氯离子对硝铵磷水溶液热安全性影响研究

2014-12-31谷明朝朱晋宇

山西化工 2014年1期

谷明朝，曹雄，朱晋宇

（中北大学化工与环境学院，山西太原 030051）

引言

工业生产中使用硝铵磷替代硝酸铵来生产复合肥。硝铵磷是90%的硝酸铵和10%磷酸一铵的混合物。复合肥的生产过程同时存在高温溶解和机械搅拌混合等单元操作，这就使得硝铵磷水溶液在使用过程中因反应釜局部高温导致硝酸铵和磷酸一铵分解放热，发生意外爆炸事故，从而造成严重的生命和财产损失。而且，生产过程中不可避免地会混入杂质，杂质可能会加快（或抑制）硝铵磷的分解。硝铵磷水溶液中含有一定浓度的硝酸铵，具有危险性，是生产过程中存在的不安定因素，容易引发爆炸事故［1－3］。

本文以研究杂质（氯离子）对硝铵磷水溶液的热安全性的影响为目的，对实验结果加以分析，以便更好地避免意外事故的发生，同时，为提高复合肥生产过程的安全性以及预防复合肥溶液发生爆炸事故提供重要的实验依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置主要由加热装置、防爆箱、爆炸罐、热电偶、临界爆炸温度测试系统组成。

1.2 实验原理

采用自制爆炸装置对硝铵磷水溶液的临界爆炸温度进行测试，即，将一定量被测溶液装进爆炸罐中，将其密封好，放进绝热加热炉中，通过温度控制器对初始温度、升温速率等参数进行设定和控制，按预先设定的加热速率（3℃／min）等相关参数在绝热状态下对爆炸罐进行加热，使罐内的样品按照一定升温速度升温，并发生相应的化学反应。爆炸罐中复合肥溶液的温度通过热电偶来感测，并传递到温度控制器上，按照这种方式操作加热，直至发生爆炸或达到400℃为止。实验装置原理见图1。

图1 实验装置原理图

2 结果与分析

2.1 硝铵磷水溶液的临界爆炸温度

为了研究Cl－对硝铵磷水溶液的影响，首先测试80%硝铵磷水溶液的临界爆炸温度，并以此作为基准。配制80%硝铵磷水溶液，取10g置于爆炸罐中进行加热测试，结果见第38页表1。

表1 80%硝铵磷水溶液的临界爆炸温度

通过对实验过程进行观察发现，硝铵磷水溶液有2个明显的放热过程。第1个放热过程在117．3℃左右。117．3℃之前升温速率一直很平缓，之后2min内升温速率达到10℃／min，接下来升温速率又趋于平缓。第2个放热过程是在270．5℃左右。同样，传感器测试温度达到270．5℃时，观察到升温速率开始逐渐加快，在临界爆温点附近升温速率达到最大，紧接着发生爆炸现象，泄压阀铝片破裂，有明显爆炸声及大量刺激性气体放出。

硝酸铵受热分解会发生式（1）～（3）反应：

2．2 氯离子对硝铵磷水溶液临界爆炸温度的影响

实验以含硝铵磷80%的硝铵磷水溶液为研究对象，Cl－质量分数以1%递增，测量硝铵磷水溶液的临界爆炸温度。根据实验结果绘制硝铵磷水溶液临界爆炸温度随Cl－质量分数变化曲线，如图2所示。

图2 临界爆炸温度随CI-质量分数变化曲线

由图2可以看出，随着Cl－质量分数的增大，80%的硝铵磷水溶液的临界爆炸温度呈先减小后增大的趋势。由于硝铵磷水溶液主要成分是硝酸铵和少量的磷酸一铵，硝酸铵水溶液本身呈弱酸性，而Cl－在酸性条件下可以促进硝酸铵水溶液的分解，所以，随着Cl－质量分数的增大，水溶液的临界爆炸温度会降低。但是，硝酸铵溶液本身酸性较低，在没有加入酸性物质的条件下，随着Cl－质量分数的增加，硝酸铵溶液的临界爆炸温度也随之增高。实验结果表明，Cl－在一定程度上抑制了硝酸铵溶液的热分解，使硝铵磷水溶液的临界爆炸温度提高［4］。

磷酸一铵分解方程式为式（4）：