專利名稱：一種用于銨鹽生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于磷酸二氫銨(NH4H2PO4)生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)，特別涉及一種具 有快速調(diào)控反應(yīng)產(chǎn)物PH值、快速移熱的多元酸與氨進(jìn)行中和反應(yīng)的微反應(yīng)系統(tǒng)，也可用于 其它快速強(qiáng)放熱化學(xué)反應(yīng)過程。
背景技術(shù)：
由氨和磷酸中和反應(yīng)生產(chǎn)磷銨是一個重要的工業(yè)過程，該過程每年可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 提供上千萬噸的磷復(fù)肥，由于產(chǎn)量大，該過程原料特別是氨水或液氨利用率的微小提高就 會轉(zhuǎn)化為顯著的效益。同時，磷銨除用作氮磷復(fù)合肥料外，其水溶液狀態(tài)也作為催化劑工業(yè)、特別是沸石 型催化劑工業(yè)的處理劑(離子交換)，生產(chǎn)含磷沸石催化劑，此時對磷銨化合物純度要求較 高。因此，磷銨生產(chǎn)也是化工庫車間非常重要的溶液配制操作，具有高質(zhì)量要求的特點，因 為當(dāng)NH3與H3PO4的摩爾比(也稱中和度)為1. 0 3. 0時，將得到不同的磷銨產(chǎn)物，如中 和度為1. 0時主要得到磷酸二氫銨，此時溶液的pH理論值為4. 68，由理論計算可知，pH =
4.68附近的pH值增益非常大，當(dāng)中和度為0. 99 1. 01時，pH將從3躍至6，磷酸二氫銨 純度降低。磷酸與氨中和反應(yīng)的反應(yīng)器性能對于提高原料利用率、控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起重 要的作用?，F(xiàn)有磷酸與氨中和反應(yīng)多在攪拌槽中進(jìn)行，由于反應(yīng)產(chǎn)物PH值響應(yīng)的滯后性， 攪拌槽中調(diào)配一般采用間歇操作，且在后期需要進(jìn)行微調(diào)以使產(chǎn)物的PH值控制在4. 5
5.0間，此時為合格的磷酸二氫銨溶液，這種操作過程不可避免因反應(yīng)過程的強(qiáng)放熱導(dǎo)致氨 氣逸出，不僅損失氨且污染大氣環(huán)境。現(xiàn)有技術(shù)未能很好解決酸與氨中和連續(xù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)物pH值快速穩(wěn)定調(diào)控，也 未能徹底解決氨逸出以及生產(chǎn)的平穩(wěn)性問題。本發(fā)明提出用一種微反應(yīng)系統(tǒng)調(diào)配生產(chǎn)磷酸 二氫銨(特別指出其為溶液狀態(tài))，順利解決了上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于銨鹽生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)及應(yīng)用；本發(fā)明的微反應(yīng) 系統(tǒng)體積小，過程響應(yīng)快、易于控制，且移熱速度快，解決了現(xiàn)有磷銨調(diào)配生產(chǎn)過程中的PH 調(diào)控不穩(wěn)定、響應(yīng)滯后、高溫尾氣(氨氣)排放多、環(huán)保壓力大等問題，是一種能實現(xiàn)過程強(qiáng) 化、安全、高效、清潔的生產(chǎn)設(shè)備和工藝。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于包括微反應(yīng)器，其由微通道 反應(yīng)器與微通道換熱器組裝而成，微通道反應(yīng)器通過管道接入酸和氨的存儲容器，在酸和氨的存儲容器與微通道反 應(yīng)器間管道上分別設(shè)置有流量調(diào)控元件，在微通道換熱器的反應(yīng)物出口處的出口管道上設(shè) 置PH檢測點。
在所述微通道換熱器的反應(yīng)物出口管道路上設(shè)置有一微旁路，微旁路上設(shè)置PH 檢測點，PH檢測點處設(shè)置pH檢測儀。所述流量調(diào)節(jié)元件為計量泵和/或管道流量調(diào)節(jié)閥門，在酸和氨的存儲容器與微 通道反應(yīng)器間管道上分別設(shè)置有計量泵和/或管道流量調(diào)節(jié)閥門；所述流量調(diào)節(jié)元件還可 包括管道壓力指示表，在酸和氨的存儲容器與微通道反應(yīng)器間管道上分別設(shè)置有管道壓力 指不表。所述微通道反應(yīng)器包括至少兩條進(jìn)口通道，和與進(jìn)口通道分別相連的至少一條反 應(yīng)通道；進(jìn)口通道分別與兩個原料進(jìn)口相連，反應(yīng)通道與產(chǎn)物出口相連；所述微通道反應(yīng) 器的進(jìn)口通道與反應(yīng)通道間設(shè)置有進(jìn)料分布通道與反應(yīng)通道，兩組進(jìn)料分布通道通過孔連 接反應(yīng)通道。所述微通道換熱器包括至少一條冷卻物料通道和至少一條冷卻劑通道；冷卻物料 通道和冷卻劑通道兩端分別設(shè)置有進(jìn)口和出口。其中所述微反應(yīng)器包含了微通道反應(yīng)器和微通道換熱器，微通道反應(yīng)器和微通道 換熱器可以單獨(dú)組裝，也可以將微通道換熱器與微通道反應(yīng)器集成于一體。所述微反應(yīng)系統(tǒng)用于銨鹽生產(chǎn)，其以酸溶液和氨水為原料，生產(chǎn)銨鹽溶液，由這些 酸與氨中和生成的銨鹽溶液濃度低于反應(yīng)溫度下銨鹽的飽和濃度。本發(fā)明微反應(yīng)系統(tǒng)如用于磷酸二氫銨生產(chǎn)，是一種溶液配制操作，屬于酸堿中和 反應(yīng)體系，因此本發(fā)明同樣適用于硫酸、鹽酸、硝酸或草酸等與氨中和反應(yīng)，特別是這些酸 的稀水溶液，原則上，由這些酸與氨中和反應(yīng)生成的銨鹽的濃度低于反應(yīng)溫度下的飽和濃 度，以避免因過飽和的溶質(zhì)析出而造成微反應(yīng)器通道的堵塞。酸溶液最好為磷酸溶液，其以磷酸溶液和氨水為原料，可生產(chǎn)磷酸二氫銨溶液。本 發(fā)明在微反應(yīng)器前端兩進(jìn)料管道分別配置進(jìn)料量控制元件(計量泵、流量調(diào)節(jié)閥門、管道 壓力指示表)，在微通道換熱器的磷酸二氫銨出口配置PH檢測點；磷酸溶液與氨水按化學(xué) 計量比于微通道反應(yīng)器中反應(yīng)生成熱磷酸二氫銨溶液，反應(yīng)的同時將冷卻水泵入到微通道 換熱器，移出反應(yīng)熱，在微通道換熱器出口檢測磷酸二氫銨溶液的PH值，并反饋到進(jìn)料量 控制元件并調(diào)節(jié)pH為4. 5 5。其中產(chǎn)物pH的檢測與進(jìn)料流量調(diào)節(jié)控制可同步進(jìn)行，最好 使用工業(yè)自動化PH連續(xù)控制系統(tǒng)；也可分步進(jìn)行，采用手動調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)時，先調(diào)進(jìn)料流量較 小的酸(或堿)控制元件，后調(diào)節(jié)進(jìn)料流量較大的堿(或酸)控制元件。本發(fā)明微反應(yīng)系統(tǒng)中涉及的微通道反應(yīng)器內(nèi)分布通道、反應(yīng)通道以及換熱器中通 道使用本領(lǐng)域(微反應(yīng)技術(shù))現(xiàn)有的微通道特征尺寸，即數(shù)十微米至毫米范圍，微通道反應(yīng) 器中兩進(jìn)料分布通道與反應(yīng)通道通過孔連接。而在現(xiàn)有酸堿中和攪拌槽中，大尺寸空間反 應(yīng)器結(jié)構(gòu)使酸堿中和反應(yīng)的PH檢測必需在反應(yīng)充分完成后進(jìn)行，而由常規(guī)經(jīng)驗的液位控 制投料往往因原料濃度的改變而失效。已知微通道反應(yīng)器可強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，而且關(guān)鍵是因 為反應(yīng)(或反應(yīng)-換熱)內(nèi)腔的體積小(一般只有數(shù)百毫升，用于工業(yè)規(guī)模的最大也僅為 幾升)，所以進(jìn)料量的改變在反應(yīng)器出口瞬間就會有響應(yīng)，具有快速響應(yīng)的能力。本發(fā)明微反應(yīng)系統(tǒng)可為催化劑工業(yè)，尤其是含磷沸石催化劑工業(yè)生產(chǎn)提供高純度 離子交換劑，已知這類含磷沸石催化劑是目前石油化工業(yè)的烴轉(zhuǎn)化催化劑；也可作為銨肥 及復(fù)合肥工業(yè)的上游工序，尤其是氮磷復(fù)合肥工業(yè)的磷銨肥前端工序。也可用于其它快速 強(qiáng)放熱化學(xué)反應(yīng)過程。


圖1為磷酸中和度對產(chǎn)物pH值的影響(實驗室數(shù)據(jù))。圖2為用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)(10m3/h磷銨工業(yè)生產(chǎn))。圖3為圖2所示的微反應(yīng)裝備壓力降。圖中1為微反應(yīng)器，2為計量泵，3為流量調(diào)節(jié)閥門，4為管道壓力指示表，5為pH 檢測點，6 為 pH 測定儀，7 為 ΝΗ4Η2Ρ04/Η20,8 為 pH 傳感器，9 為 NH3/H20,10 為 H3P04/H20,11 為 微通道反應(yīng)器，12為微通道換熱器，13為冷卻水。
具體實施例方式本發(fā)明提供了 一種用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)，包括微反應(yīng)器1，其由至少兩個進(jìn)口的微通道反應(yīng)器11的產(chǎn)物出口與微通道換熱 器12的被冷卻物料入口通過管道串連組裝而成，微通道反應(yīng)器的兩個進(jìn)口分別通過管道與酸和氨的存儲容器相連，在酸和氨的存 儲容器與微通道反應(yīng)器的兩個進(jìn)口間管道上分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)元件，在微通道換熱器的 冷卻物料出口處的出口管道路上設(shè)置PH檢測點5。在所述微通道換熱器的冷卻物料出口處的出口管道路上設(shè)置有一微旁路，微旁路 上設(shè)置PH檢測點，pH檢測點5處設(shè)置pH檢測儀6。所述流量調(diào)節(jié)元件為計量泵2、管道流量調(diào)節(jié)閥門3、管道壓力指示表4，它們分別 依次設(shè)置于在酸和氨的存儲容器與微通道反應(yīng)器的兩個進(jìn)口間管道上；所述微通道反應(yīng)器包括至少兩條進(jìn)口通道，和與進(jìn)口通道分別相連的至少一條反 應(yīng)通道；進(jìn)口通道分別與兩個原料進(jìn)口相連，反應(yīng)通道與產(chǎn)物出口相連；在進(jìn)口通道與反 應(yīng)通道間設(shè)置有進(jìn)料分布通道與反應(yīng)通道，兩組進(jìn)料分布通道通過孔連接反應(yīng)通道。所述微通道換熱器包括至少一條冷卻物料通道和至少一條冷卻劑通道；冷卻物料 通道和冷卻劑通道兩端分別設(shè)置有進(jìn)口和出口。將磷酸溶液與液氨或氨水按化學(xué)計量比分別經(jīng)由酸液、氨液管道流量調(diào)節(jié)閥門泵 入微通道反應(yīng)器中的分流通道，并在微反應(yīng)通道中反應(yīng)生成磷酸二氫銨溶液；反應(yīng)的同時 將冷卻水13泵入到微通道換熱器以移出反應(yīng)熱，在微通道換熱器出口檢測產(chǎn)物磷酸二氫 銨溶液的PH值，并反饋進(jìn)料量控制元件以調(diào)控pH至4. 5 5。在如上的磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)中，產(chǎn)物pH的檢測與進(jìn)料流量調(diào)節(jié)控制 同步進(jìn)行，最好使用工業(yè)自動化PH連續(xù)控制系統(tǒng)，pH檢測時是由通過微反應(yīng)器出口微旁路 采料閥取樣后測定的，調(diào)節(jié)時，如果兩股流量控制元件的步進(jìn)(或稱可調(diào)范圍)相同，先調(diào) 進(jìn)料流量較小的酸(或堿)控制元件使產(chǎn)物PH值進(jìn)入中性點(增益較大)區(qū)間，后調(diào)節(jié)進(jìn) 料流量較大的堿(或酸)控制元件實現(xiàn)微調(diào)。實施例1實驗室由氨水與磷酸中和生成磷酸二氫銨本實施微反應(yīng)系統(tǒng)由平流泵、壓力傳感器、微反應(yīng)器及磷銨pH檢測酸度計構(gòu)成。 其中，微反應(yīng)器集成了微通道反應(yīng)器與微通道換熱器，微反應(yīng)通道前端為進(jìn)口分布通道， 反應(yīng)器中兩個進(jìn)料分布通道通過孔連通至反應(yīng)通道，孔徑0. 6mm,所有微通道當(dāng)量直徑為 0. 3 1. 5mm，通道深寬比為0. 15 0. 5，反應(yīng)單元芯片和換熱單元芯片體積分別為160mm3和240mm3。兩進(jìn)料用平流泵可調(diào)范圍皆為400 1，酸度計直接測量反應(yīng)器出口磷銨pH值， 將質(zhì)量濃度分別為19. 95%和20. 22%的氨水和磷酸通過兩進(jìn)料平流泵以體積流率比為 1 4.80 1 4.85的理論計量比(溶質(zhì)NH3與H3PO4物質(zhì)摩爾量比為1.00)、反應(yīng)器內(nèi) 液時空速為4300 Aeootr1泵入上述微反應(yīng)器，反應(yīng)同時以冷卻水移出反應(yīng)熱。產(chǎn)物的pH值經(jīng)測量為理論值4. 63 4. 68，說明氨水在微反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)中和磷酸時 無損失，氨利用率近100%，中和液經(jīng)微通道換熱器熱交換后溫度低于44°C。改變原料氨水濃度分別為 15%和 1%，在中和度1士0. 25范圍內(nèi)測試產(chǎn)物pH 值，獲得PH-中和度曲線(圖1)。按圖1曲線操控本發(fā)明微反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)物pH4. 5 5. 0之 間，可獲取98 %以上的磷酸二氫銨產(chǎn)物純度。實施例2工業(yè)現(xiàn)場10m3/h磷酸二氫銨調(diào)配本實施微反應(yīng)系統(tǒng)(圖2)包括微反應(yīng)器(1)，其由微通道反應(yīng)器(11)與微通道 換熱器(12)組裝而成，在微反應(yīng)器前端兩進(jìn)料管道分別配置進(jìn)料量控制元件計量泵(21、 22)和流量調(diào)節(jié)閥門(31、32)，以及管道壓力指示表(41、42)，同時兩管道上加設(shè)物料過濾 裝備，以適應(yīng)工業(yè)原料，在微通道換熱器磷銨出口的微旁路配置PH檢測點(5)。微反應(yīng)器采取分體式裝配，即微通道反應(yīng)器與微通道換熱器順序連接。微反應(yīng)器 通道尺寸與實施例1相同，但通道數(shù)量及反應(yīng)單元芯片數(shù)量分別增加至64條和100片，總 流量達(dá)10m3/h。產(chǎn)物磷銨pH控制由進(jìn)料管道流量調(diào)節(jié)閥執(zhí)行，并平衡微反應(yīng)器磷酸和氨水 進(jìn)料壓力分別為0. 45和0. 2MPa?，F(xiàn)場調(diào)配用水和冷卻水為工業(yè)水，取自工業(yè)水管網(wǎng)，其中調(diào)配用水采用機(jī)泵增壓 至約1. OMPa ；磷酸取自磷銨調(diào)配系統(tǒng)，系統(tǒng)供壓0. 5MPa ；氨水取自氨水調(diào)配系統(tǒng)，氨水調(diào)配 系統(tǒng)與本發(fā)明磷銨調(diào)配系統(tǒng)均使用微反應(yīng)器裝置，氨水可事先由本發(fā)明磷銨調(diào)配微反應(yīng)系 統(tǒng)調(diào)配，或在磷銨調(diào)配裝置前面微反應(yīng)器裝置中配制后接入，壓力0. SMPa ；磷銨出口為磷 銨儲罐，靜壓0. 05MPa ；用比重法和pH試紙分析出口磷銨濃度和pH值。磷酸二氫銨連續(xù)調(diào)配數(shù)據(jù)列于表1。表1、使用圖2所示的微反應(yīng)系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場調(diào)配數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
一種用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于包括微反應(yīng)器(1)，其由微通道反應(yīng)器(11)與微通道換熱器(12)組裝而成，微通道反應(yīng)器(11)通過管道接入酸和氨的存儲容器，在酸和氨的存儲容器與微通道反應(yīng)器間管道上分別設(shè)置有流量調(diào)控元件，在微通道換熱器(12)的反應(yīng)物出口處的出口管道上設(shè)置pH檢測點。
2.按照權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于在所述微通道換熱器(12)的反應(yīng) 物出口管道上設(shè)置有一微旁路，微旁路上設(shè)置PH檢測點(5)，pH檢測點(5)處設(shè)置pH檢測 儀。
3.按照權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于所述流量調(diào)節(jié)元件為計量泵(2) 和/或管道流量調(diào)節(jié)閥門(3)，在酸和氨的存儲容器與微通道反應(yīng)器的兩個進(jìn)口間管道上 分別設(shè)置有計量泵和/或管道流量調(diào)節(jié)閥門。
4.按照權(quán)利要求3所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于所述流量調(diào)節(jié)元件還包括管道壓 力指示表(4)，在酸和氨的存儲容器與微通道反應(yīng)器的兩個進(jìn)口間管道上分別設(shè)置有管道 壓力指示表(4)。
5.按照權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于所述微通道反應(yīng)器包括至少兩條 進(jìn)口通道，和與進(jìn)口通道分別相連的至少一條反應(yīng)通道；進(jìn)口通道分別與兩個原料進(jìn)口相 連，反應(yīng)通道與產(chǎn)物出口相連；所述微通道換熱器(12)包括至少一條冷卻物料通道和至少一條冷卻劑通道；冷卻物 料通道和冷卻劑通道兩端分別設(shè)置有進(jìn)口和出口。
6.按照權(quán)利要求5所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于所述微通道反應(yīng)器的進(jìn)口通道與反應(yīng)通道間設(shè)置有進(jìn)料分布通道與反應(yīng)通道，兩組進(jìn) 料分布通道通過孔連接反應(yīng)通道。
7.按照權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于其中所述微反應(yīng)器包含了微通道 反應(yīng)器和微通道換熱器，微通道反應(yīng)器和微通道換熱器可以單獨(dú)組裝，也可以將微通道換 熱器與微通道反應(yīng)器集成于一體。
8.—種權(quán)利要求1所述微反應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于所述微反應(yīng)系統(tǒng)用于銨鹽生 產(chǎn)，其以酸溶液和氨水為原料，生產(chǎn)銨鹽溶液，由這些酸與氨中和生成的銨鹽溶液濃度低于 反應(yīng)溫度下銨鹽的飽和濃度。
9.按照權(quán)利要求8所述微反應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于所述酸溶液為磷酸溶液、硫 酸、鹽酸、硝酸或草酸的水溶液。
10.按照權(quán)利要求8所述微反應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于所述酸溶液為磷酸溶液，其 以磷酸溶液和氨水為原料，由流量調(diào)節(jié)元件調(diào)控產(chǎn)物的PH值為4. 5 5. 0，生產(chǎn)磷酸二氫銨 溶液。
全文摘要
一種用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微反應(yīng)系統(tǒng)，主要由微反應(yīng)器、pH檢測儀及流量調(diào)節(jié)元件組成，所述微反應(yīng)器包括微通道反應(yīng)器與微通道換熱器，流量調(diào)節(jié)元件包含計量泵和管道流量調(diào)節(jié)閥門，pH檢測點設(shè)置在微通道換熱器出口端的微旁路。將液氨或氨水與磷酸溶液按化學(xué)計量比泵入微反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行反應(yīng)生成磷酸二氫銨溶液，采用冷卻水移出反應(yīng)熱。本發(fā)明的微反應(yīng)系統(tǒng)體積小，過程響應(yīng)快、易于控制，且移熱速度快，解決了現(xiàn)有磷銨調(diào)配生產(chǎn)過程中的pH調(diào)控不穩(wěn)定、響應(yīng)滯后、高溫尾氣(氨氣)排放多、環(huán)保壓力大等問題，是一種能實現(xiàn)過程強(qiáng)化、安全、高效、清潔的生產(chǎn)設(shè)備和工藝。
文檔編號C07C51/41GK101993052SQ200910013439
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者李恒強(qiáng), 焦鳳軍, 袁權(quán), 陳光文 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所