畢業(yè)論文《稀硝酸生產工藝》

1、摘 要雙加壓法生產稀硝酸工藝是當今世界最為先進的稀硝酸生產工藝。雙加壓法生產硝酸的氧化壓力適中，噸酸鉑耗少，吸收壓力高，對氮的氧化物吸收有利，產酸濃度高，氨耗低，酸尾排放的NOx含量低。雙加壓法的這些優(yōu)點，使其占據了主導地位。關鍵詞：雙加壓法 工藝流程 稀硝酸Abstractthe development of medium-pressure method for high pressure law and dual-pressure, dual-pressure production of dilute nitric acid process is the most advanced in

2、the world today, dilute nitric acid production process. Compared with other methods, dual-pressure production of nitric acid oxidation pressure is moderate, tons of acid platinum consumption, high pressure absorption, absorption of nitrogen oxides favorable high concentrations of acid production, am

3、monia consumption is low, acid tail emissions of NOx content is low. These advantages of the dual-pressure process, it has dominated in the production of nitric acid.Keywords: dual-pressure process; process; dilute nitric acidl目錄摘 要1Abstract2目錄1第1章 硝酸生產發(fā)展簡史11.1 硝酸的工業(yè)應用和生產概況11.2 常用的硝酸生產工藝11.3 硝酸生產工藝之

4、間的比較21.4 雙加壓法稀硝酸在我國的生產現(xiàn)狀4第2章 雙加壓法硝酸工藝流程簡介62.1 主要經濟指標和參數(shù)控制62.2 生產原料的選取72.2.1 工業(yè)上對液氨的要求：72.2.2 對空氣的要求：72.2.3 對水的要求：82.2.4 氨催化劑82.2.5 潤滑油（L-TSA46防銹汽輪機油）9第3章 流程分析雙加壓法硝酸工藝123.1 主要反應方程式123.2 氨氧化反應及影響因素123.2.1 氮催化氧化的速率控制步驟123.2.2 氨氧化的物料和熱量衡算133.2.3 氨氧化反應的影響因素143.3 NO氧化反應及影響因素153.3.1 溫度與壓力對反應速度的影響153.3.2 壓力

5、對NO氧化空間的影響163.4 影響吸收反應的因素17第4章 雙加壓法硝酸生產裝置主要設備分析184.1 氨空混合器184.2 氧化爐與廢熱鍋爐204.4 四合一機組22第5章 總結24參考文獻25致謝26第1章 硝酸生產發(fā)展簡史1.1 硝酸的工業(yè)應用和生產概況硝酸的生產歷史較為悠久，早在十五世紀就有用智利硝石制造硝酸的方法，即用濃硫酸分解智利硝石，一直沿用到1900年。H2SO4+2NaNO3=2HNO3+Na2SO4十九世紀初發(fā)明電弧法固定氮，生產NO，再氧化、吸收變?yōu)橄跛?。該法耗電量太大，僅對挪威、瑞典等電費低廉的國家適用，該法一直沿用到第二次世界大戰(zhàn)后。以鉑為催化劑進行氨氧化制造硝酸的

6、研究可追溯到1838年，但是一直到1904年在萊比錫建立了三套中試裝置：第一個日產3噸（53%濃度）的硝酸工業(yè)裝置于1908年在德國威斯特伐利亞（westphalia）附近的格特（Gerther）建成。當時采用卷成蝸狀鉑箱為催化劑，為了節(jié)約用鉑，1909年改為網狀，后又添加少量的銠及鈀以改善其活性，隨后英、美等國相繼采用。但直到1913年Haber法合成氨工藝問世，解決了氨的經濟來源后該法才得到發(fā)展。硝酸作為一種特殊的產品，可用于和平建設，亦可用于戰(zhàn)爭。美國在20世紀70年代越戰(zhàn)時期，硝酸工業(yè)得到快速發(fā)展，硝酸產量最高達10000Kt/a。越戰(zhàn)之后進行了調整，現(xiàn)保留約67家硝酸廠，總產能700

7、0-7500Kt/a。全球硝酸生產廠家（未含中國大陸）約345家，總產能55100-55700Kt/a，生產方法以高壓法和雙加壓法為主。全球各國生產能力前5名排序為：中國7050Kt/a(預計2013將達10770Kt/a,美國7500 Kt/a,，德國3866 Kt/a，英國3187 Kt/a，荷蘭2465 Kt/a。全球生產企業(yè)前5名排序為：英國帝國化學工業(yè)公司2205Kt/a,荷蘭氮素公司1100Kt/a,德國巴斯夫950Kt/a,挪威波爾斯洛倫950Kt/a,中國山西天脊煤化工集團公司810 Kt/a。1.2 常用的硝酸生產工藝（1）常壓法 氨氧化及酸吸收均在常壓下進行。這種方法因壓力

8、低，氨氧化率高，鉑耗較低，設備結構簡單，多用6-12全串聯(lián)的吸收塔。早期吸收塔多用天然耐酸材質，如花崗巖或者耐酸磚砌成，現(xiàn)今用塑料或不銹鋼制成。常壓法缺點是成品酸中HNO3含量低，排放的尾氣中氮氧化物含量高，環(huán)境污染嚴重，尾氣需作處理。吸收容積大，占地多，投資大。（2）全壓法 氨氧化和吸收均在加壓下進行。吸收壓力可分兩個等級：中壓吸收壓力為0.2-0.5MPa。 高壓吸收為0.7-1.0 MPa或更高。前者以伍德、斯塔米卡邦、蒙特愛迪生等工藝流程為代表。后者以凱米科、住友的工藝流程為代表。全壓法因吸收壓力高，其NO2吸收率以成品酸中HNO3含量較高。排放尾氣中氮氧化物含量低。吸收容積小，能量回

9、收率高。但氨氧化率比常壓法稍低，而且鉑耗較大。（3）綜合法 氨氧化和NO2吸收分別在兩種不同壓力下進行。現(xiàn)有兩類流程：一為常壓氨氧化-加壓NO2吸收流程，二為中壓氨氧化-高壓NO2吸收流程。前者以前蘇聯(lián)國立氮氣研究所流程為代表，后者以法國格朗德-帕魯瓦斯流程為代表簡稱GP法或稱雙加壓法。前者兼有常壓和加壓法兩者優(yōu)點：其氨耗及鉑損耗比全壓法小，不銹鋼用量比全中壓少，后者采用較高吸收壓力和較低溫度吸收，成品酸中HNO3含量一般可達60%，尾氣中氮氧化物含量低于200PPm，可以不作處理而直接排放空氣中。1.3 硝酸生產工藝之間的比較衡量一個流程先進的標準，主要是根據其技術經濟指標、生產規(guī)模、原料及

10、操作費用、產品酸濃度高低和投資比為依據。技術經濟指標主要是氨、催化劑、電、水、蒸汽的消耗，另外還有氧化率、吸收率、尾氣排放濃度、產品濃度、生產規(guī)模等。投資比即生產強度與基建投資的比值。氨的消耗是主要的指標，它占生產成本的90%左右，提高氨的利用率是有極大意義的，理論上一噸成品酸需消耗氨為269.8Kg，實際上由于氨的轉化率和吸收率達不到100%，液氨的純度也達不到100%這樣實際上氨耗應比理論值大，一般在280-300Kg/t。從降低氨耗的角度來看，常壓氧化氨的利用率高，加壓吸收氮氧化物的吸收率高，有利于氨耗的降低。根據鉑催化劑的損失機理，鉑消耗是必然的，由于其價格昂貴，資源缺少，所以鉑的損耗

11、也很重要。近幾年來生產中在減少鉑耗和回收方面都采取了有效的措施。由于流程不同其差異十分明顯，如常壓氧化鉑耗只有0.06g/t左右，而全高壓法高達0.3g/t.電的消耗指標不僅僅和生產有關，而且與裝置的能量回收密切相關。若流程配置得當，充分利用反應熱，有效地回收尾氣的熱能和動能，加壓的能量消耗可以大大降低。電的消耗還和冷凍系統(tǒng)強化吸收有很大的關系，同樣也關系到蒸汽的消耗。生產規(guī)模主要是指鉑網的燃燒強度和吸收設備的容積系數(shù)以及壓縮機組的配置。在流程中多設置一些原料凈化設備和熱能回收設備，雖增加了投資費用，但能提高氨的轉化率和回收了能量，仍是合理的。在吸收部分，提高壓力和采用冷凍水，可以降低吸收容積

12、系數(shù)，相應增加了能量消耗，卻有利于尾氣吸收控制和能量回收，提高了產品濃度。節(jié)能壓縮機組的選用，不僅提高了裝置的整體裝配水平，更有利于能量的綜合利用。所以要多方面兼顧考慮。采用富氧氧化，不但減少吸收容積系數(shù)，而且能提高氨的轉化率，減少動力配置，但要求有制備富氧的條件，可以綜合利用，不宜專門設置制氧裝置。生產強度還和設備的類型、結構有很大關系，采用新技術、新材料的設備可以大幅度地強化生產能力。各種硝酸工藝生產的特征見表經濟技術指標項目常壓法綜合法中壓法高壓法雙加壓氧化壓力（Mpa）0.110.220.100.450.80.90.45吸收壓力（Mpa）0.0980.180.350.400.70.81

13、.1氨氧化率%9697969796-95-96酸濃度%40454345505353555860出酸塔尾氣濃度NOX10-650001000025001000150020002500200處理后尾氣濃度NOX10-6常壓堿吸收6001300常壓堿吸收6001300加壓堿吸收200500催化還原200不需要處理尾氣處理氨耗kg/t酸877（尾氣NOX200以下計算）0總氨耗kg/t酸330308290293304283鉑耗kg/t酸0.060.060.11.82.00.1投資（萬元）50kt/a生產規(guī)模260050kt/a生產規(guī)模23002600100kt/a生產規(guī)模8000吸收率%8592969

14、89799.72.工藝指標及生產成本項目單價中壓法高壓法雙加壓法元消耗金額消耗金額消耗金額氨t14140.3424.20.3424.20.282398.75鉑g2360.1228.320.247.200.1228.32冷卻水t0.289025.209025.2013638.08脫鹽水t3.001.85.41.33.900.5031.51電kwh0.261.5440.04164.4811.13.11蒸汽t40-0.5-20-0.9-36-0.301-12.04天然氣m30.845042.00氫氣m30.542614.04折舊41.0240.8375.58車間經費68.5068.5068.50制造

15、成本612.68134.36643.36600.811.4 雙加壓法稀硝酸在我國的生產現(xiàn)狀近幾年，我國硝酸工業(yè)進入了發(fā)展的快車道，總產量每年以高于10%的速度增長，新增裝置的技術含量提高，裝置規(guī)模增大，操作壓力升高，酸濃度提高，新技術得到廣泛的應用。新增加的裝置主要以雙加壓法裝置為主，雙加壓法硝酸裝置以總產量大、單機規(guī)模大、能耗低、綜合經濟指標優(yōu)等特點，已成為我國稀硝酸發(fā)展的主力和今后發(fā)展的方向。我國現(xiàn)已運行的雙加壓法稀硝酸裝置共二十套裝置，年生產量已達280萬噸，占我國硝酸總產量的45%，成為各種硝酸生產工藝中，產量最大，技術含量最高的硝酸生產工藝。到目前為止，已經設計和正在施工安裝的雙加壓

16、法硝酸裝置有8套，總產量為150萬噸，而其它生產工藝已經設計和正在施工安裝的裝置由3套，總產量為81萬噸，由此可見雙加壓法硝酸工藝在我國已成為硝酸生產的主要方式。自1935年我國建成第一套硝酸裝置至今已有近70年的歷史了，以往我國硝酸生產主要以常壓法、綜合法、全壓法為主。1978年12月1日天脊集團（原山西化肥廠）與日本東洋工程公司簽定了硝酸裝置成套建設承包合同，全套引進法國GP公司雙加壓法硝酸生產專利技術，其氨氧化壓力為0.45MPa，吸收壓力為1.1MPa，生產能力為902噸/日（100%HNO3）兩套生產線。1983年7月25日正式開工建設，1987年3月開始單體試車，1987年8月進行

17、化工投料試車。通過化工投料和性能考核試車，在70-100%負荷下，主要消耗指標和消耗定額符合設計要求，達到合同規(guī)范，1988年4月5日進行了交工驗收，這標志著雙加壓法硝酸生產在我國跨出了成功的第一步，對我國的硝酸發(fā)展具有重大的推動作用，從而為我國引進了工藝技術先進可靠、經濟合理、裝置規(guī)模大的硝酸生產技術，并培養(yǎng)了一大批硝酸專家型人才?；げ康诙O計院對山西化肥廠引進的硝酸裝置進行認真學習和消化，立足于國內工藝技術和設備制造能力，參照GP雙加壓法硝酸技術和濟南化肥廠合作設計了一套350噸/日（100%HNO3）的雙加壓法硝酸裝置，其氧化壓力為0.45MPa，吸收壓力為1.1，該裝置除“四合一”機

18、組從德國公司引進外，其余設備全部為國產設備。該裝置于1988年開工建設，1990年12月化工投料試車，自試車以來，工藝穩(wěn)定、運行可靠、達到設計要求，與工藝指標、消耗定額基本一致，實際年產量可達110%生產負荷，實踐證明該設計是成功的，開創(chuàng)了我國自行設計雙加壓法硝酸的先河。1996年，化二院為云南云峰化學工業(yè)公司設計了第二套350噸日（100%HNO3）的雙加壓法硝酸裝置，與濟南化肥廠硝酸裝置基本相同，四合一機組采用我國陜鼓集團公司制造，真正實現(xiàn)了雙加壓法硝酸設計、設備制造、安裝調試的國產化。1999年月建成試車投產以來，由于機組原因存在系統(tǒng)壓力偏低，尾氣偏高、蒸汽不能自給的問題，其它工藝指標基

19、本達標。1999年11月，化二院又為石家莊化肥廠設計了第三套350噸日（100%HNO3）的雙加壓法硝酸裝置，設備全部采用國產化，陜鼓公司針對云峰機組存在的不足進行了技術改進，廠內單機試車良好，由于該廠原因該裝置直道2005年月日才投料試車生產。2001年，化二院為山西天脊集團（原山西化肥廠）設計了一套902噸日（100%HNO3）的雙加亞法硝酸裝置，采用工藝，濟南化肥廠模式，四合一機組采用德國公司制造，其它設備為國產化，2003年底，中石油遼陽化纖公司350噸日雙加壓硝酸裝置進入施工階段，全部設備為國產化，2004年11月投料生產。2004年，化二院又為南化公司氮肥廠設計了第五套350噸日（

20、100%HNO3）雙加壓硝酸裝置，全部設備也為國產化，于2005年月試車成功。第2章 雙加壓法硝酸工藝流程簡介2.1 主要經濟指標和參數(shù)控制1.本裝置主要工藝指標氨/空氣中的NH3%9.35-9.75%尾氣中O2含量3-5%尾氣中NOX<=200ppm成品酸濃度58-60%成品酸中的HNO2含量<=100ppm氨氧化爐溫度850-870鍋爐排污PH9.0-11.0鍋爐排污SIO2<=3mg/l鍋爐給水O2含量<=15ppb塔板酸氯含量<=500ppmNOX分離器中銨鹽<30mg/l主要消耗指標（以每噸100%HNO3計算值為準）脫鹽水530kg低壓蒸汽169

21、kg中壓蒸汽310kg冷卻水160m3電力11.1kwh儀表空氣5.3m3氮氣26.6m32.2 生產原料的選取生產稀硝酸需要的原料有：氨、空氣、水、催化劑、和潤滑油。2.2.1 工業(yè)上對液氨的要求：氨含量>99.5%，水分含量<0.3%,含油量<10ppm.液氨經氣化后使用，氣氨用布質、紙質或其它過濾材料將介質中的油、鐵屑等機械雜質除掉。2.2.2 對空氣的要求：由于在工藝系統(tǒng)中，一般均使用鉑作催化劑，它對空氣中雜質的要求越低越好，雜質會減弱催化劑的活性，增加鉑網的損耗，因此，經過氨氧化部分的空氣，首先要經過過濾器，除去空氣中懸浮的機械雜質，過濾后的磷等化合物，每種均應低于

22、0.1ppm?？諝膺^濾室分為三級：第一級過濾器：型式自動卷簾式空氣過濾器尺寸寬度1.7米、凈高4.0米并排數(shù)7個風量350000N立方米每小時壓力降5-12.5mmH2O過濾效率45%電機0.55KW第二級過濾器型式袋式空氣過濾器風量304000N立方米每小時壓力降11.2-22.4mmH2O過濾效率88%第三級過濾器型式箱式空氣過濾器風量240000N立方米每小時壓力降12-25mmH2O過濾效率99.9%2.2.3 對水的要求： 冷卻水要求最高在45不至于形成結垢物的各種組分和形成易侵蝕鐵或合金鋼的各種成分及產生腐蝕的鹽類，其指標控制范圍：固體懸浮物：10-20ppm、PH值7-8、氯化物

23、<80ppm2.2.4 氨催化劑 通過大量催化劑篩選試驗，至今可供工業(yè)使用的選擇性良好的催化劑歸納起來有兩大類：一是鉑系列催化劑，二是以鐵、鈷、鉻等金屬的非鉑催化劑。后者雖然價格低廉，但是其活性周期短，且氨氧化率低，僅為80-87%，由催化劑節(jié)省的費用并不能抵償由于原料氨耗增大所產生的費用。所以，現(xiàn)在國內外的硝酸工廠幾乎都采用鉑系催化劑。 氨氧化用鉑系催化劑1、化學組成以純鉑作為氨氧化催化劑，在溫度為800-900的操作條件下，純鉑催化活性并不高，且在強大氣流連續(xù)沖擊下鉑表面變得松弛不平，鉑表面疏松的鉑微粒易被氣流帶走。若采用含銠的鉑合金，不僅可提高反應活性，且能增加其機械強度，減少鉑的

24、損失。但銠的價格昂貴，所以工業(yè)上大多采用含銠為5-10%的鉑合金。也有以較低廉的鈀來代替部分銠的，一般含鉑在90%以上，鈀和銠各占3.5-4%。20世紀60年代后，其中鈀用量還在提高。例如采用含鈀在50%以下、銠10%以下，并摻入釷0.01-10%的鉑合金。據說這種鉑催化劑活性和機械強度也是較好的。2、物理性質鉑催化劑通常不用載體，以利于鉑的回收，而且載體容易破裂，外露的載體會促使氨分解，降低氨氧化氯。工業(yè)上要求催化劑單位重量的接觸表面積應盡可能大，而鉑合金具有較好的延展性和機械強度，因而工業(yè)上利用這一特性，都將其拉成細絲制成網狀。由于鉑的導熱性好、開工時一經點火即能投入生產，而且鉑網也便于再

25、生和回收，還可使氧化爐的結構簡化。通常所用的鉑絲直徑為0.045-0.09mm。鉑網的自由面積約占整個面積的50-60%?，F(xiàn)今鉑網尺寸以規(guī)范化。3、空氣中不純物的含量如氣態(tài)氯、溴、硫、3、的活化、中毒及再生新的鉑網表面光滑且有彈性，使用時不能立即獲得高的NO，需經一段活化時間才能提高。如在600時，其活性需經數(shù)晝夜方能升高。在900時，活化時間則可縮短到8-16h?；罨话阌脷溲婧婵?，使鉑網表面變得疏松和粗糙，從而增大其反應接觸表面。c網隊雜質非常敏感，很容易中毒。4、網損失和回收 溫升華損失并不大，當溫度為900時，其蒸汽壓僅為8MPa。鉑的損失量與反應溫度、壓力、網徑、氣流方向及工作時間等

26、因素有關。當溫度高、網徑細、氣流方向由下而上所導致網振動大等因素均會使鉑網損失加大。一般在常壓下氨氧化溫度出常取為800，而加壓下為880左右。鉑網正常使用1-2年后則需更新。鉑網在使用過程中隨氣流帶走的鉑微粒，一般沉淀在氧化爐后面的廢熱鍋爐進口管處較多，約有1/2呈膠泥狀沉積在硝酸罐中，應定期清理加以回收。尚有約1/4隨廢氣排出，少部沉積在其他設備和管道中。5、鉑網規(guī)格三元平織網：三元平織網鉑92.5%、銠3.5%、鈀4%絲徑0.09mm網孔數(shù)1024個/平方厘米優(yōu)點具有好的再生和修補，可以多次清洗缺點網重、易拉裂、脫邊適用于常壓法二元針織網：二元針織網鉑90-95%、銠5-10%絲徑0.0

27、76mm孔數(shù)1024個/平方厘米優(yōu)點氧化率高高出1-1.5%、鉑好低、裝填量少、三維結構不脫邊、不易拉裂缺點不能多次清洗再生適用于中壓和高壓法2.2.5 潤滑油（L-TSA46防銹汽輪機油）1、技術指標項目質量指標試驗方法優(yōu)級品一級品合格品黏度等級32-4632-4632-46運動指數(shù)不小于28.8-35.2 41.6-50.6GB265傾點不高于 90GB1995閃點不低于 180GB3536密度 報告GB1884酸值不大于0.3GB264中和值不大于報告報告GB4945機械雜質 無GB511水分 無GB260被乳化值（40-37-3）m154度不大于 15GB7305起泡性試驗ml/ml2

28、4度93度后24度 SY2669450/0450/0600/0100/0100/0100/0450/0450/060/0氧化安定性總氧化產物沉淀物b、氧化后酸值報告報告GB8119報告報告SY2680300020001500液相銹蝕試驗 無銹GB11143銅片試驗（100度、3h）不大于 1GB5096空氣釋放值（50度）不大于6565 SY2693用GB511方法測定，機械雜質含量在0.005%以下時，認為無。GB260方法測定，試樣的水分少于0.03%，認為是痕跡。在儀器拆卸后接收器中沒有水存在，認為試樣無水。 2、生產作用透平油的作用有二：其一是潤滑機組各軸承極其轉動部分，并帶走由摩擦所

29、產生的熱量，以及高溫蒸汽傳給機組各部分的熱量，保證了機組軸承、軸頸處溫度不超過一定值。同時在軸頸上形成一層油膜，使軸頸與軸承之間不是直接摩擦，因而減少了摩擦阻力。其二是透平 時機組調速系統(tǒng)和各壓力控制系統(tǒng)的傳動工具（液壓傳遞）油質劣化對潤滑部分不能很好的潤滑，結果使烏金熔化而損壞設備分可能造成動作遲滯、腐蝕、生銹卡住等不良后果，從而使調速和保護失靈。根據尾氣中的氧含量判斷空氣的加入量，一般控制在3-5%。第3章 流程分析雙加壓法硝酸工藝3.1 主要反應方程式 （1）氨和空氣混合在鉑催化劑的作用下生成NO，此反應實在氧化爐中進行，化學反應方程式為：4NH3+5O2=4NO+6H2O +Q副反應，

30、當鉑網溫度過高時，產生氨的分解：2NH3=N2+3H2 _Q當鉑網溫度增加和較長時間的接觸，再促成NO的分解和氨的完全氧化。2NO=N2+O2 +Q4NH3+3O2=2N2+6H2O +Q4NH3+6H2O=5N2+6H2O +Q（2）氧化氮繼續(xù)氧化成二氧化氮，此反應是在一系列換熱設備中進行的，化學反應方程式：2NO+O2=2NO2 +Q（3）用脫鹽水吸收NO2生成硝酸，此反應是在吸收塔內進行的，化學反應方程式為：3NO2+H2O=2HNO3+NO +Q3.2 氨氧化反應及影響因素氨氧化的反應機理是因催化劑對氧的吸附能力強，氧分子被吸附到催化劑表面后兩原子間的鍵斷裂。催化劑吸附氨分子，氧原子與

31、氨分子中的氮和氫結合，重新進行電子排列生成NO、H2O。因催化劑對NO、H2O吸附力小，因此NO、H2O脫離催化劑向氣相中擴散。3.2.1 氮催化氧化的速率控制步驟在上述各步驟中，以氨分子至鉑網表面的擴散速度為最慢的一步，因而整個反應速度是受外擴散所控制。 氨分子向鉑網表面擴散的時間為： t=A2/2D其中，A氨分子擴散途徑的平均長度 D氨在空氣中的擴散系數(shù) 由此求得的擴散時間t與氨空氣混合氣體通過鉑網自由空間的時間、或稱接觸時間甚為接近。說明氨氧化成NO的反應速度極快。氣體通過催化劑的接觸時間t0:To=V0/V式中，V0催化劑的自由空間，m3V操作條件下的氣體體積流量，m3/s網的自由空間

32、為：V0=Fsdm/100式中，f鉑網的自由空間占網總體積的百分率S鉑網的截面積，m2D鉑網的直徑，cmM鉑網張數(shù)在操作條件下的氣體體積流量為：V=0.1V0Tk/273P式中，V0在標準狀況下的氣體體積流量，m3/sTK操作溫度,KP操作壓力，MPa3.2.2 氨氧化的物料和熱量衡算對該過程進行恰當?shù)暮喕?，近似地根據主反應式?NH3+5O2=4NO+6H2O +Q2NH3=N2+3H2 Q進行物料平衡計算。取氨空氣混合氣體為1mol,其中氨、氧的起始量分別為c0、b0摩爾分數(shù)，設氨氧化生成NO的氧化度為a。設氨最終全部耗盡，混合氣體總壓力為P總，水蒸汽的壓力為PH2O，得到反應后各氣體的分

33、壓： PNO=c0aP總/1+0.25c0+R PO2=(b00.75c00.5c0a) P總/1+0.25c0+R PH2O=(R+1.5c0) P總/1+0.25c0+R PN2=10.5c0(1+a)b0 P總/1+0.25c0+R R= PH2O/P總- PH2O其中，若在理想條件下，忽略各項熱損失，反應前氣體溫度為T0，反應后的溫度為Tf，則反應過程的溫升為： T溫升=TfT0=aQ1+ c0(1a)Q2/CP式中Q1氨在T0時進行等溫反應氧化成NO的反應熱Q2氨在T0時進行等溫反應氧化成N2的反應熱CP-反應后各組分氣體的平均等壓熱容3.2.3 氨氧化反應的影響因素1、反應溫度溫度

34、升高，氨轉化率升高，溫度過高副反應增加，鉑損失增加，溫度降低。氨轉化率降低，氨損失大，本裝置最適合的溫度為850870。2、反應壓力氨氧化是體積增大的反應，壓力升高對反應不利。但是從經濟角度看，應該適當?shù)靥岣邏毫?，增加生產能力，所以還要提高鉑網強度和使用壽命。3、混合氣中氨的濃度氨氣在空氣中混合氣體爆炸極限為：上限27.4%，下線15.7%，在實際生產中采用養(yǎng)過量的氨空比，因此氨空混合氣中氨的濃度應控制在911%，最佳的氨氧比為O2：NH3=1.72.0。4、接觸時間接觸時間短，反應不完全，氨損失大，時間長副反應增加，生產能力下降，氨消耗大，從理論計算有適宜的接觸時間。實際生產中，從經濟角度考

35、慮采用比2適宜的時間稍少一些。5、催化劑的活性設計采用含鉑90%、鍺10%的二元催化劑拉成絲，織成網，網直徑采用=0.0090.007cm。催化劑的活性與制造質量、反應條件、活性表面積及容易引起鉑網中毒物等有關。6、原料氣的凈化度空氣雜質：SO2、Fe2O3、SiO2、H2S、Cl2、PH3等碳氫化合物、固體顆粒。這些物質不但可以降低空氣純度，還造成催化劑暫時性中毒和永久性中毒。本裝置對空氣凈化設計采用三級干式過濾，過濾原件采用玻璃纖維。三級過濾器：級數(shù)類型過濾壓差效率一卷簾過濾器512mmH2O45%二袋式過濾器11.222.4mmH2O89%三箱式過濾器1225mmH2O99.9%液氨的雜

36、質“壓縮機油、催化劑粉末、鐵銹。采用緩沖、沉降玻璃纖維過濾。3.3 NO氧化反應及影響因素影響NO氧化的因素有反應溫度、壓力、反應物的濃度、停留時間等。3.3.1 溫度與壓力對反應速度的影響NO氧化反應為： 2NO+O2=2NO2 +Q副反應為： NO+NO2=N2O3 +Q 2NO2=N2O4 _Q由實驗獲得的反應速度方程式為：dpNO2/dt=k1p2NOpO2k2p2NO2式中：k1、k2分別為正逆速度常數(shù)。在工藝生產條件下，溫度低于200時，該反應實際上可視為是不可逆反應因而得：dpNO2/dt=k1pNO2pO2對式：2NO+O2=2NO2 +Q做物料衡算：設2aNO的開始量含量，摩

37、爾分數(shù)bO2的開始量，摩爾分數(shù)NO的氧化度p總壓，MPa可以得到：PNO=(2a2ar)PPO2=(bar)PPNO2=2arP由以上可得：adr/dt=2k1P2a2(1r)2(bar)令2k1=kp，積分得：tkpp2dt=a0da/a(1a)2(bar)式中：r=a/b由以上可以看出，當其他條件一定時，隨著氧化度r的增加，所需氧化時間也增長，但是增長并不是等速的，a減少，r增加較小，a變大時，r增加很多。這時由于a變大時，NO濃度很少，氧化推動力減少的緣故，所以要是NO完全氧化是很困難的。當其他條件不變時，溫度降低kp增加，但a和r一定時由于KPa2p2r值保持不變，而其中僅KP增加，則

38、必然r因之下降。由此可見，溫度降低能使反應速度加速，這對反應是有利的。3.3.2 壓力對NO氧化空間的影響設氣體的出口溫度為T0，氣體的流量為V0，在反應瞬間，反應為T,流量為Vg反應過程分子數(shù)減少，Vg與V0的關系如下：Vg= V0（1ar）T/ T0當反應氣體通過一個微元dV時，有下列關系： dV=Vgdt積分后有： V=t0Vgdt由以上可得：VKpp2T0=V0a0(1ar)T/(1r)2(bar)由于1ar1,溫度變化不大，TT0，則上式可簡化為： VV0t即氧化空間V與流量V0及時間t成正比。由此前術已知t與p2成反比，因此V與p2成反比。故當壓力增加一倍則設備體積V將減少到原來的

39、0.125.可見雙加壓法對NO的氧化大為有利。NO氧化的適宜氣體含量O2含量（b）對NO含量（2a）,按化學計量時大大過量的，當b/2a10時，此時也意味著a值很小。顯然tkpp2dt=a0da/a(1a)2(bar)可以簡化為： KpP2t=a/br(1r)將上式兩邊各乘以氣體流量V0，由于V=V0t則得：V=a V0/Kpp2ab(1r)設進吸收塔前未加入二次空氣時的NO和O2的含量分別為2a0和b0,又設此時的氨空混合氣體的總量為1mol。當加入ymol含量氣體后，則有：V0=22.4（1+y）2a=2a0/1+yb=b0+Ky/1+y其中K-加入含氧氣體中的O2含量。由此以上可以得到：

40、y=K3b0/2K a=2Ka0/3(Kb0) b=1K/3由此可知：加入二次氧氣的含量應控制在最終混合氣體中的氧氣含量的1/3，即所對應的氣體組成就是NO氧化時最適宜的氣體含量。由此可知氣體濃度與NO、O2的起始量無關。吸收反應機理及影響因素氧化物中能與水進行的吸收反應如下式：2NO+H2O=HNO3+HNO2N2O4+H2O=HNO3+HNO2N2O3+H2O=2HNO2工業(yè)上實際N2O3含量很少的，而亞硝酸性質較活潑是很不穩(wěn)定的，只有在溫度低于0攝氏度而且濃度極小時才能穩(wěn)定存在。因此一般條件下HNO2會很快按下式分解：3HNO2=HNO3+2NO+H2O3NO2+H2O=2HNO3+NO

41、由上式可知只有總量的2/3NO2生成硝酸，1/3變?yōu)镹O放出。氧化吸收，但每次吸收后總有1/3的NO放出來，因此欲使1molNO完全轉化為HNO3實際上在整個過程中需要氧化的NO量并非是1mol而是按等比級數(shù)計算即 1+1/3+（1/3）2+（1/3）3=1.5mol3.4 影響吸收反應的因素低溫有利于吸收反應和NO的氧化反應向右進行，降低塔內溫度有利于反應，但是溫度太低，HNO3中含量增加，NO2合成N2O4，溶在HNO3中，在漂白塔中NO2分離不出，降低了成品酸的合格率。而容積系數(shù)大同樣降低生產能力。因此降低到適當?shù)臏囟扔欣谖辗磻蚇O氧化反應向右進行，增加吸收反應速度和減少設備容積，

42、降低一次性投資。提高壓力不僅可使平衡向生成硝酸的方向移動，并有利于提高成品酸的濃度，同時對硝酸生產的速度有很大的影響，這是因為NO在氣相總所需氧化空間幾乎與壓力的三次方成反比，所以加壓可大大減少吸收容積。使成品酸濃度提高的措施之一是提高NO2的濃度或提高氧化度，根據尾氣中的氧含量判斷空氣的加入量，一般控制在3-5%。第4章 雙加壓法硝酸生產裝置主要設備分析一直以來，國內270kt/a的雙加壓稀硝酸裝置都是全部或主機進口，2007年河南晉開化工集團投資的270kt/a的雙加壓稀硝酸裝置是國內第一套完全國產化的稀硝酸裝置，該項目有化二院進行初步設計和最終設計，陜西鼓風機廠承擔核心設備四合一主機的國

43、產化研發(fā)。在2010年晉開化工集團又引進三套國產化雙加壓，成為國內最大的硝酸生產基地。通過對該裝置設備的分析和研究，對國產雙加壓稀硝酸裝置的推廣具有一定的代表性。裝置中靜設備部分為120臺，動設備部分為63臺。裝置設備分為： 靜設備部分DC類反應器8臺EG類除氧氣2臺FD類過濾器12臺EA、ED、EC類換熱器46臺FA、FB類筒和槽28臺IH類槽罐4臺FG類消音器6臺BS、FJ類特殊設備4臺EE類噴射器10臺動設備部分GA泵類54臺GB101空壓機2臺GB102NOX壓縮機2臺GT101尾氣透平機2臺JE天車1臺GT102蒸汽透平機2臺4.1 氨空混合器空氣-氨混合器類似文丘里混合器，在器內后

44、部設有前后正反段螺旋葉片，每段為8片，與軸線成30°傾斜。前收縮角為19.5°，后擴散角為28.6°。混合全部在喉部，并通過螺旋葉片機械混合，機構簡單合理，體積較小，焊縫結構設計考慮周到，外筒為管子式焊接圓筒，受力較好，而承受氨介質的焊縫在筒體內部，允許有泄漏，因此焊縫焊接檢查為一般規(guī)范即可。為了保證設備效果，要求嚴格按圖紙尺寸制作，孔的公差要求4±0.05mm，分布小孔要求在圓筒成型后再鉆孔。2）操作條件設計溫度：266 操作溫度：236 設計壓力：0.41MPa·G 操作壓力：0.35MPa·G水壓試驗壓力：0.60MPa

45、3;G3）主要材質殼體、內管全為0Cr18Ni10Ti不銹鋼4）設計參數(shù)空氣入口速度 16m/s空氣出口速度 17 m/s氨氣處空氣速度 1618 m/s氨噴出速度 30 m/s喉口處混合氣速度 80100 m/s 壓力降800mmH2O柱。氧化爐氨空混合器：混合氣33m/sAir30m/sNH3 80100m/s4.2 氧化爐與廢熱鍋爐氧化爐廢熱鍋爐為硝酸生產的一臺關鍵設備，廢熱鍋爐與氧化爐連為一體，緊接在氧化爐下部，用以回收熱量，生產4.4MPa的中壓蒸汽，驅動透平壓縮機組，實現(xiàn)硝酸生產自熱平衡，氨空混合氣體進行氧化爐分布均勻，鉑網支承好，各點溫度均勻，使用壽命長。其基本結構如下：2）基本

46、參數(shù)氧化爐：4070×6355操作溫度：217/860OC操作壓力：0.337MPa廢熱鍋爐:換熱面積：210m2操作溫度 管程：257OC，殼程：761400OC操作壓力管程：4.3MPa,殼程：0.35MPa蒸汽過熱盤管：換熱面積：97.8m2 操作溫度 管程：257440OC，殼程：860761OC操作壓力管程：4.3MPa,殼程：0.35MPa4.3 吸收塔本硝酸裝置設一個吸收塔，塔直徑5200mm，塔總高58540mm，塔為篩板型，雙S形單溢流，有32塊塔板。塔板上有15層冷卻盤管，塔體在頂部、中部、下部開有三個人孔，但塔內篩板上每層都開有人孔，以便檢修之用。塔板

47、支撐為#字形支承梁，塔板連接有固定焊接及螺栓活動連接，多數(shù)采用活動連接。塔在1.1MPa（G）壓力下操作，吸收工藝水由塔頂送到第一層塔板上，通過降液管連續(xù)穩(wěn)定地由上而下流入每塊塔板上，氣體由底部進入，向上穿過每層塔板，在板上進行著氣液間的泡沫吸收反應，生成5862%的硝酸，尾氣由塔頂排走，其NOX含量在200PPm左右。吸收塔（1）吸收塔塔板設計32塊，全部設有冷卻盤管。板間距最小為1000mm，最大為2300mm，板厚12mm，小孔直徑2mm，孔間距9.4×10mm，塔板上有折流板，液體成雙S形流動，每層有溢流管2個，直徑為220mm，塔體壁厚為12mm，全塔重量為350噸。（2）

48、冷卻盤管規(guī)格。采用25×2電焊不銹鋼管，總冷卻面積995.5m2，水在管內流速為1米/秒，每組盤管用夾板和螺栓緊固以防振動。（3）塔板支架及塔板之間的固定，采用活動螺栓連接，可避免塔體焊接變形和應力腐蝕，安裝塔板的水平度一定要嚴格控制，一般要求在±3mm范圍。（4）材質：塔體及塔內所有焊接部件，均采用超低碳不銹鋼304L型，其它為304型，塔裙座為碳鋼。（5）冷卻盤管分布為兩進兩出，獨立單元，雙S型，具體分布如下：13層塔板： 5層冷卻盤管45層盤管： 4層冷卻盤管68層塔板： 3層冷卻盤管916層塔板： 2層冷卻盤管1726層塔板： 1層冷卻盤管2732層塔板： 0層冷卻

49、盤管4.4 四合一機組 我公司年產27萬噸稀硝酸裝置配套四合一透平壓縮機組是硝酸生產的關鍵設備，該“四合一”機組由：軸流壓縮機、NOX壓縮機、尾氣膨脹機、汽輪機、齒輪箱和聯(lián)軸器組成，包括潤滑調節(jié)油站等。硝酸“四合一”機組中，軸流壓縮機和NOX壓縮機是耗功設備，汽輪機和尾氣透平膨脹機為原動機，共同驅動軸流壓縮機和NOX壓縮機。軸流壓縮機是硝酸工程的原料氣壓縮機，經軸流壓縮機壓縮的空氣與氨氣混合后進入氧化爐，進行氧化反應，生成的氮氧化合物混合氣經廢熱鍋爐進行熱交換，然后進行速冷，溫度降至60。經脫水后進入NOX壓縮機，經過壓縮的氣體進入吸收塔，制成硝酸，從塔頂濾出的尾氣經預熱，過熱后進入尾氣膨脹機做功，回收能量，尾氣做功后經煙囪排入大氣。軸流壓縮機具有效率高，流量調節(jié)范圍寬，它比同等條件下的離心式壓縮機相比，多變效率高出5%10%。NOX壓縮機為離心式結構，該壓縮機配有蒸汽清洗系統(tǒng)（用于清洗壓縮機內部的銨鹽結晶），空氣密封系統(tǒng)（用于軸端密封，不允許有害氣體泄漏）。尾氣透平膨脹機為軸流式結構，第一級靜葉可調，可適應不同工況點的操作，使膨脹機處于高效運行區(qū)。采用充空氣密封，防止尾