化学工程与工艺专业相关实验汇总模板.doc

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化学工程和工艺专业试验

化学工程和工艺专业试验室编
8月
前 言

目前，我们国家正处于蓬勃发展时期，各项建设需要大量高质量高校毕业生。化学工业是国民经济关键支柱之一，不仅对人才需求量大，而且对人才质量要求也越来越高。要求化工类人才既要有扎实专业基础知识，又要有较强适应性，善于分析问题和处理问题，含有独立工作能力、实践动手能力和技术创新能力。要使我们化学工程和工艺专业毕业生含有上述素质，试验和技术开发能力培养起着极其关键作用，化学工程和工艺试验就是其中关键一环。
化学工程和工艺试验是在化工类专业学生学完化工原理、分离工程、化工热力学、化学反应工程和相关化工工艺等理论课程及受过一系列基础试验训练以后进行。化学工程和工艺试验含有综合性、复杂性和更切合工程实际特点，需要专业知识和基础试验技能综合应用。在化工专业理论指导下，该课程着重培养学生工程及工艺类较复杂试验项目标设计能力、动手操作能力、对试验数据和结果处理及分析能力。经过该试验课程学习，达成拓宽试验知识、提升试验技能和试验研究能力目标。
本教材是为化学工程和工艺专业及相关专业本科生编写试验教材。各试验讲义由对应试验老师编写。在试验项目和内容安排上，以综合及设计试验为主，将部分试验方法训练融于各个试验项目中，充足表现试验基础训练和应用联络。
化工专业试验课程以学生亲自动手进行整个试验项目标试验，要求每个同学全部要主动地在老师指导下参与试验全过程，深入思索，充足体会化工专业知识和相关分析及物理知识在试验中应用，有意识地训练自己试验动手能力。同时，对试验中碰到问题，提出自己见解，在试验汇报结果和讨论中充足表现出来。
因为科学技术飞速发展，化工专业试验教材内容和教学方法也随之在变，要求我们在有限教学资源下，达成很好教学效果，在这首先还有很多工作要做。期望老师和同学们能提出相关意见和提议，共同改善化工专业试验教学工作！

编 者

7月

目录
序言………………………………………………………………………1目录………………………………………………………………………2试验1 釜式反应器研究……………………………………………………3试验 2 乙酸丁酯合成及精制……………………………………………12试验3 水盐体系相平衡测定及硫酸钾制备………………………………15试验4 聚醋酸乙烯酯乳液合成和乳胶漆制备………………………39试验 5 固体催化剂性能评价试验——CO2甲烷化反应……………………51试验 6 反渗透膜分离制高纯水试验………………………………………63
试验7 液膜分离法处理废水试验…………………………………………68
试验 8中低品位磷矿组合式浸取试验……………………………………72
试验 9 等离子体重整甲烷—二氧化碳制合成气…………………………80

试验1 釜式反应器研究

物料在反应器内停留时间分布是连续流动反应器一个关键性质，可定量描述反应器内物料流动特征。物料在反应器内停留时间不一样，其反应程度也不一样。经过测定流动反应器停留时间，即可由已知化学反应速度计算反应器物料出口浓度、平均转化率，还能够了解反应器内物料流动混合情况，确定实际反应器对理想反应器偏离程度，从而找出改善和强化反应器路径。经过测定停留时间分布，求出反应器流动模型参数，为反应器设计及放大提供依据。
单个反应釜使反应达成最大返混，所以降低了反应速度。而多个反应釜串联操作能够减小反应物料返混，所以增大了反应速度。经过单釜和多釜串联反应器试验了解多釜串联影响反应速度规律，为多釜串联优化设计打下基础。
影响反应速率原因关键是单位反应物系中物料混合均匀程度、反应物浓度、反应温度及反应时间等。在由小试到中试到工业生产放大过程中，研究放大过程中液相停留时间分布（RTD）改变规律，能够合理、正确地描述实际反应器中物料流动及混合特征，得到最好中试规模及放大规律。

1 试验目标
⑴掌握停留时间分布测定及其数据处理方法
⑵对反应器进行模拟计算及其结果检验；
⑶熟悉依据停留时间分布测定结果判定釜式反应器混合情况和改善反应器方法；
⑷了解单釜反应器、串联釜式反应器对化学反应影响规律，学会釜式反应器配置方法。
2 试验内容
(1)测定单釜反应器和串联反应釜停留时间分布；
⑵将停留时间测试数据处理结果和全混反应器和平推流反应器相比较，分析单釜和串联反应器返混情况；
⑶依据停留时间测试数据处理结果和蔗糖水解化学反应速度方程式计算反应器出口浓度和反应转化率，和全混反应器单釜和三釜串联计算结果加以比较；
⑷在单釜和三釜串联试验装置上进行蔗糖水解试验，测定出口反应产物旋光度，将出口浓度和反应转化率和上述计算结果进行比较及分析讨论。
3 原理
在连续流动反应器内，不一样停留时间物料之间混合称为返混。连续操作理想反应器有2种，即平推流反应器和全混反应器。平推流反应器完全没有返混，而全混反应器则达成完全返混。二者分别描述了连续式反应器两种极端情况，而实际反应器返混情况介于二者之间。但实际管式反应器混合情况更靠近于平推流反应器，实际釜式反应器更靠近于全混反应器。
返混程度大小，通常极难直接测定，通常是利用物料停留时间分布测定来研究。然而测定不一样状态反应器内停留时间分布时，我们能够发觉，相同停留时间分布能够有不一样返混情况，即返混和停留时间分布不存在一一对应关系，所以不能用停留时间分布试验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表示。
停留时间分布表示方法有两种，一个称为分布函数F(t)，其物理意义是停留时间小于t粒子所占分率；另—种称为时间分布密度因数E(t)，其物理意义是停留时间为t粒子概率。两个函数关系为：
E(t)=dF(t)/dt ﹙1﹚
蔗糖在酸催化下水解转化为果糖和葡萄糖化学反应是一个经典液相催化反应，其化学反应式以下：
C12H22O11(蔗糖)+H2O—→C6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)
水解反应可视为一级反应，其速率方程为：
﹙2﹚
积分上式得
﹙3﹚
式中CA为t时蔗糖浓度；k为反应速度常数。
蔗糖及其水解产物全部为旋光物质,其比旋光度分别是;蔗糖为66.65°，葡萄糖为52.5°，果糖为-91.9°。D表示所用光波为钠黄光，其波长为589nm；正值表示右旋（使偏振面顺时针偏转），负值表示左旋（偏振面逆时针偏转）。因为果糖左旋性大于葡萄糖右旋性，伴随反应进行，反应产物浓度逐步增大，溶液右旋性逐步降低，以至经过0°角后转变为左旋。所以可用溶液旋光度改变来度量反应程度。
溶液旋光度为溶液中各组分旋光度之和。溶液浓度可分别表示为
CA0＝F(α0－α∞) ﹙4﹚
CA＝F(αt－α∞) （5）
式中α0、αt、α∞分别表示反应时间为0、t、∞时溶液旋光度，对于给定条件，α∞为常数；CA为溶液浓度；F为常数。可将(5)式改写为
CA＝Fαt－Fα∞＝Fαt－B (6)
从上式能够看出，对于一定初始浓度和PH值蔗糖溶液来讲，伴随水解反应进行，经过测定溶液旋光度，即可经过（6）式计算出溶液中蔗糖浓度，所以可算出对应水解产物浓度。α0、α∞、αt全部是能够测定，CA0能够从反应器各物流流量和浓度计算，由此可直接计算出F。所以可经过测定αt直接由(6)式算出CA。
蔗糖水解是在常压下进行。蔗糖水溶液以一定进料速度进入反应器，产物以相同速度从反应器流出，保持反应器内物料体积恒定后，向反应器中加入一定量示踪物，分析示踪物浓度随时间改变。因为注入示踪物所用时间极短，数量又少，所以可认为示踪物流动行为和和它同时进入设备反应流体流动行为相同，即示踪物在反应器内停留时间分布密度函数E(t)和反应物料相同。停留时间介于t和dt间示踪物物料量QE(t)dt，将在t和t+dt间流出反应器。故
QE(t)dt＝UC(t)dt ﹙7﹚
所以
E(t)＝（U/Q）C(t) ﹙8﹚
式中，U为总流量(ml/min)；Q为示踪物总量（mg）；C(t)为示踪物出口浓度（g/L)。
显然，若测知示踪物浓度随时间改变函数关系C(t)，即可得到停留时间分布密度函数E(t)随时间改变。
本试验以示踪物KCl来测定反应器停留时间分布，用电导仪测定KCl电导率随时间改变。KCl电导率和浓度关系为
CKClλKCl=KKCl ﹙9﹚
式中，CKCl为KCl浓度；λKCl为KCl摩尔电导；KKCl为KCl电导率。
用电导仪测定KCl溶液电导率，并配以自动平衡统计仪统计电导率改变，此改变用电讯号V和时间t关系曲线表示，经过下面换算即可得到KCl在反应器内停留时间分布密度函数E(t)。
溶液浓度C(t)和电讯号V(t)关系式为
C(t)=μ′V(t) ﹙10﹚
式中μ′为常数。
将C(t)关系式代入E(t)关系式，得
E(t)＝（U/Q）μ′V(t) ﹙11﹚
令
μ＝μ′U/Q ﹙12﹚
则
E(t)＝μV(t) ﹙13﹚
因为
﹙14﹚
其中A为 V(t)-t曲线下面积（mm﹒s）；将E(t)和V(t)关系代入上式，得
﹙15﹚
因为
﹙16﹚
所以
dA/A＝E(t)dt ﹙17﹚
dA/dt＝V(t)
﹙18﹚
依据V(t)测定数据即可计算出反应器平均停留时间τm和无因次散度，
﹙19﹚
﹙20﹚
﹙21﹚
以此即可考查反应器返混特征。
由试验得到V(t)—t曲线换算为停留时间分布密度函数E(t)和时间t关系式，适适用于处理以电讯号表示示踪物浓度改变时停留时间分布数据。

4 试验装置

图1 试验装置步骤示意图

槽中反应物料经过蠕动泵计量后进入反应釜，反应釜内设置搅拌器搅拌混合，反应温度由夹套内恒温水控制。流出反应器物料温度由温度计测定，示踪物采取电解质KCl,在出口设置电导电极测定出口物料电导率，电导率信号输入计算机，由计算机对信号进行处理。在蔗糖水解试验时，经过取样口可随时取样测定溶液旋光度。由恒温槽送出恒温水控制反应器温度。反应器搅拌速度由调整器调整，由光电测速仪测定或在显示器上直接读出。
5 试验步骤
5.1 停留时间分布测定
首先将自来水加入水槽，标定反应器有效体积后即可进行测定试验。标定步骤：打开反应器进口开关，按表1调整流量计流量，同时打开搅拌器至一定转速，待流量稳定时关闭反应器进口开关同时在出口处搜集流出水，再打开反应器底部排空开关搜集排出水，用量筒量取两部分水总体积，即为反应器有效体积。
测定停留时间分布步骤：将自来水加入水槽，待有流体经溢流管溢出时，将转子流量计调至所需流速。系统稳定后，开启电导仪。当计算机显示器显示电导率信号为直线（基线）时，方可脉冲进样检测。某时刻t0，用针头在反应器入口处极快注入已知示踪剂KCl溶液，并同时给计算机一个进样记号。当曲线逐步平稳回到基线位置时，该次测定结束。

5.2 蔗糖水解反应测定
表1 蔗糖水解反应试验条件
反应器体积1(mL)
反应器体积2(mL)
蔗糖溶液流量(mL/h)
酸催化剂流量(mL/h)
总流量
(mL/h)
蔗糖溶液浓度(mol/L)
750
250×3

1000
3000
0.9(1.1156)
酸催化剂浓度(mol/L)
进口蔗糖浓度(mol/L)
进口酸浓度(mol/L)
平均停留时间(min)
蔗糖分子量(g/mol)
浓盐酸浓度(mol/L)
1.5(1.026)
0.6
0.5
～15
342.30
11.97(1.188)
蔗糖水解反应试验条件暂按表1条件[1]进行。先配置5L蔗糖溶液和3L酸催化剂溶液，分别倒入酸槽和蔗糖槽。调整超级恒温槽至所需温度，开启水泵向反应器夹套供恒温水。开启蠕动泵向反应器进料，按表1调整蠕动泵流量。开启旋光仪预热10min,等候取样后立即检测。调整搅拌速度，准备好取样瓶。
待反应器出口温度稳定达成所需温度时，即开始取样测定。每隔2min取样测定一次样品旋光度，当连续3次样品旋光度一致时该次测定结束，由最终样品旋光度确定水解反应率（为何？）。
蠕动泵流量标定略。
旋光仪使用方法见附录。在反应器进口取样测定α0，一次水解试验最终出口样品放入恒温槽内隔夜后测定旋光度得α∞。
6 试验数据处理
依据旋光仪所测得出口浓度和进口浓度，即可算出实际转化率。
xreal＝1－CA/CA0 （22）
由停留时间分布密度函数E(t)虽能够确定反应转化率。因为一级反应进行程度仅和反应时间相关，所以在获知物料停留时间后即可确定反应转化率。因为停留时间在t至t+dt之间，物料所占分率为E(t) dt，若这部分物料转化率为xA，则它对反应出口转化率贡献应为xAE(t) dt，将这些转化率贡献相加即可得到出口平均转化率，即
（23）
同理，出口平均浓度应为
（24）
对一级反应CA＝CA0exp(-kt)，代入上式得
（25）
即
（26）
所以
（27）
在试验测定条件下，21℃时反应速度常数k为2.58×10-3min-1；25℃时反应速度常数k为4.40×10-3min-1[1]。由试验测得停留时间分布密度后即可由上式计算出平均转化率，将计算出转化率和实际转化率比较。
利用停留时间分布测定数据还可算出物料在反应器内平均停留时间，将计算结果和按反应器体积和物料流量计算出平均停留时间对照。
依据试验数据计算出无因次散度，由散度大小即可判定反应器返混程度或靠近全混反应器程度。平推流反应器没有返混，其无因次散度为0；全混反应器完全返混，其无因次散度为1。依据试验数据计算得到无因次散度在0～1之间。
对于串联反应器，分别在1级、2级、3级出口测得对应停留时间分布密度和溶液浓度，将反应转化率计算结果和实测结果对照，同时将结果和停留时间相同两种理想反应器计算结果相对照。
7 预习汇报要求
理想反应器、反应器停留时间分布及其及其数学模型，停留时间分布和化学反应关系，反应器串联对返混和化学反应影响，全部是化学反应工程教材中关键内容，对照试验教材，预习反应工程中相关内容。相关问题以下：
⑴理想反应器概念及其数学表示，和和化学反应关系；
⑵停留时间分布概念、测试及其数据处理，明确tm、、意义；
⑶反应器模拟和串联，停留时间测试数据在反应器研究中应用；
⑷了解电导率和旋光度测定，及旋光度和浓度关系；
⑸确定试验步骤、试验方案、试验统计和处理数据方法；
⑹写出预习汇报，包含：原理、步骤、试验方案、试验步骤，设计试验统计表格，提出不懂问题。
8 撰写试验汇报
撰写试验汇报是为了愈加好地掌握本试验内容，也是为以后撰写科技论文打下良好基础。要求以下：
⑴ 本试验意义及目标；
⑵ 简述基础原理及介绍装置步骤，给出操作条件及步骤；
⑶ 数据处理内容包含
①单釜反应器和串联反应釜停留时间分布密度，并画出曲线图；
②依据停留时间测试数据处理结果和蔗糖水解化学反应速度方程式计算反应器出口浓度和反应转化率；
③在单釜和三釜串联试验装置上进行蔗糖水解试验数据，计算出口浓度和反应转化率。
⑷ 试验结果及其分析讨论：
①将停留时间测试数据处理结果和全混反应器和平推流反应器相比较，分析单釜和串联反应器返混情况；
②全混反应器单釜和三釜串联蔗糖水解计算结果加以比较并加以讨论；
③将在单釜和三釜串联蔗糖水解试验结果，包含出口浓度和反应转化率等和计算结果进行比较及分析讨论。
④其它相关讨论。
参考文件
（1）尹芳华，李为民. 化学反应工程基础. 北京：中国石化出版社，
（2）房鼎业，乐清华，李福清.化学工程和工艺专业试验. 北京：化学工业出版社，

试验2 乙酸丁酯合成及精制

有机化工产品是最终产品原料，它是决定最终产品品种、数量、质量、生产规模、产品经济性关键条件。有机化工产品用途很广泛。这些产品和工业、农业、建筑业、交通运输业等发展，和国防、文教、卫生和人民生活全部有着亲密关系。乙酸丁酯是应用范围最广脂肪酸酯之一，它是—种优良有机溶剂，广泛应用于硝化纤维清漆中，在人造革、织物及塑料加工过程中用作溶剂，在石油加工和制药过程中用作萃取剂，也用于香料工业等。
尽管化工生产中产品种类繁多，生产方法各异，但共同特点是全部包含有反应和分离提纯。
1 试验目标
（1）初步了解和掌握化工产品开发研究思绪和试验研究方法。
（2）学会组织全步骤试验，并取得高纯度产品。
（3）学会分析试验步骤及试验结果，提出试验改善方案。
2 试验原理
2.1乙酸丁酯合成
酯制备路径很多，其反应式以下：
① RCOOH + R’CH2OH —→ RCOOCH2R’+ H2O
② RCOOR’ + R”CH2OH —→ RCOOR” + R’CH2OH
③ RCOOR’ + R”COOH —→ RCOOR” + R’COOH
④ RCOCL + R’OH —→ RCOOR’ + HCl
⑤ (RCO)2O + 2R’OH —→ 2RCOOR’ + H2O
⑥ RCOOR’ +R”COOR”’ —→ RCOOR”’ + R”COOR’
⑦ RCOONa + R’Cl —→ RCOOR’ + NaCl
其中，①为有脂肪酸和脂肪醇直接脱水反应；②和③为脂肪酸酯和脂肪醇或脂肪酸置换生成新酯反应；④为脂肪酸酰卤和醇反应；③为两种酯之间酯交换反应；⑥为脂肪酸酐和醇反应；⑦为脂肪酸盐和卤代烷反应。上述制备酯反应中，工业上应用最多是①② ③ 三种方法。
脂肪酸和脂肪醇脱水合成酯方法是最基础最成熟酯化方法。为了提升酯化反应速度，常加入某种催化刑，如硫酸、磷酸、对甲苯磺酸、杂多酸等，依据反应物系不一样情况，也可选择ZnO、活性铝、氧化钛、四异丙基钛等路易斯酸、Zn(Ac)、Sn、Pb、Zr、Sb之类两性金属氧化物、氢氧化物，固体超强酸Ti02—S等。
酯化反应是一可逆反应，当反应达平衡后，酯生成量就不再增加，为了提升酯产量，可加过量乙酸或丁醇，或不停从反应混合物中将所生成水除去，以促进平衡向正向反应进行。

2.2乙酸丁酯精制
合成乙酸丁酯粗产品中，除了酯以外，还含有少许水、催化剂及未反应完丁醇和乙酸，也还可能有副产物等，故需要进行分离提纯。分离提纯可采取物理、化学方法。
3试验方案确实定
3.1 查阅资料，以“乙酸丁酯合成及精制”为题完成文件综述；
3.2 确定试验方案
（1）从技术和经济角度综合考虑，确定合成反应条件：
①确定合成反应方法及所用催化剂，并说明理由。激励选择优异试验方法；
②选择反应方法：即选择间歇反应、连续反应或半连续反应；
③如选择反应精馏，塔釜为500ml；其它方法，反应器为250ml。请确定各原料及催化剂用量；
④如选择连续或半连续反应，请确定加料次序；
⑤如为间歇反应，确定反应时间。
（2）设计精制方案、绘制精制步骤图。
（3）绘制试验装置图。
（4）确定气相色谱分析条件及分析方法。
（5）设计具体试验操作步骤。
（6）安排试验进度。
（7）列出参考文件（不少于5篇）。
4 试验方案讨论
在预约试验前一周进行试验方案讨论，试验方案经过后方可进行下一步试验。
５试验过程
（1） 各组依据领料单领料；
（2） 安装试验设备进行试验；
（3） 所得乙酸丁酯产品纯度满足国家标准可结束试验。
6 试验结果及讨论
（1）计算反应转化率和乙酸丁酯收率并做简明评价。
（2）要提升乙酸丁酯产品收率及纯度可采取哪些方法？
（3）请深入完善自己试验方案；
（4）依据试验研究结果，试设计连续生产工艺步骤。
附录
中国乙酸丁酯国家标准（GB3728-91）
指标名称
优等品
一等品
合格品
色度（铂-钴），号 ≤
10
10
20
密度，（20℃），g/cm3
0.878-0.883
0.878-0.883
0.820-0.883
乙酸丁酯含量，% ≥
99.2
98.0
96.0
水分，% ≤
0.10
0.20
0.40
酸度（以CH3COOH计），%
0.004
0.005
0.010
蒸发残渣，% ≤
0.002
0.005
0.010

试验3 水盐体系相平衡测定及硫酸钾制备

水盐体系相图是以水和多种盐类组成体系为对象研究相组成表示方法及其改变规律。水盐体系相图广泛应用于盐化工、肥料化工、海洋化工、三废处理等领域。工业上以盐矿、盐湖、地下卤水、海水为原料进行化工产品加工，全部需要水盐体系相图指导。对相图进行分析研究，能够取得制备对应产品工艺路线和条件，然后有针对性进行试验，从而缩短化工产品研发周期，节省研发费用。绘制相图所需溶解度数据经过试验进行测定[1]。

1 试验目标
本试验经过在25℃下K+、Na+、C1-、SO4=和H2O体系相平衡数据测定、相图绘制、工艺路线分析和试验方案确实定，最终制取K2SO4和NaCl。使试验者掌握化工产品开发过程和基础方法。

2 试验原理
试验室常见等温法测定相平衡数据。即在某一恒定温度下，使一定组成系统在试验装置内达成相平衡，然后直接测定液相组成，并判定和液相呈平衡固相组成，从而取得相平衡数据。
2.1 相图标绘和分析
对于K+、Na+、C1-、SO4=—H2O体系，其相律特征为：
(1)
因为独立组份数为C=4，在等温等压条件下，相律公式为：
(2)
因为在相平衡条件下，自由度F=0，故相数。即，一个液相，三个固相。
对于交互四元物系，复分解反应过程为
(3)
式中，A、B代表阳离子；X、Y代表阴离子。
K+、Na+、C1-、SO4=—H2O体系复分解反应方程式为
(4)
按等当量关系，也可写成
(5)
对于K+、Na+、C1-、SO4=—H2O体系，实测溶解度数据示于表1，由表中数据标绘相图示于图1。现以图1中R点为例说明相图绘制方法。

表1 K+、Na+、C1-、SO4=—H2O体系溶解度数据
化合物
KCl
NaCl
Na2SO4
K2SO4
H2O
T
S
分子量
74.6
58.5
142
174
18
因次
mol
mol
mol
mol
mol
℃
E点
0.0
0.0
41.82
8.69
1000
25
Na2SO4·10H2O+NaK3 (SO4)2
G点
0.0
53.08
29.01
7.40
1000
25
Na2SO4·10H2O+NaK3(SO4)2+Na2SO4
R点
18.94
87.06
13.67
0.0
1000
25
Na2SO4+ NaCl+Na2SO4·3K2SO4
J点
39.86
87.16
4.06
0.0
1000
25
K2SO4+KCl +NaK3(SO4)2
P点
70.44
34.50
0.0
3.08
1000
25
K2SO4+KCl+Na2SO4·3K2SO4
N点
85.40
0.0
0.0
1.55
1000
25
K2SO4+KCl
F点
0.0
66.24
25.71
0.0
1000
25
Na2SO4·10H2O+ Na2SO4
H点
0.0
99.14
12.55
0.0
1000
25
Na2SO4+NaCl
K点
36.12
92.90
0.0
0.0
1000
25
NaCl+KCl
M点
0.0
0.0
8.47
13.82
1000
25
K2SO4+ NaK3(SO4)2

图1 K+、Na+、C1-、SO4=—H2O体系相图
——25℃等温溶解度线 ----100℃等温溶解度线 —·—工艺分析线段

将表1中R点溶解度数据按等当量关系整理，示于表2。据此可深入计算出R点所表示饱和溶液中各离子摩尔数，即：K2++和Na2++在阳离子中所占摩尔分率，Cl2=和SO4=在阴离子中所占摩尔分率，列于表3。

表2 按等当量关系整理后R点溶解度数据
化合物
K2Cl2
Na2Cl2
Na2SO4
H2O
T
S
因次
mol
mol
mol
mol
℃
固相
数量
9.47
43.53
13.67
1000
25
NaCl+Na2SO4+Na2SO4·3K2SO4

表3 R点溶液中各离子摩尔数和摩尔分率
离 子
K2++
Na2++
Cl2=
SO4=
H2O
摩尔数，mol
9.47
57.2
53.0
13.67
1000
摩尔分率，%
14.20
85.80
79.50
20.50
1500
累计，%
100
100

以Cl2=摩尔分率（或称杰内克指数J）为横坐标，以Na2++摩尔分率为纵坐标，建立坐标系，将表3所列Cl2=摩尔分率79.50%和Na2++摩尔分率85.80%标绘在图2中，即得R点。如法炮制，即可绘得图3中E、G、J、P、M和N各点，连点成线，得25℃溶解度曲线，即相图。
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结晶区
相图1还给出了100 ℃溶解度曲线，100 ℃时K+、Na+、C1-、SO4=-H2O体系存在5个结晶区，它们分别是：Na2SO4、Na2SO4·3K2SO4、KCl、NaCl和K2SO4结晶区。

图2 四元体系相图坐标

图3 四元体系25℃相图

2.2水盐体系相平衡数据测定
（1）相平衡体系建立
K+、Na+、C1-、SO4=-H2O体系存在着化学平衡和相平衡，从化学反应方程式（5）可知，反应物固盐硫酸钠和氯化钾溶解进入液相，在液相中离解为K+、Na+、C1-、SO4=四种离子，这些离子相互发生化学作用，生成产物硫酸钾和氯化钠，并从溶液中结晶出来，最终达成化学平衡和相平衡状态。
水盐体系相平衡数据测定过程，就是要在试验条件下建立互成平衡固液两相，然后对固相和液相组成进行测定（关键是测定液相组成），并和表1所表示文件值进行比较，从而验证文件值正确性。
怎样建立互成平衡固液两相？
我们知道，表1所表示溶解度数据，实际上是饱和溶液中各盐浓度，那么，要建立互成平衡固液两相，各盐加料量应该略高于饱和溶液溶解度，这么，当固盐溶解达成饱和浓度时，仍有少许未溶解固盐存在，从而形成固液两相平衡状态。
必需指出，表1所载溶解度数据是25℃时1000mol水中溶解固盐mol数。因为试验条件下设备容积较小，不可能容纳1000mol水盐溶液。所以，在配料时，实际称量固盐量和水量应按表1溶解度数据成百分比地进行缩小。相平衡试验中，通常按总干盐量20g进行配料。
（2）R点配料计算
由表1中R点溶解度数据，1000mol水中溶解各固盐总克数为

试验中称取各固盐总量为20g，故缩小百分比为
（倍）
由此可得各固盐理论加入量

为结构互成平衡固液两相，各固盐实际加入量按理论量1.15倍计算，取小数点后一位，用小台秤称量，即

水无需过量，按理论量加入

（3）P点配料计算
表1中P点，1000mol水中溶解各固盐总克数为

称取固盐总量20g时，缩小百分比为
（倍）
由此可得各固盐理论加入量：

同理，各固盐实际加入量按理论量1.15倍计算

2.3相平衡数据测定方法
测定相平衡数据试验装置图4所表示，制备方法以下：
(1) 加热水浴至25±0.05℃；
(2) 按相图R、P点用台秤称量干盐总量不超出20g；
(3) 先加入少许水于平衡管中，再依次加入KCl、NaCl、Na2SO4、K2SO4，开搅拌器，最终把全部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，分别取清液和湿渣固体进行分析。

图4 测定相平衡数据试验装置图
1—精密温度计；2—搅拌器；3—相平衡管；4—恒温水浴

3 硫酸钾制备
3.1 制备工艺
对相图进行分析，能够提出三种生产K2SO4工艺路线：直接法，间接法和闭接法。
（1）直接法制备硫酸钾
直接法制备K2SO4工艺步骤示于图5。将配料组成点设计在图1中“a”点，其反应为
Na2SO4+2KCl+W® K2SO4+P
式中，W为水，P为含有Na+、SO4=、K+、C1-、H2O饱和盐溶液。
直接法制备硫酸钾，理论上钾收率在26～29％之间。

图5 直接法制备K2SO4工艺步骤

（2）间接法制备硫酸钾
间接法制备K2SO4工艺步骤示于图6。制备过程分两步进行。
第一步：把配料点设计在图1 “1” 点，其反应为
Na2SO4+2KCl+W1® Na2SO4·3K2SO4+R
式中，W1为水，R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O饱和盐溶液，反应生成Na2SO4·3K2SO4称为钾芒硝，用点g表示。
第二步： 将g点钾芒硝Na2SO4·3K2SO4和KCl和H2O配制至图1 “b” 点，反应式为
g+2KCl+W2®K2SO4+P
式中，W2为水，P为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O饱和盐溶液。
间接法制备硫酸钾，理论上钾收率可达58％左右。
P溶液中钾还可深入回收，将P盐溶液和Na2SO4配