王元元间接法制备浓硝酸

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,间接法制备硝酸的工艺流程设计,10化工班 王元元,指导老师 周凯,1,目录,一、概述,二、,稀硝酸的生产,（一）氨的催化氧化,（二）一氧化氮的氧化,（三）氮氧化物的吸收,三、稀硝酸生产的工艺流程,四、浓硝酸的生产,（一）稀硝酸生产浓硝酸,（二）氨直接合成浓硝酸,五、浓硝酸生产的工艺流程,六、尾气的治理,2,一、概述,性质：,纯硝酸,(HNO,3,),是无色的液体，相对密度1.522，沸点83.4，熔点-41.5 ，硝酸可以和任意体积的水混合，并放出热量。硝酸，三大强酸之一，其特点是兼有强氧化性和腐蚀性，由浓硝酸与浓盐酸按1:3（体积比）组成的混合液被称为“王水”,。,用途：,浓硝酸用于炸药、有机合成工业，是生产TNT（2,4,6-三硝基甲苯）、硝化甘油等烈性炸药和硝化纤维素的原料；此外，制药、塑料、有色金属冶炼等方面都需要用到硝酸。,3,二、稀硝酸的生产,（一）氨的催化氧化,1,、,氨氧化反应基本原理,氨和氧可进行下列三个主要反应：,4NH,3,+5O,2,=4NO+6H,2,O,H=-907.28KJ,4NH,3,+4O,2,=2N,2,O+6H,2,OH=-1104.9KJ,4NH,3,+3O,2,=2N,2,+6H,2,O H=-1269.02KJ,4,2氨氧化催化剂,(1) 化学组成 纯铂具有催化能力，但易受损失。一般采用铂铑合金。,例：铂铑钯三元合金，其常见的组成为铂93%、铑3%、钯4%。,(2) 形状 铂系催化剂不用载体，因为用了载体后，铂难以回收。为了使催化剂具有更大的接触面积，工业上将其做成丝网状。,(,3,) 铂的损失与回收 铂网在使用中受到高温和气流的冲刷，表面会发生物理变化，细粒极易被气流带走，造成铂的损失。铂的损失量与反应温度、压力、网径、气流方向及作用时间等因素有关。,由于铂是价格昂贵的贵金属，为可以将其回收降低损耗，目前工业上常用机械过滤法、捕集网法和大理石不锈钢筐法。,5,3氨催化氧化的工艺条件,(1) 温度 在不同温度下，氨氧化后的产物也不同。一般常压氧化温度取750,850，加压氧化温度取870,900为宜。,(2) 压力 由于氨催化氧化反应是不可逆的，因此改变压力不会改变一氧化氮的平衡产率。故实际生产中，常压和加压氧化均有采用。,(3) 接触时间 接触时间应适当。一般接触时间在10,4s左右。,(4),气体的组成 要想提高成品酸的浓度，必须提高吸收气中的NO,2,浓度。提高氨空气混合气中氧气的量可提高氧化度，从而增加NO,2,含量。,6,4、氨催化氧化的主要设备,氨氧化炉是氨催化氧化过程的主要设备。,对它的基本要求是：氨和空气混合气体能均匀通过催化剂层；为了减少热量损失，应在保证最大接触面积条件下尽可能缩小反应体积；结构简单，便于拆卸、检修。,现多采用氧化炉-废热锅炉联合机组,7,（二） 一氧化氮的氧化,1、 一氧化氮氧化反应,一氧化氮只有在氧化为二氧化氮后，才能被水吸收，制得硝酸。一氧化氮与氧反应如下：,2NO+O,2,=2NO,2,H=-112.6KJ,NO+NO,2,=N,2,O,3,H=-40.2KJ,2NO,2,=N,2,O,4,H=-56.9KJ,8,2、氧化方法,(1) 干法氧化 将气体送入氧化塔，使气体在氧化塔中有足够的停留时间，从而达到一定的氧化度。,(2) 湿法氧化 将气体送入塔内，塔顶喷淋较浓的硝酸， NO与O,2,在气相空间，液相内和气液界面均能进行氧化反应，大量的喷淋移走氧化放出的热量，加快氧化速率。,(采用),9,（三）氮氧化物的吸收,1、 氮氧化物的吸收反应:,2NO,2,+H,2,O=HNO,3,+HNO,2,H=116.1KJ,3HNO,2,=HNO,3,+2NO+H,2,O H=75.9KJ,总反应为：,3NO,2,+H,2,O=2HNO,3,+NO H=-136.2KJ,由此可见，用水吸收二氧化氮时，只有2/3的二氧化氮转化为硝酸，而1/3的二氧化氮转化为一氧化氮。,因此，在氮氧化物的吸收过程中，NO,2,的吸收和NO的氧化同时交叉进行。故在一氧化氮氧化中当氧化度达到70%,80%时，即可进行吸收操作。,10,2、 二氧化氮吸收的主要设备,NO,2,吸收塔是制酸系统的主要设备，吸收塔因操作压力不同，可分为常压和加压两种吸收塔；而按塔型又可分为填料塔、泡罩塔、筛板塔等多种类型。本设计采用加压吸收塔，加压吸收通常都采用筛板塔，一般内装塔板3040块。为移去反应热，在塔板上设置冷却蛇管，靠冷却介质间接换热。,11,12,三、稀硝酸生产的工艺流程,目前生产稀硝酸有十多种大同小异的工艺流程，因操作压力不同可分为常压法、,全,加压法及综合法三种类型。,常压法：氨氧化和氮氧化的吸收均在常压下进行。该法压力低，氨氧化率高，铂消耗低，设备结构简单。缺点:成品酸浓度低，尾气中氮氧化物浓度高，吸收容积大，占地多，投资高。,全加压法,：氨氧化和氮氧化吸收均在加压下进行。该法吸收率高，成品酸浓度高，尾气中氮氧化物浓度低，吸收容积小，能量回收率高。缺点:氧化率低，铂损失高。,综合法：氨氧化和氮氧化吸收在两个不同压力下进行,。,13,本设计选用全加压法，操作压力选为0.45MPa 。,全加压法生产稀硝酸工艺流程，该流程中的氨的氧化与吸收都在加压下进行。氨空气混合后进入氧化炉-废热锅炉联合装置上部，经铂网催化氧化。氧化后气体经过废热锅炉降温，再经水加热器、尾气预热器和水冷却器进一步冷却到50的二氧化氮气体在第一吸收塔的吸收段与第二吸收塔出来的含量达10%,12%稀硝酸逆流接触，生成55%的稀硝酸。吸收后的气体经尾气预热器换热后送至尾气透平回收能量，然后排放大气中。,14,15,四、浓硝酸的生产,浓硝酸（HNO,3,浓度高于96%）的工业生产方法有三种：,一是有脱水剂存在的情况下，将稀硝酸蒸馏得浓硝酸的间接法,；,二是将四氧化二氮、氧气和水直接合成的浓硝酸的直接法；,另外，上有采用,氨氧化，超共沸酸（HNO3浓度75%,80%）生产和精馏得浓硝酸的直接法。,16,（一）稀硝酸生产浓硝酸,浓硝酸不能由稀硝酸直接蒸馏制取，因为HNO,3,和H,2,O会形成二元共沸物。,所以间接法是在稀硝酸中加入脱水剂并经浓缩制成浓硝酸。,对脱水剂的要求是：能显著降低硝酸液面上的水蒸气分压，而自身蒸气分压极小；热稳定性好，加热时不会分解；不与硝酸发生反应，且易与硝酸分离，以便于循环使用；对设备腐蚀性小；来源广泛，价格便宜。,工业上常用的脱水剂有浓硫酸和碱土金属的硝酸盐。其中以硝酸镁的使用最为普通。,17,1,、,浓硫酸法浓缩稀硝酸,将稀硝酸和浓硫酸加入填料脱水塔，热量由再沸器供给，将硝酸蒸出，气化的硝酸和呈平衡状态的少量水蒸汽从塔顶排除，经冷凝、冷却得到硝酸产品。硫酸从塔底部排出，进入第二填料塔经脱销，以供循环使用。,18,2、硫酸镁法浓缩稀硝酸,以硝酸镁为脱水剂。将硫酸镁溶液加入稀硝酸中，生成HNO,3,-H,2,O-Mg(NO,3,),2,的三元混合物，所需热量由底部加热器供给。硝酸镁吸收稀硝酸中的水分，使水蒸气分压大大降低，加热此三元混合物蒸馏出HNO,3,，硝酸蒸气从塔顶逸出，经冷凝、冷却，一部分回流，一部分作为产品。浓度为68硝酸镁由塔底排出，浓缩到72再循环使用。,19,(二)氨直接合成浓硝酸,由氨为原料直接合成浓硝酸，首先必须制得液态N,2,O,4,，将其按一定比例与水混合，加压通入氧气。,按下列反应式合成浓硝酸：,2N,2,O,4,(l)O,2,(g)2H,2,O(l)=4HNO,3,H= 78.9kJ,20,五、浓硝酸生产的工艺流程,用硫酸镁法浓缩稀硝酸，多采用填料塔进行操作。将72%76%的浓硝酸镁溶液和须浓缩的稀硝酸分别经高位槽，流量计，以4:1的比列流入混合器。然后自提馏塔顶部加入，由加热器提供蒸馏过程所需要的热量，蒸馏温度115。含有80%90%的硝酸蒸气从提馏塔顶逸出进入精馏塔，并与精馏塔回流的HNO,3,进行换热并进一步蒸浓。温度80、浓度为98%的HNO,3,蒸气引入冷凝器，冷却后流入酸分配器，2/3作为精馏塔回流酸，1/3去漂白塔，排除其中溶解的氮氧化物，得到成品硝酸。冷凝器和漂白塔中未冷凝的HNO,3,蒸气，经集雾器由风机抽出送去吸收或放空。,21,稀硝酸镁溶液由提馏塔塔底流出，进入加热器，由1.3MPa的蒸汽间接加热，温度维持在174%177%，并在此脱硝后Mg(NO,3,),2,，浓度为62%67%，含硝酸0.1%，进入稀硝酸镁贮槽中，由液下泵打入膜式蒸发器蒸发。用蒸汽间接加热蒸出水分，使稀硝酸镁浓度提高到72%，送入硝酸镁贮槽中循环使用。,22,23,工艺条件,硝酸镁溶液浓度72%74%；Mg(NO,3,),2,溶液与稀硝酸配料比为4:1；精馏塔操作回流比为2，塔顶温度85；漂白塔塔顶温度为8085。,24,六、尾气的治理,目前,国内外硝酸尾气的处理可归纳为三大类：一是用溶液进行湿法吸收；二是用固体物质进行吸收或吸附；三是用催化剂进行催化转化。,1,、,溶液吸收法,工业上通常采用氢氧化钠或碳酸钠溶液：,2NO,2,2NaOH=NaNO,2,NaNO,3,H,2,O,NONO,2,2NaOH=2NaNO,2,H,2,O,2,、,固体吸附法,以分子筛、硅胶、活性炭和离子交换树脂等到固体物质作吸收剂。其中活性炭的吸附容量最高，分子筛次之，硅胶最低。,25,3,、,催化还原法（本设计所选用方法）,以烃类为还原剂进行催化还原反应来降低系统尾气中NOx含量叫催化还原法。如天然气与尾气中NOx进行反应：,CH,4,4NO,=,2N,2,CO,2,2H,2,0,从吸收塔出来的尾气预热后与天然气相混合，经一段催化反应炉进废热锅炉移去部分热量，再进二段催化反应炉，经废热锅炉回收热量，再进尾气透平膨胀机回收能量放空。,选择性催化还原法,:,4NO4NH,3,O,2,=,4N,2,6H,2,O,6NO4NH,3,=,5N,2,6H,2,O,6NO,2,8NH,3,=,7N,2,12H,2,O,26,The end!,Thank you!,27,