响应面分析法优化工艺提高水溶磷酸一铵堆密度研究

郑建国，付强强，高璐阳，陈宏坤

（1.金正大诺泰尔化学有限公司，贵州 瓮安 550400；2.养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室；山东 临沂276700；3.金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沂 276700）

水溶磷酸一铵，主要用作肥料，纸张、织物的防火剂［1］，也应用在制药和反刍动物饲料中。在防火剂领域，水溶磷酸一铵主要应用于生产ABC 干粉灭火剂，ABC干粉灭火剂是干粉灭火器的主要材料，2010—2015年，干粉灭火器产量维持每年10%的增长幅度。

水溶磷酸一铵的市场认可度不仅局限在产品含量合格，而且在很大程度上受堆密度影响，堆密度小的产品在灭火器中的填充量小，直接影响灭火器效能［2］。贵州金正大诺泰尔化学有限公司（以下简称公司）及时优化调整工艺参数，将水溶磷酸一铵的堆密度由0.66 ～0.70 g/mL 提高到0.785 g/mL，对提升该款产品的市场竞争力具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验设备及参数

实验设备为公司水溶磷酸一铵生产线。磷酸与氨中和得到磷酸一铵料浆（此步骤涉及中和度），料浆过滤后滤液送到干燥塔塔顶，在一定压力下进行喷雾干燥（此步骤涉及塔顶泵压力），从热风炉出来的热风由塔底进入干燥塔（此步骤涉及热风进塔温度），在塔底出料口得到干粉磷酸一铵。

1.2 实验材料与试剂

脱硫磷酸，w（P2O5）22.78%，产自公司磷酸车间；氨气，来自公司氨站；酚酞试剂、溴甲酚绿均由标准试剂配制。

1.3 实验方法

1.3.1 堆密度测定方法

堆密度分为松密度和振实密度，实验采用松密度。将水溶磷酸一铵用磨样器粉磨10 s，取250 mL具塞量筒放在天平上，置零，在不施加外力情况下将100 g样品填充到量筒中，读取体积V［3］。

松密度的计算公式：ρ=100 g/V。

1.3.2 单因素实验

影响水溶磷酸一铵堆密度的因素有很多，如磷酸的品质、中和度、热风进塔温度、塔顶泵压力、液体流速、料浆过滤后滤液品质和干燥后产品水含量等。本实验选取中和度、热风进塔温度（以下统称进塔温度）、塔顶泵压力进行单因素实验。

1.3.3 响应面分析法实验

根据上述已知的3个主要影响因素，选取合适的影响区间，利用Design-Expert 10.0.3 软件中的Box-behnken 设计规则进行实验设计，并用响应面分析法进行数据分析，找到最合适的实验参数。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

当进塔温度设定为130 ℃，塔顶泵压力设定为5.5 kPa 时，改变中和度（0.95、0.97、1.00、1.05、1.10），考察中和度对产品堆密度的影响，结果见图1。

图1 中和度对产品堆密度的影响

由图1可以看出，水溶磷酸一铵的堆密度最初随中和度的增加而增加，到中和度为1.00时堆密度最大，当中和度继续增大时，堆密度随之减小，当中和度＞1.05时，堆密度随中和度的增大而增大，但是增大的幅度很小，因此中和度为1.00时，堆密度最大，选取0.97 ～1.05这个区间进行响应面分析法实验。

当中和度设定为1.00，进塔温度设定为125 ℃时，改变塔顶泵压力（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 kPa），考察塔顶泵压力对产品堆密度的影响，结果见图2。

图2 塔顶泵压力对产品堆密度的影响

由图2可以看出，水溶磷酸一铵的堆密度随塔顶泵压力的增大而增大，当塔顶泵压力达到6.5 kPa 时堆密度最大，之后堆密度随塔顶泵压力的增大而减小，选取塔顶泵压力为6.0 ～7.0 kPa 进行响应面分析法实验。

当塔顶泵压力设定为5.5 kPa，中和度设定为1.00 时，改变进塔温度（120、125、130、135、140 ℃），考察进塔温度对产品堆密度的影响，结果见图3。

图3 进塔温度对产品堆密度的影响

由图3 可以看出，水溶磷酸一铵的堆密度在120 ～125 ℃时随进塔温度升高而增大，在125 ～135 ℃随进塔温度的升高而减小，在135 ～140 ℃时随温度升高而增大，但温度＞140 ℃时生产线的能耗太大，选取120～130 ℃进行响应面分析法实验。

2.2 响应面分析法实验结果

2.2.1 单因素选取及分析方案

依照响应面分析法中的Box-behnken 设计原则及单因素分析结果进行实验设计，选取单因素实验中最优条件作为中水平（0 水平），高水平与低水平可以选取中水平左右一个区间的点。实验因素及水平见表1。

表1 实验因素及水平

按照表1进行响应面分析法实验设计，以中和度、塔顶泵压力、温度为影响因素，以堆密度为响应值，实验设计方案见表2。

表2 实验设计方案及结果

2.2.2 模型建立及分析

通过表2所得的实验数据，利用Design-Expert软件进行多元方程回归解析，得到各影响因素与响应值堆密度Y之间的多元二次方程:

各影响因子与响应值堆密度的显著关系由F值来判定，其中P值（Prob＞F）越小说明此变量的显著性越高［3］，由方差分析表（见表3）可知，此模型的显著水平为0.012 2，远小于0.05，说明此模型是非常显著的。由表3可知，各影响因素显著水平依次为塔顶泵压力＞中和度＞进塔温度。在各因素之间交互作用分析中，仅有AB的P值为0.044 1＜0.05，说明只有中和度和塔顶泵压力两个因素的交互作用是显著的。

表3 模型差值分析

2.2.3 实验结果分析

利用Design-Expert 10.0.3软件对得到的回归线方程进行绘图分析，得到各影响因素之间的响应面与等高线，可同时分析双因素变化对结果的影响。根据曲线面的变化趋势及等高线的中心汇集可以比较直观的得到最佳参数点［4］。

当进塔温度为125 ℃时，中和度与塔顶泵压力之间的相互作用见图4。从图4可以看出堆密度随中和度和塔顶泵压力的增加而增加，最大值汇集于底部等高线闭合中心点，在中和度为1.01、塔顶泵压力为7 kPa时，堆密度较高。

当塔顶泵压力为6.5 kPa 时，中和度与进塔温度之间的相互作用见图5。从图5 可以看出堆密度随中和度与进塔温度的增大而先增大后减小，等高线闭合中心点中和度为1.01，进塔温度为125 ℃，此时堆密度较高。

图4 中和度与塔顶泵压力对堆密度影响的响应面与等高线

当中和度为1.01，塔顶泵压力与进塔温度之间的相互作用见图6。从图6可以看出，堆密度随进塔温度的升高而先增大后减小，随塔顶泵压力的增大而增大，在等高线闭合中心点塔顶泵压力为7 kPa，进塔温度为125 ℃时堆密度较高。

图5 中和度与进塔温度对堆密度影响的响应面与等高线

图6 塔顶泵压力与进塔温度对堆密度影响的响应面与等高线

2.2.4 最佳工艺条件计算

利用Design-Expert 10.0.3 软件的Box-behnken设计原则进行模拟计算，响应值堆密度选择最大，最佳工艺条件为中和度1.005 65、塔顶泵压力7 kPa、进塔温度125.727 ℃，在此条件下堆密度可达到0.806 g/mL。根据此数据进行车间参数调整并做验证性实验，得到的水溶磷酸一铵堆密度为0.785 g/mL，与模型推测值偏差2.6%，但比之前生产的水溶磷酸一铵堆密度显著提高。

3 结论

利用Design-Expert 10.0.3软件的响应面分析法中的Box-behnken设计原则对水溶磷酸一铵生产工艺进行优化，得到最佳工艺参数为中和度1.005 65、塔顶泵压力7 kPa、进塔温度125.727 ℃，在此条件下堆密度可达到0.806 g/mL。车间实验实测数值为0.785 g/mL，与模型推测值偏差2.6%，在可以接受的范围内，说明响应面分析法得到的工艺参数准确可靠，可以应用在类似工艺的优化上。