響應面分析法優化工藝提高水溶磷酸一銨堆密度研究

鄭建國，付強強，高璐陽，陳宏坤

（1.金正大諾泰爾化學有限公司，貴州 甕安 550400；2.養分資源高效開發與綜合利用國家重點實驗室；山東 臨沂276700；3.金正大生態工程集團股份有限公司，山東 臨沂 276700）

水溶磷酸一銨，主要用作肥料，紙張、織物的防火劑［1］，也應用在制藥和反芻動物飼料中。在防火劑領域，水溶磷酸一銨主要應用于生產ABC 干粉滅火劑，ABC干粉滅火劑是干粉滅火器的主要材料，2010—2015年，干粉滅火器產量維持每年10%的增長幅度。

水溶磷酸一銨的市場認可度不僅局限在產品含量合格，而且在很大程度上受堆密度影響，堆密度小的產品在滅火器中的填充量小，直接影響滅火器效能［2］。貴州金正大諾泰爾化學有限公司（以下簡稱公司）及時優化調整工藝參數，將水溶磷酸一銨的堆密度由0.66 ～0.70 g/mL 提高到0.785 g/mL，對提升該款產品的市場競爭力具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗設備及參數

實驗設備為公司水溶磷酸一銨生產線。磷酸與氨中和得到磷酸一銨料漿（此步驟涉及中和度），料漿過濾后濾液送到干燥塔塔頂，在一定壓力下進行噴霧干燥（此步驟涉及塔頂泵壓力），從熱風爐出來的熱風由塔底進入干燥塔（此步驟涉及熱風進塔溫度），在塔底出料口得到干粉磷酸一銨。

1.2 實驗材料與試劑

脫硫磷酸，w（P2O5）22.78%，產自公司磷酸車間；氨氣，來自公司氨站；酚酞試劑、溴甲酚綠均由標準試劑配制。

1.3 實驗方法

1.3.1 堆密度測定方法

堆密度分為松密度和振實密度，實驗采用松密度。將水溶磷酸一銨用磨樣器粉磨10 s，取250 mL具塞量筒放在天平上，置零，在不施加外力情況下將100 g樣品填充到量筒中，讀取體積V［3］。

松密度的計算公式：ρ=100 g/V。

1.3.2 單因素實驗

影響水溶磷酸一銨堆密度的因素有很多，如磷酸的品質、中和度、熱風進塔溫度、塔頂泵壓力、液體流速、料漿過濾后濾液品質和干燥后產品水含量等。本實驗選取中和度、熱風進塔溫度（以下統稱進塔溫度）、塔頂泵壓力進行單因素實驗。

1.3.3 響應面分析法實驗

根據上述已知的3個主要影響因素，選取合適的影響區間，利用Design-Expert 10.0.3 軟件中的Box-behnken 設計規則進行實驗設計，并用響應面分析法進行數據分析，找到最合適的實驗參數。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

當進塔溫度設定為130 ℃，塔頂泵壓力設定為5.5 kPa 時，改變中和度（0.95、0.97、1.00、1.05、1.10），考察中和度對產品堆密度的影響，結果見圖1。

圖1 中和度對產品堆密度的影響

由圖1可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度最初隨中和度的增加而增加，到中和度為1.00時堆密度最大，當中和度繼續增大時，堆密度隨之減小，當中和度＞1.05時，堆密度隨中和度的增大而增大，但是增大的幅度很小，因此中和度為1.00時，堆密度最大，選取0.97 ～1.05這個區間進行響應面分析法實驗。

當中和度設定為1.00，進塔溫度設定為125 ℃時，改變塔頂泵壓力（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 kPa），考察塔頂泵壓力對產品堆密度的影響，結果見圖2。

圖2 塔頂泵壓力對產品堆密度的影響

由圖2可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度隨塔頂泵壓力的增大而增大，當塔頂泵壓力達到6.5 kPa 時堆密度最大，之后堆密度隨塔頂泵壓力的增大而減小，選取塔頂泵壓力為6.0 ～7.0 kPa 進行響應面分析法實驗。

當塔頂泵壓力設定為5.5 kPa，中和度設定為1.00 時，改變進塔溫度（120、125、130、135、140 ℃），考察進塔溫度對產品堆密度的影響，結果見圖3。

圖3 進塔溫度對產品堆密度的影響

由圖3 可以看出，水溶磷酸一銨的堆密度在120 ～125 ℃時隨進塔溫度升高而增大，在125 ～135 ℃隨進塔溫度的升高而減小，在135 ～140 ℃時隨溫度升高而增大，但溫度＞140 ℃時生產線的能耗太大，選取120～130 ℃進行響應面分析法實驗。

2.2 響應面分析法實驗結果

2.2.1 單因素選取及分析方案

依照響應面分析法中的Box-behnken 設計原則及單因素分析結果進行實驗設計，選取單因素實驗中最優條件作為中水平（0 水平），高水平與低水平可以選取中水平左右一個區間的點。實驗因素及水平見表1。

表1 實驗因素及水平

按照表1進行響應面分析法實驗設計，以中和度、塔頂泵壓力、溫度為影響因素，以堆密度為響應值，實驗設計方案見表2。

表2 實驗設計方案及結果

2.2.2 模型建立及分析

通過表2所得的實驗數據，利用Design-Expert軟件進行多元方程回歸解析，得到各影響因素與響應值堆密度Y之間的多元二次方程:

各影響因子與響應值堆密度的顯著關系由F值來判定，其中P值（Prob＞F）越小說明此變量的顯著性越高［3］，由方差分析表（見表3）可知，此模型的顯著水平為0.012 2，遠小于0.05，說明此模型是非常顯著的。由表3可知，各影響因素顯著水平依次為塔頂泵壓力＞中和度＞進塔溫度。在各因素之間交互作用分析中，僅有AB的P值為0.044 1＜0.05，說明只有中和度和塔頂泵壓力兩個因素的交互作用是顯著的。

表3 模型差值分析

2.2.3 實驗結果分析

利用Design-Expert 10.0.3軟件對得到的回歸線方程進行繪圖分析，得到各影響因素之間的響應面與等高線，可同時分析雙因素變化對結果的影響。根據曲線面的變化趨勢及等高線的中心匯集可以比較直觀的得到最佳參數點［4］。

當進塔溫度為125 ℃時，中和度與塔頂泵壓力之間的相互作用見圖4。從圖4可以看出堆密度隨中和度和塔頂泵壓力的增加而增加，最大值匯集于底部等高線閉合中心點，在中和度為1.01、塔頂泵壓力為7 kPa時，堆密度較高。

當塔頂泵壓力為6.5 kPa 時，中和度與進塔溫度之間的相互作用見圖5。從圖5 可以看出堆密度隨中和度與進塔溫度的增大而先增大后減小，等高線閉合中心點中和度為1.01，進塔溫度為125 ℃，此時堆密度較高。

圖4 中和度與塔頂泵壓力對堆密度影響的響應面與等高線

當中和度為1.01，塔頂泵壓力與進塔溫度之間的相互作用見圖6。從圖6可以看出，堆密度隨進塔溫度的升高而先增大后減小，隨塔頂泵壓力的增大而增大，在等高線閉合中心點塔頂泵壓力為7 kPa，進塔溫度為125 ℃時堆密度較高。

圖5 中和度與進塔溫度對堆密度影響的響應面與等高線

圖6 塔頂泵壓力與進塔溫度對堆密度影響的響應面與等高線

2.2.4 最佳工藝條件計算

利用Design-Expert 10.0.3 軟件的Box-behnken設計原則進行模擬計算，響應值堆密度選擇最大，最佳工藝條件為中和度1.005 65、塔頂泵壓力7 kPa、進塔溫度125.727 ℃，在此條件下堆密度可達到0.806 g/mL。根據此數據進行車間參數調整并做驗證性實驗，得到的水溶磷酸一銨堆密度為0.785 g/mL，與模型推測值偏差2.6%，但比之前生產的水溶磷酸一銨堆密度顯著提高。

3 結論

利用Design-Expert 10.0.3軟件的響應面分析法中的Box-behnken設計原則對水溶磷酸一銨生產工藝進行優化，得到最佳工藝參數為中和度1.005 65、塔頂泵壓力7 kPa、進塔溫度125.727 ℃，在此條件下堆密度可達到0.806 g/mL。車間實驗實測數值為0.785 g/mL，與模型推測值偏差2.6%，在可以接受的范圍內，說明響應面分析法得到的工藝參數準確可靠，可以應用在類似工藝的優化上。