【正文】 .. 20 物料衡算 ....................................................... 20 反應(yīng)器（氧化） ............................................ 21 廢熱鍋爐（ WHB）和冷卻 冷凝器 ............................... 22 吸收塔 ................................................... 25 生成的酸 ................................................. 28 總收率 ....................................................... 29 放大至所需生產(chǎn)的速率 ......................................... 29 能量衡算 ..................................................... 30 壓縮機(jī)（透平機(jī)） ........................................... 30 氨氣化 ..................................................... 31 氧化器 ..................................................... 31 第七章主要設(shè)備的工藝計算和選型 .................................... 33 氨氧化爐 ....................................................... 33 設(shè)備簡介 .................................................. 34 工藝計算及選型 ............................................ 34 酸吸收塔 .................................................... 36 其他設(shè)備選型 ................................................ 36 尾氣透平膨脹機(jī)：向心式膨脹器 P320— 35/11— 11 ................ 36 離心式壓縮機(jī)： DA— 1000— 51 ................................. 37 第八章設(shè)計總結(jié)與討論 .............................................. 37 參考文獻(xiàn) .......................................................... 39 1 前言 本設(shè)計是根據(jù)課程設(shè)計要求進(jìn)行編寫的，內(nèi)容是年產(chǎn) 10 萬噸稀硝酸（ HNO3）生產(chǎn)工藝設(shè)計。 進(jìn)入 2020 年，在硝酸下游消費(fèi)穩(wěn)中有增的利好因素下，行業(yè)繼續(xù)保持著較好的增長勢頭，一季度硝酸累計產(chǎn)量為 萬噸，同比增長 %，進(jìn)口 480噸出口 1854 噸，表觀消費(fèi)量為 萬噸，同比增長 %。 硝酸的性質(zhì) 硝酸的物理性質(zhì) 硝酸 (nitric acid)，又名硝鏹水或氮酸。除金、鉑及某些其它稀有金屬外，各種金屬都能與稀硝酸作用生成硝酸鹽，如硝酸銀、硝酸鈉等。此溶液中含有氯化亞硝酰，并放出游離氯，游離氯是一種強(qiáng)氧化劑： HNO3+3HCl=NOCl+Cl2+2H2O, 這就是各種金屬包括金、鉑等之所以 溶于王水中的原因所在。 （ 4） 制造草酸以農(nóng)作物廢料如玉米蕊、甘蔗渣、谷殼、花生殼等為原料與硝酸反應(yīng)，制取草酸，硝酸與丙烯或乙烯、乙二醇作用也可制取草酸。 此法吸收全中壓法和高壓法的優(yōu)點，并可采用比全高壓法更高的吸收壓力，對工藝過程更為適用。其 工藝流程方塊圖見下圖： 稀硝酸生產(chǎn)工藝流程圖 稀硝酸生產(chǎn)的主要原理 氨接觸氧化法制硝酸的總反應(yīng)式為 :NH3+2O2===HNO3+H2O，反應(yīng)可分三步進(jìn)行： 氨的接觸氧化過程：在催化劑的作用下，將氨氧化為一氧化氮，其反應(yīng)式為 : 4NH3+5O2====4NO+6H2O （ 1） 一氧化氮氧化過程：將前一過程中生成的 NO 進(jìn)一步氧化成 NO2，其反應(yīng)式為： 2NO+O2====2NO2 （ 2） 氮氧化物的吸收過程：用水吸收二氧化氮，從而得到產(chǎn)品硝酸，其反應(yīng)式為： 3NO2+H2O====2HNO3+NO （ 3） 用此工藝可生產(chǎn)濃度為 45%～ 60%的稀硝酸。比較各反應(yīng)的平衡常數(shù)，以式（ 3）最大。其缺點是活性容易降低，活性溫度范圍較窄，且氨氧化率低，僅為 80%～ 87%。但銠比鉑昂貴的多，因此有時采用鉑銠鈀三元合金。由于鉑的導(dǎo)熱性好，開工時一經(jīng)點火即能投入生產(chǎn)，因而鉑網(wǎng)也便于再生和回收，還可使氧化爐的結(jié)構(gòu)簡化。使用過的鉑網(wǎng)若以后再用時可以不必再活化。 C2H2：乙炔能使鉑網(wǎng)暫時中毒。 （ 3）、再生 為了防止鉑催化劑中毒，必須先將原 料氣嚴(yán)格凈化。鉑網(wǎng)的使用期限一般約為兩年或更長一些時間。常壓時，用一張捕集網(wǎng)可回收 60%～ 70%的鉑；加壓氧 化時，用兩張網(wǎng)回收 60%～70%的鉑。所以，該式只不過是反映參與反應(yīng)的反應(yīng)物之間的一種量化關(guān)系，并不代表真實的反應(yīng)機(jī)理。 3. 吸附在催化劑表面的氧原子與被吸附的 3NH 分子中的三個氫分別結(jié)合，通過分子重排生產(chǎn) NO和水蒸氣的吸附力較弱，兩者則從催化劑表面脫附（解吸）出來，向氣相進(jìn)行擴(kuò)散。 650℃ 時，氧化反應(yīng)速率加快，氨氧化率達(dá) 90%； 700～ 1000℃ 時，氨氧化率為 95%～ 98%。尤其是壓力提高可大大節(jié)省 NO 氧化和 NO2 吸收所用的昂貴不銹鋼設(shè)備。另外，有部分氨滑過鉑網(wǎng)，與生成的一氧化氮作用，生成氮氣和水蒸汽，因而也降低于氨氧化率。 硝酸制造過程，除氨氧化需氧外，后工序 NO 氧化仍需要氧氣。當(dāng)易爆氣體含量落于爆炸界限內(nèi)，其爆炸危險性極大，若爆炸氣體含量低與后高于爆炸界限范圍則其爆炸危險性就小了。由下表可見，氧含量越高，爆炸界限越寬。 ⑦ 、水蒸汽的影響。這是保證氧化率及安全生產(chǎn)的重要條件。 ①、干式將氨和空氣按比例分別送入用同一電機(jī)或汽輪機(jī)帶動的氨氣和空氣送風(fēng)機(jī)，再經(jīng)混合器制成氨一空氣混合氣。其方法是使高溫氣體通過廢熱鍋爐用以產(chǎn)生動力蒸汽，使之驅(qū)動蒸汽透平或產(chǎn)生飽和蒸汽以作他用。 NO2 疊合成 N2O4 的速度更快，在 104S 內(nèi)便可達(dá)到平衡。但實際生產(chǎn)中，一氧化氮濃度受到氨氧化過程的限制，因為氨氧化時氣 體中氨的濃度小于 12%，因此，要提高反應(yīng)速度，就只有增加氧濃度著手。但 NO 氧化成 NO2 要求溫度愈低愈好，故仍需進(jìn)一步進(jìn)行冷卻，而隨著氣相溫度降低，其中水蒸汽露點也同時相應(yīng)降低，從而冷凝出水來，導(dǎo)致部分 NO2 和 N2O3 溶入水中形成稀硝酸，因而降低了氣相中氮氧化物的含量，不利于以后 NO2 的吸收。這一過程通常是在快速冷凝過程中進(jìn)行的。其優(yōu) 點有： ① 、此法系將 NO 氣相氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)移到液相中進(jìn)行，大大加快了反應(yīng)速度。工業(yè)生產(chǎn)中，需將這部分 NO 重新氧化和吸收。但壓力不可選擇過高，如果壓力過高，則動力消耗增加的多，二則吸收設(shè)備對材料的需求更為苛刻。若尾氣中的氧含量太高，說明前面補(bǔ)加的二次空氣太多，稀釋了氮氧化物的濃度，導(dǎo)致處理氣量大，阻力高。 NH3 空氣 氧化器 物料衡算 圖 1 反應(yīng)４： NO(g)+ 21 O2(g) →NO 2(g) △ Hr186。設(shè)冷卻 — 冷凝器溫度為 40℃，冷卻水的最高溫度約為 30℃。 氮氧化物平衡 進(jìn)料 (NO+ NO2)總量為物流 4 中的一氧化氮 (NO) =96 kmol，其中 是作為 HNO3 形式離開的，所以出口氣流中 (NO+ NO2)量 =96 = ，假定一氧化氮為 ,則出口氣體中二氧化氮量 = 7406 = kmol。因此，進(jìn)口物流中游離的氧 = = kmol 將反應(yīng)（ 4）和反應(yīng)（ 5）結(jié)合，得吸收二氧化氮 (NO2)，生產(chǎn)硝酸的總反應(yīng)式： 反應(yīng)式 6： 4 NO2 +2 H2O+ O2 → 4 H NO 3 應(yīng)用這一反應(yīng)，在吸收塔氧化生成一氧化氮 (NO)所需的氧為： [（ NO+ NO2） 物料 6 中 ]41 =（ +） 41 = kmol 這樣，除進(jìn)口氣體中的氧量外，完全氧化所需的氧 (O2)為： = 4kmol 設(shè)二次空氣的流量為 ykmol，因此，二次空氣中的氧 (O2)為 kmol，其中 4 kmol 的氧在吸收塔中和一氧化氮 (NO)反應(yīng)，所以尾氣中游離的氧為（ ） kmol。 第一段功，進(jìn)口 15℃ 功 = 1288 ? ? ?????? ??? ? = kmol1后者造價較高，我國普遍采用前種聯(lián)合裝置。) ? n1 = 226334 = 15644206kJ/h Qr,2 = (△ Hr,2186。 氨氣化 氨是在壓力下以液體狀態(tài)貯存的。 7? =*104 kg/h=計算基準(zhǔn)為 100kmolNH3，可以生產(chǎn) ，故 放大因子為 . = 不計生產(chǎn)過程中的損失，將所有物流乘以這一因子，例如從冷凝器出來的物流（ 6）： 物料衡算表 5 物料 100kmolNH3 基準(zhǔn)質(zhì)量 /kg 放大因子 萬噸 /年的質(zhì)量流速 /kg/h NO NO2 O2 N2 20200 H2O ∑ 24136 能量衡算 基準(zhǔn)： 1h 壓縮機(jī)（透平機(jī)） 計算壓縮機(jī)功率及其所需能量 空氣總量 = 一次空氣 + 二次空氣 = （ 6112+20204++） = 進(jìn)口流速為360029 ? = 在 15℃ ， 進(jìn)口條件下 體積流速為 273288 =應(yīng)用離心壓縮機(jī)，從有關(guān)資料中查出 Ep = 74％ 功（單位 kmol）為 Z1T1R 1?nn????????????????????1112 nnpp 出口溫度 T2 =T1 mPP???????? 12 設(shè)空氣 γ 可取為 m =? ?pE1?? = ??? n = 11 1 ???? mm 進(jìn)口空氣取為 15℃ ，無中間冷卻，故 T2 = 288()= K 由此說明溫度較高，需要進(jìn)行中間冷卻。但是酸，氮氧化物，氧和水的流量變化較小，因此，只要改變原先在氣流中的冷凝水量即可。出口氣體物流中的摩爾分率可由水蒸氣壓與總壓之比得到： 3310450 ??=103 第一次試差 ,假定在進(jìn)口物流中所有水都冷凝 ,則冷凝的水為： 150kmol =2700kg 二氧化氮和這些水結(jié)合成 35%的溶液 反應(yīng) 5: 3NO2+H2O→2HNO 3+NO 為方便計算，在計算中取冷凝液 100kmolHNO3(100%)作為輔助基準(zhǔn) : 對反應(yīng) 5,形成 100kmolHNO3 所需的水量 =10021 =50kmol=900kg， 100 kmol HNO3 質(zhì)量 = 10063=6300kg 將 100%硝酸稀釋至 35%硝酸所需的水為： 35656300? =11700kg 形成稀硝酸的總的水量 = 900+11700=12600kg 將此計算基準(zhǔn)換算至原先 100kmol氨 (NH3)進(jìn)料量基準(zhǔn) : 形成硝酸 (HNO3) = 酸的總水量形成每料液冷凝水每 %45100 10010033k mo lH NOk mo lNH? =100126002700 = 反應(yīng) 5 消耗的二氧化氮 (NO2) = 23 = 生成一氧化氮 (NO) = 21 = kmol 反應(yīng)所需的水 (H2O) = 21 = kmol 未與二氧化氮 (NO2)反應(yīng)的冷凝水量 = = 離開冷凝器氣體中，未氧化的一氧化氮（ NO）量取決于停留時間及進(jìn)口物流中一氧化氮（ NO）和二氧化氮（ NO2）的濃度。 廢熱鍋爐（ WHB）和冷卻 冷凝器 離開氧化爐的氣體，經(jīng)廢熱鍋爐和冷卻 — 冷凝器換熱溫度降低。 汽化 反應(yīng)器（氧化）空氣234廢熱鍋爐5 6897101112吸收塔二次空氣尾氣水 加壓下氨氧化生產(chǎn)硝酸的過程 反應(yīng)器（氧化） 在氧化反應(yīng)器中主要反應(yīng)為： 反應(yīng) 1： NH3(g)+45 O2(g)→NO(g)+ 23 H2O(g) △ Hr186。為此，氣體在進(jìn)入吸收塔前必須經(jīng)過充分的氧化，以提高 NO2 的濃度。所以無論從提高成品酸的濃度還是從提到吸收設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度，降低溫度都是有利的。 本設(shè)計是采用加壓法，綜上比較，一氧化氮的氧化采用干法氧化。 經(jīng)過快速冷卻后，氣體中水分大部分被除去，這時就可使 NO 充分地氧化，氧