湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器及方法与流程

本发明涉及化工设备技术领域，具体而言，涉及湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器及方法。

背景技术：

近几年来，随着我国超大规模集成电路、芯片业、平板显示器、光伏发电等产业的迅速发展，电子气体市场需求量明显增长，电子特种气体的国产化已是大势所趋。我国在国产化方面取得可喜进展，国产高纯电子特气改变国际气体公司垄断市场的格局已成必然。

电子级一氧化二氮(纯度在99.9999％以上)主要用于原子吸收光谱用气，半导体制造用平衡气、氧化、化学气相淀积、标准气。近年来，半导体制造生产过程中需要用大量的高纯电子级一氧化二氮特气，需求量激增。本发明，主要是用于新兴技术产业所需特殊气体的生产。

国内制备n2o的主要方法有硝酸铵热分解法、氨的接触氧化法、工业尾气回收工艺。目前基本采用硝酸铵干法分解的生产工艺和工业尾气回收。硝酸铵干法分解的生产工艺是目前通用化流程，但是该工艺硝酸铵分解温度不易控，硝酸铵分解器安全保障性差；工业尾气回收工艺因尾气组份复杂，纯化工艺难度大，建设投资及生产成本太高。采用湿法分解工艺制取n2o是本公司独家研发的方法，已经另外申请专利。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，旨在反应过程中精确控制反应温度在反应温度区间内。

本发明的另一目的在于提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的方法，其应用上述反应装置，能够精确地控制分解温度，有效防止出现温度过高的情况。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，包括反应釜体和控制系统，反应釜体上设置有用于测量釜内温度的测温机构、用于对釜内反应物料进行升温的加热组件、用于对釜内物料进行降温的冷却装置；

控制系统包括加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器，加热控制器用于在釜内温度达到反应温度区间下限值时停止加热；冷却控制器用于在釜内温度位于反应温度区间内时控制冷却装置工作；淬冷控制器用于在釜内温度超过反应温度区间上限值时控制冷却装置工作；加热控制器与加热组件电连接，冷却控制器和淬冷控制器与冷却装置电连接，加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器均与测温机构通讯连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，冷却装置包括用于对釜内物料进行降温的物料冷却换热器和用于对釜内物料进行降温的淬冷换热器；冷却控制器用于在釜内温度位于反应温度区间内时控制物料冷却换热器工作；淬冷控制器用于在釜内温度超过反应温度区间上限值时控制淬冷换热器启动，冷却控制器与物料冷却换热器电连接，淬冷控制器与淬冷换热器电连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括供气相流动的上部气相空间，上部气相空间位于反应釜体之上，上部气相空间内还设置有气相冷却换热器，气相冷却换热器具有待冷却气进口和冷却气出口，气相冷却换热器的待冷却气进口与反应釜体的顶部出气口连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，气相冷却换热器包括外管和用于循环冷却介质的内部螺旋管，外管套于内部螺旋管上，外管和上部气相空间的内壁之间形成第一气相通道，外管的顶部和内部螺旋管之间形成顶部气流通道口，外管和内部螺旋管之间形成第二气相通道，内部螺旋管和外管的底部之间形成底部气流通道口，内部螺旋管的环设空间形成第三气相通道。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上部气相空间中还安装对冷却后的气体进行过滤的过滤器。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上部气相空间上还安装有压力报警器和安全水封管路，压力报警器用于测试气相冷却换热器内的气体压力，安全水封管路的进气端与外管连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，气相冷却换热器上还设置有用于测量气体温度的气相测温机构和用于控制气相冷却换热器冷却剂流量的气相冷却控制器，气相测温机构与气相冷却控制器通讯连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，反应釜体的顶部进料口处安装有加料管和进料分布器，加料管的出料端与进料分布器的进料端连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，反应釜体的外壁上还安装有用于观察釜内情况的试镜和用于在釜内超压时进行排压的防爆片。

本发明还提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的方法，其应用上述湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，反应物料在反应釜体内于预设的温度区间下进行反应；

优选地，反应物料包括硝酸铵、水和催化剂形成的熔融状态的原料，反应温度区间为200-250℃。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，其通过加热控制器控制加热组件工作，冷却控制器和淬冷控制器控制冷却装置工作，当反应物料温度达到反应温度区间下限值时加热控制器控制加热组件停止加热；当釜内温度位于反应温度区间内时冷却控制器控制冷却装置工作；当釜内温度超过反应温度区间上限值时淬冷控制器控制冷却装置工作。通过加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器的协作工作达到精确控制反应温度的目的，使反应过程中釜内温度不会出现过高的情况。

本发明还提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的方法，其应用上述湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，能够利用加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器的协作工作精确控制反应温度，防止由于放热而发生温度过高的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器的第一结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器的第二结构示意图；

图3是图2中气相冷却换热器的部分结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器的第三结构示意图。

图标：100a-湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器；100b-湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器；100c-湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器；110-反应釜体；111-测温机构；112-加热组件；113-物料冷却换热器；114-淬冷换热器；115-加料管；116-进料分布器；117-试镜；118-防爆片；120-气相冷却换热器；121-待冷却气进口；122-冷却气出口；123-外管；124-内部螺旋管；125-过滤器；126-气相测温机构；127-压力报警器；128-安全水封管路；101-第一气相通道；102-顶部气流通道口；103-第二气相通道；104-底部气流通道口；105-第三气相通道；130-上部气相空间。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1，本发明实施例提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100a，包括反应釜体110和控制系统(图未示)，反应釜体110上设置有用于测量釜内温度的测温机构111、用于对釜内反应物料进行升温的加热组件112、用于对釜内物料进行降温的物料冷却换热器113、用于对釜内物料进行降温的淬冷换热器114；控制系统包括加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器(图未示)，控制系统可以是以plc形式旁置，而在反应釜体110上设置相应的传感器。

具体地，加热控制器与加热组件112电连接，冷却控制器与物料冷却换热器113电连接，淬冷控制器与淬冷换热器114电连接(即通过plc连接，实现信号传输)；加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器均与测温机构111通讯连接；反应釜体110内的物料在反应温度区间内进行反应，加热控制器用于在釜内温度达到反应温度区间下限值时停止加热；冷却控制器用于在釜内温度位于反应温度区间内时控制物料冷却换热器113工作；淬冷控制器用于在釜内温度超过反应温度区间上限值时控制淬冷换热器114启动。

需要补充的是，在其他实施例中，物料冷却换热器113和淬冷换热器114也可以为一体的冷却装置，通过冷却控制器和淬冷控制器均与冷却装置电连接，分别控制冷却装置在不同工作功率下工作达到调温的效果。

需要说明的是，湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100a特别适用于反应物料为液态或固液混合物的放热反应，用于精确控制反应温度在指定的反应温度区间内。通过加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器分别控制加热组件112、物料冷却换热器113和淬冷换热器114工作，当反应物料温度达到反应温度区间下限值时，加热控制器控制加热组件112停止加热；当釜内温度位于反应温度区间内时，冷却控制器根据温度反馈调节冷却介质流量来控制物料冷却换热器113工作；当釜内温度超过反应温度区间上限值时，淬冷控制器控制淬冷换热器114启动并调节冷却介质流量。通过加热组件112、物料冷却换热器113和淬冷换热器114的协作工作达到精确控制反应温度的目的，防止反应过程中由于放热出现釜内温度过高的情况。

需要补充的是，加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器的控制原理为现有技术，均是根据温度信号调节对应元器件工作。以上几种控制器均可以为集成电路芯片，具有信号的处理能力，可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器；处理器也可以是任何常规的处理器等。于本实施例中，优选地，该控制器可以是stm32系列的处理器，例如stm32f103c8t6、stm32f103vet6等型号。

进一步地，淬冷换热器114的换热面积占反应釜体110截面积的1/2-3/4。淬冷换热器114用于在温度骤然升高时启动，尤其是当温度超过反应温度区间上限值时启动，换热面积达到上述范围后可以达到急速降温的效果。

具体地，加热组件112的可以为一般的电加热器，通过电能供热保持釜内熔融状态的物料在规定温度下反应，保持工艺压力和温度稳定，维持物料的热平衡。物料冷却换热器113和淬冷换热器114可以为套管式换热器等常规类型的换热器类型，换热器的冷却介质可以为冷却水，具体安装情况可以参照现有反应装置的内置换热器结构。

进一步地，反应釜体110的顶部进料口处安装有加料管115和进料分布器116，加料管115的出料端与进料分布器116的进料端连通。加料管115为发生器的初始物料进口，将熔融状态的硝酸铵加入到发生器釜内，达到生产规定的初始物料量。进料分布器116将消耗原料分点均匀的加入到发生器釜内，避免发生器釜内局部出现过热或过冷现象。

请参照图2和图3，在本发明较佳的实施例中，湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100b还包括供气相流动的上部气相空间130，上部气相空间130位于反应釜体110之上，上部气相空间130内还设置有气相冷却换热器120，气相冷却换热器120具有待冷却气进口121和冷却气出口122，气相冷却换热器120的待冷却气进口121与反应釜体110的顶部出气口连通。气相冷却换热器120安装于反应釜体110的顶部，从反应釜体110内产生的过热气体进入气相冷却换热器120中进行冷却，冷却过程中可能伴随水等杂质的冷凝，此部分杂质再次返回反应釜体110内形成回流，冷却后的气体从顶部的冷却气出口122输出。

优选地，气相冷却换热器120包括外管123和用于循环冷却介质的内部螺旋管124，外管123套于内部螺旋管124上，外管123和上部气相空间130的内壁之间形成第一气相通道101，外管123的顶部和内部螺旋管124之间形成顶部气流通道口102，外管123和内部螺旋管124之间形成第二气相通道103，内部螺旋管124和外管123的底部之间形成底部气流通道口104，内部螺旋管124的环设空间形成第三气相通道105。从反应釜体110内产生的气体一氧化二氮会依次经过第一气相通道101、顶部气流通道口102、第二气相通道103、底部气流通道口104和第三气相通道105，通过气相冷却换热器120内的内部螺旋管124进行冷却。内部螺旋管124通过冷却介质进行冷却介质的循环，其介质进口和介质出口未示出，均是与外部管路相连，实现冷却介质的循环。采用螺旋结构的内部螺旋管124能够增大与气体的接触面积，使气体快速冷却。

优选地，上部气相空间130的顶部内腔中还安装有过滤器125，气相冷却换热器120的冷却气出口122位于过滤器125的顶部。过滤器125内填充的过滤原料可以根据具体反应进行选择，如湿法分解硝酸铵制备n2o的反应中，过滤器125壁(图中实影部份)为浇铸膜，硝酸铵颗粒大于流道孔径，被该结构直接拦截去除。

进一步地，气相冷却换热器120上还设置有用于测量气体温度的气相测温机构126和用于控制气相冷却换热器120冷却剂流量的气相冷却控制器(图未示)，气相测温机构126与气相冷却控制器通讯连接。气相测温机构126将温度信号反馈给气相冷却控制器，根据温度情况调节气相冷却换热器120冷却剂流量。

需要补充的是，测温机构111和气相测温机构126均为现有的用于测量物料温度的机构，其借助温度传感器将温度信号进行传输，其结构和工作原理不做过多赘述。

请参照图4，在本发明较佳的实施例中提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100c，其进一步提升了装置的安全操作性，达到超压自动保护，强化了装置的安全保障性能。具体地，上部气相空间130上还安装有压力报警器127和安全水封管路128，压力报警器127用于测试气相冷却换热器120内的气体压力，安全水封管路128的进气端与外管123连通。压力报警器127用于当气相冷却换热器120达到指定压力如1000pa时进行声光报警，安全水封管路128用于当气相冷却换热器120超过指定压力时进行急速排压。

进一步地，反应釜体110的外壁上还安装有用于观察釜内情况的试镜117和用于在釜内超压时进行排压的防爆片118。防爆片118能在反应釜体110运行超压时，或者在安全水封管路128出现故障时进行急速排压。

需要说明的是，湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100c通过压力报警器127、安全水封管路128、试镜117、防爆片118、淬冷换热器114实现装置的安全保护，提升安全操作性能。

本发明实施例还提供一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的方法，其应用上述湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，反应物料在反应釜体110内于预设的温度区间下进行反应。优选地，反应物料包括硝酸铵、水和催化剂形成的熔融状态的原料，反应温度区间为200-250℃，主反应为：nh4no3—n2o+2h2o+q。

以利用硝酸铵分解制备n2o为例介绍湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100c的工艺原理：(1)反应装置运行之前，熔融状态的硝酸铵原料通过加料管115加入反应釜体110内；(2)启动反应釜体110底部加热组件112，将熔融状态的硝酸铵升温至200℃后停止加热；(3)反应釜体110内熔融状态的硝酸铵在200℃-250℃条件下进行热分解生成一氧化二氮气体和水蒸气；(4)分解生成的一氧化二氮气体和水蒸气经过气相冷却换热器120冷却，大量的水蒸气冷凝回流入反应釜体110内；(5)经过冷却后的一氧化二氮气体由过滤器125除去未分解的硝酸铵，少量的水蒸气进入过滤器125后凝结，通过冷凝水回流管回流入反应釜体110内；(6)一氧化二氮气体由反应装置顶部送入下工序。

以利用硝酸铵分解制备n2o为例介绍湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器100c的控制原理：(1)通过测温机构111监测反应釜体110釜内温度，并将信号传送给发生器釜底部加热控制器，当温度达到200℃时，加热组件112自动停止加热。(2)通过测温机构111监测釜内温度，并将信号传送给物料冷却换热器113，冷却控制器自动调节冷却介质流量，控制釜内熔融硝酸铵分解温度在200℃-250℃。(3)通过测温机构111监测釜内温度，并将信号传送给淬冷换热器114，当釜内温度骤升，物料冷却换热器113不能调节和控制，釜内温度超过规定的控制范围时(超过250℃)，淬冷控制器自动启动，通入瞬时大流量冷却介质急速降温，终止硝酸铵的分解。(4)反应釜体110进料量，由pt压力信号控制原料输送泵的送料量，通过进料分布器116将分点均匀的加入到釜内，避免釜内局部出现过热或过冷现象。(5)通过气相测温机构126监测发生器顶部温度，并将信号传送给气相冷却控制器，通过气相冷却控制器调节冷却介质流量和过热一氧化二氮气体换热，冷却一氧化二氮。

综上所述，本发明实施例提供的一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，通过加热控制器、冷却控制器和淬冷控制器分别控制加热组件、物料冷却换热器和淬冷换热器工作，当反应物料温度达到反应温度区间下限值时加热控制器控制加热组件停止加热；当釜内温度位于反应温度区间内时冷却控制器控制物料冷却换热器工作；当釜内温度超过反应温度区间上限值时淬冷控制器控制淬冷换热器启动。

本发明实施例提供的一种湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的方法，其应用上述湿法分解硝酸铵制取一氧化二氮的发生器，将硝酸铵、水和催化剂形成的熔融状态的原料加入反应釜体内反应，通过反应装置中的加热组件、物料冷却换热器和淬冷换热器的协作工作精确控制反应温度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。