本發(fā)明屬于肥化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由濕法磷酸制備水溶性聚磷酸銨的方法及裝置。
技術(shù)背景
聚磷酸銨( APP)是一種含N和P的聚磷酸鹽，按其聚合度可分為低聚、中聚以及高聚3種，其聚合度越高水溶性越小，反之水溶性越大。聚磷酸銨的分子通式為(NH4 )n+2PnO(3n+1)，當n ≤ 20時，為水溶性，當n>20時，為難溶性。高純度高聚合度水不溶性長鏈狀聚磷酸銨被用于制備高級防火涂料、阻燃塑料。低聚合度水溶的產(chǎn)品可以作為阻燃劑使用，也可以用于高濃度緩釋的復(fù)合肥或液體肥使用。
作為肥料使用的聚磷酸銨，由于具有養(yǎng)分含量高、肥料利用率高，易于復(fù)合、配方容易調(diào)整，特別適合滴灌系統(tǒng)應(yīng)用，已在一些發(fā)達國國家得到了廣泛應(yīng)用。美國TVA在上世紀60年代開發(fā)了用商品濕法磷酸生產(chǎn)聚磷酸銨基礎(chǔ)液體肥料的方法，在管式反應(yīng)器中濕法聚磷酸在高溫條件下與氨氣反應(yīng)，生成高濃度聚磷酸銨，加水冷卻生成配方為10-34-0的液體肥料。我國農(nóng)用聚磷酸銨溶液剛處于起步階段，僅有少量生產(chǎn)，還未形成商品出售。而固體的低聚合度水溶性的聚磷酸銨產(chǎn)品，主要是以熱法磷酸為原料制備的，但熱法磷酸制備聚磷酸銨用于液體肥成本太高，難以推廣。國內(nèi)外有不少學(xué)者對濕法磷酸制備聚磷酸銨作為液體肥原料做了大量研究。但由于濕法磷酸雜質(zhì)含量高，產(chǎn)品水溶性不好。同時由于在制備過程中，反應(yīng)溫度較高，容易形成環(huán)狀磷酸鹽或偏磷酸鹽，沉積在設(shè)備內(nèi)壁上，形成內(nèi)垢并腐蝕設(shè)備，其中常規(guī)管式反應(yīng)器由于管徑細，反應(yīng)過程中更容易形成內(nèi)垢，造成設(shè)備堵塞。從而大大限制了聚磷酸銨的生產(chǎn)制造。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有生產(chǎn)方法的諸多弊端，提供一種工藝簡潔、不堵塞設(shè)備、能夠直接用作水溶肥原料的全水溶性聚磷酸銨的生產(chǎn)方法及設(shè)備。
為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
（1）以濕法磷酸為原料，投入釜式反應(yīng)器中并加熱到130-170℃，常壓濃縮1-3小時，并與少量氣氨部分氨化得到部分氨化的濃縮磷酸及磷酸鹽的混合料漿；
（2）將混合料漿泵入到管式反應(yīng)器中，與來自氨站預(yù)熱好的氣氨進行聚合反應(yīng)，聚合溫度為220-270℃，聚合壓力為0.01MPa-0.2MPa，料漿聚合時間為1-30分鐘；
（3）將聚合后的料漿泵入到陳化蒸發(fā)罐中，脫去系統(tǒng)中的水分和游離氨，游離氨及水分通過管線排入釜式反應(yīng)器中，陳化溫度為110-160℃，陳化時間為1-3小時；
（4）將陳化后的料漿泵入到噴粉塔中噴粉干燥得到固體水溶性聚磷酸銨。
所述的步驟（1）中所述的濕法磷酸為含磷酸質(zhì)量濃度≥75%的濕法精制磷酸。
所述的步驟（1）中所述的少量氣氨為陳化蒸發(fā)罐中排出的氨和水蒸氣的混合物，其中氣氨占比質(zhì)量濃度為1%-3%，其余為水蒸氣。
所述的步驟（1）中所述的部分氨化的濃縮磷酸及磷酸鹽的混合料漿具體成分及含量為：濃縮磷酸為磷酸質(zhì)量濃度≥85%聚磷酸，磷酸鹽為質(zhì)量濃度為5%-10%磷酸一銨。
所述的步驟（2）中所述的預(yù)熱的氣氨溫度為180-220℃。
所述的步驟（2）中所述的管式反應(yīng)器為內(nèi)襯石墨管式反應(yīng)器或內(nèi)襯碳纖維材料的不銹鋼管式反應(yīng)器，內(nèi)襯厚度為0.05mm-0.1mm。
所述的步驟（2）的混合料中，氨酸摩爾比為n磷酸：n氣氨=0.9-1.1：1。
本發(fā)明為了得到雜質(zhì)含量少，產(chǎn)品質(zhì)量高的水溶性固體聚磷酸銨，采用成本低于熱法磷酸的濕法磷酸作為原料。所述的濕法磷酸為含磷酸質(zhì)量濃度≥75%的濕法精制磷酸。即通過兩次濃縮，然后用磷酸萃取劑萃取凈化得到的市售的質(zhì)量濃度≥75%的工業(yè)濕法磷酸。
本發(fā)明為了節(jié)約能源，將陳化蒸發(fā)罐中的含有氨和水蒸氣的混合高溫尾氣導(dǎo)入到釜式反應(yīng)器中，利用余熱濃縮了磷酸，減少外加熱量的同時回收了氨，并部分氨化了濃縮磷酸，研究發(fā)現(xiàn)，部分氨化的磷酸在濃縮過程中不易變成黏稠的膠狀物，并有利于后續(xù)的聚合反應(yīng)。所述的少量氣氨為陳化蒸發(fā)罐中排出的氨和水蒸氣的混合物。
本發(fā)明為了克服常規(guī)管式反應(yīng)器在聚磷酸銨生產(chǎn)過程中易形成內(nèi)垢，造成設(shè)備堵塞及腐蝕的弊端，結(jié)合石墨材料本身特殊的分子結(jié)構(gòu)，石墨與大多數(shù)介質(zhì)之間“親和力”極小，污垢不易附著在表面。傳熱系數(shù)高，具有良好的熱傳導(dǎo)性能。并耐大多數(shù)物質(zhì)的腐蝕，特別是在磷酸鹽生產(chǎn)過程中效果尤為突出。本發(fā)明創(chuàng)造性的提出了使用石墨材料作為管式反應(yīng)器或內(nèi)襯碳纖維的不銹鋼管式反應(yīng)器。
利用上述的濕法磷酸制備水溶性聚磷酸銨的方法進行生產(chǎn)的裝置，包括濕法磷酸儲罐通過管線連接到釜式反應(yīng)器，釜式反應(yīng)器的出料口依次連接管式反應(yīng)器、陳化蒸發(fā)罐和噴粉塔；所述的管式反應(yīng)器上連有氣氨進料口，氣氨進料口前端連有氣氨預(yù)熱器；所述的陳化蒸發(fā)罐上連有排氣管，排氣管連接到釜式反應(yīng)器底部。
所述的裝置還包括濕法磷酸儲罐和釜式反應(yīng)器之間設(shè)有料漿計量泵。
所述的裝置還包括釜式反應(yīng)器上的水蒸氣排出管。
所述的裝置還包括排氣管和釜式反應(yīng)器之間的止回閥。
所述的水溶性固體聚磷酸銨指標為：聚合物2≤n≤20，水不溶物≤0.1%，m（N）≥18%，m（P2O5）≥60%。
本發(fā)明為一種由濕法磷酸制備水溶性聚磷酸銨的方法及裝置及裝置，與現(xiàn)有其他方法相比具有如下顯著優(yōu)點：
（1）本發(fā)明有效利用尾氣，節(jié)約了能源。
（2）采用石墨材料或碳纖維制作管式反應(yīng)器，降低了設(shè)備結(jié)垢堵塞的風(fēng)險。
（3）產(chǎn)品水溶性好，養(yǎng)分含量高。
附圖說明
圖1 是本發(fā)明提供的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1：
以質(zhì)量濃度為75%的濕法磷酸為原料，通過料漿計量泵投入釜式反應(yīng)器中并加熱到150℃，常壓濃縮2小時，并與氨質(zhì)量濃度為1%氣氨-水蒸氣混合物部分氨化得到磷酸質(zhì)量濃度為85%聚磷酸和磷酸鹽為質(zhì)量濃度為7%磷酸一銨和磷酸二銨的混合物的料漿。將濃縮料漿泵入到石墨管式反應(yīng)器中，與來自氨站預(yù)熱到200℃的氣氨按的氨酸比為n（磷酸）：n（氣氨）=1:1進行聚合反應(yīng)。聚合溫度為250℃，聚合壓力為0.08MPa，料漿聚合時間為20分鐘。將聚合后的料漿泵入到陳化蒸發(fā)罐中，在120℃條件下陳化2小時脫去系統(tǒng)中的水分和游離氨，游離氨及水分通過管線排入釜式反應(yīng)器中。將陳化后的料漿泵入到噴粉塔中噴粉干燥得到固體水溶性聚磷酸銨。
所得水溶性固體聚磷酸銨指標為：聚合物n=15，水不溶物＜0.01%，m（N）=18%，m（P2O5）=61%。
實施例2：
以質(zhì)量濃度為77%的濕法磷酸為原料，通過料漿計量泵投入釜式反應(yīng)器中并加熱到140℃，常壓濃縮1小時，并與氨質(zhì)量濃度為1.5%氣氨-水蒸氣混合物部分氨化得到質(zhì)量濃度為86%（以磷酸計）聚磷酸和磷酸鹽為質(zhì)量濃度為8%磷酸一銨和磷酸二銨的混合物的料漿。將濃縮料漿泵入到內(nèi)襯碳纖維不銹鋼管式反應(yīng)器中，與來自氨站預(yù)熱到200℃的氣氨按的氨酸比為n（磷酸）：n（氣氨）=1:1進行聚合反應(yīng)。聚合溫度為240℃，聚合壓力為0.1MPa，料漿聚合時間為30分鐘。將聚合后的料漿泵入到陳化蒸發(fā)罐中，在130℃條件下陳化1小時脫去系統(tǒng)中的水分和游離氨，游離氨及水分通過管線排入釜式反應(yīng)器中。將陳化后的料漿泵入到噴粉塔中噴粉干燥得到固體水溶性聚磷酸銨。
所得水溶性固體聚磷酸銨指標為：聚合物n=8，水不溶物＜0.01%，m（N）=19.5%，m（P2O5）=60.3%。
實施例3：
以質(zhì)量濃度為75%的濕法磷酸為原料，通過料漿計量泵投入釜式反應(yīng)器中并加熱到130℃，常壓濃縮1小時，并與氨質(zhì)量濃度為3%氣氨-水蒸氣混合物部分氨化得到質(zhì)量濃度為88%（以磷酸計）聚磷酸和磷酸鹽為質(zhì)量濃度為10%磷酸一銨和磷酸二銨的混合物的料漿。將濃縮料漿泵入到內(nèi)襯碳纖維不銹鋼管式反應(yīng)器中，與來自氨站預(yù)熱到220℃的氣氨按的氨酸比為n（磷酸）：n（氣氨）=0.9：1進行聚合反應(yīng)。聚合溫度為260℃，聚合壓力為0.02MPa，料漿聚合時間為5分鐘。將聚合后的料漿泵入到陳化蒸發(fā)罐中，在140℃條件下陳化3小時脫去系統(tǒng)中的水分和游離氨，游離氨及水分通過管線排入釜式反應(yīng)器中。將陳化后的料漿泵入到噴粉塔中噴粉干燥得到固體水溶性聚磷酸銨。
所得水溶性固體聚磷酸銨指標為：聚合物n=5，水不溶物＜0.01%，m（N）=21%，m（P2O5）=60.1%。
實施例4：
如圖1所示，利用上述的濕法磷酸制備水溶性聚磷酸銨的方法進行生產(chǎn)的裝置，包括濕法磷酸儲罐（1）通過管線連接到釜式反應(yīng)器（2），釜式反應(yīng)器（2）的出料口依次連接管式反應(yīng)器（3）、陳化蒸發(fā)罐（4）和噴粉塔（5）；所述的管式反應(yīng)器（3）上連有氣氨進料口（31），氣氨進料口（31）前端連有氣氨預(yù)熱器（32）；所述的陳化蒸發(fā)罐（4）上連有排氣管（41），排氣管（41）連接到釜式反應(yīng)器（2）底部。
進一步地，所述的裝置還包括濕法磷酸儲罐（1）和釜式反應(yīng)器（2）之間設(shè)有料漿計量泵（11）。
進一步地，所述的裝置還包括釜式反應(yīng)器（2）上的水蒸氣排出管（21）。
進一步地，所述的裝置還包括排氣管（41）和釜式反應(yīng)器（2）之間的止回閥（42）。
使用時，濕法磷酸通過料漿計量泵投入到釜式反應(yīng)器中，濃縮部分氨化后，與氨預(yù)熱器預(yù)熱好的氣氨同時泵入到石墨管式反應(yīng)器中進行聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)結(jié)束后，料漿進入陳化蒸發(fā)罐中進一步陳化脫水脫氨，脫出來的氨、水蒸氣混合尾氣通過管線排入到釜式反應(yīng)器中，為了防止物料倒流，管線中設(shè)有止回閥。陳化后的聚磷酸銨熔融物泵入到噴粉塔中，得到全水溶性固體聚磷酸銨產(chǎn)品。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。