脲硫酸分解氯化钾工艺过程研究

摘要

随着我国耕地面积的减少和人口的增多，人类对农产品的需求增加，增施化肥逐渐成为农作物增产的有力措施。目前大量施用高浓度的复合肥，造成土壤板结以及盐碱化，导致作物营养失调，品质下降，易受病害侵袭，高产作物易倒伏。脲硫酸分解氯化钾制备硫基复肥(简称脲硫基复肥，USK compound fertilizer)是一种中浓度多营养元素复肥，除含有NPK外，含有钙、镁、硫、铁、锌、锰等多种中微量营养元素，能促进平衡施肥。
　　脲硫基复肥工艺采用脲硫酸分解氯化钾，通过脲硫酸的配比来控制氯化钾的转化率。肥料中既有氯化钾，又有硫酸钾，能满足作物多种营养的需要，同时通过后期配料和工艺调整，满足硫基复肥的要求。此工艺有望来解决传统硫基复合肥含氮量低的问题和副产盐酸生成量大的问题。本文对脲硫酸分解氯化钾工艺过程进行了系统研究。
　　本文首先对硫基复合肥中硫酸分解氯化钾工艺过程进行了系统的实验室研究。通过单因素试验考察了硫酸与氯化钾的比例、反应温度、反应时间等对氯化钾转化率的影响，得出最佳工艺条件为硫酸与氯化钾比例为1.4∶1，反应时间为40min，反应温度为130℃。此工艺条件下，氯化钾转化率为83％。
　　在此工艺条俘基础上，对脲硫酸分解氯化钾的工艺过程进行了实验研究。通过单因素实验和正交实验，主要考察了脲硫酸与氯化钾的比例、反应温度、反应时间和氯化钾粒度对氯化钾转化率和缩二脲含量的影响。得出最佳工艺条件为尿素、浓硫酸与氯化钾比例为0.5∶1.4∶1，反应时间为40min，反应温度为145℃，氯化钾粒度为0.18mm。此工艺条件下，氯化钾转化率为78％，缩二脲含量为0.122％。脲硫基产品中缩二脲含量随干燥时间和干燥温度的增加而增加。
　　采用傅里叶红外FTIR和XRD分别对硫基产品和脲硫基产品进行了性能表征及对比研究。FTIR红外光谱表明硫基产品仅有硫酸氢根的吸收峰，脲硫基产品除硫酸氢根的吸收峰外，还出现了有C=O键、C-N键和N-H键的吸收峰，说明脲硫基产品中尿素的存在;XRD图谱表明，硫基产品为硫酸氢钾和氯化钾，脲硫基产品主要为硫酸氢钾和氯化钾，尿素可能以新的物质形态存在或被其它物质衍射峰所掩蔽，缩二脲含量极低，在XRD图谱中不显示。
　　本文尝试对脲硫酸分解氯化钾工艺过程的反应原理进行探讨。通过摄像显微分析法对尿素、氯化钾、硫酸氢钾、硫酸钾、尿素和氯化钾混合物、尿素和硫酸氢钾混合物进行了显微观察;用XRD衍射法对尿素和氯化钾混合物、尿素和硫酸氢钾混合物进行表征。结果表明尿素没有以络合物CO(NH2)2·KCl和CO(NH2)2·KHSO4的形式存在。在实验室条件下，采用二级吸收装置对硫基和脲硫基复肥工艺过程中氯化氢气体逸出量进行了对比研究，结果脲硫基工艺过程氯化氢气体逸出量比硫基工艺过程少18.3％，同时对副产盐酸的后续处理提出了建议。
　　本文对脲硫基产品进行了热分解动力学研究，采用四个不同的升温速率对脲硫基产品做热重(TG)分析。实验确定出其反应机理符合23机理函数Avrami-Erofeev方程，其积分形式和微分形式为G(α)=[-ln(1-α)]4和f(α）=(1/4)（1-α）[-ln（1-α）]-3;脲硫基产品分解的平均活化能E=39.53KJ·mol-14，指前因子lgA=3.53，热分解动力学方程为:dα/dt=87.1/βe4754.6/T（1-α）[ln(1-α)]-3。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 我国化肥产业结构存在的问题

1．1．1 过量旋肥的危害

1．1．2 我国土壤中硫素短缺状况

1．1．3 我国硫基复肥存在的问题

1．2 硫素的重要性

1．3 国内硫基复合肥的发展与生产现状

1．4 国内硫基复合肥的研究现状

1．5 脲硫基复合肥新工艺简介

1．6 课题研究的目的和意义

2 硫酸分解氯化钾工艺过程的实验室研究

2．1 硫基复合肥的生产原理

2．2 硫基复合肥的生产工艺

2．3 硫基复合肥的造粒工艺

2．4 硫酸分解氯化钾工艺条件研究

2．4．1 实验原料及试剂

2．4．2 实验主要仪器设备

2．4．3 实验方法

2．4．4 性能检测

2．4．5 工艺条件影响

2．5 本章小结

3 脲硫酸分解氯化钾工艺过程的实验室研究

3．1 脲硫基复合肥制备工艺流程

3．2 脲硫酸分解氯化钾工艺条件研究

3．2．1 实验原料及试剂

3．2．2 实验主要仪器设备

3．2．3 实验方法

3．2．4 性能检测

3．2．5 缩二脲标准曲线绘制

3．2．6 工艺条件影响

3．3 缩二脲生成量研究

3．4 本章小结

4 硫基与脲硫基产品的性能表征与对比研究

4．1 性能表征

4．1．1 红外光谱分析

4．1．2 X-射线衍射表征

4．2 脲硫酸分解氯化钾反应原理的初步探讨

4．2．1 摄像显微分析法

4．2．2 XRD衍射分析法

4．3 HCl气体的逸出量研究及副产盐酸的后续处理建议

4．3．1 HCl气体的逸出量研究

4．3．2 副产盐酸后续处理建议

4．4 本章小结

5 脲硫基产品的热分解动力学研究

5．1 理论基础

5．1．1 Flynn-Wall-Ozawa积分法

5．1．2 Doyle法

5．1．3 Kissinger最大速率法

5．1．4 ?atava-?esták法

5．2 热分析实验方案

5．3 结果分析

5．3．1 脲硫基产品的热分析TG和DSC曲线

5．3．2 不同升温速率下脲硫基产品的TG曲线

5．4 热分解动力学参数的确定

5．5 动力学补偿效应

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历

致谢