机械毕业设计74四川理工学院综合法制稀硝酸.doc

四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书 题 目 综合法制稀硝酸 学 生 何 雪 峰 系 别 机电工程系 专 业 班 级 过 控 03 级 1 班 学 号 030150108 指 导 教 师 王维慧 周敏 林海波 1 目 录 第一 部分 概 述 1 1.1 硝酸简介 1 1.2 硝酸的制造 1 第二 部分 工艺流程的选择及论证 3 2.1 工艺流程的选择 3 2.2 综合法制稀硝酸的工艺流程 5 第三 部分 物料及 热 量衡算 12 3.1 物料衡算 12 3.2 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 16 4.2 吸收塔 17 4.3 换热器 17 第五部分 总结 20 参考文献 21 致谢 21 1 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）： 2aNN3O+34242 2 H N OSONaSOH 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。 2 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 2 510 5 510 MPa 中压氧化，中压 或 7 510 9 510 MPa 高压吸收）、全压法（氧化和吸收都在中压和高压下）。 3 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： QOHNOONH 223 6454 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： QNOONO 222 第二，生成的二氧化氮与水反应，便制成稀硝酸： NOH N OOHNO 322 23最后一个反应中的 NO 再 经反应又氧化成 2NO ，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 3 4 层，加压 (约 8 个大气压 )时为 16 20 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 98 99。 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32 :NHO 1.25 1: ，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。 4 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 1.7 1.9，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 1 2 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 7 8 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 300t d到了 70 年代扩大到 1000/d，目前最大规模己达 1500t d，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。 5 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 2NO 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。 6 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。出气冷器的稀硝酸靠位差能进入稀酸贮槽，稀硝酸经过贮槽或地下槽平衡缓冲以及沉淀后，循环使用；同时为了保证稀硝酸的平衡，一部分稀硝酸由联通管，经泵送到吸收塔第 11 层和第 14 层。设备中产生的冷凝酸有两种：在氧化 器、中冷器等压力较高的设备、管道中产生的酸，称之为有压酸，该酸通过浮子室汇于有压酸总管或直接汇于有压酸总管进入稀酸贮槽中；在气冷器气体出口的带出酸和酸泵倒淋等处的酸称之为无压酸，该 酸汇于总管进入地下槽。 脱氧水，经高压泵增压后，进入锅炉水预热器，用蒸汽将脱氧水加热，经过水量调节系统后进行过滤，滤除水中的机械杂质入锅炉，与高温氧化氮换热。产生的汽水混合物公分离器内分离，蒸汽经阀门控制进入外送蒸汽管网，热水经扩容器回收低压蒸汽后， 放入 地沟。 清水，经阀门控制进入冷水池，用来补充损失的循环水。冷水泵将冷水池内沟冷 水抽出成为带压冷水，送往各工段。带压冷水在吸收塔盘管内与塔内介质换热后，作为带压回水，经气冷器冷却水旁路阀等调节，进入气冷器盘管，与气冷器内的介质换热，最后汇于带压回水总管。带压冷水在中冷器内与氧化氮气体换热后，汇于带压回水总管，带压冷水在两钠结晶机等设备内与物料换热后，汇于带压回水总管。带压回水进入有强制对流的凉水塔内，通过自身的蒸发和与冷空气的接触，冷却降温，成为冷水。冷水靠重力进入冷水池，循环使用。一部分带压冷水在电机的风冷室和油冷却器内换热后，排入地沟。带压冷水，在硝酸铵一段蒸发与二段蒸发工段的气 压式冷凝器内换热后，成为常压回水，回到热水池内进行缓冲。热水泵将热水抽出，送到凉水塔内，经冷却回到冷水池内，循环使用。 综合法生产稀硝酸的工艺流程见图 2-1 2.2.2 主要原料及规格 氨气： 99.8%；水： 3.7 立方米。铂损耗：与常压法相近 7 硝酸的国家标准 GB 337 64。 一级品 二级品 硝酸含量 98.0% 97.0% 氮氧化法含量 0.3% 0.4% 灼烧残余渣 0.03% 0.05% 2.2.3 各岗位工艺流程 2.2.3.1 水泵岗位 （ 1） 岗位任务 供应硝酸各冷却设备用的循环冷却 水，同时将冷却回水从热 图 2 1 水池打入凉水塔中，利用空气冷却后进入冲水池，供循环使用。 （ 2） 工艺流程 系统补充水由总厂供水车间送来，补充到硝酸工段的凉水塔的冷水池中，以调节其水位。用泵将硝酸上段冷水池中的水，供给酸吸收塔及透平压缩机中间冷却器用作冷却水，而酸吸收塔的回水 用作气体冷却洗涤器的冷却水。由于回水都带有一定的压力，因此可通过回水总管自动进入凉水塔中，经轴流式通风饥将热量排入大气中，水被冷却后流入冷水池中循环使用。空气净化器用的冷却水是来自气体冷却 洗涤器的上水或回水，其回水直接回到冷水池中 。 2.2.3.2 氧化岗位 8 （ 1） 岗位任务 将氨合成车间送入氨气柜的氨气，经氨过滤器过滤后与来自大气中并经过空气净化器净化后的空气混合。混合气体先预热到 70 90 摄氏度，再经纸板过滤器过滤后进入氧化炉，氧化炉内反应生成温度为 800 摄氏度左右、体积分数为 11.0% 11.8%的氮氧化物气体。此气体进入废热锅炉盘管间换热，温度降到170 190 摄氏度，再进入混合气体预热器，与混合气换热后温度降到 110 130 摄氏度，然后再进入气体冷却洗涤器，冷却洗涤，将温度降到 40 50后进入透平机升压。 (2)氧化反应原理 氨与空气中的氧进行氧化反应时，可生成不同的产物并放出大显的热量其反应式为： 其中（ 4 1）为目的反应。为了提高反应的选择性，必须借助铂催化剂的作用，并选样在最佳的工艺条件下进行反应。 为了充分利用贵重的铂金属催化剂，催化剂制备成圆形铜丝网，三层依次 安装在氧化炉中。当氨氧化率降到 94%时，铂丝网需进行再生处理。 （ 3）工艺流程 大气中的空气从入门进入净化器，自下而上进入洗涤部分， 空气净化器由洗涤部分和过滤部分组成。来自气体冷却洗涤器上水或回水管的冷却水从净化器的上部向下喷淋，形成栅状水幕与空气进行充分接触，将空气中的一部分机械杂质及可溶性气体洗涤到水中。水经过 3 层塔板后进入水泵岗位的水池中，空气经水洗涤后通过一层瓷环，除去灾带的水雾，然后经中央管进入尼袋过滤部分，经尼袋过滤将灰尘等机械杂质除去然后进人鼓风机前的混合器。 氨合成车间送来的氨气经调 节阀进入气柜，从气柜出来进入氨过滤器，氨气通过尼袋过滤盘使机械杂质和油留在盘外。过滤后的氨气进入混合器与空气混合，氨气与空气在鼓风机内进一步混合后，被送人混合气预热器的管内进行预热，使混合气温度升到 70 90 摄氏度，然后进入纸板过滤器，进行最后的精细过滤。过滤后 的混合气进入氧化炉，在 790 820 摄氏度条件下，氨氧化生成台 NO 的混合气体。高温的 NO 混合气体进入废热锅炉的管间，温度逐渐降低到 170 190 摄氏度，从锅炉出来后进入混合气体预热器的管外，温度进一步降低到 110 130 摄氏度，然后进入气体冷却洗涤器。气体在气冷器中自下而上依次穿过 3 块筛 9 板，由于筛板上保持有一定高度的酸液位，气体穿过筛板时会形成泡沫，使其中末氧化的氨除去。筛板上还置有冷却盘管，利用吸收塔的回水进行冷却，将气体温度冷却到 40 55 摄氏度，由顶部出去进入透平机进行压缩，冷却水回到水泵岗位的水池 中。 气体在降温过程中，反应生成的水蒸气有部分被冷凝下来，与气体中的氮氧化物反应生成质量分数为 10% 15%的稀硝酸。冷凝液与由泵打到一层和三层的酸混合，分别从二、三层和设备底部流人稀酸贮槽，供循环使用。 （ 4）主要工艺指标 a. 温度 氧化炉铂网温度： 790 820 摄氏度 ； 氨空气混合气预热器温度： 60 90 摄氏度 ； 废热锅炉出口混合气温度： 170 190 摄氏度 废热锅炉给水温度： 122 130 摄氏度 ； 废热锅炉出口蒸汽温度： 200 220 摄氏度 ； 进气体冷却洗涤器气体温度： 110 130 摄氏 度 出气体冷却洗涤器气体温度： 40 55 摄氏度 气体冷却洗涤器塔板酸温度： 45 60 摄氏度 气体冷却洗涤器人口冷却水温度： 32 摄氏度； 气体冷却洗涤器出口冷却水温度： 39 摄氏度； b. 压力 鼓风机人 口 负压： 1.96 2.94kPa(200 300 mm 水柱 )； 鼓风机出口压力： 5.88 7.58kPa(600 800 mm 水柱 )； 氨过滤器前氨气压力： 300 450mm 油柱； 氨过滤器后氨气压力： 150 300 mm 油柱； 氧化炉操作压力： 98Pa(10 mm 水柱 )左右； c. 浓度 氨气纯度： 99.5； 混合气中氨的体积分数： 10.8 11.8； 气体冷却洗涤器中循环酸质量分数： 10 18 ； 氨的氧化率： 96。 2.2.2.3 透平岗位 10 （ 1）岗位任务 将氧化岗位送来的氮氧化物混合气体配人适量的二次空气和漂白空气，经透平机压缩至 0.2 0.25MPa，再通过氧化器将 NO 氧化为 N 2O ，在尾气预热器中降温后送入吸收塔。 （ 2）工艺流程 从氧化岗位气体冷却洗涤器来的氮氧化物混合气体与二次空气同漂白塔吹洗后的氮氧化物气体一起进入透平压缩机一段人 口；气体经一段压缩后进入中间冷却器，冷却降温后再进入二段压缩；二段出口氮氧化物混合气体压力升至 0.2 0.25MPa，温度为 135 145 摄氏度，然后进人氧化器。在氧化器内 NO 被氧化为 N 2O ，氧化度为 70% 80，温度升到 180 220 摄氏度；出氧化器后，气体进入两个串联的尾气预热器的管外，与吸收塔出来的尾气进行换热，温度降到 90摄氏度以下后送人吸收塔中。而管内的尾气被加热到 160 180 摄氏度后进入透平机 ，回收 30% 35%的能量后送入尾气处理工段 (两钠工段 )或 排人烟囱放空。 在各设备中冷凝的酸分别排人稀酸贮槽。 2.2.2.4 吸收岗位 （ 1）岗位任务 来自透平岗位的氮氧化物混合气从吸收塔底部进入，塔顶加的水及中层加的酸与气相逆流接触，进行吸收反应，生成质量分数为 42 47的稀硝酸。再经漂白塔将成品酸漂白后，送入成品酸储罐。用冷凝酸泵将冷凝的酸送入气体冷却洗涤器，冷却氮氧化物 混合气，并洗涤去其中的铵盐。 （ 2） 吸收原理 氮氧化物混合气中含有一氧化氮、二氧化氮、二氧化三氮、二氧化四氮等成分，除 NO 外其他氮氧化物均可被水吸收而放出大量的热，其反应分别如下： 由于在吸收过程中 HN02 极不稳定，容易发生分解反应，即 由于在吸收过程中3HNO极不稳定，容易发生分解反应，即 所以氮氧化物的总反应式可写为： NO 在有氧的条件下还会继续氧化为 N02 参加吸收反应。但由于吸收和反应受平衡的限制不能进行完全，所以最终还会有 NO 及 2NO 留于尾 气中。 11 由于吸收为放热过程，因此在吸收过程中必须不断移出热量。 （ 3）工艺流程 透平岗位来的氮氧化物混合气从塔底进入塔内，与塔顶 加的水及中层加的酸形成逆流接触，水吸收 2NO 生成质量分数为 42% 47%的稀硝酸。吸收反应所产生的热量，由各层塔板上冷却盘管中的冷却水带出，出吸收塔的尾气经尾气预热器预热后进入透平机进行能量回收，最后送入两钢工段进行尾气处理或经烟囱放空。 生成的硝酸从塔底靠自身压力进入漂白塔，漂白空气凭借透平压缩机入口负压从大气中吸入，在漂白塔中经过 4 层泡罩层，解吸出溶解在硝酸中的氮氧化物气体。 由中和岗位和脱氧水预热器来的蒸汽冷凝液以及工业用水分别接人冷凝液槽中，用冷凝液泵把一 定量的冷凝液送人冷却器进行冷却，然后送人吸收塔顶部，自上而下流经各层塔扳，吸收气体中的 2NO ，到底部生成质量分数为 425 47%的硝酸。 出冷凝液泵将沉淀槽中的冷凝酸即质量分数为 10% 15%的3HNO送入气体冷却洗涤器内进行直接冷却，并洗涤气体中未氧化的氨而生成铵盐。冷凝酸回到沉淀槽或稀酸贮槽。用酸泵将冷凝酸槽或地下槽中的酸送到吸收塔的 11 层或 14 层塔板上。 透平机各段冷凝酸、中间间冷却器、氧化器及尾气预热器的冷凝酸汇合后进入稀酸 贮槽内。透平机气体入口、膨胀机比口、各泵倒淋、酸管倒淋等的酸汇合 流入地下槽。 吸收塔塔底出来的硝酸经阀门控制，以保持液位，出来的硝酸进入漂白塔，漂白后的成品酸利用压差流入成品硝酸储槽内。 从凉水塔的冷水池来的冷却水进入各组吸收塔塔板上的冷却盘管内，将吸收放出的热量带出。冷却回水重新回到凉水塔，进入吸收塔第一层塔板的冷却水量可以调节以调节出口酸的温度，控制成品酸中氮氧化物含量。 12 第三部分 物料及能量衡算 3.1 物料衡算 3.1.1 原料概述 3.1.1.1 氨 分子式 ：3NH，分子量： 17.032。 在常温常压下，氨是具有特殊刺激性臭味的五色气体，其比重为 0.596（空气为 1）。液氨对水的比重为 0.618。在温度为 0 摄氏度及压力为 760 毫米水银柱时， 1 立方米气态氨重 0.771 公斤， 1 克分子气态氨的体积为 22.08 升。 氨是一个极性分子，氨可溶于极性溶剂，如水和酒精中。氨溶于水中并和水发生化学作用，因此，氨在水中溶解度较大，在标准状态下，其溶解度约为 1300 升氨升水。在常温常压下，其溶解度约为 600 升氨升水。溶有氨的水溶液叫做氨水，其 比重小于 I，氨含量越多，比重越小。稀氨水可作速效肥料。氨在溶解时释放出热量，每生成 1 千克 20 (重量 )氨溶液，约释放出 100 千卡热量。氨在水中的溶解 度随温度之增高而减小，随压力之增加而增加。见表 5。 3.1.1.2 空气 在硝酸生产中，为了使氨在催化剂上与氧反应以制得氮 氧化物，就必须要有空气。干燥空气的组成如下；氮 78 03体积，氧 20 93体积， 93体积，二氧化碳 0.03体积以及少量的其它 惰性气体；氦、氖、氪。 此外，空气中还含有水蒸汽，其数量在饱和状态时，空气温度 而改变，这种变化情况从表 8 可以看出。在硝酸生产工艺的计算上，所采用的空气组成为： 氮 79.1%，氧20.9%，并考虑到水分的含量。 13 3.1.1.3 水 水是硝酸生产中的一种原料，在生产中水大都用于冷却，一部分用于锅炉。水不能直接用在生产上，必须根据工艺过程的要求把所用水经过处理。 3.1.2 物料衡算 铂 以 1mol 原料混合气体为基准，氨和氧的 mol 数分别用0c,0b表示；则氮气的 mol数为 1-0c-0b。 14 若原料气体总压力为 p，水蒸汽分压为 p（ OH2 ） 。假设氨完全氧化，其中一部分转化为 NO ，其余变为氮气。氨氧化为 NO 的量以氨的氧化率 （3NH）表示： 1mol3NH氧化为 1molNO 时，需 5/4mol 氧气，生成 6/4mol OH2 。同理， 1mol3NH氧化为 1/2mol 氮气时，耗 3/4mol 氧气，生成 6/4mol 水。由此作出反映前后物料衡算，见下表 3.2 热量衡算 15 氨氧化为一氧化氮和氮气的反应均为放热反应，热效与温度的关系分别为： 在理想条件下，忽略热损失，则反应余热全部用于反应后的气体温度升高。设反应前 后气体的温度分别为1,TT，则反应前后气体的绝热温升 T 为： T=011 TT 以 1mol 原料混合气为基准，根据 Guiss 定律氧化过程可分为两步： （ 1） 原料气在0T温度下等温反应并放出热量： （ 2）反应后气体等压加热，所需热量为： 由热学定律知： 通过实际计算，每 1的氨转化可使气体温升达 70，考虑到 3一 8的反应热损失，最终温度一般在 800 一 900之间 。 16 第四部分 主要 设备的选型及论证 综合法制稀硝酸主要用到以下三个重要设备：氨氧化炉、一氧化氮氧化器、二氧化氮吸收塔，下面分别介绍他们的选型。 4.1 氨氧化炉 4.1.1 氨的催化氧化 氨与氧气接触时有下列三个不同的反应： 其流程叙述如下： 来自气柜的氨经氨过滤器除去油类和机械杂质后，在混合器中与空气混合，送入换热器预热到 70 90摄氏度，然后送入纸板过滤器。过滤后的气体进入氧化炉，通过 790 820摄氏度的铂网，氨氧化为 NO 气体。 高温反应后的气体进入废热锅炉管间，逐步冷却到 170 190 摄氏度，然后进入混合预热器管外，继续降温到 110 摄氏度时进入气体冷却器，再冷却到 40 55 摄氏度后进入透平机。 4.1.2 氧化炉的选择 氧化炉是硝酸生产中的重要设备之一，主要用于氨安定催化氧化过程。混合气有从上面进入或从下面进入的两种形式，一般从上面进入的为多，整个炉体如图 4 1 所示，是由 两 图 4 1 个钢制的锥体构成，总高 4.5，上锥体用 6 米厚的不锈钢做成，下锥体用 8 米厚的碳 17 钢做成，炉内衬石棉板和耐火砖。锥形体壁倾斜 70 度，上锥体设有高 1.4 米、直径 800 3 毫米，由不 锈钢制成的锥形分布器，上面布满直径 2 毫米的小孔，其作用是使氨 空气混合气在炉内分布均勾。上锥体还设有三个视镜，供观察铂网催化的情况用。在炉体内中部安放着铂网触煤 )其有效直径为 2050 毫米，铂网可安放多层、铂网上 下还有气体采样点和热电偶，分别供采样分析和测温之用。 这种氧化炉，当氧化率为 96 97%时，每 24 小时可处理氨 9 l3 吨，相应产硝酸为 27 40 吨。 生产能力大，铂网生产强度高，设备余热利用好，锅炉部分 阻力小，操作方便。目 前大中型厂开始投入工业应用。 4.2 吸收塔 4.2.1 2NO 吸收的工艺流程叙述 氧化器出来的二氧化氮气体经两个尾气预热器与吸收塔出来的尾气换热后进入吸收塔，并由下至上经过各层筛板，所得的稀硝酸再由自身压力进入漂白塔排出其中的气体，最后回收得到 49%的稀硝酸。吸收塔里出来的尾气再进入两个尾气预热器与从氧化器来的二氧化氮气体交换热量，以使尾气中的的热量得到利用，尾气出预热器后再到压缩机进一步回收其能量，最后由排气筒排出。 4.2.2 吸收塔的选择 随着硝酸生产规模的扩大，新建硝酸吸收装置多采用加压操作，不少工厂广泛采 用生产能力较大的筛板塔，塔内筛板数多，一 般为 32 40 块，而且为了移去吸收过程所放出的反应热，在筛板上设有冷却蛇管，内通冷却水，在一些新型的高效氧化吸收塔中，为了强化吸收操作，提高吸收效率，设置了氮氧化物冷却器，利用液氦蒸发制冷。因此，由吸收塔氧化区出来的高温氮氧化物气体，经氮氧化物冷却器冷却后，再返回吸收塔的吸收区进行氮氧化物的吸收。 如图 4 2 所示 为一筛板塔， 此塔用不锈钢制成，高 4l 米、塔直径 2400 x 5 毫米、全塔内有 39 块筛板，分 39 层 (氧化区 4 层吸收氏 35 层 )。 1 26 层板上设有冷却盘管，用冷 却水移走氧化和吸收生成的热， 26 层以上为自然散热。漂白区与氧化区以不锈钢板分开中部有通气道与风帽 筛板上孔的孔径为 2 毫米、孔间距离为 11 毫米。塔底部有一氧化氮气和二次空气入口管，塔顶有加水管，中部有加稀硝酸管，塔的最上部，有不锈钢丝网除沫器，以捕捉气体中的酸雾。 4.3 换热器 在工业生产中，出于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。按作用原理或传热方式分类按换热设备热传递原则或传热方式 18 进行分类 ,可分为：接接触式换热器、热式换热器、式换热器、间载热体式 19 图 4 2 在工业生产中，出于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。按作用原理或传热方式分类按换热设备