硫酸铵溶液蒸发结晶工艺研究

硫酸铵溶液蒸发结晶工艺研究

郑良川

安徽省化工研究院 安徽省合肥市 230001

摘要：本文通过单因素实验对硫酸铵溶液蒸发结晶工艺进行研究，研究了温度、添加剂、溶液pH值、搅拌速率等因素对硫酸铵溶液蒸发结晶过程中晶体粒度分布的影响；并通过SEM分析所制备的产品，确定硫酸铵蒸发结晶较适宜的工艺条件；结果显示，在适宜条件下制备的硫酸铵晶体颗粒纯度较高、颗粒形貌完整、不易结块、流动性好等优点。

关键词：蒸发结晶；硫酸铵；晶体形貌；粒度

中图分类号：X705 文献标志码：A

0 引言

蒸发结晶的定义是目标固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物系中结晶析出的过程[1]。在工业生产中，能够影响硫酸铵蒸发结晶的因素较多，如溶液的pH、溶液温度、加入晶种的类型、杂质含量和类型、搅拌的速率、添加剂用量等。实际生产中，这些工艺条件的变化增加了生产控制的难度，对生产的影响却很大。结合实际工艺流程并通过实验分析影响蒸发结晶的因素，获得优化的工艺条件，对生产出优质的产品具有重要意义。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硫酸铵粗品，实验室自制；硫酸锰，分析纯；硫酸，分析纯；氨水，分析纯；活性炭，分析纯；SU8010型扫描电子显微镜，日立集团；

1.2 实验方法

（1）配制成硫酸铵质量分数为19.30%的硫酸铵溶液。

（2）用活性炭吸附脱色，并通过过滤消除溶液中的不溶性杂质。

（3）将滤得到的澄清溶液加入到本实验的蒸发结晶装置中，恒温水浴保温。

（4）进行单因素实验，并采用筛分法统计粒度分布。

2 结果与讨论

2.1 pH的影响

实验控制蒸发温度为70℃、搅拌速度200 r/min、添加剂MnSO4投放量0.5%，调节溶液pH=3、pH=4、pH=5、pH=6进行单因素实验，将蒸发结晶产物过滤、干燥得到硫酸铵晶体。

实验结果显示，当溶液的pH值过低或者过高时，所得到结晶产品硫酸铵晶体粒径较小而且粒度分布不集中。这是由于硫酸铵溶液的介稳区会随着溶液的酸度的增加而逐渐减小，这就不能保持结晶所必需的过饱和度。随着硫酸铵溶液酸度的提高，溶液粘度会逐渐的增大，硫酸铵分子扩散阻力的增加阻碍了硫酸铵晶体的正常成长，导致结晶效果较差[2]。通过实验可以得出，pH =5时酸性适中，有利于提高结晶产品粒径，产品粒度分布较为集中。

2.2蒸发温度的影响

实验控制溶液的pH=5、搅拌速度为200 r/min、添加剂MnSO4投放量为0.5%，蒸发温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃进行实验研究，将蒸发结晶产物过滤、干燥得到硫酸铵晶体。

实验结果显示，硫酸铵溶液的蒸发温度在过高或过低的情况下所得到的结晶产品的粒度都较小。而当硫酸铵溶液的蒸发结晶温度过高时，已经结晶的晶体颗粒在溶液中会与搅拌装置的搅拌桨以及结晶器的结晶器壁之间发生碰撞的几率大大提高，碰撞的结果是细小的晶体数量直线上升，晶体数量的提高也会使得硫酸铵晶体的粒度分布表现出不均匀[3]。蒸发温度选择在60℃较为合适。

2.3搅拌速度的影响

本实验控制蒸发结晶溶液的pH=5、溶液蒸发温度为60℃、添加剂MnSO4投放量为0.5%，控制搅拌速度分别为100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min进行单因素实验。分析搅拌速度对硫酸铵结晶产物粒度分布的影响。

实验结果显示，当搅拌器的转速为100~200 rpm时，粒度分布更均匀一些，这表明搅拌器的转速较大时所得的硫酸铵结晶产品粒度较小，同时所得晶体粒度的分布也不均匀。究其原因，搅拌器的搅拌速率过大会将结晶的晶核打散，这就导致出现很多细小硫酸铵结晶的粒子[4]。在硫酸铵溶液的工业结晶生产中，搅拌器的搅拌方式可以采用变速搅拌实现结晶，当有硫酸铵晶体开始析出后，搅拌器的转速降低到100~200 rpm。

2.4添加剂的影响

本实验过程中控制硫酸铵溶液的pH=5、蒸发温度为60℃、搅拌速度为200 r/min、控制MnSO4投放量分比为0%、0.25%、0.5%、0.75%进行单因素实验。

    实验结果显示，在没有添加添加剂时得到的硫酸铵晶体粒度分布不均匀且明显粒径偏小；而随着添加剂MnSO4用量的逐渐增加，硫酸铵晶体粒在5~10目的含量有明显的骤增表现，推测可能是添加剂含量过高投放导致了晶体之间的聚结，过多的晶体聚结导致不能结晶出很好的晶习[5]。可见添加剂MnSO4的用量对粒度分布有较大影响。本实验中较优添加剂用量为0.25%。

2.5 验证实验

   对上述优化工艺条件下进行三次重复实验。实验结果显示，确定了硫酸铵溶液蒸发结晶较适宜的工艺条件为：调节蒸发结晶硫酸铵溶液的初始pH=5，控制蒸发温度为60℃，控制搅拌器的搅拌速度为200 r/min，添加剂MnSO4投放量为0.25%。在此优化工艺条件下进行的验证实验验结果如图5所示：得到硫酸铵晶体粒径较大，粒度分布较为集中，取得了较好的结晶效果。

2.6 产品质量对比

将优化条件下制备的硫酸铵晶体与硫酸铵国家标准（GB535-1995）进行比较可以看出，本实验在较适宜的条件下所获得的硫酸铵晶体在色泽、氮含量、水分含量上达到了优级品水平，所含杂质含量、游离酸含量达到一级品水平，与硫酸铵工业品对比，在色泽外观上有所提高。

2.7 产品表征

    通过对硫酸铵晶体SEM表征可以看出，硫酸铵呈长方体状，产品形貌较好，长度分布在2000 μm左右，宽度约500μm。

3 结论

过实验研究确定了硫酸铵溶液蒸发结晶较适宜的工艺条件为：溶液pH=5，蒸发温度为60℃，搅拌速度为200 r/min，添加剂MnSO4投放量为0.25%。验证实验结果显示，所得到的硫酸铵晶体颗粒所含的杂质含量较低，结晶颗粒的其它各项指标则均达到了国家一等品标准水平；并对实验所得的硫酸铵晶体采用SEM 进行表征，结果显示所得的硫酸铵晶体呈长方体状，长度分布在2000μm左右，宽度约500μm，晶体粒度较大，粒径分布较为集中，颗粒流动性好、色泽通透纯净、外观无明显杂质、晶型较为规则。

4 参考文献

[1]王静康. 化学工程手册-结晶（第二版）[M], 北京: 化学工业出版社, 1996 : 1-55.

[2]刘彩玫, 郭海峰, 龙建华, 等. 母液中杂质成分对蒸发结晶过程的影响[J]. 轻金属, 2006, (9): 33-36.

[3]殷萍. 硫酸铵蒸发结晶过程研究[D]. 天津：天津大学, 2007.

[4]徐欢欢, 刘宝树, 孙华, 等. 硫酸铵蒸发-冷却结晶工艺研究[J]. 无机盐工业, 2012, 44(6): 14-17.

[5]万雅曼, 齐鸣斋, 袁萍等. 硫铵蒸发结晶的影响因素研究与优化[J]. 上海化工, 2014, 39(1): 11-14.