中国是一个农业大国,农业的稳态发展离不开合理的施肥。钾肥则是其中较重要的肥料之一,硫酸钾是一种最重要的无氯优质钾肥,其价格比硝酸钾低而有广泛施用,也是大部分农作物所需元素硫的重要来源之一。硫酸氢钾本身也是一种钾肥,也可作为中间产品生产众多N、P、K复合肥料,其次,硫酸氢钾也是一种农药杀虫剂。随着科学技术的日益进步,硫酸氢钾的应用正在慢慢扩展。云天化股份有限公司是国内重要的磷复肥生产企业,目前拟采用硫酸氢钾与磷矿反应制备农用磷酸二氢钾复合肥。本课题基于曼海姆法制备硫酸钾的两步反应机理,研究了曼海姆法的第一步低温反应,即氯化钾与硫酸反应生成硫酸氢钾的工艺研究,其工作将为公司后续利用硫酸氢钾与磷矿反应制备农用磷酸二氢钾提供适宜的原料选择,提高企业自身利益和节约原料成本方面提供重要的基础数据。本课题研究了水相和无水相条件下氯化钾与工业硫酸反应的温度、摩尔配比、时间、硫酸浓度以及搅拌速率等因素对所制得中间产品硫酸氢钾的影响,并对制得的产品进行XRD、红外光谱、拉曼光谱以及扫描电镜等结构表征。(1)水相实验研究。对于工业硫酸与氯化钾溶液制备硫酸氢钾的反应,由单因素实验得出:其较优生产条件为反应温度85℃,摩尔比1.2:1,反应时间60min,硫酸浓度80%,搅拌速率为300r/min,此时反应转化率为98.99%,固相中KHSO4质量分数98.77%,KCl质量分数0.29%,H2SO4质量分数0.94%。由正交试验得出:温度和原料摩尔配比是主要影响因素,且温度影响效果最明显;其它影响因素顺序分别为反应时间>搅拌速率>硫酸浓度。最优生产条件温度为90℃,摩尔比为1.2:1,反应时间为60min,硫酸浓度为80%,搅拌速率为250r/min。通过最优条件重复实验表明该工艺较稳定,并且转化率约为98.6%,可考虑放大实验,此时固相产品中KHSO4质量分数约为98.4%,KCl质量分数约为0.6%,H2SO4质量分数约为1%。通过反应液和滤液的晶体析出实验可以得出在反应液中加入少量研磨细的硫酸氢钾晶种能使KHSO4产品更快的析出,并且工业酸中杂质Fe对于晶体的析出有一定的辅助作用。针对实验过程中的副产盐酸和滤液,结合公司优势,提出了相应的循环利用建议。最后通过XRD、红外光谱、拉曼光谱以及扫描电镜等结构表征表明,工业硫酸与氯化钾溶液制备得到的硫酸氢钾产品质量较高,符合工业标准。(2)无水相实验研究。对于工业硫酸分解氯化钾固体制备硫酸氢钾的反应,由单因素实验得出:其较优生产条件为反应温度80℃,摩尔比1.2:1,反应时间50min,搅拌速率为300r/min,此时反应转化率为92.64%,固相产品中KHS04质量分数97.42%,KCl质量分数2.04%,H2SO4质量分数0.54%。由正交试验得出:温度和原料摩尔配比是主要影响因素,且温度影响效果最明显;反应时间和搅拌速率为次要影响因素,其中搅拌速率影响效果最小。最优生产条件温度为80℃,摩尔比为1.1:1,反应时间为60min,搅拌速率为250r/min。通过最优条件重复实验可以得出工艺较稳定,并且转化率约为92%,此时固相产品中KHSO4质量分数约为98%,KCl质量分数约为2%,H2SO4质量分数约为0.1%。在进行最优重复实验时,对氯化氢气体逸出量做了对应研究,气体吸收效果较好,符合工业排放标准。针对曼海姆法进行改进,尝试性的对其进行较高温反应,考察较高温对反应转化率的影响。最后通过XRD、红外光谱、拉曼光谱以及扫描电镜等结构测试表明,工业浓硫酸分解氯化钾固体制备得到的硫酸氢钾产品纯度较高,转化率基本符合工业标准。通过对两种实验条件下工业硫酸与氯化钾制备硫酸氢钾的工艺研究可以看出:相较于无水相条件,水相条件下得到的产品质量和转化率更高,原料的利用率也更好。除此之外,无水相条件反应时反应物粘稠,生成的硫酸氢钾易包裹在未反应的氯化钾上面,阻止了反应物之间的接触,使得反应转化率相较于水相略低,所得固相产品易成球状小颗粒。因此,建议工业生产采用水相法生产硫酸氢钾较好,晶体析出时反应液中加入少量晶种更佳,滤液以及反应用水也能得到很好的循环利用。