脲硫酸复肥工业化的基础数据研究

侯翠红，高 伟，苗俊艳，王好斌，张保林

(郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001)

0 引言

脲硫酸复肥生产工艺可充分利用我国广泛存在的中、低品位磷矿资源一步法生产复合肥料，该工艺无磷石膏排放，缩短生产周期，极大地简化氟回收系统，实现无“三废”排放，提高生产效率。产品除含NPK外，还含有钙、镁、硫、硅、铁等中微量营养元素，对于作物的全面营养和平衡施肥、增强作物的抗倒伏、防病害能力具有重要作用，产品中的氮和磷以络合态形式存在，可降低氮的淋溶和挥发损失，减少磷的退化和固定，有效提高肥料养分利用率［1-2］，对延长我国磷资源的使用寿命、实现磷复肥工业的可持续发展具有重要意义。流体的密度和黏度对反应器的设计以及流体的输送和传热具有重要意义［3］，因此，本文对脲硫酸溶液的密度、黏度进行了研究，为工业化提供基础物性数据。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

主要试剂:98%硫酸、盐酸、硝酸，洛阳昊华化学试剂有限公司提供，均为分析纯;钼酸钠，国药集团化学试剂有限公司提供，分析纯;柠檬酸，天津市风船化学试剂科技有限公司提供，分析纯。仪器:单孔智能水浴锅、数显无级恒速搅拌器、循环水式多用真空泵(巩义英峪华科仪器厂);数显黏度计(美国Brookfield DV-C)。

1.2 实验方法

1.2.1 脲硫酸溶液的配制

实验选用贵州开阳磷矿，矿粉粒度为0.15 mm。脲硫酸溶液中尿素、硫酸和水配比(物质的量比)分别为1.8∶1∶1和2.0∶1∶1的。

1.2.2 脲硫酸分解磷矿

本文采用不同尿素与硫酸配比分解磷矿，考虑到工业上喷浆造粒对流动性的要求，分别对原磷矿用量的70%、75%、80%进行试验。

1.3 分析测试方法

用比重瓶法对酸解剂和磷矿料浆的密度进行测定;用Brookfield DV-C型数显黏度计［4］测定脲硫酸溶液及其分解磷矿料浆的黏度，测量精度为1 mPa·s;用磷钼酸喹啉重量法［5］分别测定料浆中的有效磷(A-P2O5)和总磷(T-P2O5)的含量，并计算磷矿转化率Xp=A-P2O5/T-P2O5。

2 结果与讨论

2.1 脲硫酸溶液密度和黏度性质研究

尿素和水的配比为1.8∶1∶1，硫酸和水的配比为2.0∶1∶1。用比重瓶法和黏度计法分别在25～85℃范围内测定脲硫酸溶液的密度和黏度，见图1和图2。

图1 不同配比的脲硫酸密度曲线图

由图1可以看出，组成一定时，脲硫酸溶液的密度随温度的升高而减小;温度一定时，脲硫酸溶液的密度随尿素的摩尔分率的增加而减小，因为尿素是小分子，与水的性质相似。根据实验数据和曲线拟合出的数据可知，1.8∶1∶1和2.0∶1∶1时密度很接近，所以脲硫酸密度ρ随溶液温度T的变化可用同一方程式(1)描述:

图2 不同配比的脲硫酸黏度曲线图

由图2可以看出，脲硫酸溶液的黏度随温度的升高而减小，且在25～55℃随温度升高，黏度急剧减小。采用计算机拟合出组成一定的脲硫酸溶液黏度η(mPa·s)随温度T(℃)变化的方程式为:

式(2)中 A、η0、T1均为方程参数，随溶液配比发生变化，见表1。

表1 式(2)拟合方程参数表

拟合方程线性回归相关系数R2＞0.99，拟合精度较高，能够较好地描述体系黏度随温度变化规律。因此不同配比的脲硫酸在不同温度下的黏度可以利用拟合方程计算得到。

2.2 脲硫酸分解磷矿料浆性质研究

采用脲硫酸溶液分解磷矿制得的料浆，磷矿转化率在94%以上，料浆流动性较好。用比重瓶法和黏度计分别对料浆在50～85℃的密度和黏度进行了测定，结果见表2。

由表2可以看出，不同酸解剂配比分解磷料浆密度和黏度随温度的升高而减小。根据测定的密度数据，用Origin8.0拟合出不同的温度下料浆的密度ρ(kg/L)和料浆黏度η/(mPa·s)的方程形式分别为:

表2 脲硫酸分解磷矿所得料浆的密度和黏度

式(3)中ρ代表密度，式(4)中η代表黏度，式(3)和式(4)中的 A、B、C、D、E 均为方程参数，见表3。

表3 式(3)和(4)中的拟合参数

拟合方程线性回归的相关系数R2＞0.99，其拟合精度较高，能够较好地描述体系密度和黏度随温度变化的规律，因此不同配比的脲硫酸分解磷矿制得的料浆的密度和黏度可以利用拟合方程计算得到。

3 结论

本文对脲硫酸溶液的密度和黏度进行了测定，并对脲硫酸溶液分解磷矿制得的料浆的性质进行了研究，料浆磷矿初期转化率在94%以上，料浆黏度在8 200～12 800 mPa·s，流动性较好，可以顺利输送。

［1］侯翠红，许秀成，王好斌，等.一种脲硫酸多营养功能性复肥的生产方法:中国，ZL201310096516.6［P］.2014-04.

［2］侯翠红，张宝林，王光龙.清洁型脲硫酸复肥新工艺研究［J］.河南化工，2007(24):25-27.

［3］汤桂华，赵增泰，郑 冲.硫酸［M］.北京:化学工业出版社，1997.

［4］杭州大学化学系分析化学教研室.分析化学手册［M］.北京:化学工业出版社，1997.

［5］GBT8773-2010，复混肥中有效磷的含量的测定［S］.