CN104016317A - 一种制备高浓度稀硝酸的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高浓度稀硝酸的方法及其装置，采用双加压工艺将除杂、除湿的空气与除杂、除油、蒸发的液氨经氨空混合、氨氧化、冷凝分离、精分离，并在内置40层塔板的吸收塔内进行吸收，同时，采用三段式水循环工艺进行冷却换热，得到浓度不低于68-70%的高浓度稀硝酸。本发明的高浓度稀硝酸的方法和装置有效提高了硝酸的吸收效率，提高了稀硝酸的浓度，更能满足现代工业对高浓度稀硝酸的需要。

Description

一种制备高浓度稀硝酸的方法及其装置

技术领域

本发明属于硝酸生产技术领域，特别是涉及一种利用双加压法制备高浓度稀硝酸的生产方法及其装置。

背景技术

目前，双加压法制备硝酸是国内外主要采用的硝酸生产工艺，该方法是在中压（0.35~0.6Mpa）下进行氨氧化，在高压（1.0~1.5 Mpa）下进行酸吸收，具有能耗低，氨利用率高的优点，产品硝酸浓度可达60~68%，是迄今为止国内外公认的最佳硝酸生产工艺。

但双加压法稀硝酸生产工艺在实际生产中还存在着一些问题，对日常的生产及经营造成影响，其问题主要集中在以下几点。

1.双加压法硝酸生产装置中对原料空气的净化处理做的不够，原料空气中所含的水份没有进行消除，在该装置中原料空气从进入系统到氨空混合器入口前都没有布置任何换热除水装置。空气当中都含有部分水份，尤其是在部分空气湿度大的地方,例如我国南方大部分地区，空气当中的水份含量相当高，这些水份在系统中被冷凝成冷凝水，对提高成品酸的浓度有一定的不良影响。

2.双加压法稀硝酸生产装置中对吸收系统中的硝酸吸收反应温度控制不够严格，首先没有对冷凝酸进行冷却。氨氧化生成的NO_x气体经冷凝和分离后的冷凝酸温度一般在45—50℃左右。再经稀酸泵们入吸收塔相应塔板上，其温度会上升到50—65℃范围。对硝酸吸收反应来说，冷凝酸温度较高时，吸收塔中吸收反应的进行是不利的。对促进吸收塔中NOx的氧化及提高成品酸浓度都有不利影响。

3. 双加压法稀硝酸生产装置中氧化氮分离器分离后的NO_x气体往往携带大量液滴，再加上氧化氮压缩机入口采用的是喷水装置，十分容易造成带液。

4. 双加压法稀硝酸生产装置中对系统中氮氧化物的后续氧化深度不够，造成吸收效率低下，尾气中氮氧化物含量高，对整体生产运行影响很大。

5. 双加压法稀硝酸生产装置中吸收塔内部的吸收反应进行的程度不够高，吸收塔塔板层数少，空间小，导致部分NO没有充分氧化，同时使氮氧化物冷却效果差，不利于吸收反应的进行。

6. 双加压法稀硝酸生产装置对吸收塔用冷却水的利用率不够高，大部分的双加压系统都是采用外部循环水加来自液氨蒸发器用的冷却水进行双循环，而吸收塔上部的液氨蒸发采用的冷却水循环往往是单循环的，这对循环水的冷量存在大量浪费，没有使冷却水充分换热。

7. 双加压法稀硝酸生产装置中液氨往往带有大量的固体杂质，水和油，严重影响蒸发器中蒸发，单纯的蒸发器排污对此效果并不明显。

由于现有双加压法硝酸生产工艺存在上述不完美，使制备的成品酸的浓度大都在60-68%以下，这并不能满足现代工业生产对硝酸浓度的要求。

发明内容

为了解决现有双加压法硝酸生产工艺存在的技术问题，提高成品稀硝酸的浓度，满足现代工业生产需求，本发明有效解决了双加压系统生产成品稀硝酸浓度偏低这一技术问题，将硝酸的浓度提升至68-70%以上。

本发明旨在提供一种具有生产稳定，操作安全，控制简便，尾气污染小，成品酸浓度高的稀硝酸生产方法；同时，提供了一种用于实现该方法的装置。

本发明在现有双加压法硝酸工艺上进行了如下几个方面进行了改进。

1. 针对空气中带有水份的问题，在四级空气过滤装置的一，二级过滤器之间加装了氨空冷凝器、液滴分离器、空气预热器，利用液氨的低温将空气的温度降至10～12℃，空气中的水蒸气发生凝结，从而去除空气中大部分的水蒸汽；在二级空气过滤器之前加装空气预热器，使除水后的空气能恢复到25℃。

2. 针对氧化氮压收缩机入口处喷水，导致带液的问题，在氧化氮压缩机入口增设氧化氮精分离器，对来自氧化氮分离器的NO_x气体从容器中部进入，经过除雾元件后，NO_x气体被精分离，气相从容器上方进入氧化氮压缩机，酸液从下方回到系统。氧化氮压缩机入口采用喷饱和蒸汽，能有效防止氧化氮压缩机带液。

3.针对冷凝酸的冷却程度欠佳的问题，加设专门的冷却装置。可以选稀酸冷却器作为加设的硝酸冷却装置，在装置内冷凝酸与外界循环冷却水进行换热，将冷凝酸的额温度降至45℃以下，再将该冷凝酸通过稀酸泵打入到吸收塔相应塔板上。增设专门的冷却装置，能有效降低冷凝酸温度，促进吸收塔的吸收反应的进行，可提高产品稀硝酸的浓度。

4. 针对吸收塔内吸收反应程度不够的问题，采用增加吸收塔内塔板的方法。经过反复试验调整，将吸收塔的塔板增至40层，促进NO_x气体冷却和氧化，氨氧化所生成的NO_x气体由下向上通过各层塔板时经冷却水冷却，同时，NO_x气体中的NO气体被氧化。该方法能有效降低NO_x中NO的比例，促进吸收反应，提高硝酸溶液浓度。

5. 针对冷却水利用率低的问题，吸收塔创造性的采用三段式水循环换热冷却。在每层塔板都设有冷却盘管，吸收塔两侧设有冷却管道，吸收塔1-15层塔板的冷却盘管采用循环冷却水冷却，第16-40层塔板的冷却盘管中工艺冷却水以上下两段串联的方式进行冷却，即：循环冷却水从第1层塔板进入，向上依次循环至第15层塔板输出，将循环出水输送至循环水回水总管；脱盐工艺水先从第21层塔板进入，向上依次循环至第40层塔板输出后，输送至第20层塔板再进入，经循环冷却从第16层塔板流出，经处理得到的脱盐工艺水输送至氨蒸发器进行换热。这种方法能充分利用循环水冷却，促进氧化反应，提高吸收率，增加酸浓度。

6. 针对尾气中氮氧化物含量高的问题，在尾气分离器后增设氨催化反应器。尾气在催化反应器中经过催化剂床反应后，对尾气中的NO_x进行转化，生成气氨，使尾气中的NOx含量小于200mg/m³。能有效减少污染物排放，保护环境。

7. 针对液氨中杂质含量高的问题，在液氨进入蒸发器前设置液氨过滤器和液氨除油器。液氨依次流过过滤器和除油器，除去杂质和油，除杂效果可达99.99%，液氨中的油含量小于5ppm。能有效改善蒸发效果，防止催化剂中毒，促进系统稳定运行。

本发明的技术方案如下：

采用双加压法硝酸生产方法，将吸入四级空气过滤装置一级空气过滤器的空气经初次除杂后，经氨空冷凝器降温冷凝、经液滴分离器除冷凝水、再输送至四级空气过滤装置的二、三、四级空气过滤器除尘，将除尘后的空气经加压分为一次空气和二次空气，其中，二次空气与一次空气的体积比为10-20%；液氨经除杂、除油、蒸发后，与上述一次空气在氨空混合器中混合；氨空混合气经氧化炉进行氨氧化反应得到NO_x气体；NOx气体经换热降温后，送入冷凝分离器，产生的稀冷凝酸经冷却送至吸收塔中部的塔板上，所述吸收塔设有40层塔板；冷却降温后的NOx气体经氧化氮精分离器进行精分离后，液相送至回收系统，气相送入氧化氮压缩机，再次升压、换热、降温；将精分离、换热后的NO_x气体送至吸收塔底部，与塔顶加入的水及中部加入的冷凝酸，进行气液逆向吸收，得到浓度为68%-70%的硝酸溶液；二次空气部分输送至氧化炉底部NO_x气体出口。

其中，将内含40层塔板的吸收塔依次划分为第一吸收段、第二吸收段，第三吸收段，在所述吸收塔各吸收段外对应设有第一水循环管路、第二水循环管路和第三水循环管路，各吸收段内的塔板上设有冷却盘管与相应的水循环管路连通，循环冷却水通过所述第一水循环管路流经第一吸收段各塔板的冷却盘管，工艺冷却水经所述第三水循环管路流经第三吸收段各塔板后，进入所述第二水循环管路，流经第二吸收段各塔板后，流出酸吸收塔，输送至氨蒸发器进行换热。

在尾气处理工艺方面，采用尾气的氨催化工艺，将经过尾气分离器分离的气相尾气经预热后，尾气在氨催化反应器中进行转化。

用于实现本发明方法的装置包括：

四级空气过滤装置，所述四级空气过滤装置的一级空气过滤器依次与氨空冷凝器、液滴分离器、空气预热器连通，所述空气预热器再与所述四级空气过滤装置的二、三、四级空气过滤器连通，所述四级空气过滤装置的空气出口与空气压缩机连通，用于使空气经一级空气过滤器初次除杂、经氨空冷凝器降温冷凝、经液滴分离器除冷凝水、经二、三、四级空气过滤器除尘后，送入空气压缩机加压分为一次空气和二次空气；

液氨过滤器、液氨除油器、氨蒸发器依次连通，用于先将原料液氨进行除杂和除油，再送入蒸发系统进行蒸发；

氨空混合器的一次空气进口与所述空气压缩机的一次空气出口连通，氨空混合器的气氨进口与所述氨蒸发器的出口连通，用于将预处理过的空气和气氨进行混合反应；

氧化炉的NO_x进口与氨空混合器的出口连通，在氧化炉底部设有二次空气进口，用于NO_x冷却，同时促进深度氧化；

氧化炉、高温气气换热器、省煤器依次连通，用于换热降温，热量回收；

冷凝分离器顶部设有NO_x进口与省煤器连通，冷凝分离器底部设有冷凝酸出口与稀酸冷却器连通，用于稀酸的快速降温冷却，分离产生的冷凝酸与外界循环冷却水进行换热降温，冷却的冷凝酸通过稀酸泵送至吸收塔相应塔板上；

氧化氮精分离器，连接在所述冷凝分离器和氧化氮压缩机之间，用于对经冷凝分离器的NO_x进行精分离，经过精分离除液的NO_x送至氧化氮压缩机再次升压；

尾气预热器顶端进料口通过二次空气加热器与氧化氮压缩机连通，尾气预热器的一个出口与吸收塔进料口连通，用于对出料进行换热降温；

吸收塔，其顶部排气口通过尾气分离器与尾气预热器连通，塔体底部出料口与漂白塔连通，塔体上部设有冷却水进口，塔体中部的稀酸进口通过稀酸泵与氧化氨分离器，塔体下部进料口与尾气预热器的出口连通。同时，所述吸收塔内置40层塔板，第1-15层为第一吸收段，第16-20层为第二吸收段，第21-40层为第三吸收段，在硝酸吸收塔各吸收段外对应设有第一水循环管路、第二水循环管路和第三水循环管路，各吸收段内的塔板上设有冷却盘管与相应的水循环管路连通，所述第一水循环管路的进水口设在第一吸收段下部，连接循环水进水管，出水口位于第一吸收段上部，与循环水回水管连接；所述工艺冷却水进水管连接位于第三吸收段下部的第三水循环管路进水口，工艺冷却水出水管与第二吸收段上部的第二水循环管路出水口连接；所述第三水循环管路出水口与第二水循环管路的进水口连接，第二水循环管路的出水口与氨蒸发器连通，用于充分利用循环水冷却，促进氧化反应，提高吸收率，提升硝酸酸浓度。

此外，该装置还设有氨催化反应器，所述氨催化反应器的出口通过尾气透平与烟囱相通，所述氨催化反应器的进口通过高温气气换热器与尾气预热器连通。

本发明是对现有技术的革新和完善，使空气除湿盒除杂更彻底，氨气除油和除杂得到改善，对氧化氮压缩机带液进行了控制，采用三段式水循环换热冷却提高冷却水的利用率，增设氨催化反应器来降低污染物的排放，增加吸收塔塔板至40层，加设硝酸冷却装置，来促进硝酸的吸收，有效提高了硝酸的浓度至68-70%以上，大大满足了现代工业对硝酸的高浓度需求，当然也可以对装置和工艺进行适当调整，生产出硝酸的浓度小于68%的硝酸。

附图说明

图1为本发明高浓度稀硝酸溶液的生产工艺流程图。

图2为本发明的硝酸吸收塔三段式水循环换热冷却工艺流程图。

1.空气压缩机，2.空气预热器，3.液滴分离器，4.氨空冷凝器，5.四级空气过滤装置，6.液氨过滤器，7.液氨除油器，8.氨空混合器，9.高温气气换热器，10.省煤器，11.低压反应水冷器-氧化氮分离器，12.氧化氮压缩机，13.二次空气加热器，14.高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备，15.氧化氮精分离器，16.稀酸冷却器，17.吸收塔，18.第一水循环管路，19.第二水循环管路，20.第三水循环管路，21.稀酸泵，22.尾气透平，23.氨催化反应器，24.尾气分离器，25.漂白塔，26.烟囱，27.氨蒸发器B，28.氨蒸发器A，29.氧化炉。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效。特列举以某公司的年产27万吨硝酸生产装置为例，配合附图详细说明。

如图1所示，四级空气过滤装置5的一级空气过滤器依次与氨空冷凝器4、液滴分离器3、空气预热器2连通，空气预热器2再与四级空气过滤装置5的二、三、四级空气过滤器连通，四级空气过滤装置5的空气出口与空气压缩机1连通，用于使空气经一级空气过滤器初次除杂、经氨空冷凝器4降温冷凝、经液滴分离器3除冷凝水、经二、三、四级空气过滤器除尘后，送入空气压缩机1加压分为一次空气和二次空气；液氨过滤器6与液氨除油器7连接再与氨蒸发器A 28和氨蒸发器B 27分别连通，用于先将原料液氨进行除杂和除油，再送入蒸发系统进行蒸发；氨空混合器8的一次空气进口与所述空气压缩机1的一次空气出口连通，氨空混合器8的气氨进口与所述氨蒸发器A 28和氨蒸发器B 27的出口连通，用于将预处理过的空气和气氨进行混合反应；氧化炉29的NOx进口与氨空混合器8的出口连通，在氧化炉29底部设有二次空气进口，用于NOx冷却，同时促进深度氧化；氧化炉29、高温气气换热器9、省煤器10依次连通，用于换热降温，热量回收；在冷凝分离器(优选低压反应水冷器-氧化氮分离器11)顶部设有NOx进口与省煤器10连通，低压反应水冷器-氧化氮分离器11底部设有冷凝酸出口与稀酸冷却器16连通，用于稀酸的快速降温冷却，分离产生的冷凝酸与外界循环冷却水进行换热降温，冷却的冷凝酸通过稀酸泵送至吸收塔17相应塔板上；氧化氮精分离器15连接在所述低压反应水冷器-氧化氮分离器11和氧化氮压缩机12之间，用于对经低压反应水冷器-氧化氮分离器11的NOx进行精分离，经过精分离除液的NOx送至氧化氮压缩机12再次升压，经精分离产生的液相送至回收系统，其中，氧化氮压缩机入口处采用喷饱和蒸汽方式；高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备14的顶端进料口通过二次空气加热器13与氧化氮压缩机12连通，高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备14的一个出口与吸收塔17进料口连通，用于对NO_x进行换热降温；吸收塔17顶部的排气口通过尾气分离器24与高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备14中的尾气预热器连通，塔体底部出料口与漂白塔25连通，塔体上部设有冷却水进口，塔体中部的稀酸进口通过稀酸泵21与低压反应水冷器-氧化氮分离器11连通，塔体下部进料口与高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备14中的尾气预热器出口连通，用于促进氧化反应，提高吸收率，得到浓度为68%-70%的硝酸溶液；氨催化反应器23的出口通过尾气透平22与烟囱26相通，所述氨催化反应器23的进口通过高温气气换热器9与高压反应水冷凝器-尾气预热器-冷凝酸收集器三合一设备14中的尾气预热器连通。

所述吸收塔内置40层塔板，第1-15层为第一吸收段，第16-20层为第二吸收段，第21-40层为第三吸收段，在硝酸吸收塔各吸收段外对应设有第一水循环管路18、第二水循环管路19和第三水循环管路20，各吸收段内的塔板上设有冷却盘管与相应的水循环管路连通，所述第一水循环管路的进水口设在第一吸收段下部，连接循环水进水管，出水口位于第一吸收段上部，与循环水回水管连接；所述工艺冷却水进水管连接位于第三吸收段下部的第三水循环管路进水口，工艺冷却水出水管与第二吸收段上部的第二水循环管路出水口连接；所述第三水循环管路出水口与第二水循环管路的进水口连接，第二水循环管路的出水口与氨蒸发器连通，具体的工艺流程为：循环冷却水通过所述第一水循环管路同时流经第1-15层塔板的冷却盘管，工艺冷却水经所述第三水循环管路同时流经第21-40层塔板的冷却盘管后，通过管路连接进入第二水循环管路，同时流经第16-20层塔板的冷却盘管后，流出该硝酸吸收塔，输送至氨蒸发器A 28和氨蒸发器B 27进行换热，用于充分利用循环水冷却，促进氧化反应，提高吸收率，增加硝酸溶液浓度。

关于二次空气的去向，一部分被引到氧化炉29底部的NO_x出口，另一部分被引到漂白塔25。

需要说明的是可以对吸收塔的三段循环的塔板的连接位置关系进行适当调整。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种制备高浓度稀硝酸的方法，包括以下步骤：

（1）吸入四级空气过滤装置一级空气过滤器的空气经初次除杂后，经氨空冷凝器降温冷凝、经液滴分离器除冷凝水、再输送至四级空气过滤装置的二、三、四级空气过滤器除尘，将除尘后的空气经加压分为一次空气和二次空气，其中，二次空气与一次空气的体积比为10-20%；

（2）液氨经除杂、除油、蒸发后，与上述一次空气在氨空混合器中混合；

（3）氨空混合气经氧化炉进行氨氧化反应得到NOx气体；

（4）NOx气体经换热降温后，送入冷凝分离器，产生的稀冷凝酸经冷却送至吸收塔中部的塔板上，所述吸收塔设有40层塔板；

（5）冷却降温后的NOx气体经氧化氮精分离器进行精分离后，液相送至回收系统，气相送入氧化氮压缩机，再次升压、换热、降温；

（6）将精分离、换热后的NOx气体送至吸收塔底部，与塔顶加入的水及中部加入的冷凝酸，进行气液逆向吸收，得到浓度为68%-70%的硝酸溶液；

其中，步骤（1）中的二次空气部分输送至氧化炉底部NOx气体出口。

2.如权利要求1所述制备高浓度稀硝酸的方法，其特征在于：将内含40层塔板的吸收塔依次划分为第一吸收段、第二吸收段，第三吸收段，在所述吸收塔各吸收段外对应设有第一水循环管路、第二水循环管路和第三水循环管路，各吸收段内的塔板上设有冷却盘管与相应的水循环管路连通，循环冷却水通过所述第一水循环管路流经第一吸收段各塔板的冷却盘管，工艺冷却水经所述第三水循环管路流经第三吸收段各塔板后，进入所述第二水循环管路，流经第二吸收段各塔板后，流出酸吸收塔，输送至氨蒸发器进行换热。

3.如权利要求1所述制备高浓度稀硝酸的方法，其特征在于：该方法还包括尾气的氨催化工艺，将经过尾气分离器分离的气相尾气经预热后，尾气在氨催化反应器中进行转化。

4.如权利要求1所述制备高浓度稀硝酸的方法，其特征在于：在所述步骤（5）中，氧化氮压缩机入口处采用喷饱和蒸汽方式。

5.一种用于实现权利要求1方法的装置，该装置包括：

四级空气过滤装置，所述四级空气过滤装置的一级空气过滤器依次与氨空冷凝器、液滴分离器、空气预热器连通，所述空气预热器再与所述四级空气过滤装置的二、三、四级空气过滤器连通，所述四级空气过滤装置的空气出口与空气压缩机连通，用于使空气经一级空气过滤器初次除杂、经氨空冷凝器降温冷凝、经液滴分离器除冷凝水、经二、三、四级空气过滤器除尘后，送入空气压缩机加压分为一次空气和二次空气；

液氨过滤器、液氨除油器、氨蒸发器依次连通，用于先将原料液氨进行除杂和除油，再送入蒸发系统进行蒸发；

氨空混合器的一次空气进口与所述空气压缩机的一次空气出口连通，氨空混合器的气氨进口与所述氨蒸发器的出口连通，用于将预处理过的空气和气氨进行混合反应；

氧化炉的NOx进口与氨空混合器的出口连通，在氧化炉底部设有二次空气进口，用于NOx冷却，同时促进深度氧化；

氧化炉、高温气气换热器、省煤器依次连通，用于换热降温，热量回收；

冷凝分离器顶部设有NOx进口与省煤器连通，冷凝分离器底部设有冷凝酸出口与稀酸冷却器连通，用于稀酸的快速降温冷却，分离产生的冷凝酸与外界循环冷却水进行换热降温，冷却的冷凝酸通过稀酸泵送至吸收塔相应塔板上；

氧化氮精分离器，连接在所述冷凝分离器和氧化氮压缩机之间，用于对经冷凝分离器的NOx进行精分离，经过精分离除液的NOx送至氧化氮压缩机再次升压；

尾气预热器顶端进料口通过二次空气加热器与氧化氮压缩机连通，尾气预热器的一个出口与吸收塔进料口连通，用于对出料进行换热降温；

吸收塔，其顶部排气口通过尾气分离器与尾气预热器连通，塔体底部出料口与漂白塔连通，塔体上部设有冷却水进口，塔体中部的稀酸进口通过稀酸泵与氧化氨分离器，塔体下部进料口与尾气预热器的出口连通，用于充分利用循环水冷却，促进氧化反应，提高吸收率，增加硝酸溶液浓度。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于：所述吸收塔内置40层塔板，第1-15层为第一吸收段，第16-20层为第二吸收段，第21-40层为第三吸收段，在硝酸吸收塔各吸收段外对应设有第一水循环管路、第二水循环管路和第三水循环管路，各吸收段内的塔板上设有冷却盘管与相应的水循环管路连通，所述第一水循环管路的进水口设在第一吸收段下部，连接循环水进水管，出水口位于第一吸收段上部，与循环水回水管连接；所述工艺冷却水进水管连接位于第三吸收段下部的第三水循环管路进水口，工艺冷却水出水管与第二吸收段上部的第二水循环管路出水口连接；所述第三水循环管路出水口与第二水循环管路的进水口连接，第二水循环管路的出水口与氨蒸发器连通，用于充分利用循环水冷却，促进氧化反应，提高吸收率，提升硝酸酸浓度。

7.如权利要求5所述装置，其特征在于：该装置还设有氨催化反应器，所述氨催化反应器的出口通过尾气透平与烟囱相通，所述氨催化反应器的进口通过高温气气换热器与尾气预热器连通。