【導讀】要性，然后對其生產(chǎn)方法進行簡述和論證，最后選擇了中壓生產(chǎn)法。法進行了從工藝流程到計算和選型的詳細描述。如稀硝酸的生產(chǎn)原理(包括了催?；鞯墓に囋O計及附屬設備的選擇、車間布置設計。本設計還增加了尾氣治理，針對不同的需要采用不同的治理辦法。

　　

【正文】 可滿足 NO 的氧化要求。 濕法氧化是將氣體通入一塔內(nèi)，塔中用較濃的硝酸噴淋。其優(yōu)點有： ① 、此法系將 NO 氣相氧化反應轉(zhuǎn)移到液相中進行，大大加快了反應速度。 ② 、可利用大量循環(huán)酸將 NO 氧化的反應熱帶出系統(tǒng)，降低了溫度，故換熱效率更高。 ③ 、此法是利用制酸的逆反應將 NO 氧化，即 2HNO3+NO=3NO2+H2O，因此幾乎可將氣相 NO 完全氧化成 NO2。 通常濕法氧化用于常壓流程，在加壓流程中，由于一氧化氮氧化的完全程度和速度都相當大，所以采用干法氧化。 本設計是采用加壓法，綜上比較，一氧化氮的氧化采用干法氧化。 第五章 氮氧化物的吸收 氮氧化物吸收機理 一氧化氮氧化后的混合氣體中含有 NO， NO2， N2O3， N2O4 等氮氧化物，習慣上稱這氣體為硝化氣，硝化氣中除一氧化氮外，均能與水發(fā)生作用，其反應式如下： 2NO2+H2O====HNO3+HNO2 △ H○一 298= (1) N2O4+H2O====HNO3+HNO2 △ H○一 298= (2) N2O3+H2O====2HNO2 △ H○一 298= (3) 在吸收過程中， N2O3含量極少，因此式（ 3）可以忽略。而式（ 1）和式（ 2）的反應結(jié)果，都是生成等到分子的 HNO3和 HNO2，其中亞硝酸性質(zhì)較活潑是很不穩(wěn)定的，只有在溫度低于 0℃ ，而且濃度極小時才能 穩(wěn)定存在。因此，在一般工業(yè)條件下， HNO2會很快按下式進行分解： 3HNO2====HNO3+2NO+H2O △ H○一 298= 因而，用水吸收氮氧化物總反應式可以寫成： 3NO2+H2O====2HNO3+NO △ H○一 298= 從上式可以看出，用水吸收 NO2時，只有 2/3NO2轉(zhuǎn)化為 HNO3，而 1/3NO2轉(zhuǎn)化為 NO。工業(yè)生產(chǎn)中，需將這部分 NO 重新氧化和吸收。 工藝 條件的確定 吸收溫度 NO2用水吸收的反應是放熱反應，降低溫度，平衡向生成硝酸的有利方向移動。同時， NO 的氧化速度也隨溫度的降低而加快。當吸收度不變時，降低溫度可使吸收容積變小。所以無論從提高成品酸的濃度還是從提到吸收設備的生產(chǎn)強度，降低溫度都是有利的。 由于 NO2吸收和 NO 氧化放出大量的熱，因此在吸收過程中要及時除去這些熱量以保證較低的吸收溫度，除去熱量的方法一般都是用水，由于受到冷卻水溫度的限制，吸收溫度一般在 20～ 35℃ ，若要進一步降溫，需利用液氨冷卻鹽水移去反應熱，可使吸收溫度降至 0℃ 。 操作壓力 提高壓力，不僅可使吸收向生成硝酸方向移動，而且可以加快反應速率。同時，加壓可以大大減少吸收窖，從而可降低設備所需不銹鋼的費用。但壓力不可選擇過高，如果壓力過高，則動力消耗增加的多，二則吸收設備對材料的需求更為苛刻。因此，最適宜的操作壓力的確定要全面衡量，通常根據(jù)吸收塔造價，壓縮機及尾氣膨脹機價格，電能消耗以及成品酸濃度要求等因素決定。 氣體組成 這主要是針對氣體混合物中氮氧化物和氧的含量而言的。 ① 氮氧化物的含量 根據(jù)吸收反應的平衡所知，要提高產(chǎn)品酸的濃度，首先要提 高 NO2的含量，或者要提高 NO 的氧化度。為此，氣體在進入吸收塔前必須經(jīng)過充分的氧化，以提高 NO2的濃度。 ② 氧的濃度 如前所述，當氨一空氣混合氣體中氨濃度大于 %時，在吸收部分必須補加二次空氣。由于 NO 氧化與 NO2 吸收同時進行，以至于很難確定最適宜的氧含量。通常是控制吸收后尾氣中氧濃度在 3%～ 5%左右。若尾氣中的氧含量太高，說明前面補加的二次空氣太多，稀釋了氮氧化物的濃度，導致處理氣量大，阻力高。反之，若尾氣中氧含量太低，說明補加空氣量少，不利于氧化。 第六章 工藝計算 物料衡算 當選用 全中壓法時，由 節(jié)的表 3 可知： （ 1）生產(chǎn)時間：除設備檢修及放假時間，全年的生產(chǎn)時間為 300 天，即 7200h； （ 2）氨氣的進口濃度為： ~%（ V/V）； （ 3）以氨計，全廠收率為 98％； （ 4）氧化反應收率為 96％； （ 5）生產(chǎn)的硝酸濃度為 50~53%（ W/W）； （ 6）尾氣組成中含 ~％（ V/V）的 NO。 基準：反應器進料 100kmolNH3。 反應器（氧化） 在氧化反應器中主要反應為： 反應 1： NH3(g)+45 O2(g)→NO(g)+ 23 H2O(g) △ Hr186。= 226334kJ/kmol 反應 2: NH3(g)+43 O2(g)→ 21 N2(g)+23 H2O(g) △ Hr186。 =316776kJ/kmol 反應 3: NH3(g)+23 NO(g)→ 45 N2(g) +23 H2O(g) △ Hr186。= 452435kJ/kmol 對反應 1,在 96%的收率時，生成的一氧化氮 (NO)=100=96kmol 所需的氧 (O2) = 9645 =120 kmol NH3 空氣 氧化器 物料衡算 圖 1 汽化 反應器（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 生成的水 (H2O) = 9623=144 kmol 其余 4%的氨 (NH3)反應生成氮 (N2)，生產(chǎn) 1mol 氮（ N2）需氧（ O2）為 3/2mol，由反應式 2,得： 生成氮 =24=2 kmol 所需氧 =443=3 kmol 生成水 =423=6 kmol 因此，所需氧總量 = 120+3=123kmol 生成水總量 = 144+6=150kmol 向反應器供給的空氣是過量的，一方面使氨濃度低于爆炸極限（氨濃度為~%），同時可使一氧化氮氧化成二氧化氮。 反應４： NO(g)+ 21 O2(g) →NO 2(g) △ Hr186。=57120kJ/kmol 氨的進口濃度取為 11%（ V/V），故供給的空氣量 =100/11100=909 kmol 空氣組成 : 79%N2 , 21%O2（ V/V） 所以進入氧化爐的氧和氮的流量 : 氧 (O2)=909=191kmol 氮 (N2)=909=718 kmol 未反應的氧，即出口物流中的氧 =191－ 123 = 68kmol 出口物流中的氮為空氣中的氮和氨氧化反應中生成的氮的總和。 出口物流中的氮 = 718+2 =720kmol 計算結(jié)果，物流組成如下 : 物料衡算 表 1 物料 進料 (3) 出料 (4) kmol kg kmol kg NH3 100 1700 0 NO 0 96 2880 H2O 微量 150 2700 O2 191 6112 68 2176 N2 718 20214 720 20210 ∑ 27916 27916 注： (1)進料中水量較小，可忽略不計 . (2)出口氣體中有一些二氧化氮 (NO2)，但氧化器溫度在 870至 900℃ 時量較小 ,一般小 1% （ 3）總輸入量應等于總輸出量?？偭康挠嬎悖尚：宋锪掀胶獾挠嬎?。 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。在廢熱鍋爐中，雖然沒有物料的分 離，但組分發(fā)生變化，溫度也下降了。氧化的量取決于停下時間和溫度，在冷卻 —冷凝器的出口基本上達到了完全氧化，冷凝的氣體和水形成 30～ 40%（ W/W）的稀硝酸。 冷卻 —冷凝器的平衡 進口物料與氧化爐出口物流 4 組成相同。設冷卻 —冷凝器溫度為 40℃ ，冷卻水的最高溫度約為 30℃ 。這樣兩者溫差約為 10℃ 。如果離開單元的組成取為35%（ w/w），假定在出口溫度下，氣體與冷凝液體處于平衡，這樣就可以估算氣相組成。在 40℃ ， 45%硝酸液面上水的蒸氣壓力為 ，總壓取 450KPa。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 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 : 對反應 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 將此計算基準換算至原先 100kmol 氨 (NH3)進料量基準 : 形成硝酸 (HNO3) = 酸的總水量形成每 料液冷凝水每 %45100 100100 3 3k m ol H NOk m ol NH? =100126002700= 反應 5 消耗的二氧化氮 (NO2) = 23 = 生成一氧化氮 (NO) = 21 = kmol 反應所需的水 (H2O) = 21 = kmol 未與二氧化氮 (NO2)反應的冷凝水量 = = 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口物流中一氧化氮（ NO）和二氧化氮（ NO2）的濃度。為簡化起見，平衡計算時出口氣體中一氧化氮（ NO）的量取為在冷凝器中吸收二氧化氮（ NO2）形成硝酸時所生成的一氧化氮（ NO）量。 出口氣體中一氧化氮（ NO）為 。 這樣在出口物流中未反應的氧可以由單元氮氧化物及氧的平衡式計算得到。 氮氧化物平衡 進料 (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。 氧平衡 假定未反應的氧 (O2)為 X kmol，離開此單元的氧為 : （ 2NO + NO2 +X 6,) 物流氣體 +（ 23 HNO3 +21 H2O 7,) 物流酸 =（ ++X） +( 23 + )=（ 171+X） kmol 進入單元的氧 = ( 2NO + O2 + 22OH 5)物流 = 296 ＋ 68＋ 2150 =191kmol 由氧平衡得未反應氧 (O2) X= 191171= 以下對第一次試差時，所有的水蒸氣都冷凝的假設進行校核。 在氣流中的水量 = 總流量 摩爾分率。氣體總流量（忽略 水）為++20+720=,水的摩爾分率估計為： 103，所以 水蒸汽 = 103 = kmol 冷凝水 = = kmol 應用此值重新計算，可以得到更好的近似值。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。 物流 (6)中水 = kmol= 物流 (7)中水 == = 計算結(jié)果，物流組成如下： 物料衡算 表 2 物料 氣流 (6) 酸 (7) kmol kg kmol kg NO 321 微量 NO2 微量 O2 640 N2 720 20210 HNO3 N2O ∑ 校核：物料 (6)+(7)總量 =+=27916 kg 與物流 (4)出口總量 27916 kg 相同。 吸收塔 在吸收塔，氣體中的二氧 化氮 (NO2)是用水吸收，生產(chǎn)約 52%（ W/W）的酸，為了使進口氣體中的 NO 氧化生成 NO2，必須供給足夠的氧，氧化速率取決于氧的濃度，所以氧總是過量的，在較好操作情況下，從吸收塔排放的尾氣中應含有約 3% O2。 尾氣1011水68912二次空氣 物料 (6)組成為： 進入吸收塔進口物流中：一氧化氮 (NO)為 ，氧 (O2)為 將物流中一氧化氮 (NO)氧化為二氧化氮 (NO2)所需的氧，根據(jù)反應式 (4),得氧 (O2) 為 =5. 35 kmol 。因此，進口物流中游離的氧 = = kmol 將反應（ 4）和反應（ 5）結(jié)合，得吸收二氧化氮 (NO2)，生產(chǎn)硝酸的總反應式： 反應式 6： 4 NO2 +2 H2O+ O2 → 4 H NO 3 應用這一反應，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，除進口氣體中的氧量外，完全氧化所需的氧 (O2)為： = 4kmol 設二次空氣的流量為 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，所以尾氣中游離的氧為（ ） kmol。 進入吸收塔的氮 (N2)量不發(fā)生變化，所以在尾氣中： 氮 =從冷凝器進入吸收塔的氮 +二次