浅论硝酸钾结块与其晶体颗粒度及分布影响因素的关系.pdf

研究与开发化 工 设 计 通 讯Research and DevelopmentChemical Engineering Design Communications 79第49卷第7期2023年7月硝酸钾易结块甚至板结，造成使用时不得不进行碾压、破碎或粉碎，严重影响使用便利性；同时，属强氧化剂，加工时产生的火花或混入还原剂导致易燃、易爆，降低了使用安全性。因此，研究分析硝酸钾结块形成机理及其相关联的影响因素具有重要的现实 意义。1 硝酸钾结块成因、解决或改善结块方法与晶体颗粒度及分布理想范围（1）固体状硝酸钾为白色晶体颗粒状，外观呈针状、毛发状、粒状各形状体混杂。外观为针状、毛发状晶粒聚集时彼此不易滑动；而粒状晶体颗粒偏小时，则其单位体积表面积增大，吸附力增强，特别是当晶体颗粒分布不均匀时，粉末或较小晶体颗粒极易填充空隙，因而具致密性；虽然纯硝酸钾极低吸湿率，但含杂质使其平衡湿度降低，吸湿率增大。基于此固有的外观形状、物理化学特征，硝酸钾易结块甚至 板结。（2）从上述可知，硝酸钾结块与其晶体外观形状、颗粒度及分布密切相关。为防止或改善硝酸钾结块特别是板结，最有效、最直接的办法是改变晶体颗粒外观形状，即粒化成球状颗粒；但考虑到粒化成本因素，通常是在生产过程中有效把控、因势利导将硝酸钾晶体颗粒度及分布影响因素引导生产出晶体颗粒粗细适中、分布均匀硝酸钾。根据对硝酸钾晶体颗粒度及分布研究分析以及过往使用调查发现，晶体颗粒80-120目范围内占比85%以上，且小于80目或大于120目占比少于5%较为理想。这样硝酸钾不易结块，或即便结块因其疏松也易于破碎或粉碎，提高使用便利性、安全性。2 实际生产中硝酸钾晶体颗粒度及主要影响因素下面以硝酸铵、氯化钾复分解法硝酸钾生产为例，引用相关理论，结合如下生产工艺流程，详细阐述溶液浓度与离子配比平衡、冷却降温速度、pH、漂洗等硝酸钾晶体颗粒度及分布主要影响因素。摘要：简述硝酸钾结块成因及解决或改善方法。根据研究分析以及过往使用调查结果，量化并界定硝酸钾晶体颗粒粗细适中、分布均匀的理想范围。引用相关理论，结合硝酸铵、氯化钾复分解法生产工艺，深入分析并详尽阐述溶液浓度与离子配比平衡、冷却降温速度、pH、漂洗等硝酸钾晶体颗粒度主要影响因素，提出切实可行的对策及建议合适的操作方法或控制工艺参数。总结论证硝酸钾晶体颗粒度及分布影响因素最终关系到硝酸钾结块性。关键词：颗粒度及分布；结块；目；复分解；母液；离子配比；自由能 中图分类号：TQ131.13文献标志码：A文章编号：10036490（2023）07007903On the Relationship Between Agglomeration and Its Crystal Granularity as Well Distribution Influencing Factors of Potassium NitrateZou Wen-jun，Zuo Xin-shengAbstract:Brief described for the cause of potassium nitrate agglomeration and the solution or improvement methods.Based on the research analysis and past use of the investigation to users,the ideal range of potassium nitrate crystal particles of moderate size and uniform distribution was quantified and defined.Reference related theories,combined with ammonium nitrate,potassium chloride complex decomposition production process flow,thorough analysis and elaborate solution concentration and ion ratio balance,cooling speed,PH value,rinsing of potassium nitratecrystalgranularityanddistributionofthemaininfluencefactors,putforwardfeasiblecountermeasuresandsuggest appropriate operation methods or control process parameters.The paper demonstrates that the granularity and distributionaffectingfactorsofpotassiumnitratecrystalsareultimatelymattertoitsagglomeration.Keywords:granularity and distribution;agglomeration;mesh;complex decomposition;mother liquor;ion ratio balance;gibbs free potential浅论硝酸钾结块与其晶体颗粒度及分布影响因素的关系邹文军，左新盛（湖南丹化农资有限公司，湖南湘潭 411134）收稿日期：20230703作者简介：邹文军（1964），湖南祁东人，工程师，主要研究方向为硝酸钾复分解法生产技术。研究与开发化 工 设 计 通 讯Research and DevelopmentChemical Engineering Design Communications80 第49卷第7期2023年7月（下转第150页）?图1 硝酸铵、氯化钾复分解法硝酸钾生产工艺流程图（1）溶液浓度与离子配比平衡对硝酸钾晶体颗粒度及分布产生基础性影响，贯穿整个生产阶段。从工艺流程图上发现，该生产工艺重要生产工段均为冷却结晶和晶液分离。从结晶学理论可知，溶液中溶质过饱和引发自由能变化且为负值诱发结晶，而晶体长大则是溶液在结晶条件下溶质离子在化学键作用下选择性地不断加到相应的溶质晶核上面。溶液浓度高，黏稠度大，易产生过饱和引发自由能变化且负值大，因而结晶驱动力强、时间短；而离子配比失衡时，则离子迁移或适配速度慢，影响结晶均匀成核，阻滞晶体生长，严重时因晶粒畸小出现晶液“乳化”现象。因此，溶液浓度高或离子配比失衡导致晶体颗粒偏小或分布不均匀。实际生产中，温度100 时测量母液浓度约45（B）时较为合适；与此同时，检测母液中 K+、CI-、NH4+和 NO3-离子含量，据此计算出氯化钾或硝酸铵投料量，以实现离子配比平衡。（2）冷却降温速度对硝酸钾晶体颗粒度与分布具有根本性影响，无论是在粗硝抑或是精硝结晶阶段。根据结晶热力学原理可知，溶液持续冷却降温产生过冷度、形成过饱和引发自由能变化，触发结晶，促成晶体长大。冷却降温速度快，结晶驱动力强劲，则结晶和或晶体长大时间短，晶体颗粒细小，反之，则晶体颗粒粗壮。为此建议硝酸钾快速结晶阶段保持粗硝结晶25-30 /h 或精硝结晶15-20 /h 降温速度。实际生产中，为保证降温速度，通常需要采取强制冷却降温措施，如机械搅拌、强吹风、循环水冷却等，必要时，蒸汽喷射冷却；这些措施或单独或组合使用，具体视情况而定。设置适宜的强制冷却装置运行参数也是必要的，一般地，机械搅拌转速约60 r/min，强吹风风速约25 m/s，循环水冷却水流速1-3 m/s 不等，蒸汽喷射冷却蒸汽流量控制在1.8 t/h 左右。（3）pH 对硝酸钾晶体颗粒度及分布发挥关键性影响，作用各主要生产阶段。理论研究与生产实践表明，酸性环境下，离子活性、化学键降低，晶体长大受到抑制，自然的颗粒细小，特别地，酸度太强时甚至会发生所谓的晶体“回溶解”现象；反之，碱性环境下，离子活性、化学键增强，则有利于晶体长大，自然地晶体颗粒粗实。鉴于此，实际生产中 pH应控制在7.0-9.0之间。我们知道，硝酸铵、氯化钾复分解法硝酸钾生产工艺中主原料氯化钾、主产品硝酸钾均为强酸强碱盐，水溶解状态下呈中性，pH等于7.0；而主原料硝酸铵、副产品氯化铵则为强酸弱碱盐，水溶解状态下呈酸性，pH 小于7.0；生产中测试溶液 pH 为6.0-6.5，呈酸性。由此，粗硝重溶解时通常引入碱或水溶碱性盐如烧碱或纯碱、小苏打；这不仅调节溶液 pH 大于7.0，即碱性环境，有利于后续结晶工序，而且在加热或温度较高时因粗硝中残留的 NH4+离子分别与其 OH-/CO32-/HCO3-离子 发 生 化 学 反 应 OH-+NH4+=NH4OH=NH3+H2O 或 CO32-+2NH4+=2NH3+CO2+H2O 或 HCO3-+NH4+=NH3+CO2+H2O，达到除去粗硝中的铵的目的。（4）漂洗对硝酸钾晶体颗粒度及分布起着最终、决定性影响，尤其是在精硝离心漂洗阶段。常识告诉我们，越细小的晶体颗粒和晶体须、梢、刺、凸出等越易溶于水。漂洗时，这些最先溶解于水或被冲洗掉，使得晶体颗粒增粗，分布趋向均匀，且晶体颗粒表面亦变得稍许圆滑些。但过度漂洗会适得其反，甚至可能会引发“涨液”现象，影响产量，增加生产成本。因此，精硝离心漂洗应以满足硝酸钾各杂质含量符合相应质量标准要求为准。（5）不同的生产工艺硝酸钾晶体颗粒度及分布相差明显。通过对比硝铵、硝钠和硝镁三种不同复分解法生产的硝酸钾产品晶体颗粒筛网实验测量结果，发现硝铵复分解法相较于其他二种复分解法硝酸钾晶体颗粒偏小，分布均匀性也差，具体原因有待探究。详见下面硝酸钾晶体颗粒度及分布统计表1和硝酸钾晶体颗粒度及分布曲线图2。表1 硝酸钾晶体颗粒度及分布统计表样本重（g）生产工艺筛网80 目筛网80-100 目筛网100-120 目筛网120 目筛网80-120 目样本损耗量（g）颗粒占比(%)颗粒占比(%)颗粒占比(%)颗粒占比(%)颗粒占比(%)350硝铵法9.549.824.615.474.43.5350硝铵法14.144.730.810.175.56.3365硝钠法4.762.127.15.989.13.2365硝钠法5.358.431.74.390.15.6360硝镁法4.852.933.86.686.74.0360硝镁法5.455.632.14.987.74.5备注：1.硝酸铵、氯化钾复分解法简称硝铵法；2.硝酸钠、氯化钾复分解法简称硝钠法；3.硝酸、氧化镁、氯化钾复分解法简称硝镁法。化工能源化 工 设 计 通 讯Chemical EnergyChemical Engineering Design Communications150 第49卷第7期2023年7月材料质量，有利于对其展开恰当选择。在进行涂层施工环节，必须严格遵循国家相关规定和施工要求实施，在正式施工前还应全面清理管道外壁，以免外壁中含有水分及其他杂质对涂层黏性形成不良影响。施工完成后，需对其实施全方位检查，在确保整体环节不存在问题后，才可进行管道下沟作业及管沟回填工作。长输管道在经过一段时间使用后，会受到第三方施工和植物生长等多种因素的干扰，防腐层可能遭到损坏，对此企业应定期聘请专业人员针对管道防腐层实施整体检测，及时找出防腐层受损位置并实施修补，以免因防腐层受损产生管道严重腐蚀现象4。3.4 阴极保护电化学腐蚀对长输管道本体具有较为严重的危害性，导致管道电化学腐蚀产生的因素较多，仅依靠物理保护措施很难真正处理电化学腐蚀问题。基于此，应从电化学视角出发，针对管道进行相应保护措施。当天然气长输管道投产运行后，必须定时对管道沿线情况展开调查，掌握各区域土壤电位和杂散电流分布状况，倘若发现部分区域杂散电流密度较大时，就需要在这些区域安放排流桩，使杂散电流融入地层中，避免其在天然气长输管道金属部位汇聚。应积极融入阴极保护方法，阴极保护是一种较为常见的电化学保护方式，此种类方法已在我国部分管道中得到应用并取得成功。从应用原理视角入手，阴极保护一方面能够避免形成较为严重的电化学腐蚀现象；另一方面还可防止产生化学腐蚀现象，在管道距离相对较短的条件下，融入外加电流阴极保护方法，在管道相距较长的条件下，使用牺牲阴极的保护方法，在阴极保护设备应用一段时间之后，因各种因素综合影响下，保护电位将有失效的可能，基于此，相关工作者应定时对阴极保护装置实施整体检测，一旦查出保护电位及电流出现不合理现象，就应及时对设施参数展开科学调整，使此种保护方法充分展现出其应有作用。3.5 日常管理防腐天然气长输管道防腐蚀工作是一个漫长且复杂的过程，在实际管理中，相关工作者应加大对管道故障进行科学管控，落实好管道腐蚀及预防管理工作。一方面，要做好长输管道防腐工作，严格记录其相关数据信息和运行情况，并将各种异常现象登记在册，有利于第一时间实施防腐处理，并对管道进行定时检查，重点查看其内部压力及容器压力等，以免管道在运行过程中形成安全问题；另一方面，需拟定相应管理制度，要求相关工作者严格遵守。在进行管道防腐工作过程中，应根据天然气公司真实情况和相关制度规范落实好日常管理，整体抑制管道腐蚀现象的产生。并加大对相关工作者培训力度，加强其安全意识，使天然气长输管道防腐工作高效进行。4 结束语天然气长输管道由于各种原因综合影响，极易产生管道腐蚀现象，一方面将导致其使用寿命逐渐缩短，另一方面还会引起天然气泄漏问题。倘若因天然气泄漏引起火灾、爆炸等安全事故，将对人们生命财产安全造成重大影响，同时还会对周围环境形成污染。因此，需要对天然气长输管道实施防腐保护措施，逐步更新及健全防腐保护计划，进一步为天然气管道安全正常使用提供强有力保障。参考文献1 韩菲杨,林聿明,石峰.天然气长输管道内腐蚀原因分析及控制措施 J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(13):5-6.2 乔勇.天然气长输管道腐蚀因素、缺陷检测技术及防护措施探讨 J.云南化工,2021,48(6):120-122.3 何朝辉.天然气长输管道防腐防护措施 J.化工管理,2020(30):191-192.4 杨力.天然气长输管道腐蚀的危害性及防护策略 J.当代化工研究,2020(11):90-91.（上接第80页）?图2 硝酸钾晶体颗粒度及分布曲线图3 结论综上所述，硝酸钾晶体颗粒度及分布影响因素复杂且多种，交叉影响、共同作用于某个或整个生产阶段，且影响规律、程度、范围又不一样，但通过颗粒度及分布间接影响到硝酸钾结块。参考文献1 天津大学物理化学教研室编.李松林,周亚平,刘俊吉修订.物理化学（第五版上、下册）M 北京:高等教育出版社,2009.2 王萍,李国昌.结晶学教程(第三版)M.北京:国防工业出版社,2008.3 周爱月,李士雨.化工数学(第三版)M.北京:化学工业出版社,2011.