20万吨年双加压法制造稀硝酸#精选Word格式文档下载.docx
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2.3.1双加压法稀硝酸工艺流程5
2.3.2主要反应方程式6
第三章物料衡算与能量衡算8
3.1物料衡算8
3.1.1反应器（氧化）8
3.2能量衡算10
3.2.1压缩机（透平机）10
第四章典型机械设备的选型与论证12
4.1主要设备12
4.2典型压缩机选型与论证12
4.3典型设备选型与论证13
总结14
参考文献15
致谢16
附录17
前言
目前国内外工业化生产稀硝酸几乎全部采用氨氧化法，根据氨氧化的压力和水吸收氧化氮的压力，稀硝酸生产分为常压法、综合法、中压法、高压法、双加压法5种工艺。
我国的硝酸生产工艺已由常压法、综合法、中压法发展为高压法和双加压法，双加压法生产稀硝酸工艺是当今世界最为先进的稀硝酸生产工艺。
本设计第一章介绍了世界硝酸的生产概况、国内生产硝酸的概况以及硝酸的作用，说明的双加压法在当今工业生产中的重要性，第二章介绍并比较了生产稀硝酸常用的方法，确定了本设计生产稀硝酸所采用的双加压法，并阐述了双加压法的流程，介绍主要发生的反应，第三章简要计算了反应器的物料衡算和压缩机的能量衡算。
第四章确定主要设备的选型。
后面予以总结、列明参考文献并致谢。
第一章硝酸生产工艺简介
硝酸是重要的无机酸，大部分用于制造硝酸铵，氮磷或氮磷钾等复合肥料。
硝酸铵还大量用作矿山、铁路和公路、建筑施工等民用爆破工程上的安全炸药。
浓硝酸广泛用于有机化工。
作为染料生产中最重要的中间体之一的苯胺，以及染料和塑料工业应用的邻苯二甲酸及其酸酐均需用浓硝酸。
硝酸除用于制造梯恩梯（TNT）炸药外，苦味酸、硝化纤维、硝化甘油、雷汞均需用到硝酸，N2O4正是浓硝酸生产过程中的中间产品，它与其他燃料组成双组元液体，用与火箭的推进剂。
1.1世界硝酸生产概况
硝酸工业生产具有悠久的历史，早在15世纪就有用智利硝石与硫酸反应制造硝酸，该法一直沿用至20世纪初。
从1905年世界上首座电弧法生产硝酸的工厂在挪威投入生产，到1908年德国建成以铂网为催化剂使氨与空气在氧化炉内反应的规模为3t／d硝酸（53％）的工厂，再到1913年Haber法合成氨问世，从此氨接触氧化法硝酸生产技术进入工业化阶段。
硝酸作为一种特殊产品，可用于和平建设，亦可用于战争。
美国在20世纪70年代越战时期，硝酸工业得到快速发展，硝酸产量最高达10000kt／a，越战之后进行了调整，现保留约67家硝酸厂，总产能7000～7500kt／a。
全球硝酸生产厂家（未含中国大陆）约345家，总产能55100～55700kt／a，生产方法以高压法和双加压法为主。
全球各国生产能力前5名排序为：
中国7050kt／a（预计2010年将达9670kt／a），美国7000～7500kt／a，德国3866kt／a，英国3187kt/a，荷兰2465kt／a。
全球生产企业产能前5名排序为：
英国帝国化学工业公司2205kt／a（最大生产厂比村厄1375kt／a），荷兰氮素公司1100kt／a，德国巴斯夫（在路德维港）950kt／a，挪威波尔斯洛伦950kt／a，中国山西天脊煤化工集团公司810kt／a。
1.2国内硝酸生产概况
我国不同年份的硝酸生产能力情况见表1-1。
2006～2010年我国各种硝酸生产方法的产能情况见表1-2。
表l-1我国不同年份的硝酸生产能力情况
年份
1970
1975
1980
1990
1995
2000
2005
2006
2008
2010（估计）
产能／kt.a-1
2102
2238
2755
3706
3977
4300
5447
6670
7600
9670
表1-22006-2010年我国各种硝酸生产方法的产能情况
生产方法
2006年
2007年
产能×
104
比例/%
常压法
1180
17.7
16.7
12.2
综合法
1220
18.3
17.3
12.6
中压法
1050
15.7
1130
16.0
11.7
高压法
860
12.9
2560
13.6
960
9.9
双加压法
2360
35.4
7050
36.4
5180
53.6
合计
.0
可以看出：
2006-2010年我国硝酸工业生产能力将快速增长，生产方法结构性调整呈大提速状态，落后的生产方法（如常压法和综合法）的生产份额将被压缩，有的将转产或退出市场；
先进的双加压法的产能所占比例逐年增加，至2010年其产量将达到5180kt／a，所占比例上升至53.6％，在硝酸生产中将占居主导地位。
第二章工艺流程论证
2.1常用硝酸生产工艺
由于在各个历史发展时期的条件局限，诞生了许多流程。
一般按压力来划分，有常压法、全压法、综合法、双加压法。
这几种流程都属于氨接触氧化法制硝酸，包括氨氧化制NO、氮氧化物与水反应吸收成酸、尾气氮氧化物的脱除、空气和氧化氮气体的压缩以及能量回收四个步骤。
但不同的流程在生产能力、技术经济指标、设备组合及结构方面存在明显的差异。
2.1.1常压法
氨氧化及酸吸收均在常压下进行。
这种方法因压力低，氨氧化率高，铂损耗较低，设备结构简单，多用6～12个串联的吸收塔。
早期吸收塔多用天然耐酸材质，如花岗石或耐酸砖砌成，现今用塑料或不锈钢制成。
常压法缺点是成品酸中HNO3含量低，排放的尾气中氮氧化物含量高，环境污染严重，尾气需作处理。
吸收容积大，占地多，投资大。
2.1.2全压法
氨氧化和酸吸收均在加压下进行。
吸收压力可分两个等级：
中压吸收的压力为0.4～0.6MPa。
高压吸收为0．8～1．3MPa或更高。
前者以伍德（UMe）、斯塔米卡邦（Stamicarbon）和蒙特爱迪生（Montecation）等工艺流程为代表。
后者以凯米特（Chemico）、Weatherly和住友（Sumitomo）的工艺流程为代表。
全压法因吸收压力高，其NO2吸收率及成品酸中HNO3含量都较高。
排放尾气中氮氧化物含量低。
吸收塔容积小，能量回收率高。
但氨氧化率比常压法稍低，而且铂损耗较大。
2.1.3综合法与双加压法
氨氧化和NO2吸收分别在两种不同压力下进行，现有两类流程。
一为综合法，常压氨氧化-加压NO2吸收流程；
二为双加压法，中压氨氧化．高压NO2吸收流程。
前者以前苏联国立氮气研究所流程为代表；
后者以法国格郎德一帕鲁瓦斯（Grande．Paroisse）流程为代表（简称GP法），或称双压法。
前者兼有常压和加压法两者优点：
其氨耗及铂损耗比全高压法小，不锈钢用量比全中压法为少。
后者采用较高吸收压力和较低吸收温度，成品酸中HNO3含量一般可达60％，国外有些双加压装置尾气中氮氧化物含量低于200mg／kg，可以不做处理直接放空，但是国内很多装置由于受机组、开车等因素影响还达不到。
2.2硝酸生产工艺之间比较
衡量一个流程先进与否的标准，主要是根据其技术经济指标、生产规模、原料及操作费用、产品酸浓度高低和投资比为依据。
技术经济指标主要是指氨、催化剂、电、水、蒸汽的消耗，另外还有氧化率、吸收率、尾气排放浓度、产品浓度、生产规模等。
投资比即生产强度与基建投资的比值。
氨的消耗是最主要的指标，它占生产成本的90％左右，提高氨的利用率是有极大意义的，理论上一吨成品酸需消耗氨为269．8kg，实际上由于氨的转化率和吸收率达不到100％，液氨的纯度也达不到100％，这样实际上氨耗应比理论值大，一般在280～300kg／t。
从降低氨耗的角度来看，常压氧化氨的利用率高：
加压吸收，氮氧化物的吸收率高，有利于氨耗的降低。
根据铂催化剂的损失机理，铂消耗是必然的，由于其价格昂贵，资源缺少，所以铂的损耗也很重要。
近几年来生产中在减少铂耗和回收方面都采取了有效的措施。
由于流程不同其差异十分明显，如常压氧化铂耗只有0.06g／t左右，而全高压法高达0.3g／t。
电的消耗指标不仅仅和生产有关，而且与装置的能量回收密切相关。
若流程配置得当，充分利用反应热，有效地回收尾气的热能和动能，加压的能量消耗可以大大降低。
电的消耗还和是否用冷冻系统强化吸收有关，同样也关系到蒸汽的消耗。
生产规模主要是指铂网的燃氨强度和吸收设备的容积系数以及压缩机组的配置。
在流程中多设置一些原料气净化设备和热能回收设备，虽增加了投资费用，但能提高氨的转化率和回收了能量，仍是合理的。
在吸收部分，提高压力和采用冷冻水，可以降低吸收容积系数，相应增加了能量消耗，却有利于尾气吸收控制和能量回收，提高了产品浓度。
节能压缩机组的选用，不仅提高了装置的整体装配水平，更有利于能量的综合利用。
所以要多方面兼顾考虑。
采用富氧氧化，不但减少吸收容积系数，而且能提高氨的转化率，减少动力配置，但要求有制备富氧的条件，可以综合利用，不宜专门设置制氧装置。
生产强度还和设备的类型、结构有很大关系，采用新技术，新材料的设备可以大幅度地强化生产能力。
各种生产方法的特征见表1-1。
表2-1各种硝酸生产工艺的特征
项目
氧化压力/bar
1.1～1.2
1
4～6
8～13
吸收压力/bar
0.98～1.8
8～12
产品浓度/%
40～45
≤50
≤53
≥60
氨耗kg/t
308～330
280
282～284
288～300
铂耗mg/t
60
60～80
120
200
出酸塔尾气
NOx浓度/×
10-6
5000～10000
2500
1000～1500
2000～2500
200～800
处理后尾气
常压碱吸收600～1300
常压碱吸收400～600
加压碱吸收200～500
≤200
总体上，氨和铂的消耗综合法为最低，中压法和双加压法次之，高压法最高：
相对投资费用高压法最低，双加压法次之：
在生产规模上高压法和双加压法最宜实现大型化，而尾气排放则双加压法最优。
2.3稀硝酸生产流程的确定
60年代后，硝酸生产的技术特点是，采用大型化组，适当的提高操作压力。
采用高效设备，降低原料及能量消耗，解决尾气中氮氧化物的污染问题。
与其他生产方法相比，双加压法的氧化压力适中，吨酸铂耗少，吸收压力高，对氮的氧化物吸收有利，产酸浓度高，氨耗低，酸尾排放的NOx含量低，是一种可供选择的先进的硝酸生产方法。
综上所述，结合各稀硝酸生产方法的优缺点，本设计所需制备20万吨/年稀硝酸的情况，以及能源、技术、环境等因素考虑，故本设计选择双加压法！
2.3.1双加压法稀硝酸工艺流程
本法典型的工艺流程如图2-1
图2-1双加压法制稀硝酸流程
（1）氨的氧化和热能回收
氨和空气分别进入过滤器,以除去气体中夹带的固体粉尘和油雾等对氨氧化催化剂有害的杂质,净化后的气体经混合器混合（混合气中氨含量约9.5%（v））后进入氨氧化器,经与铂铑网接触,96%～97%（v）的氨被氧化为一氧化氮,气体的温度也上升至～860℃,此气体经氨氧化器下部的蒸气过热器和废热锅炉回收热量后出氨氧化反应器的温度约为400℃。
（2）NO的氧化及吸收
一氧化氮气体离开废热锅炉并经省煤器回收热量后,被冷却至约156℃。
当温度下降时,气体中的NO被氧化成NO2,然后进入水冷却器（Ⅰ）,进一步冷却至40℃。
在这里,氧化氮（NOx）气体与冷凝水反应生成浓度约34%的稀硝酸。
酸、气混合物经分离器分离,稀硝酸送入吸收塔。
由水冷器（Ⅰ）来的氧化氮气体,与来自漂白塔的二次空气相混合后进入氧化氮压缩机,被压缩至1.0MPa（表）。
气体经换热器被冷却至126℃,又经水冷却器（Ⅱ）进一步冷却至40℃后,氧化氮气体和冷凝酸一并送入吸收塔底部的氧化器继续氧化,在塔中氧化氮气体被水吸收生成硝酸,吸收塔的塔板上设有冷却盘管用以移走吸收热和氧化热,当塔内液体逐板流下时和氧化氮气体充分接触,酸浓度不断提高,在塔底部收集的酸浓度为65%～67%。
（3）漂白
自吸收塔来的65%～67%的硝酸里溶入很多NOx气体,被送至漂白塔顶部,用二次空气将NOx气体从硝酸中吹出,引出的成品酸浓度约为60%,含HNO2<
0.01%,温度为62℃,经冷却至约50℃后,送往成品酸贮槽。
由吸收塔顶出来的尾气,经尾气预热器,被加热至约360℃,热气体进入尾气透平,可回收约60%的总压缩功,最后经排气筒排入大气。
排入大气的尾气中NOx含量约为180ppm。
2.3.2主要反应方程式
（1）氨和空气混合气在铂催化剂的作用下生成NO，此反应实在氧化炉中进行，化学反应方程式为：
4NH3+5O2=4NO+6H2O+Q（2-1）
温度超高副反应生成：
4NH3+4O2=2NO2+6H2O（2-2）
4NH3+3O2=2N2+6H2O（2-3）
2NH3=N2+3H2（2-4）
2NO=N2+O2（2-5）
4NH3+6NO=5N2+6H2O（2-6）
（2）NO继续氧化成NO2，此反应是在一系列换热设备中进行的，化学反应方程式为：
2NO+O2=2NO2+Q（2-7）
（3）用脱盐水吸收N02生成硝酸，此反应是在吸收塔内进行的，化学反应方程式为：
3NO2+H2O=2HNO3+NO+Q（2-8）
通过上述三步反应，可制得45%～65%的稀硝酸。
第3章物料衡算与能量衡算
3.1物料衡算
当选用氨氧化压力0.45MPa,吸收压力1.1MPa双加压法生产稀硝酸:
（1）生产时间：
除设备检修及放假时间，全年的生产时间为300天，即7200h；
（2）氨气的进口浓度为：
10.50~11.80%（V/V）；
（3）以氨计，全厂收率为98％；
（4）氧化反应收率为96％；
（5）生产的硝酸浓度为50~53%（W/W）；
（6）尾气组成中含0.1~0.15％（V/V）的NO。
基准：
反应器进料100kmolNH3。
3.1.1反应器（氧化）
在氧化反应器中主要反应为：
反应1：
NH3（g）+
O2（g）→NO（g）+
H2O（g）△Hrº
=-226334kJ/kmol
反应2:
NH3（g）+
O2（g）→
N2（g）+
=-316776kJ/kmol
反应3:
NO（g）→
N2（g）+
=-452435kJ/kmol
对反应1,在96%的收率时，生成的一氧化氮（NO）=100×
0.96=96kmol
所需的氧（O2）=96×
=120kmol
生成的水（H2O）=96×
=144kmol
其余4%的氨（NH3）反应生成氮（N2），生产1mol氮（N2）需氧（O2）为3/2mol，由反应式2,得：
生成氮=
=2kmol
所需氧=4×
=3kmol
生成水=4×
=6kmol
因此，所需氧总量=120+3=123kmol
生成水总量=144+6=150kmol
向反应器供给的空气是过量的，一方面使氨浓度低于爆炸极限（氨浓度为10.50~11.80%），同时可使一氧化氮氧化成二氧化氮。
反应４：
NO（g）+
O2（g）→NO2（g）△Hrº
=57120kJ/kmol
氨的进口浓度取为11%（V/V），故供给的空气量=100/11×
100=909kmol
空气组成:
79%N2,21%O2（V/V）
所以进入氧化炉的氧和氮的流量:
氧（O2）=909×
0.21=191kmol
氮（N2）=909×
0.79=718kmol
未反应的氧，即出口物流中的氧=191－123=68kmol
出口物流中的氮为空气中的氮和氨氧化反应中生成的氮的总和。
出口物流中的氮=718+2=720kmol
计算结果，物流组成如下:
物料衡算表1
物料
进料（3）
出料（4）
kmol
kg
NH3
100
1700
NO
96
2880
H2O
微量
150
2700
O2
191
6112
68
2176
N2
718
20104
720
20160
∑
27916
注：
（1）进料中水量较小，可忽略不计.
（2）出口气体中有一些二氧化氮（NO2），但氧化器温度在870至900℃时量较小,一般小1%
（3）总输入量应等于总输出量。
总量的计算，可校核物料平衡的计算。
3.2能量衡算
1h
3.2.1压缩机（透平机）
计算压缩机功率及其所需能量
空气总量=一次空气+二次空气
=（6112+20104+950.4+3133.2）×
2.41=73011.0kg/h
进口流速为
=0.699kmol/s
在15℃，0.1MPa进口条件下
体积流速为0.699×
22.4×
288除273=16.526m3/s
应用离心压缩机，从有关资料中查出Ep=74％
功（单位kmol）为Z1T1R
出口温度T2=T1
设空气γ可取为1.4
m=
=
n=
进口空气取为15℃，无中间冷却，故
T2=288×
（0.45/0.1）0.39=517.8K
由此说明温度较高，需要进行中间冷却。
假设压缩机分为两段。
每段的功接近相等。
取中间冷却器气体出口温度为60℃，在等功情况下，中间级压力为
P=
=
=2.12
虽然中间压力取为2.12，每段功并不严格相等，尤其是进口温度变化时，但是两段的功是接近的。
第一段功，进口15℃
功=1×
288×
8.314×
=2090.8kJ·
kmol-1
第二段功，进口60℃
333×
=2417.5kJ·
kmol-1
总功=2090.8+2417.5=4508.3kJ·
压缩机功率=
=
×
103=1.272×
106J/s=1.3MW
每小时所需的能=1.3×
3600=4680MJ
压缩机出口温度=333×
2.120.39=447K
设为180℃
因为温度较高，因此不必进行预热就可以进入反应器。
第四章典型机械设备选型与论证
4.1主要设备
（1）四合一机组：
蒸汽透平、氧化氮压缩机、空气压缩机、尾气透平、变速箱以及附属设备。
（2）氨氧化炉：
三位一体设备，上部为多层带孔的折流板分布器，中部为放铂网的篮式吊筐，下部为蒸汽过热段和带炉壁冷却盘管的废热锅炉。
（3）吸收塔：
双S型单溢流筛板塔，32层塔板中有26层带冷却盘管。
（4）漂白塔：
4层筛板。
4.2典型压缩机选型与论证
表4压缩机型式特点及应用范围
气体压缩机型式
特点及适用范围
往复式压缩机
1.压力范围广，在各种流量下均可高达300MPa以上
2.单机调节范围广，可在由0到该机可能达到的最大排气量范围内的任何流量下工作
3.热效率较高
4.一般压力范围内对材料要求低，多用普通钢
5.单机难以做到最大流量，运行时因往复运动惯性力作用有较大振动，气体排出时有脉动，是相连管道的主要振源。
易损件多，维修工作量大
离心式压缩机
1.结构简单紧凑、振动小，气体压缩部分无易损件，被压缩气体较干净，基本不受润滑油污染
2.气量调节范围小，气量下降较多时可能引起压缩机喘振
3.高压比、小气量压缩机制造难度大
4.效率较低
回转式压缩机
1.机构简单、维修方便、气流稳定、比功率稍大
2.回转式压缩机种类较多，往往用在较为特殊的场合
轴流式压缩机
1.流量特别大，排气压力不高
2.对结垢、腐蚀和冲蚀比离心机压缩机敏感。
用于空气和洁净气体
3.效率比离心式压缩机高
由上表各压缩机特点及应用范围的比较，本设计中选用离心式压缩机。
下面对氧化氮压缩机分析如下：
径流离心式压缩机是一种用来增高各种气体（氧化氮
气）压力的机器。
增高气体压力所须的能力，是由在其机壳内具有一高速旋转的工作叶轮，高速旋转的叶轮能产生离心力的作用，被吸入的气体便从叶轮中心由轴向流动转为径向流动，通过叶片之间的流道甩向叶轮周围，因此，造成叶轮中心处压力下降，气体就连续不断地被吸入叶轮中心，又从叶轮中心连续的甩向叶轮周围，离开叶轮之后，具有高速流动的气体，密度增大，再经过各该级的导流扩散器而进入蜗壳形机壳，从而在其中发生流速转为压力能的变化，根据工艺所需压力，介质经弯道引至下一级，以进一步压缩，从而达到压缩和输送气体的目的。
该压缩机为离心式三级。
径流离心式压缩机具有流动稳定，没有脉动现象，对被污染的气体不敏感，气体又不会被油污染，零件磨损少等特点，因此，其运行是可靠的。
4.3典型设备选型与论证
氨催化氧化过程的核心设备是氧化炉，选择的基本要求如下：
（1）、保证反应气体能够均匀的通过整个催化剂截面；
（2）、在能保证气固接触最大反应面积前提下，应尽可能缩小设备体积，以减少热损失；
（3）、设备结构简单，装卸催化剂方便。
目前工业应用氧化炉有常压式、中压式、高压式。
本设计采用的是中压式
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