管式反应器在硝酸铵生产中的应用

张鹏（安徽淮化集团有限公司硝盐化工厂，安徽淮南232001）



管式反应器在硝酸铵生产中的应用

张鹏
（安徽淮化集团有限公司硝盐化工厂，安徽淮南232001）

摘要：主要介绍了硝酸铵生产中管式反应器的优势和特点，简述了影响合成硝酸铵的因素。

关键词：管式反应器；硝酸铵；影响因素

1　概述

本厂合成硝酸铵生产采用管式反应器，年产量20万吨，投资费用低，设备维修方便，操作简单。气氨和60％的硝酸在管式反应器中进行加压中和反应，使反应更加完全，产品纯度高，含水量低，在提高了产品产量的同时节约了成本。

2　管式反应器的优势和特点

管式反应器工艺是氨与60％的硝酸反应生成硝酸铵，应用喷射器原理，液体硝酸高速通过喷嘴，成为高分散的流体，与气氨在混合室内快速进行化学反应，生成硝酸铵和水，反应放出大量的热，将水分蒸发为水蒸气，保持反应管内温度在150℃～200℃，管内硝铵、未反应的氨和水蒸气三者以高湍流泡沫状的液体形式流动，出混合室后进入反应管（室）继续反应，最后以泡沫态推至分离器，在分离器里硝铵和水蒸气分离，分离后的水蒸气进洗涤器，回收蒸汽中夹带的硝铵，蒸汽去硝铵蒸发器。从反应管出来的硝铵浓度理论上可达87％左右，因回收一部分硝铵稀溶液，故出分离器的硝铵浓度为78％左右，然后去硝铵蒸发器进一步浓缩至所需浓度，生产产品为多孔硝铵或工业普通硝铵。采用管式反应器的优势有以下几点：

（1）与传统硝铵生产相比，管式反应器应用喷射器原理，在硝酸通过喷嘴最后雾化能与气氨充分混合，氨酸的转化率高。同时产生了大量可循环利用的蒸汽，减少了锅炉蒸汽的消耗，节约了成本。

（2）硝铵易爆，安全问题不容忽视。纯硝铵溶液很少有爆炸的危险，除非其被加热到300℃以上，然而，当大容量酸性的硝酸溶液保持长时间时，分解的危险性非常大。但用管式反应器时，反应容积很小，停留时间短，实际上消除了分解的危险。

（3）管式反应器的容积小，开车后能迅速达到稳定状态，开停车速度快，能实现自动化操作。

（4）设备简单，投资和维护费用较少，本厂自硝铵原始开车两年以来，管式反应器仅检修两次。

（5）管式反应器体积小，硝铵溶液停留时间短，反应速度快，在保证产品质量的同时提高了硝铵的产量。

硝铵管式反应器包括有设置在前端的截圆锥形喷头，经法兰与喷头串联连接有支管三通，在支管三通内设置有带文丘里缩放节的内衬。其入口处装有氨酸喷头，使硝酸雾化与气氨充分反应，并能调节出口硝铵和分离出蒸汽的pH，提高了氨酸转化率，降低了处理分离蒸汽冷凝液的成本。其具有结构简单，易于加工，方便维修，制作和维护成本低，反应效率高，经久耐用的特点。

3　影响硝酸铵产率的因素

硝酸和气氨反应生成硝铵可用下式表示：

这个反应为放热、体积缩小的反应，可以通过控制反应条件使反应向有利于合成的方向进行。

（1）摩尔比：硝酸铵在酸性条件下的分解速度会急剧增大，研究证明：在硝酸铵中加入5％的硝酸时，硝酸铵于200℃时的分解速度加大了99倍。硝酸铵于175℃～230℃时的分解速度与加入硝酸铵中的硝酸（或硝酸铵离解所生成的硝酸）的浓度成正比。在酸性条件下合成硝酸铵时，硝酸铵易分解，不仅会造成氨氮的损失，降低硝酸铵的产率，还大大降低了生产安全性，同时酸对设备有腐蚀。因此在酸铵反应时以适当的摩尔比控制加酸量，不仅能提高产率，同时能保证生产安全。

（2）硝酸的浓度：中和反应中放出的热量，取决于所用硝酸的浓度以及硝酸和气氨的温度。硝酸的浓度和温度愈高，放出的热量就愈多。但硝酸浓度过高，会使管式反应器温度过高，使硝酸气化或分解，增加氨氮损失，不利于生产的进行。由于中和得到的是硝酸铵溶液，因此，当可以利用的中和热愈多，从硝酸铵溶液中蒸发出去的水分也愈多，则得到的硝酸铵溶液的浓度也越高。在硝酸浓度过低时，会使硝酸铵溶液浓度过低。所以，在硝酸铵生产中通常使用的硝酸浓度为60％左右，硝酸温度也不易过高，否则，会加剧设备腐蚀。

（3）管式反应器出口压力：酸氨反应生成硝酸铵是一个体积缩小的反应，提高管式反应器出口压力有利于反应的进行，同时使酸与氨在管式反应器中停留时间延长，有利于硝铵的生成。因此提高压力能够提高硝铵产率。

（4）气氨和硝酸的压力：管式反应器的工作原理：液体硝酸在较高的压力下，以损失一定压头为条件，经过喷头雾化后变成液滴，使表面积增大很多，并具有一定的动能（即速度），此时与进入混合室的气氨进行混合并反应，生成硝酸铵。适当地提高硝酸的压力可以使硝酸经过喷头后雾化更加完全；而适当地提高气氨的压力，气氨与硝酸能更加充分混合，反应更加完全。因此，适当提高气氨与硝酸的压力可以提高硝酸铵的产率。

4　管式反应器的操作要点及注意事项

（1）实践证明，气氨和硝酸的中和过程，如在碱性条件下进行，则蒸汽带走的硝酸铵损失量一般大于在酸性条件下的损失量。这是因为在较高的温度下溶液中的氨极易挥发，并夹带硝铵溶液雾沫增加了硝铵损失。因此，中和过程在微酸性条件下进行较为有利。但过分地增加溶液中游离酸的含量，中和和蒸发后的溶液里要加入较多的氨才能调整到接近中性和微酸性。因此，要严格控制反应摩尔比，只要保持中和过程能稳定在微酸性条件下进行，随蒸汽带走的固定氮损失就可能降到最低水平。

（2）应严格控制出管式反应器分离蒸汽的pH，根据其大小及变化，调节进入中和器的氨量，控制其冷凝液酸碱度符合工艺指标。在操作中，可以固定进入中和器的酸量和氨量，通过旁路加氨来调节pH，这种方法酸碱度容易控制。

（3）由于合成氨厂送来的液氨压力不稳定，在进入中和器的酸量一定的情况下，进入中和器的气氨量不能保持稳定，气氨量随液氨总管压力的增高而增大，因此，在操作中应随时注意进入中和器的氨流量的变化。

（4）保持管式反应器较高出口压力，氨易挥发，保持较高压力可以减少硝铵溶液进入闪蒸槽闪蒸时带走的氨，减少氨氮损失；同时保持较高压力还可以促进管式反应器中硝铵的生成。□

作者简介：张鹏（1985-），毕业于安徽理工大学化工系，助理工程师，从事化工生产工作，13855423301，278804769@qq.com。

收稿日期：2015- 11- 23

中图分类号：TQ053.6；TQ113.7+4

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2016）02- 0085- 02

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.026