课程设计论文综合法制稀硝酸
四 川 理 工 学 院课 程 设 计 说 明 书题 目 综合法制稀硝酸 学 生 系 别 机电工程系 专 业 班 级 过控03级1班 学 号 指 导 教 师 目 录第一部分 概述11.1硝酸简介 11.2硝酸的制造 1第二部分 工艺流程的选择及论证 32.1 工艺流程的选择 32.2综合法制稀硝酸的工艺流程 5第三部分 物料及热量衡算123.1物料衡算123.2热量衡算14第四部分 主要设备的选型及论证 16 4.1 氨氧化炉164.2 吸收塔174.3 换热器17第五部分 总结20参考文献21致谢211第一部分 概述1.1 硝酸简介硝酸是基本化学工业重要产品之一，在各种酸中仅次于硫酸居第二位。世界各国都大规模生产硝酸，这是因为硝酸及其盐类（以及硝基化合物）在国民经济和国防工业上具有重要意义。硝酸工业产品主要用于制造化学肥料（如磷酸钾肥，硝酸氨等）和炸药。此外用于制造染料、农药、照相材料、塑料、石油化工、合成纤维等其它重要工业生产。化学纯硝酸（100%）是无色液体，带有刺鼻的的刺激性气味，比重是1.51。硝酸沸点为86摄氏度，汽化潜热为7250卡克分子或115克公斤，纯硝酸的熔点为41摄氏度，溶解潜热为600卡克分子或9.54千克公斤。无水硝酸极不稳定，一旦受热和见光就会分解出二氧化氮（红棕色）而溶于硝酸，故工业用硝酸多呈黄色。溶有多量二氧化氮的无水硝酸呈红棕色，叫做发烟硝酸。硝酸易溶于任何数量的水中，溶于水时放除热量（溶解热）。只有在-41摄氏度时才能成白雪状的晶体而存在。硝酸又分为稀硝酸和浓硝酸。用稀硝酸处理磷矿石，不仅代替了盐酸，而且又可制成很有价值的氮磷复合肥料，同时还可得到副产品氟和稀土金属。稀硝酸还可用来制造其它硝酸盐类肥料。浓硝酸与某些有机物作用所制得的各种产品及中间产品，是燃料工业部门不可缺少的原料。同时，硝酸也是强氧化剂。除金、铂及一些稀有金属外，各种金属都能与稀硝酸作用而生成硝酸盐，由浓硝酸和盐酸按比例1：3（体积比）制成的混合液称为“王水”，能溶解金和铂。1.2 硝酸的制造制造硝酸的最早方法是用浓硫酸分解硝石（硝酸钠）：2N+因此法受原料来源的限制，而且需要硫酸，故未能得到广泛利用。1901年，开始用电弧法自空气中制取氮氧化合物。这种能够方法用强有力的电磁铁将电弧引申成圆弧状，空气通过电弧作用而使氮和氧直接化合成一氧化氮，再进一步加工制成硝酸。由于该法电能消耗巨大，因而也很少应用。氨氧化法制硝酸的过程，在很早以前就进行过研究。1839年发现，当氨与空气混合物通过内盛海绵状铂并加热至300摄氏度的玻璃管时，铂逐渐成为赤热状态，并在反应物中发现了硝酸和亚硝酸。但因制造大量氨的方法尚未实现，所以氨的接触氧化过程并没有在实际生产中引起注意。1900年重新开始了用铂触媒进行氨氧化的研究工作。当时实验指出，在氨氧化过程中，除生产氧化物外，还可制造元素氮，并发现以铂作催化剂其反应速度更快。十九世纪初，由于冶金和炼焦化学工业的发展，氨的生产迅速发展起来，氨氧化法制造硝酸也得到了广泛的使用。1908年，在西德建成了第一个氨氧化法制硝酸的装置。氨接触氧化法制硝酸的过程以下面的简图表示：目前工业上生产硝酸是以氨为原料，因浓度不同而分为稀硝酸（45%70%）和浓硝酸（98%以上）。因操作压力不同，稀硝酸的生产方法分为：常压法、综合法（常压或2×5×MPa中压氧化，中压或7×9×MPa高压吸收）、全压法（氧化和吸收都在中压和高压下）。第二部分 工艺流程的选择及论证2.1 工艺流程的选择2.1.1 合成稀硝酸的理论基础2.1.1.1 由氨氧化法直接合成稀硝酸的化学反应可由下列三个反应阶段表示。首先，氨和氧的混合气在高温和有催化别的条件下，反应生成一氧化氮：这是整个生产过程中最关键的反应。此反应必须在有固相催化剂存在下才有可能产生。其次，把生成的一氧化氮进一步氧化成二氧化氮： 第二，生成的二氧化氮与水反应，便制成稀硝酸： 最后一个反应中的NO再经反应又氧化成，重复反应制稀硝酸。这三个反应中第一、二是不可逆反应，第三个为可逆反应，但分子数目无显著变化，为放热反应。所以产物的浓度一般不能超过62。 工业上浓度在45%62的硝酸称为稀硝酸。2.1.1.2 影响反应速度和一氧化氮产率的因素（1）催化剂：对于生成NO的反应具有加速作用的催化剂，工业上主要是采用铂系催化剂。这种催化剂是由铂和铑的合金(铂90%、铑10%)制成的，以细网的形式安在接触器中。我国采用的网直径约为0.09厘米，平均孔数960孔/公分。网的层数在常压操作时在34层，加压(约8个大气压)时为1620层，网与网之间的距离越近越好。氨与氧的混合气体在高温下，在该催化剂上，生成NO的反应非常迅速，仅万分之几秒使能转化完成，转化率高达9899。铂系催化剂也有成本较贵、消耗星较显著的缺点，除去可回收的部分，每吨硝酸大约消耗0.04一0.4克的铂网。同时气体中哪怕有干分之一的硫化氢，就会使其中毒，活性降低，而且以后活性就难于恢复到当初的水平上来。其它如乙炔、磷化氢都会使其降低活性。（2）原料气体的成分和浓度的影响：氧与氨的比例对一氧化氮的产率影响很大，理论上的比例为1.25，经研究知一般氧的含量增到上述理论量的二倍附近时，NO的产率增到极高的数值。另外，氨与空气混合气有一个爆炸界限，实际应用的氨浓度约在10%11%，相当于氧氨比在1.71.9，远远低于这个爆炸界限，加入水蒸气时可以防止爆炸。（3）温度的影响：在大气压下，最适宜的反应温度约为800摄氏度，加压（8个大气压）时约900摄氏度。（4）接触时间的影响：最适宜的接触时间是万分之12秒，接触时间少稍长时，反而不利。（5）压力的影响：增加压力是由于相对缩小了的混合气的体积，减小与器壁的接触机会，从而氨的分解机会，也就提高了单位时间内的产量，因而加压也是有利的。一般为78个大气压，再高技术上有困难。2.1.2 制稀硝酸的工艺流程评述稀硝酸生产流程按操作压力不同分为常压法、加压法及综合法三种流程。衡量某一种工艺流程的优劣，主要决定于技术经济指标和投资费用，具体包括氨耗、铂耗、电耗及冷却水消耗等。上述三种流程的主要技术经济指标见表5-12。 从降低氨耗、提高氨利用率角度来看，综合法具有明显的优势，它兼有常压法和加压法两者的优点。其特点是常压氧化，加压吸收，产品酸浓度47%62%，采用氧化炉和废热锅炉联合装置，设备紧凑，节省管道，热损失小，但是纸板过滤器易烧毁。采用带有透平装置的压缩机，降低电能消耗；采用泡沫筛板吸收塔，吸收效率高达98。 2.1.3技术发展动态 目前，稀硝酸生产的发展趋势主要表现在生产设备单系列大型化、提高操作压力及改善能量利用三大方面。60年代，稀硝酸生产单机组最大能力仅有300td到了70年代扩大到1000/d，目前最大规模己达1500td，且操作压力也在不断提高。这对于NO的氧化吸收、尾气处现、特别旦书能降耗、节省投资及降低成本都具有重要意义。综合法制稀硝酸的流程的特点：a. 空气采用三级净化，即泡沫水洗、呢袋过滤、纸板过滤。b. 在设备结构上：纸板过滤器、氧化炉、废热锅炉等连在一起，设备紧凑减少热损失。c. 氧化氮气体的吸收采用泡沫吸收塔，其吸收率可达97%。d. 不需要回收尾气，铂耗较低。缺点：a. 透平压缩机全部由不锈钢制作，不锈钢耗量较大。b. 流程较烦琐，设备效率较低，电耗大。综上所述，用综合法制取稀硝酸的选择是合理的。2.2 综合法制稀硝酸的工艺流程2.2.1 流程总述由合成工段来的氨气，经工段阀门入减压控制系统.在氨气柜中平衡后，氨气进入氨气支管。氨气经过滤器除去杂质，经氨气闸阀和重力式氨气快切问计量后进入氨空气混合器。空气由大气进入湿式除尘器和尼袋除尘器，经计星后进入氨空气混合器，与氨气在特定的配比下混合；由氨字鼓风机送到氨空气NO换热器，与出氨氧化炉的氧化氮气体换热，氨空混合气经纸板过滤器过滤后，进人氨氧化炉，与铂网接触，氧化放热，生成氧化氮；反应热一部分用来保持铂网的温度，使反应能连续进行；另一部分被气流带走，进人锅炉生产蒸汽。出氧化炉的气体经氨空气NO换热器，进人气体冷却洗涤器(气冷器)通过筛板的分散作用与稀硝酸和冷却水进行热交换，使气体温度进一步降低，同时使末氧化的氨被酸吸收，从气体中除去。由于透平机人口负压的作用，由大气经漂白塔来的空气和经调节闽控制的二次字气，以及出气冷器的氧化氮气体，进人氧化氮透平压缩机。经一段两级压缩进人中间冷却器，将气体温度降低，并除去水冷凝而产生的稀硝酸；气体经二段两级压缩后进人氧化器。在氧化器内NO转化成气体温度升高。高温氧化氮气体经第一尾气预热器、第二尾气预热器，与出吸收塔的尾气进行热交换，使尾气温度升高，氧化氮气体温度降低。氧化氮气体进入吸收塔，在塔板的分布作用下，与塔顶溢流下的稀硝酸接触生成浓度较高的硝酸，反应热由设在塔内冷却盘管中的冷却水带走。出吸收塔的尾气经第一、第二尾气须热器升高温度后，进入透平机的膨胀段，通过膨胀机回收能量。出膨胀机的尾气进人尾气总管，去两钠工段或放空。 脱盐水，在贮槽中平衡后经泵送人工艺水冷却器，与冷却水换热。，温度降低后，作为工艺水进入吸收塔顶部，与塔底部来的氧化氮气体接触生成稀硝酸通过溢流流向下层塔板，在吸收塔的第11层和第14层塔板上与人塔的稀硝酸汇合。经吸收后到达塔底，稀硝酸达到较高的浓度。硝酸靠自身压力进人漂白塔与空气接触而漂白，成品酸靠位差能流人成品酸贮槽。 贮槽和地下槽较稀的硝酸，由泵送到气体冷却洗涤器的各层塔板亡，与氧化氮气体和冷却水换热，同时除去反应水和未转化的氨，以及从氧化炉等来的固体带出物。氨和部分N()2、水溶解在稀硝酸中，生成铵盐和酸同时稀酸量变大。出气冷器
