冷却溶析—反应萃取耦合结晶法生产氯化钾的过程研究

论文摘要

钾是农作物生长必需的三大要素之一。钾肥对农作物的主要作用是平衡氮、磷和其它营养元素,以达到改善作物的质量,使作物增产的目的,其中钾肥产品主要以氯化钾为主。目前国内外生产氯化钾的工艺有很多种,由于本课题是国家“十一.五”科技支撑计划项目“钾镁盐矿生态化开发系统工程研究”中的一部分,重点研究钾镁盐矿的钾盐开发利用问题,旨在实现生态化提取氯化钾,以往工艺均不适合,因此本文针钾镁盐矿的实际状况,开发出以热溶浸液为原料的冷却溶析结晶和反应萃取结晶两步新结晶工艺,生产出符合工业要求的氯化钾产品,并对其形态学、杂质对氯化钾晶体形态的影响、结晶热力学、结晶动力学、耦合结晶过程的模拟,进而实现了该新工艺的全程优化。首先,针对钾镁盐矿的实际情况,试验筛选提取氯化钾的工艺及其操作时间表,初步建立了冷却溶析-反应萃取耦合结晶生产氯化钾的新工艺。接下来本文对氯化钾晶体的形态学（晶体微观结构及晶习）,以及杂质对氯化钾晶体形态的影响进行了较为深入的探讨。通过采用X射线单晶衍射仪对氯化钾进行的结构解析,并研究了SO42+、Na+、Mg2+、Ca2+等离子对氯化钾晶体形态及晶体生长速率的影响。实验研究了反应萃取结晶过程体系中氯化钾的热力学性质,采用动态法测定不同温度下氯化钾在该结晶过程中的溶解度数据并进行了关联,同时测定了不同温度下反应萃取结晶法生产氯化钾的介稳区。通过细致的实验研究与模型模拟,建立了反应萃取结晶法生产氯化钾的结晶动力学方程组,确定了耦合结晶过程中晶体成核、生长以及聚结速率方程中的相关参数;以粒数恒算方程为基础,结合质量恒算和动力学方程,建立了反应萃取法制取氯化钾的结晶过程数学模型。依据晶体生长习性,介稳区特性,结晶动力学,以及物料性质,研究了操作变量如降温速率、搅拌速率和最终温度对冷却溶析结晶过程的产品粒度和收率的影响,研究了水固比（水和冷却溶析结晶产品的质量比）、晶种的加入量和过程温度,以及洗涤液用量对反应萃取结晶产品的粒度和收率以及纯度的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 国内外钾肥的发展状况
• 1.3 氯化钾的介绍及课题的研究意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 多元组合结晶法制备高纯氯化钾的结晶工艺研究
• 2.1 文献综述
• 2.1.1 从钾盐矿中提取氯化钾的工艺
• 2.1.2 卤水提钾生产工艺
• 2.1.3 海水提钾技术研究进展
• 2.2 工艺路线选择
• 2.3 实验试剂、仪器与产品的分析方法
• 2.3.1 实验试剂
• 2.3.2 实验仪器
• 2.3.3 实验装置图
• 2.3.4 产品的分析方法
• 2.4 冷却溶析结晶正交实验
• 2.4.1 冷却溶析结晶实验内容
• 2.4.2 冷却溶析结晶正交实验结果与讨论
• 2.5 反应萃取结晶正交实验
• 2.5.1 反应萃取结晶的原理及实验内容
• 2.5.2 反应萃取结晶正交实验步骤
• 2.5.3 反应萃取结晶正交实验结果与讨论
• 2.6 反应萃取结晶固体产品的洗涤实验
• 第三章 氯化钾形态学研究及杂质与氯化钾作用效应分子模拟
• 3.1 理论基础
• 3.1.1 晶体结构
• 3.1.2 晶体微观结构的测定
• 3.1.3 晶体预测基本理论
• 3.1.4 过饱和度对晶体形态的影响
• 3.1.5 杂质对晶体形态的影响
• 3.1.6 分子动力学模拟法
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 实验药品与仪器
• 3.2.2 氯化钾晶体的制备
• 3.2.3 氯化钾晶体的单晶衍射
• 3.2.4 氯化钾晶体晶习预测
• 3.2.5 考虑溶剂效应的晶习预测
• 3.2.6 杂质作用分子模拟
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 氯化钾晶胞的构建
• 3.3.2 利用BFDH 模型预测氯化钾晶体晶习
• 3.3.3 过饱和度和杂质对晶体晶习的影响
• 3.3.4 杂质的影响
• 3.4 小结
• 第四章 反应萃取结晶法制取氯化钾的结晶热力学研究
• 4.1 文献综述
• 4.1.1 固液相平衡理论
• 4.1.2 溶解度与介稳区
• 4.2 实验研究
• 4.2.1 反应萃取条件下氯化钾溶解度的测定
• 4.2.2 反应萃取条件下氯化钾介稳区的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 溶解度
• 4.3.2 反应萃取结晶法生产氯化钾的结晶介稳区
• 4.4 小结
• 第五章 反应萃取结晶法制取氯化钾的结晶动力学研究
• 5.1 文献综述
• 5.1.1 结晶成核
• 5.1.2 晶体生长
• 5.1.3 聚结过程
• 5.1.4 破碎过程
• 5.2 成核、生长、聚结动力学模型的建立
• 5.2.1 粒数衡算方程
• 5.2.2 矩量变换法
• 5.2.3 分级法
• 5.3 氯化钾晶体生长机理辨识
• 5.3.1 利用表面熵因子判别氯化钾晶体生长机理
• 5.3.2 利用原子力显微镜（AFM）判别氯化钾晶体生长机理
• 5.4 反应萃取结晶法制取氯化钾的结晶动力学的测定
• 5.4.1 实验装置
• 5.4.2 实验步骤
• 5.4.3 实验数据预处理
• 5.4.4 实验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 反应萃取结晶法制取氯化钾的结晶过程模拟
• 6.1 文献综述
• 6.2 结晶过程的模型建立与求解
• 6.2.1 模型建立
• 6.2.2 模型求解
• 6.2.3 模拟流程
• 6.3 模型的模拟结果
• 6.3.1 模型的可靠性验证
• 6.3.2 操作参数对模型预测结果的影响
• 6.4 小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 建议
• 参考文献
• 读博期间发表论文
• 附录
• 致谢