水盐体系相平衡研究及硫酸钾的制备

四川大学

化工专业实验报告

实验名称：水盐体系相平衡研究及硫酸钾的制备学院：xxxx xxxxxxxxx 学生姓名：xxxx

学号：xxxxxxxxxxxxx

组号: 2——20 指导教师：xxxxx老师

一、实验目的：

1、通过在25℃下K+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系的相平衡数据的测定、相图的绘制、工艺路线的分析以及实验方案的确定，最终制得K2SO4和NaCl。

2、掌握化工产品的开发过程和基本方法。

二、实验原理

1、水盐体系相平衡数据的测定

相平衡数据的测定方法很多，其中常用的方法的是等温法和多温法。

等温法：在某一恒定的温度下，使一定组成的系统在实验装置内达到相平衡，然后直接测定液相的组成并鉴定与液相呈平衡的固相情况，从而获得相平衡数据。要测定一个未知多元体系的相平衡数据，应按照由二元、三元到多元，由简到繁的程序进行。该法测定结果准确可靠，但过程比较麻烦和费时。多温法：通过测定不同组成的体系在变温过程中发生相变时的温度，得到组成与相变温度的关系曲线，进而作图确定体系的相平衡数据。多温法测定比较简单，只需配好各种组成的系统，进行冷却或加热，测定发生相变的温度即可。但由于进程可能发生过冷现象，相变温度不易测准。另外，多温法容易漏掉小的饱和面，导致测定结果不准确。

2、相图标绘和分析

根据实际测定25℃和100℃相平衡数据，容易绘制出K+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系的相图，如图1所示。相图

相图1显示，25℃时K+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系存在6个结晶区间，分别是：AEGFA：Na2SO4·10H2O结晶区；FHRGF：Na2SO4结晶区；HRJKBH：NaCl结晶区；EGRJPME：Na2SO4·3K2SO4结晶区；KJPNCK：KCl结晶区；MPNDM：K2SO4的结晶区。

100℃时，存在5个结晶区，分别是：Na2SO4、Na2SO4·3K2SO4、KCl、K2SO4。

直接法生产K2SO4:

把配料组成点配制为a点，其反应为,其中W为水，P为含有Na+、SO42—、K+、Cl-、H2O的盐溶液。理论上计算钾的收率为26-29%之间。间接法生产K2SO4：

把配料组成点配制为点“1”处，其反应为Na2SO4+2KCl+W1→ Na2SO4·3K2SO4+R

式中，W1为水，R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液，Na2SO4·3K2SO4为钾芒硝，用点g表示。

点g与KCl、H2O配制成物系点b，反应式为g+2KCl+W2→K2SO4+P式中，W2为水，P 为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液。

P盐溶液与Na2SO4配制成物系点3，反应式为P(溶液)+Na2SO4±W3→Na2SO4·3K2SO4+R 其中±W3为增加或减少的水量，R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液。

间接法工艺过程的钾收率可达80％左右。

闭路法生产K2SO4和回收NaCl工艺

此工艺在间接法的基础上回收R盐溶中的NaCl和钾芒硝g。由R点组成经人为调节到4点，加热溶液4点至100℃点处，蒸发掉部分水份，由于溶液4处于100℃时NaCl结晶区内，故析出NaCl，过滤得NaCl和C100℃盐溶液。C100℃盐溶液处于25℃的钾芒硝结晶区内，故当冷却至25℃时，得到钾芒销和盐溶液3。把钾芒硝和盐溶液3反复应用，并结合25℃和100℃条件的相图，理论上钾的收率可达100％。

三、实验流程：

依据相图分析大致可提出三种工艺路线，即直接法、间接法、闭路法。各自流程拟定如下：直接法见图2，间接法见图3，闭路法见图4.

图 2 直接法生产K2SO4工艺流程

图3 间接法生产K2SO4工艺流程

四、实验装置和实验方法

1、相平衡数据测定方法：（1）加热水浴于25±0.05℃；（2）按相图R、P点用台秤称量，

干盐总量不超过20g；（3）先加入少量水于平衡管中，在依次加入Kcl、Nacl、Na2SO4、K2SO4，开搅拌器，最后把所有水量全部倒入平衡管中，记时间、温度、平衡搅动2—3

小时；（4）停止搅动，静止澄清1—2小时，分别取清液分析和湿渣固体分析或固体鉴定。

2、制备K2SO4的方法：（1）加热水浴25℃，按相图用杠杆原理或用R、P、g的溶解度数据

计算物系点“1”、“a”、“3”、“b”所需各自原料量，干盐总量不超过50g；（2）按物系点计算出所需的Na2SO4、Kcl、W（H2O）、g（复盐）、p（盐溶液）、R（盐溶液）的量，用台秤称量；（3）开搅拌器，先加入少量水于反应器中，然后依据不同反应依次加入Kcl、g（复盐）、Na2SO4，最后把所余的水全部加入，记温度、时间，反应3—4小时；（4）反应结束后，盐浆用真空系统过滤，收集固体和液体，并用台秤称量，关闭反应体系和真空体系；（5）用分析天平称固、液样品，用重量法测定固、液体中K+含量，用容量法测固、液中的cl-、SO4含量；（6）根据分析结果计算K2SO4中K+、cl-、SO42-的含量，钾芒硝中K+、cl-、SO42-的含量，K+收率。

3、制备Nacl的方法：①按相图，用杠杆原理或用100℃和“4”点溶解度数据计算蒸发的

水量；②用电炉蒸发水量，用台秤称量；③在100±5℃条件下过滤，并称量固体质量；

④用分析天平称取样品，用容量法测定cl-的含量；⑤计算Nacl的含量。

图5 测定相平衡数据实验装置图

1—精密温度计；2—搅拌器；3—相平衡管；4—恒温水浴

图6 生产K2SO4实验装置图

1—温度计；2—搅拌器；3—反应器；4—恒温水浴

4、氯离子含量的测定：

（1）测定原理

在中性或弱碱性溶液中以铬酸钾（K2CrO4）为批示挤，用硝酸银（AgNO3）直接滴定，其反应如下：

Nacl + AgNO3→NaNO3 + Agcl↓（白色）

Mgcl2 + 2AgNO3 →Mg（NO3）2 + 2Agcl（白色）

Kcl + AgNO3→KNO3 + Agcl↓（白色）

K2CrO4 +2AgNO3→ 2KNO3 + AgCrO4 ↓（砖红色）

因为氯化银的浓度积较铬酸银小，所以氯化银先沉淀，直至溶液中氯离子全部变为氯化银沉淀后，则砖红色铬酸银沉淀出现，即为滴定终点。

（2）仪器和试剂

25毫升移液管，250毫升容量瓶。L：液体5ml（准确到四位小数）溶于500ml容量瓶中。S：固体1g（准确到四位小数）左右溶于250ml两瓶中。250高升锥形瓶，50毫升量筒，50毫升棕色滴定管；5%K2CrO4和0.05N AgNO3

(3) 测定手续

用移液管吸取10毫升上面制备的稀释液于250毫升锥形瓶中，加入约20毫升蒸馏水，加5%K2CrO4批示挤5~7滴，在充分摇动下，用0.065N AgNO3标准溶液滴定至悬浊液由淡黄色变为微砖红色，经充分摇动后不消失，即为终点。

（4）计算方法

Cl-% =