯，罐裝氨氣來自貴州某廠家。其中ω(KCl)=98%。稀磷酸的化學成分分析見表1。

1.3 實驗設備

實驗所需的主要設備有:電熱鼓風干燥箱、電熱恒溫水浴鍋、循環(huán)水式多用真空泵、電動攪拌機、調(diào)速器、電爐、電子天平、電子分析天平、ICPS－7510等離子發(fā)射光譜儀等。

1.4 實驗方法

先將濕法磷酸脫硫脫砷凈化，然后在凈化后的磷酸中通入氨氣，通氨中和至溶液的中和度為1.05，然后加入一定量的氧化鈣于70℃反應1h后保溫陳化1h后過濾，濾液為磷酸一銨溶液。量取一定量一定濃度的磷酸一銨溶液，稱重后倒入三口燒瓶中，調(diào)節(jié)溶液pH值為3.6，然后于恒溫水浴中加熱，并攪拌，達到設定溫度后，稱取一定量KCl加入其中，溶解反應一段時間后，將雜質(zhì)過濾后溶液經(jīng)冷卻結(jié)晶、過濾、烘干制得磷酸二氫鉀。

1.5 分析方法

磷含量用磷鉬酸喹啉重量法測定;鉀含量用四苯基合硼酸鉀重量法測定;氮含量用蒸餾滴定法測定;氯含量用電位滴定法測定。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 原料配比對P2 O5收率的影響

在反應溫度95℃，反應時間90min，磷酸一銨中P2O5濃度為14.5%時，通過改變氯化鉀的用量來改變氯化鉀與磷酸一銨物質(zhì)的量比，考察原料配比對P2O5收率的影響，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 氯化鉀與磷酸一銨物質(zhì)的量比對P2 O5收率的影響

由圖1可知，隨著氯化鉀與磷酸一銨物質(zhì)的量比的增大，P2O5收率也逐漸增加，當氯化鉀與磷酸一銨的物質(zhì)的量比為1.8時，P2O5收率基本達到較大值，繼續(xù)增加氯化鉀與磷酸一銨的物質(zhì)的量比對P2O5收率影響不大。故從原料成本考慮，選氯化鉀與磷酸一銨的物質(zhì)的量比為1.8時較為合適，此時磷收率為79%。

2.2 磷酸一銨中P2O5濃度對P2O5收率的影響

在反應溫度95℃，反應時間90min，原料配比 n(KCl)∶n(NH4H2PO4)=1.8時，考察磷酸一銨中P2O5濃度對P2O5轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著磷酸一銨中P2O5濃度的增加，P2O5收率也是逐漸增加的。但是隨著P2O5濃度的增加，產(chǎn)品中的氮和氯含量也明顯增加，對產(chǎn)品純度的影響比較大。原因可能是:隨著磷酸一銨中P2O5濃度的增大，原料中KCl和NH4H2PO4部分未溶解，得到的產(chǎn)品是一個多元共晶體系，所以導致產(chǎn)品中氮、氯含量明顯升高，磷、鉀含量呈減小趨勢，從而使生成的產(chǎn)品純度降低。故磷酸一銨中P2O5最合適的濃度為14.5%，此時產(chǎn)品為合格品。

圖2 磷酸一銨中P2 O5濃度對P2 O5收率的影響

2.3 反應溫度對P2 O5收率的影響

在磷酸一銨中P2O5濃度為14.5%，原料配比n(KCl)∶n(NH4H2PO4)=1.8，反應時間90min時，考察反應溫度對P2O5轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應溫度對P2 O5收率的影響

由圖3可知，隨反應溫度的增加，P2O5收率隨之增加，在反應溫度達到95℃以后，這種趨勢已不明顯。由此可見，為節(jié)約成本，反應溫度以95℃左右為宜。

2.4 反應時間對P2O5收率的影響

在磷酸一銨中P2O5濃度為14.5%，原料配比n(KCl)∶n(NH4H2PO4)=1.8，反應溫度95℃時，考察反應時間對P2O5轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨反應時間的增加，P2O5轉(zhuǎn)化率隨之呈上升趨勢。但當反應時間達90min后，P2O5轉(zhuǎn)化率隨時間增加的幅度變得較為緩慢。由此可見，反應時間以90min左右為宜。

圖4 反應時間對P2 O5收率的影響

3 結(jié)論

(1)以濕法磷酸為原料，利用氨氣中和凈化后的磷酸制備磷酸一銨，加入氯化鉀，通過復分解法來制備磷酸二氫鉀的方法是可行的，該法工藝簡單，能耗低，原料綜合利用率高，主、副產(chǎn)品均可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有較好的工程應用價值和良好的經(jīng)濟效益。

(2)該工藝的最佳條件為:磷酸一銨中 P2O5濃度為14.5%，原料配比 n(KCl)∶n(NH4H2PO4)=1.8，反應溫度95℃，反應時間90min。此工藝條件下P2O5收率為79%，制得的磷酸二氫鉀純度為95%，達到HG/T 2321－2016質(zhì)量標準要求，為合格品。