水盐体系相图及其应用5

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 四元水盐体系相图的应用,第一节 硝酸钾生产的相图分析,第二节 加水法从人造光卤石制取氯化钾的相图分析,第一节 硝酸钾生产的相图分析,一、硝酸钾生产概述,硝酸钾（,KNO,3,）是含氮、钾元素的复合肥料，主要用于园艺作物。硝酸也用于食品工业和玻璃工业，还用来制造火药和烟火。,在自然界中天然硝酸钾的矿藏量不多。我国古代最早制出硝酸钾并用于制取火药。直到目前，广大农村仍从草木灰提取硝酸钾。,第一节 硝酸钾生产的相图分析,一、硝酸钾生产概述,在实验室，制取硝酸钾一般用硝酸中和氢氧化钾（钾碱、苛性钾）来制取硝酸钾，即,KOH+HNO,3,=KNO,3,+H,2,O,在工业生产中，用硝酸中和氢氧化钾的生产方法很少采用，因为所用的原料,钾碱（或称苛性钾、氢氧化钾）和硝酸都比较贵重。,目前广泛采用的是转化法制取硝酸钾。,此外由氮氧化物和氯化钾制取硝酸钾，阳离子交换法制取硝酸钾。,转化法主要用硝酸钠（,NaNO,3,）和氯化钾（,KCl,）的复分解反应来制取：,KCl+NaNO,3,=KNO,3,+NaCl,也可用其它硝酸盐和氯化钾、硫酸钾或碳酸钾进行复分解反应来制取硝酸钾，例如：,KCl+NH,4,NO,3,=KNO,3,+NH,4,Cl,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,单固相溶解度曲面,面积,ae,1,p,1,e,4,a L,A,KNO,3,的饱和面,面积,be,2,p,1,e,1,b L,B,NaNO,3,的饱和面,面积,ce,3,p,2,p,1,e,2,c L,C,NaCl,的饱和面,面积,de,4,p,2,e,3,d L,D,KCl,的饱和面,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,两盐共饱线,e,1,P,1,L,A+B,KNO,3,和,NaNO,3,的共饱线,e,2,P,1,L,C+B,NaCl,和,NaNO,3,的共饱线,e,3,P,2,L,C+D,NaCl,和,KCl,的共饱线,e,4,P,2,L,A+D,KNO,3,和,KCl,的共饱线,P,1,P,2,L,A+C,KNO,3,和,NaCl,的共饱线,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,三盐共饱点,P,1,L,A+B+C,KNO,3,、,NaNO,3,和,NaCl,的共饱点,P,2,LA+D+C NaCl,、,KCl,和,KNO,3,的共饱点,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,几何体代表的相区,体积,ce,3,p,2,p,1,e,2,Cc L,C,+C NaCl,结晶及其饱和溶液的两相区,体积,de,4,p,2,e,3,dD L,D,+D KCl,结晶及其饱和溶液的两相区,体积,ae,1,p,1,e,4,aA L,A,+A KNO,3,结晶及其饱和溶液的两相区,体积,be,2,p,1,e,1,bB L,B,+B NaNO,3,结晶及其饱和溶液的两相区,图,5-2,多相区划分图,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,体积,e,2,p,1,BC L,B+C,+,（,B+C,）,NaNO,3,、,NaCl,结晶及其共饱液的三相区，见图,5-2,（,b,），此外还有四个三相区。,图,5-2,多相区划分图,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,1,恒温图,四面体,P,1,ABC L,A+B+C,+,（,A+B+C,）是,KNO,3,、,NaNO,3,和,NaCl,结晶及其共饱液的四相区，见图,5-2,（,C,）。另一个四相区是体积,P,2,ADC L,A+D+C,+,（,A+D+C,）是,KNO,3,、,KCl,和,NaCl,结晶及其共饱液的四相区。,图,5-2,多相区划分图,图,5-1 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统于,100,下的恒温立体相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,2,投影图,图,6-3 100,下,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统相图,3,多温图,可以看出，在所示的温度范围内，系统的性质没有质的变化，只有量的变化，即在,5,100,之间，没有复盐和水合物生成，但各种盐的溶解度都有较大的改变。在高温下,NaCl,的相对溶解度最小，低温下,KNO,3,的相对溶解度最小（对此两种盐而言）。,图,6-5 K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,+H,2,O,系统多温相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,第一节 硝酸钾生产的相图分析,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,5-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,1.,根据（手册提供的）数据，绘出,100,及,5,的干盐相图，如图,5-6,：,2.,分析相图，制定出原则流程，由图我们可以清楚地看出：,由,5,时的恒温干盐图可知，其,KNO,3,的结晶区（即饱和面）很大，而,NaCl,的结晶区很小。,相反，由,100,时的恒温干盐相图可知，,NaCl,的结晶区很大，而,KNO,3,的结晶区（即饱和面）很小，根据以上两个特点，我们可以确定制取,KNO,3,的流程。,采取,100,时蒸发法提取,NaCl,；,采取冷却法析出,KNO,3,。,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,5-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（一）、不循环法流程,1.,等当量（,mol,）点配料：,以等当量（,mol,）,KCl,和,NaNO,3,混合物为原始组成，其组成点如图中的点,a,，组成点,a,恰处于,100,时,NaCl,的结晶区中,KCl+NaNO,3,a,；,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,5-7,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（一）、不循环法流程,2.,蒸发：在,100,时蒸发此溶液，饱和后有,NaCl,的结晶析出，液相组成点沿,ab,方向移动，达到,b,时，,KCl,也已饱和，但未析出。滤出,NaCl,得到母液,b,，操作线为,ab,。,NaCl,析出量可由直线,Ab,求出，即 ；,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（一）、不循环法流程,3.,冷却盐析：把母液,b,冷却到,5,，,b,点落入,KNO,3,结晶区。,5,蒸发此溶液，则液相沿,bP,2,方向移动，到达,P,2,时，,NaCl,、,KCl,同时饱和，但未析出。滤去,KNO,3,得母液,P,2,，过程操作线,bP,2,返回系统，配入一定量的原料,NaNO,3,和,KCl,可开始第二个循环，每次循环该过程的液相点都在,b,、,P,2,间变化。,KNO,3,析出量,M,C,可由直线,CP,2,求出，即,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（一）、不循环法流程,由图，我们可以看出采用上述方法，由于,a,、,b,两点很近，即操作线,ab,、,bP,2,很短，每一次循环所得产品不多，即产率不高。而母液循环量大，反复加热、冷却很不经济。所以一般将母液废弃而不进行循环操作。这样就势必造成原料的损失。,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（二）、循环法流程,1.a,点配料（非等摩尔点配料）：,配料点,a,为对角线,BD,和,AP,2,连线的交点，,KCl,和,NaNO,3,的配料比,由图中可以清楚地看到,NaNO,3,是过量的，也就是说它是非等当量（,mol,）点配料，,a,点处于,100,时的,NaCl,结晶区中,KCl+NaNO,3,a,；,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（二）、循环法流程,2.,蒸发盐析（,NaCl,）：,在,100,时蒸发溶液，液相组成点由,a,到达,P,2,点时,KCl,、,KNO,3,同时饱和但未析出，,NaCl,析出量可由直线,AaP,2,求出，即,滤去,NaCl,得母液,P,2,，过程操作线,aP,2,。,与不循环法中该过程相比，从图中显见操作线比,ab,长的多，而线段,Aa,与,Aa,相差无几，因此，与不循环流程相比较，,NaCl,析出量增多了，而母液量,P,2,相应减少了。,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（二）、循环法流程,3.,冷却盐析（,KNO,3,）：,将母液,P,2,冷却到,5,，,P,2,点落入,KNO,3,结晶区，,5,时蒸发此溶液，液相沿,P,2,d,移动，到达,d,时，,NaCl,也饱和但未析出，,KNO,3,析出量,M,C,可由直线,Cd,求出，即,从图中可见，操作线,P,2,d,比,P,2,b,长，而,CP,2,又比,Cb,短，故,KNO,3,的产率比不循环法中的大为增加，滤去,KNO,3,，得母液,d,，过程操作线为,P,2,d,K,NO,3,NaCl,母液返回系统,原料,a,（或,a,）,蒸发,过滤,冷却蒸发,过滤,图,6-7,图,6-6,K,+,、,Na,+,/Cl,-,、,NO,3,-,H,2,O,四元交互系统,100,和,5,干盐图,（二）、循环法流程,母液,d,再加等当量（,mol,）物料（,NaNO,3,