CN107879319A - 一氯胺的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一氯胺的制备方法及装置，制备方法包括以下步骤：（1）以氯化铵和次氯酸钠为反应原料，先将反应原料中的氯化铵溶解得到氯化铵溶液，并加酸调节氯化铵溶液的pH值为1‑3；所述酸为磷酸和/或盐酸；（2）再向氯化铵溶液中加入次氯酸钠并搅拌，使pH值上升至8‑9；（3）再向氯化铵溶液中分别加入次氯酸钠和含磷酸的溶液并搅拌，使混合溶液的pH值保持在8‑9；待次氯酸钠加料完毕，得到一氯胺的溶液。本发明方法，产品成本低，产品浓度高达1000ppm；稳定性相对好，可以稳定储存30分钟，分解率为1%；经测试，产品的pH值稳定，下降缓慢。

Description

一氯胺的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及一种一氯胺的制备方法及装置，特别涉及一种用于自来水消毒用的一氯胺的制备方法及装置，本发明涉及饮用水消毒剂技术领域。
背景技术
一氯胺也称单氯胺，其化学式为NH2Cl，是新版国家生活饮用水卫生标准中新增的一种消毒剂。由于单氯胺不稳定，特别是水剂更易自身分解，所以目前都是选择现配现用这种使用方式。
国内自来水厂正在推广使用单氯胺消毒剂。配制单氯胺可以避免直接使用氯气和液氨，也就是选择以次氯酸钠和氯化铵为原料的工艺路线。使用单氯胺不仅是不存在城市公共安全问题，也不存在卫生安全问题。单氯胺消毒剂没有产生致癌物三卤甲烷的风险。单氯胺相对于氯气的消毒持久性更好更有利于控制管网中，特别是管网末端死水区，有害微生物的繁殖。单氯胺的消毒不像氯气消毒使水质带有异味。单氯胺消毒对供水网的腐蚀也是较小。
由于直接使用剧毒危险品氯气和液氨作为自来水消毒剂对城市公共安全有潜在威胁，再加上氯气消毒副产物对卫生安全也有威胁，所以各界人士已达成共识，直接使用氯气和液氨作为饮用水消毒剂已经不符合城市发展进步需要，应该要选择更优越的消毒剂取代之。
中国专利申请CN200780046526.1公开了一种制备氯胺的方法，该方法合成的氯胺是二氯胺，主要用于杀虫。现有的现配现用专利方法各有其特点：有的重视不同季节水温的变化，也就是水中的有机物氨氮含量的变化，根据温度变化自动调节反应药剂用量比例间歇制备单氯胺。现有专利方法的共同特点是自动化程度高；相对于人工操作，维持稳定生产运行的技术保障要求也高，设备投资相对较多，厂房面积相对较大，对重要的反应控制条件pH值不够重视或难以顾及。
单氯胺的稳定性差，当pH值超越适宜范围时易分解，当介质温度较高时加速分解。单氯胺的合成和分解，反应热很大，提高配制浓度困难；单氯胺的降解伴随pH值下降，浓度越高，pH值下降越快，使提高配制浓度更加困难。因此，较高浓度如100ppm即质量分数为0.01%的单氯胺溶液的实例都不常见。另外，配制单氯胺的主体设备都比较庞大，常见的现配现用几乎没有什么中转时间，因此，减少厂房占地面积，降低工艺控制难度，提高产品的收率和稳定性（即减少配制过程及配制后的分解），对推广单氯胺的应用具有很好的现实意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是，通过一种低成本的方法，易于操作实施工艺控制的方法，合成具有较好稳定性、更高浓度的单氯胺，可以避免其快速分解，从而提高技术效果。
本发明的技术方案是，提供一种一氯胺的制备方法，包括以下步骤：
（1）以氯化铵和次氯酸钠为反应原料，先将反应原料中的氯化铵溶解得到氯化铵溶液，并加酸调节氯化铵溶液的pH值为1-3；所述酸为磷酸和/或盐酸；
（2）再向氯化铵溶液中加入次氯酸钠并搅拌，使pH值上升至8-9；
（3）再向氯化铵溶液中分别加入次氯酸钠和含磷酸的溶液并搅拌，使混合溶液的pH值保持在8-9；待次氯酸钠加料完毕，得到一氯胺的溶液。
本发明与现有技术一个很大的区别是：通过控制溶液的pH值来控制反应过程，提高产物在水溶液中的稳定性。其中步骤（2）以快速加料为好，减少加料和反应的时间；步骤（3）利用平衡加料，即再严格控制pH值的波动范围的条件下加料，避免已经生成的一氯胺分解。
本发明的制备方法获得的一氯胺溶液主要是用于自来水的消毒，自来水的各项指标是需要严格把控的。二氯胺和三氯胺的性质，不适合用于自来水的消毒。工业上的其他一些合成一氯胺的方法也可能并不适用于自来水的消毒。
优选地，所述步骤（3）中，使混合溶液的pH值保持在8.6-8.9。经过试验验证，在此pH值条件下，生成的一氯胺较为稳定。
优选地，所述步骤（3）中，含磷酸的溶液为磷酸溶液或磷酸与盐酸的混合液。
优选地，所述步骤（3）中，含磷酸的溶液中，磷酸的浓度为5%以下。该百分数为质量百分数，如无特别说明，本发明中涉及的溶液浓度均用质量分数表示。
优选地，反应原料中，氯化铵和次氯酸钠的摩尔比小于等于1。
优选地，所述步骤（2）中，次氯酸钠的加入质量占反应原料中次氯酸钠总质量的50%以上，更优选50-60%。所述步骤（3）中，次氯酸钠的加入质量占反应原料中次氯酸钠总质量的50%以下，更优选40-50%。
优选地，所述步骤（1）中，调节氯化铵溶液的pH值为1.6-3。
优选地，所述步骤（1）中，所述酸为磷酸与盐酸组成的混合酸；其中磷酸与盐酸的质量比为1:2-2:1。为了节约成本，以及避免自来水中引入过多磷元素，优选混合酸进行酸化，并在步骤（3）中也可以用此混合酸进行pH值的控制。
优选地，所述步骤（1）中，氯化铵溶液的浓度为3%以下。
优选地，所述步骤（2）和步骤（3）中，次氯酸钠以次氯酸钠溶液的形式加入。
优选地，所述次氯酸钠溶液的浓度为3%以下。
优选地，所述制备方法利用以下装置，该装置包括反应器，反应器分别与次氯酸钠溶液加料计量槽、盐酸溶液加料计量槽、磷酸溶液加料计量槽和水管连接，次氯酸钠溶液加料计量槽与反应器之间设有流量计。具体的制备方法如下：将氯化铵加入反应器，加水溶解后，加酸调节至相应的pH值，再向反应器中快速加入次氯酸钠溶液，至pH值接近9时，慢慢加入次氯酸钠溶液，并同时加入磷酸溶液，控制流量使pH值处于8-9，优选8.6-8.9，按配方加药完毕，即可得到一氯胺溶液。
本发明进一步提供一种利用上述制备方法获得一氯胺的装置，该装置包括反应器，反应器分别与次氯酸钠溶液加料计量槽、盐酸溶液加料计量槽、磷酸溶液加料计量槽和水管连接，次氯酸钠溶液加料计量槽与反应器之间设有流量计。优选地，在磷酸溶液加料计量槽与反应器之间也设有流量计。
现配现用的人工方法仍然是当今流行的一类方法，本发明追求从工艺原理源头简化人工方法，提升该类方法的竞争能力，使之更适用于中小型自来水厂推广。
本发明是现配现用人工配制单氯胺的方法；该发明尽可能克服或缓解人工方法的缺点，同时尽可能发挥和扩大人工方法的优点；该发明在中小型自来水厂应用有较强的市场竞争能力。
以下对本发明所采用技术方案作进一步的描述。本发明采用间歇生产方式，原料采用是氯化铵和次氯酸钠，工艺可分为六个步骤：
a、备料：预配次氯酸钠，将原料次氯酸钠用水稀释，浓度0.5-1%；预配酸料，将原料磷酸用水稀释，浓度5%左右。将原料盐酸用水稀释至5%。
b、溶解氯化铵。直接向反应器投氯化铵和水使氯化铵溶解，浓度1-2%。
c、氯化铵溶液酸化。计量加入少许酸料使氯化铵溶液的pH值下降到3以下，优选1.6-3，更优选1.6-2.0。
d、前期反应投料。在3分钟内快速投入半数以上配方用量的次氯酸钠使反应液pH值从3以下上升到接近9，然后投入配方所需的水。
e、后期反应投料即酸碱平衡加料。控制流量在15分钟左右加入余数即约半数配方用量的次氯酸钠，以控制pH值8.6-8.9为准则加入适量5%左右的磷酸。氯化铵与全部配方的次氯酸钠的投料摩尔比值是小于等于1。
f、半成品稀释。反应加料完毕后对半成品即刻加倍用水稀释就得到成品；或者根据相关的国家标准来稀释，然后即刻输出供自来水应用。本发明的成品NH2Cl浓度可以达1000ppm（质量分数0.1%）左右。
本发明的制备方法中，次氯酸钠的加料分为两步（d步骤和e步骤），其加料时间和加料速度要符合控制要求。前期加料控制在3分钟以内，后期加料控制在12-18分钟，或控制在15分钟左右。
本发明的制备方法具有以下多个优点。
优点之一，直接使用氯化铵原料在反应器内溶解，节省了氯化铵溶液贮槽及其辅助设备，同时也合理的利用了氯化铵的溶解吸热，有益于反应温度的控制。
优点之二，氯化铵全部投料之后才投加次氯酸钠，这种操作条件能够保证在反应过程中氯化铵的过量，有利于控制副反应产物二氯胺及三氯胺的生成。
优点之三，对氯化铵溶液先行酸化，为次氯酸钠前期快速加料创造了条件，有利于缩短生产周期，先行酸化才能保***加入较多的次氯酸钠物料而不至于使混合物料的pH值偏高，可以避免生成一氯胺的分解。
优点之四，使用磷酸做酸料在后阶段与碱性料次氯酸钠实施酸碱平衡加料，磷酸的一剂多能得以充分体现：磷酸既是酸料，也是有害重金属离子的抑制剂，同时又是pH值缓冲剂。磷酸中和产物是磷酸盐。磷酸氢二钠盐的pH值是9，在pH=9附近可以延缓产品pH值下降的速度。pH值下降对产品的稳定性极其不利，一氯胺产品会快速分解，而分解后的产物也进一步促使pH值的下降。另外，根据某些文献的报道，一氯胺产品的稳定性最佳的pH值可能处于8.3-8.5。
优点之五，反应物自混合之后，完成反应的时间是7分钟，在单氯胺生成物产生及产出后的关键时刻即本发明工艺过程的后期，极其重视pH值条件的控制，是值得推荐的，是科学的。在反应物料混合操作完成之前就控制pH值，比混合操作完成之后才控制pH值，是更好的技术改进，有更好的技术效果。
优点之六，把从反应器中出成品的常规工艺流程改为从中转贮槽出成品，有利于提高主体设备反应器的劳动生产效率，或者说有利于减小反应器的体积。
具体的说，本发明方法，添加料的使用比较科学，反应控制分段比较科学；生产周期较短，产品的一氯胺转化率高，设备投资及设备占地面积少；操作简单，控制条件易于实现，对操作人员的素质也没有较高的要求。月产5万吨的自来水厂，配制***只需要配备500升的反应器和1000升的中转贮槽及其特别小的设备容器。
本发明方法，产品成本低，产品浓度高达1000ppm；稳定性相对好，可以稳定储存30分钟，分解率为1%；经测试，产品的pH值稳定，下降缓慢。
附图说明
图1表示本发明实施例中使用的制备一氯胺的装置；
图中，1-中转贮槽；2-反应器；3-次氯酸钠溶液加料计量槽；4-盐酸溶液加料计量槽；5-磷酸溶液加料计量槽；6-氢氧化钠溶液加料槽；7-流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
计量17公斤原料次氯酸钠并投入次氯酸钠溶液加料计量槽3（以下简称计量槽3），通过计量泵计量240公斤原料水输入计量槽3；计量槽3中次氯酸钠浓度以NaClO计0.7%，溶液总量257公斤。计量1.3公斤粉料氯化铵并投入反应器2；同时用计量泵计量85公斤原料水输入反应器2；同时用液位计量方法计量2公斤5%HCl从盐酸溶液加料计量槽4输入反应器2；反应器2中，氯化铵浓度1.465%，溶液总量88.3公斤，pH值2.2。在2分钟内快速加入147公斤0.7%NaClO至反应器2使反应液pH值上升到8.9，继后用泵计量加入150公斤原料水至反应器2。开启较慢速度连续滴加0.7%NaClO至反应器2的同时，通过磷酸溶液加料计量槽5间歇向反应器2滴加5%H3PO4，通过流量计7控制流速，使反应液pH值的波动控制在8.6-8.9的范围内。酸碱平衡加料时，0.7%NaClO滴加速度是每秒0.18公斤，加入反应器2的5% H3PO4 是3公斤。从反应器2输出498公斤半成品至中转贮槽1，用计量泵计量500公斤原料水加入中转贮槽1。从中转贮槽1输出成品单氯胺，NH2Cl含量0.11%。其中，中转贮槽1中若由于NH2Cl的分解而导致pH值的降低，可以通过氢氧化钠溶液加料槽6来上调控制pH。
实施例2
计量17公斤原料次氯酸钠并投入计量槽3，计量泵计量240公斤原料水输入计量槽3；计量槽3中次氯酸钠浓度以NaClO计0.7%，溶液总量257公斤。计量1.3公斤粉料氯化铵并投入反应器2；同时用计量泵计量88公斤原料水输入反应器2；同时用液位计量方法计量2.5公斤5%HCl从盐酸溶液加料计量槽4输入反应器2；反应器2中，氯化铵浓度1.41%，溶液总量91.8公斤，pH值1.64。在2分钟内快速加入206公斤0.7%NaClO至反应器2使反应液PH值上升到8.9，继后用泵计量加入150公斤原料水至反应器2。开启较慢速度连续滴加0.7%NaClO至反应器2的同时，通过磷酸溶液加料计量槽5间歇向反应器2滴加5%H3PO4，使反应液pH值的波动控制在8.6-8.9的范围内。酸碱平衡加料时，0.7%NaClO滴加速度是每秒0.1公斤，加入反应器2的5% H3PO4 是1公斤。从反应器2输出499.5公斤半成品至中转贮槽1，用计量泵计量500公斤原料水加入中转贮槽1。从中转贮槽1输出成品单氯胺，NH2Cl含量0.11%，pH值8.86。
实施例3
计量17公斤原料次氯酸钠并投入计量槽3，计量泵计量240公斤原料水输入计量槽3；计量槽3中次氯酸钠浓度以NaClO计0.7%，溶液总量257公斤。计量1.3公斤粉料氯化铵并投入反应器2；同时用计量泵计量88公斤原料水输入反应器2；同时用液位计量方法计量4公斤5%混合酸输入反应器2，混合酸是5%HCl和5% H3PO4按重量比1:1混合；反应器2中，氯化铵浓度1.39%，溶液总量93.3公斤，pH值2.16。在2分钟内快速加入188公斤0.7%NaClO至反应器2使反应液pH值上升到8.9，继后用泵计量加入150公斤原料水至反应器2。开启较慢速度连续滴加0.7%NaClO至反应器2的同时，间歇向反应器2滴加5%混合酸，使反应液pH值的波动控制在8.6-8.9的范围内。酸碱平衡时，0.7%NaClO滴加速度是每秒0.12公斤，加入反应器2的5% 混合酸 是1.6公斤。从反应器2输出501.5公斤半成品至中转贮槽1，用计量泵计量500公斤原料水加入中转贮槽1。从中转贮槽1输出成品单氯胺，NH2Cl含量0.11%。

Claims (10)

1.一种一氯胺的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以氯化铵和次氯酸钠为反应原料，先将反应原料中的氯化铵溶解得到氯化铵溶液，并加酸调节氯化铵溶液的pH值为1-3；所述酸为磷酸和/或盐酸；
（2）再向氯化铵溶液中加入次氯酸钠并搅拌，使pH值上升至8-9；
（3）再向氯化铵溶液中分别加入次氯酸钠和含磷酸的溶液，并搅拌，使混合溶液的pH值保持在8-9；待次氯酸钠加料完毕，得到一氯胺的溶液。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，使混合溶液的pH值保持在8.6-8.9。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，含磷酸的溶液中，磷酸的浓度为5%以下。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，调节氯化铵溶液的pH值为1.6-3。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述酸为磷酸与盐酸组成的混合酸；其中磷酸与盐酸的质量比为1:2-2:1。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，氯化铵溶液的浓度为3%以下。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）和步骤（3）中，次氯酸钠以次氯酸钠溶液的形式加入。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述次氯酸钠溶液的浓度为3%以下。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法利用以下装置，该装置包括反应器，反应器分别与次氯酸钠溶液加料计量槽、盐酸溶液加料计量槽、磷酸溶液加料计量槽和水管连接，次氯酸钠溶液加料计量槽与反应器之间设有流量计。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述制备方法获得一氯胺的装置，其特征在于，该装置包括反应器，反应器分别与次氯酸钠溶液加料计量槽、盐酸溶液加料计量槽、磷酸溶液加料计量槽和水管连接，次氯酸钠溶液加料计量槽与反应器之间设有流量计。
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