CN101993052A - 一种用于铵盐生产的微反应系统及应用 - Google Patents

Abstract

一种用于磷酸二氢铵生产的微反应系统，主要由微反应器、pH检测仪及流量调节元件组成，所述微反应器包括微通道反应器与微通道换热器，流量调节元件包含计量泵和管道流量调节阀门，pH检测点设置在微通道换热器出口端的微旁路。将液氨或氨水与磷酸溶液按化学计量比泵入微反应系统中进行反应生成磷酸二氢铵溶液，采用冷却水移出反应热。本发明的微反应系统体积小，过程响应快、易于控制，且移热速度快，解决了现有磷铵调配生产过程中的pH调控不稳定、响应滞后、高温尾气(氨气)排放多、环保压力大等问题，是一种能实现过程强化、安全、高效、清洁的生产设备和工艺。

Description

一种用于铵盐生产的微反应系统及应用

技术领域

本发明涉及一种用于磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄)生产的微反应系统，特别涉及一种具有快速调控反应产物pH值、快速移热的多元酸与氨进行中和反应的微反应系统，也可用于其它快速强放热化学反应过程。

背景技术

由氨和磷酸中和反应生产磷铵是一个重要的工业过程，该过程每年可为农业生产提供上千万吨的磷复肥，由于产量大，该过程原料特别是氨水或液氨利用率的微小提高就会转化为显著的效益。

同时，磷铵除用作氮磷复合肥料外，其水溶液状态也作为催化剂工业、特别是沸石型催化剂工业的处理剂(离子交换)，生产含磷沸石催化剂，此时对磷铵化合物纯度要求较高。因此，磷铵生产也是化工库车间非常重要的溶液配制操作，具有高质量要求的特点，因为当NH₃与H₃PO₄的摩尔比(也称中和度)为1.0～3.0时，将得到不同的磷铵产物，如：中和度为1.0时主要得到磷酸二氢铵，此时溶液的pH理论值为4.68，由理论计算可知，pH＝4.68附近的pH值增益非常大，当中和度为0.99～1.01时，pH将从3跃至6，磷酸二氢铵纯度降低。

磷酸与氨中和反应的反应器性能对于提高原料利用率、控制产品结构稳定性起重要的作用。现有磷酸与氨中和反应多在搅拌槽中进行，由于反应产物pH值响应的滞后性，搅拌槽中调配一般采用间歇操作，且在后期需要进行微调以使产物的pH值控制在4.5～5.0间，此时为合格的磷酸二氢铵溶液，这种操作过程不可避免因反应过程的强放热导致氨气逸出，不仅损失氨且污染大气环境。

现有技术未能很好解决酸与氨中和连续生产过程中产物pH值快速稳定调控，也未能彻底解决氨逸出以及生产的平稳性问题。本发明提出用一种微反应系统调配生产磷酸二氢铵(特别指出其为溶液状态)，顺利解决了上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于铵盐生产的微反应系统及应用；本发明的微反应系统体积小，过程响应快、易于控制，且移热速度快，解决了现有磷铵调配生产过程中的pH调控不稳定、响应滞后、高温尾气(氨气)排放多、环保压力大等问题，是一种能实现过程强化、安全、高效、清洁的生产设备和工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于磷酸二氢铵生产的微反应系统，其特征在于：包括微反应器，其由微通道反应器与微通道换热器组装而成，

微通道反应器通过管道接入酸和氨的存储容器，在酸和氨的存储容器与微通道反应器间管道上分别设置有流量调控元件，在微通道换热器的反应物出口处的出口管道上设置pH检测点。

在所述微通道换热器的反应物出口管道路上设置有一微旁路，微旁路上设置pH检测点，pH检测点处设置pH检测仪。

所述流量调节元件为计量泵和/或管道流量调节阀门，在酸和氨的存储容器与微通道反应器间管道上分别设置有计量泵和/或管道流量调节阀门；所述流量调节元件还可包括管道压力指示表，在酸和氨的存储容器与微通道反应器间管道上分别设置有管道压力指示表。

所述微通道反应器包括至少两条进口通道，和与进口通道分别相连的至少一条反应通道；进口通道分别与两个原料进口相连，反应通道与产物出口相连；所述微通道反应器的进口通道与反应通道间设置有进料分布通道与反应通道，两组进料分布通道通过孔连接反应通道。

所述微通道换热器包括至少一条冷却物料通道和至少一条冷却剂通道；冷却物料通道和冷却剂通道两端分别设置有进口和出口。

其中所述微反应器包含了微通道反应器和微通道换热器，微通道反应器和微通道换热器可以单独组装，也可以将微通道换热器与微通道反应器集成于一体。

所述微反应系统用于铵盐生产，其以酸溶液和氨水为原料，生产铵盐溶液，由这些酸与氨中和生成的铵盐溶液浓度低于反应温度下铵盐的饱和浓度。

本发明微反应系统如用于磷酸二氢铵生产，是一种溶液配制操作，属于酸碱中和反应体系，因此本发明同样适用于硫酸、盐酸、硝酸或草酸等与氨中和反应，特别是这些酸的稀水溶液，原则上，由这些酸与氨中和反应生成的铵盐的浓度低于反应温度下的饱和浓度，以避免因过饱和的溶质析出而造成微反应器通道的堵塞。

酸溶液最好为磷酸溶液，其以磷酸溶液和氨水为原料，可生产磷酸二氢铵溶液。本发明在微反应器前端两进料管道分别配置进料量控制元件(计量泵、流量调节阀门、管道压力指示表)，在微通道换热器的磷酸二氢铵出口配置pH检测点；磷酸溶液与氨水按化学计量比于微通道反应器中反应生成热磷酸二氢铵溶液，反应的同时将冷却水泵入到微通道换热器，移出反应热，在微通道换热器出口检测磷酸二氢铵溶液的pH值，并反馈到进料量控制元件并调节pH为4.5～5。其中产物pH的检测与进料流量调节控制可同步进行，最好使用工业自动化pH连续控制系统；也可分步进行，采用手动调节；调节时，先调进料流量较小的酸(或碱)控制元件，后调节进料流量较大的碱(或酸)控制元件。

本发明微反应系统中涉及的微通道反应器内分布通道、反应通道以及换热器中通道使用本领域(微反应技术)现有的微通道特征尺寸，即数十微米至毫米范围，微通道反应器中两进料分布通道与反应通道通过孔连接。而在现有酸碱中和搅拌槽中，大尺寸空间反应器结构使酸碱中和反应的pH检测必需在反应充分完成后进行，而由常规经验的液位控制投料往往因原料浓度的改变而失效。已知微通道反应器可强化传质传热，而且关键是因为反应(或反应-换热)内腔的体积小(一般只有数百毫升，用于工业规模的最大也仅为几升)，所以进料量的改变在反应器出口瞬间就会有响应，具有快速响应的能力。

本发明微反应系统可为催化剂工业，尤其是含磷沸石催化剂工业生产提供高纯度离子交换剂，已知这类含磷沸石催化剂是目前石油化工业的烃转化催化剂；也可作为铵肥及复合肥工业的上游工序，尤其是氮磷复合肥工业的磷铵肥前端工序。也可用于其它快速强放热化学反应过程。

附图说明

图1为磷酸中和度对产物pH值的影响(实验室数据)。

图2为用于磷酸二氢铵生产的微反应系统(10m³/h磷铵工业生产)。

图3为图2所示的微反应装备压力降。

图中：1为微反应器，2为计量泵，3为流量调节阀门，4为管道压力指示表，5为pH检测点，6为pH测定仪，7为NH₄H₂PO₄/H₂O，8为pH传感器，9为NH₃/H₂O，10为H₃PO₄/H₂O，11为微通道反应器，12为微通道换热器，13为冷却水。

具体实施方式

本发明提供了一种用于磷酸二氢铵生产的微反应系统，

包括微反应器1，其由至少两个进口的微通道反应器11的产物出口与微通道换热器12的被冷却物料入口通过管道串连组装而成，

微通道反应器的两个进口分别通过管道与酸和氨的存储容器相连，在酸和氨的存储容器与微通道反应器的两个进口间管道上分别设置有流量调节元件，在微通道换热器的冷却物料出口处的出口管道路上设置pH检测点5。

在所述微通道换热器的冷却物料出口处的出口管道路上设置有一微旁路，微旁路上设置pH检测点，pH检测点5处设置pH检测仪6。

所述流量调节元件为计量泵2、管道流量调节阀门3、管道压力指示表4，它们分别依次设置于在酸和氨的存储容器与微通道反应器的两个进口间管道上；

所述微通道反应器包括至少两条进口通道，和与进口通道分别相连的至少一条反应通道；进口通道分别与两个原料进口相连，反应通道与产物出口相连；在进口通道与反应通道间设置有进料分布通道与反应通道，两组进料分布通道通过孔连接反应通道。

所述微通道换热器包括至少一条冷却物料通道和至少一条冷却剂通道；冷却物料通道和冷却剂通道两端分别设置有进口和出口。

将磷酸溶液与液氨或氨水按化学计量比分别经由酸液、氨液管道流量调节阀门泵入微通道反应器中的分流通道，并在微反应通道中反应生成磷酸二氢铵溶液；反应的同时将冷却水13泵入到微通道换热器以移出反应热，在微通道换热器出口检测产物磷酸二氢铵溶液的pH值，并反馈进料量控制元件以调控pH至4.5～5。

在如上的磷酸二氢铵生产的微反应系统中，产物pH的检测与进料流量调节控制同步进行，最好使用工业自动化pH连续控制系统，pH检测时是由通过微反应器出口微旁路采料阀取样后测定的，调节时，如果两股流量控制元件的步进(或称可调范围)相同，先调进料流量较小的酸(或碱)控制元件使产物pH值进入中性点(增益较大)区间，后调节进料流量较大的碱(或酸)控制元件实现微调。

实施例1实验室由氨水与磷酸中和生成磷酸二氢铵

本实施微反应系统由平流泵、压力传感器、微反应器及磷铵pH检测酸度计构成。其中，微反应器集成了微通道反应器与微通道换热器，微反应通道前端为进口分布通道，反应器中两个进料分布通道通过孔连通至反应通道，孔径0.6mm，所有微通道当量直径为0.3～1.5mm，通道深宽比为0.15～0.5，反应单元芯片和换热单元芯片体积分别为160mm³和240mm³。两进料用平流泵可调范围皆为400∶1，酸度计直接测量反应器出口磷铵pH值，将质量浓度分别为19.95％和20.22％的氨水和磷酸通过两进料平流泵以体积流率比为1∶4.80～1∶4.85的理论计量比(溶质NH₃与H₃PO₄物质摩尔量比为1.00)、反应器内液时空速为4300～4600h^-1泵入上述微反应器，反应同时以冷却水移出反应热。

产物的pH值经测量为理论值4.63～4.68，说明氨水在微反应系统内中和磷酸时无损失，氨利用率近100％，中和液经微通道换热器热交换后温度低于44℃。

改变原料氨水浓度分别为～15％和～1％，在中和度1±0.25范围内测试产物pH值，获得pH-中和度曲线(图1)。按图1曲线操控本发明微反应系统产物pH4.5～5.0之间，可获取98％以上的磷酸二氢铵产物纯度。

实施例2工业现场10m³/h磷酸二氢铵调配

本实施微反应系统(图2)包括微反应器(1)，其由微通道反应器(11)与微通道换热器(12)组装而成，在微反应器前端两进料管道分别配置进料量控制元件：计量泵(21、22)和流量调节阀门(31、32)，以及管道压力指示表(41、42)，同时两管道上加设物料过滤装备，以适应工业原料，在微通道换热器磷铵出口的微旁路配置pH检测点(5)。

微反应器采取分体式装配，即微通道反应器与微通道换热器顺序连接。微反应器通道尺寸与实施例1相同，但通道数量及反应单元芯片数量分别增加至64条和100片，总流量达10m³/h。产物磷铵pH控制由进料管道流量调节阀执行，并平衡微反应器磷酸和氨水进料压力分别为0.45和0.2MPa。

现场调配用水和冷却水为工业水，取自工业水管网，其中调配用水采用机泵增压至约1.0MPa；磷酸取自磷铵调配系统，系统供压0.5MPa；氨水取自氨水调配系统，氨水调配系统与本发明磷铵调配系统均使用微反应器装置，氨水可事先由本发明磷铵调配微反应系统调配，或在磷铵调配装置前面微反应器装置中配制后接入，压力0.8MPa；磷铵出口为磷铵储罐，静压0.05MPa；用比重法和pH试纸分析出口磷铵浓度和pH值。

磷酸二氢铵连续调配数据列于表1。

表1、使用图2所示的微反应系统工业现场调配数据

实施例1和2表明本发明微反应系统用于磷酸二氢铵实验室调配或工业规模生产调配，可获取质量稳定的产物结构及稳定的反应中和度，而且中和产物pH反应过程及时(表1)，无恶臭尾气排放，氨利用率达100％。本发明磷酸二氢铵微反应系统适用于磷铵调配，可以预见本发明也适用于其它酸与氨的中和反应体系。

Claims (10)

1.一种用于磷酸二氢铵生产的微反应系统，其特征在于：包括微反应器(1)，其由微通道反应器(11)与微通道换热器(12)组装而成，

微通道反应器(11)通过管道接入酸和氨的存储容器，在酸和氨的存储容器与微通道反应器间管道上分别设置有流量调控元件，在微通道换热器(12)的反应物出口处的出口管道上设置pH检测点。

2.按照权利要求1所述的微反应系统，其特征在于：在所述微通道换热器(12)的反应物出口管道上设置有一微旁路，微旁路上设置pH检测点(5)，pH检测点(5)处设置pH检测仪。

3.按照权利要求1所述的微反应系统，其特征在于：所述流量调节元件为计量泵(2)和/或管道流量调节阀门(3)，在酸和氨的存储容器与微通道反应器的两个进口间管道上分别设置有计量泵和/或管道流量调节阀门。

4.按照权利要求3所述的微反应系统，其特征在于：所述流量调节元件还包括管道压力指示表(4)，在酸和氨的存储容器与微通道反应器的两个进口间管道上分别设置有管道压力指示表(4)。

5.按照权利要求1所述的微反应系统，其特征在于：所述微通道反应器包括至少两条进口通道，和与进口通道分别相连的至少一条反应通道；进口通道分别与两个原料进口相连，反应通道与产物出口相连；

所述微通道换热器(12)包括至少一条冷却物料通道和至少一条冷却剂通道；冷却物料通道和冷却剂通道两端分别设置有进口和出口。

6.按照权利要求5所述的微反应系统，其特征在于：

所述微通道反应器的进口通道与反应通道间设置有进料分布通道与反应通道，两组进料分布通道通过孔连接反应通道。

7.按照权利要求1所述的微反应系统，其特征在于：其中所述微反应器包含了微通道反应器和微通道换热器，微通道反应器和微通道换热器可以单独组装，也可以将微通道换热器与微通道反应器集成于一体。

8.一种权利要求1所述微反应系统的应用，其特征在于：所述微反应系统用于铵盐生产，其以酸溶液和氨水为原料，生产铵盐溶液，由这些酸与氨中和生成的铵盐溶液浓度低于反应温度下铵盐的饱和浓度。

9.按照权利要求8所述微反应系统的应用，其特征在于：所述酸溶液为磷酸溶液、硫酸、盐酸、硝酸或草酸的水溶液。

10.按照权利要求8所述微反应系统的应用，其特征在于：所述酸溶液为磷酸溶液，其以磷酸溶液和氨水为原料，由流量调节元件调控产物的pH值为4.5～5.0，生产磷酸二氢铵溶液。

Images