CN105056563A - 一种硝酸精馏系统及其精馏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硝酸精馏系统，包括精馏釜及加热单元，还包括：预热冷凝管，包括预热内管及预热外管，预热内管进口与精馏出口连通，预热外管出口与精馏釜底部连通；成品冷凝管，该成品冷凝管包括成品内管及成品外管，成品内管进口与预热内管出口相连通；废气导流管，包括废气进口及废气出口，该废气进口接于进料管周壁处，废气出口接于精馏出口处；反应釜；吹气管，插设于反应釜顶部；洗气瓶，瓶口处插设有进气管和出气管，出气管和吹气管通过管路相连通；与真空口相通的真空泵。本发明结构简单，操作方便，能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，吹白效率高，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全。本发明公开了一种精馏方法。

Description

一种硝酸精馏系统及其精馏方法

技术领域

本发明涉及一种精馏系统，尤其是一种硝酸精馏系统。

本发明涉及一种精馏方法，尤其是一种硝酸精馏系统的精馏方法。

背景技术

近几年，随着电子产业飞速发展，芯片制造行业也在突飞猛进的发展，芯片的氧化膜越来越薄。制造芯片时，需要用硝酸对其进行清洗和腐蚀，硝酸纯度的高低对芯片的成品率起着关键性的作用。即，硝酸纯度越高，芯片的成品率越高。因此，人们非常渴望得到高纯度的硝酸。

目前，高纯度的硝酸主要是通过硝酸精馏装置来制造。现有硝酸精馏装置包括精馏釜、为精馏釜加热的加热单元、设于精馏釜下方的输入管、设于精馏釜上方输出管、及串接于输出管处的冷凝管。冷凝管包括有内管、及套设于内管外的外管，内管处带有内管进口和内管出口，外管处带有外管进口和外管出口。内管通入待冷却流体，外管通入用于对待冷却流体进行冷却的冷却介质。硝酸精馏实质上是蒸馏，即利用硝酸各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，通过加热单元对精馏釜内硝酸原料进行加热，使硝酸气化并从输出管处排出，输出管处排出的硝酸经冷凝管后冷却，使轻组分(沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分)汽化，及经过多次部分液相汽化和部分冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分逐渐实现分离，从而得到纯度比较高的硝酸。其中，在硝酸精馏过程中，硝酸需要从常温加热至高于86℃的温度(实际温度将近316℃)，之后还要将高温状态的硝酸蒸汽冷却至常温状态，升温过程需要消耗大量热量，而降温过程则浪费了大量热量。

另外，在工业上常需要用到比较纯净的硝酸，尤其二氧化氮要少，否则副反应和副产物都会增加。在硝酸工业中，原则上会经过漂白处理，即用洁净空气吹除其中含有的二氧化氮，得到无色透明或略带黄色的液体；对硝酸浓度要求较高时还得减压蒸馏，并弃去黄色馏分。如果不经漂白工艺，则会得到工业发烟硝酸，而实际应用中，这种发烟硝酸极少销售和使用。传统的硝酸吹白工艺较为老旧，效率不高，而且存在设备简陋，操作不方便，存在安全隐患等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全，保证成品硝酸纯度高的硝酸精馏系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硝酸精馏系统，包括密封设置的精馏釜、及用于为精馏釜加热的加热单元，所述精馏釜底部设有精馏进口、顶部设有精馏出口，该硝酸精馏装置还包括有：

预热冷凝管，该预热冷凝管包括有预热内管、及套设于预热内管外的预热外管，其中预热内管进口与精馏出口相连通，预热外管出口与精馏釜底部通过进料管相连通，该进料管其中一管口与预热外管出口相接合，进料管另一管口接于精馏釜底部、且与精馏釜内部相连通；

成品冷凝管，该成品冷凝管包括有成品内管、及套设于成品内管外的成品外管，其中成品内管进口与预热内管出口相连通；

倾斜设置的废气导流管，该废气导流管包括有废气进口、及竖直位置高于废气进口的废气出口，该废气进口接于进料管周壁处、且与进料管内部相连通，废气出口接于精馏出口处；

密封设置的反应釜，该反应釜上部开设有硝酸进口和真空口，硝酸进口和真空口处分别设有控制阀，硝酸进口与成品冷凝管的成品内管出口相连通；

吹气管，插设于反应釜顶部、且吹气管周壁与反应釜密封配合，该吹气管包括有位于反应釜外的吹气进口、及位于反应釜内的吹气出口，其中吹气出口延伸至反应釜底部；

洗气瓶，该洗气瓶瓶口处插设有进气管和出气管，其中出气管和吹气管的吹气进口通过管路相连通；

真空泵，该真空泵进气口与真空口通过管路相连通。

本发明的有益效果是：硝酸蒸汽依次通过预热冷凝管和成品冷凝管，通过两者的相互作用，最后冷却至接近常温的高浓度硝酸。其中，预热冷凝管处，常温下的原料硝酸从预热外管进口进入，由预热外管出口排出并进入精馏釜底部，该过程中，原料硝酸吸收硝酸蒸汽的热量并升温至40～50℃，实现原来硝酸的预热，从而节省了加热单元为精馏釜中硝酸加热的能耗。紧接着，由预热内管排出的预冷却硝酸进入成品内管，成品外管处通入普通冷却水，最终在成品内管出口处获得液态的成品硝酸，此时成品硝酸的浓度已经达到所需水平，且大大节省了冷却所需水量。其中，经过预热冷凝管的原料硝酸吸热后进入进料管，在进料管内原料硝酸的温度往往很高，甚至有部分硝酸气化后充满进料管，而进料管内气态硝酸如若不及时排出，则会影响原料硝酸输送至精馏釜，影响精馏釜内原料硝酸的供应，此处若将进料管内气体硝酸直接排到空气中即为污染环境的废气。为此，通过废气导流管，可以将进料管内的气态硝酸引入精馏出口处，随着精馏釜内气化后的气体硝酸一起进入预热冷凝管的预热内管，作为最终产物经由冷凝而收集。通过硝酸进口将液态的成品硝酸送入反应釜内，关闭硝酸进口处的控制阀，打开真空泵使反应釜内形成真空，通过洗气瓶进气管吸入外部空气，洗气瓶对吸入空气中的杂质进行过滤，洗气后的空气进入反应釜；通过吹气管，洗气后的空气吹入成品硝酸，并带走二氧化氮气体，反应釜内获得高纯度的成品硝酸。因此，本发明具有以下优点：1、结构简单，操作方便，而且能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，节省生产成本，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全；2、吹白效率高，吹白过程都在密封的反应釜内进行，工作环境安全可靠。

其中，精馏釜的精馏出口和预热内管进口间串接有防爆球和填料管，该填料管内填充有石英填料。防爆球能防止原料硝酸的爆沸，而填料管内的石英填料可以保证填料管内形成回流，提高硝酸的精馏效果。

为了保证废气导流管内导出的气体硝酸能高效率地进入精馏过程，所以废气导流管的废气出口接于填料管管壁处、且与填料管内部相连通。

冷凝管可以采用直线型冷凝管、球形冷凝管或蛇形冷凝管，其中优选设置为，预热冷凝管和成品冷凝管为蛇形冷凝管。

在吹白过程中，反应釜内将产生大量热量，则反应釜内还安装有冷却管，该冷却管的两端部分别贯穿反应釜侧壁、且延伸至反应釜外，冷却管一端进冷却水，另一端出冷却水，从而对反应釜内部进行降温冷却。

其中，反应釜顶部开设有纯水进口，反应釜底部开设有放料口，纯水进口和放料口处均设有控制阀。根据需要对于硝酸进行稀释时可以往反应釜内加入纯水进口，混合完毕后通过放料口排出。

为了提高冷却效率，反应釜内的冷却管呈螺旋结构设置。

另外，加热单元为电热丝，所述精馏釜内部安装有加热管道，该加热管道的两管口端分别穿过精馏釜侧壁、且延伸至精馏釜外部；加热管道和精馏釜侧壁的交接处密封设置；电热丝穿设于加热管道内。加热管道直接穿设于精馏釜内，这样可以更好地与精馏釜内的硝酸进行接触，使得硝酸能得到快速加热，特别是对于精馏釜中心位置的硝酸原料的加热效果更是直接有效，有利于提高加热效率，减少热能损耗，而且对于精馏釜的加热更加均匀。

为了在有限的空间内提高加热效率，所述加热管道呈螺旋状结构设置。

由于电热丝和精馏釜是直接接触的，为了保证精馏釜受热均匀，则电热丝外套设有由石棉网制成的隔套。

为了减少热量的损耗，进一步设置为，精馏釜的外表面包覆有保温层。

本发明还涉及一种结构简单，能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全，保证成品硝酸纯度高的硝酸精馏系统的精馏方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硝硝酸精馏系统的精馏方法，其步骤为：

步骤1：精馏加热阶段，精馏釜内承装有原料硝酸，通过加热单元为精馏釜加热，原料硝酸受热变成硝酸蒸汽后由精馏出口进入预热冷凝管的预热内管；

步骤2：预热-冷凝阶段，预热冷凝管的预热外管通入原料硝酸为预热内管冷却，原料硝酸由预热外管进口进入、由预热外管出口排出，预热外管出口排出的原料硝酸通过进料管进入精馏釜底部，进料管内硝酸蒸汽由废气导流管导至精馏出口处，而预热内管内的硝酸蒸汽部分冷凝、且随着硝酸蒸汽一同进入成品冷凝管的成品内管；预热外管出口处排出的原料硝酸温度为40～50℃；

步骤3：终冷凝阶段，成品冷凝管的成品外管通入冷却水为成品内管冷却，成品内管的硝酸蒸汽全部冷凝为液态的成品硝酸、并由成品内管出口进入反应釜，成品外管出口排出并回收；

步骤4：反应釜接收液态的成品硝酸，打开真空泵使反应釜内形成真空，通过洗气瓶进气管吸入外部空气，洗气瓶对吸入空气中的杂质进行过滤，洗气后的空气进入反应釜；

步骤5：通过吹气管，洗气后的空气吹入成品硝酸，并带走二氧化氮气体，反应釜内获得高纯度的成品硝酸。

因此，本发明具有以下优点：1、结构简单，操作方便，而且能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，节省生产成本，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全；2、吹白效率高，吹白过程都在密封的反应釜内进行，工作环境安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图，省略了硝酸吹白装置。

图2为本发明实施例硝酸吹白装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1、2所示，本实施例包括包括精馏釜1、及用于为精馏釜1加热的加热单元2、预热冷凝管3和成品冷凝管4，精馏釜1底部设有精馏进口11、顶部设有精馏出口12。预热冷凝管3包括有预热内管31、及套设于预热内管31外的预热外管32，其中预热内管31进口311与精馏出口12相连通，预热内管31出口312连接至成品冷凝管4，预热外管32进口321通入常温状态的原料硝酸，预热外管32出口322与精馏釜1底部通过进料管61相连通。该进料管61其中一管口与预热外管32出口322相接合，进料管61另一管口接于精馏釜1底部、且与精馏釜1内部相连通。成品冷凝管4包括有成品内管41、及套设于成品内管41外的成品外管42，其中成品内管41进口411与预热内管31出口312相连通，成品内管41出口412处排出的液体为成品高浓度硝酸，成品外管42进口421处通入常温冷却水，成品外管42出口422处排出吸热后的冷却水。其中，精馏釜1的精馏出口12处串接有防爆球51，在防爆球51出口处串接有填料管52，该填料管52内填充有石英填料521。另外，预热冷凝管3和成品冷凝管4为球形冷凝管。球形冷凝管可以在不影响生产效率的情况下降低生产成本，而且达到较为优化的冷却效果。在进料管61处还接有一倾斜设置的废气导流管62，该废气导流管62包括有废气进口621、及竖直位置高于废气进口621的废气出口622，该废气进口621接于进料管61周壁处、且与进料管61内部相连通，废气出口622接于填料管52管壁处、且与填料管52内部相连通。

本实施例还包括有吹白装置，该吹白装置包括密封设置的反应釜7、洗气瓶8和真空泵(未画出)，反应釜7上部开设有硝酸进口71、真空口72和纯水进口73，反应釜1底部开设有放料口74，硝酸进口71、真空口72、纯水进口73和放料口74处分别设有用于控制各口开闭的控制阀。在反应釜7顶部插设有吹气管9，该吹气管9周壁与反应釜7密封配合，吹气管3包括有位于反应釜7外的吹气进口91、及位于反应釜7内的吹气出口92，其中吹气出口92延伸至反应釜7底部。洗气瓶8瓶口处插设有进气管81和出气管82，其中出气管82和吹气管9的吹气进口91间通过管路相连通；真空泵进气口与真空口72通过管路相连通。其中，洗气瓶8为现有常规技术，在此不做赘述。为了让洗气后的空气更加充分地混入稀释后的硝酸内，则吹气管9的吹气出口92处安装有喷头93，该喷头93上开设有若干喷孔。在吹白过程中，反应釜7内将产生大量热量，则反应釜7内还安装有冷却管75，该冷却管75的两端部分别贯穿反应釜7侧壁、且延伸至反应釜7外，冷却管75在反应釜7内的部分呈螺旋结构设置，冷却管75一端进冷却水，另一端出冷却水，从而对反应釜7内部进行降温冷却。

加热单元可以为火焰加热或电热丝加热。而本实施例加热单元为电热丝13，该电热丝13外套设有由石棉网制成的隔套(未画出)，在精馏釜1内部还安装有加热管道14，该加热管道14具有两管口141，该两管口141端部分别穿过精馏釜1侧壁、且裸露于精馏釜1的外部。加热管道14和精馏釜1侧壁的交接处密封设置，电热丝13穿设于加热管道14内。加热管道14位于精馏釜1的下部，且加热管道14呈螺旋状结构设置。为了减少热量的损耗，精馏釜1的外表面包覆有保温层(未画出)。加热管道14直接穿设于精馏釜1内，这样可以更好地与精馏釜1内的硝酸进行接触，使得硝酸能得到快速加热，特别是对于精馏釜1中心位置的硝酸原料的加热效果更是直接有效，有利于提高加热效率，减少热能损耗。

本发明中，硝酸蒸汽依次通过预热冷凝管3和成品冷凝管4，通过两者的相互作用，最后冷却至接近常温的高浓度硝酸。其中，预热冷凝管3处，常温下的原料硝酸从预热外管32进口321进入，由预热外管32出口322排出并进入精馏釜1底部，该过程中，原料硝酸吸收硝酸蒸汽的热量并升温至40～50℃，实现原来硝酸的预热，从而节省了加热单元2为精馏釜1中硝酸加热的能耗。紧接着，由预热内管31排出的预冷却硝酸进入成品内管41，成品外管42进口421处通入普通冷却水，最终在成品内管42出口422处获得液态的成品硝酸，此时成品硝酸的浓度已经达到所需水平，且大大节省了冷却所需水量。其中，经过预热冷凝管3的原料硝酸吸热后进入进料管61，在进料管61内原料硝酸的温度往往很高，甚至有部分硝酸气化后充满进料管61，而进料管61内气态硝酸如若不及时排出，则会影响原料硝酸输送至精馏釜1，影响精馏釜1内原料硝酸的供应，此处若将进料管61内气体硝酸直接排到空气中即为污染环境的废气。为此，通过废气导流管62，可以将进料管61内的气态硝酸引入精馏出口12处，随着精馏釜1内气化后的气体硝酸一起进入预热冷凝管3的预热内管31，作为最终产物经由冷凝而收集。本发明不仅结构简单，操作方便，而且能有效利用热能，降低精馏过程的能耗，节省生产成本，同时还使废气无害化，整个生产过程更加环保安全。另外，通过硝酸进口71将发烟硝酸送入反应釜7内，关闭硝酸进口处的控制阀，然后通过纯水进口73将纯水加入到反应釜7内稀释发烟硝酸，关闭纯水进口73的控制阀，打开真空泵使反应釜内形成真空；通过洗气瓶8进气管81吸入空气，空气经洗气瓶8从出气管82出来，经由吹气管9进入反应釜7，洗气瓶8内填充有纯水，对吸入空气中的杂质进行过滤；通过吹气管9，洗气后的空气混入稀释后的硝酸内，并带走二氧化氮气体。当然，若需要通过反应釜7对硝酸进行稀释，则通过纯水进口73将纯水加入到反应釜7内、并与成品硝酸混合，同时可根据需要通过反应釜7底部的放料口74排出混合完毕的硝酸。本发明结构简单，操作方便，吹白效率高，吹白过程都在密封的反应釜内进行，工作环境安全可靠。

Claims (10)

1.一种硝酸精馏系统，包括密封设置的精馏釜、及用于为精馏釜加热的加热单元，其特征是，所述精馏釜底部设有精馏进口、顶部设有精馏出口，该硝酸精馏系统还包括有：

预热冷凝管，该预热冷凝管包括有预热内管、及套设于预热内管外的预热外管，其中预热内管进口与精馏出口相连通，预热外管出口与精馏釜底部通过进料管相连通，该进料管其中一管口与预热外管出口相接合，进料管另一管口接于精馏釜底部、且与精馏釜内部相连通；

成品冷凝管，该成品冷凝管包括有成品内管、及套设于成品内管外的成品外管，其中成品内管进口与预热内管出口相连通；

倾斜设置的废气导流管，该废气导流管包括有废气进口、及竖直位置高于废气进口的废气出口，该废气进口接于进料管周壁处、且与进料管内部相连通，废气出口接于精馏出口处；

密封设置的反应釜，该反应釜上部开设有硝酸进口和真空口，硝酸进口和真空口处分别设有控制阀，硝酸进口与成品冷凝管的成品内管出口相连通；

吹气管，插设于反应釜顶部、且吹气管周壁与反应釜密封配合，该吹气管包括有位于反应釜外的吹气进口、及位于反应釜内的吹气出口，其中吹气出口延伸至反应釜底部；

洗气瓶，该洗气瓶瓶口处插设有进气管和出气管，其中出气管和吹气管的吹气进口通过管路相连通；

真空泵，该真空泵进气口与真空口通过管路相连通。

2.根据权利要求1所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述精馏釜的精馏出口和预热内管进口间串接有防爆球和填料管，该填料管内填充有石英填料。

3.根据权利要求2所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述废气导流管的废气出口接于填料管管壁处、且与填料管内部相连通。

4.根据权利要求1所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述预热冷凝管和成品冷凝管为蛇形冷凝管。

5.根据权利要求1所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述反应釜内还安装有冷却管，该冷却管的两端部分别贯穿反应釜侧壁、且延伸至反应釜外。

6.根据权利要求5所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述反应釜顶部开设有纯水进口，反应釜底部开设有放料口，纯水进口和放料口处均设有控制阀。

7.根据权利要求1所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述加热单元为电热丝，所述精馏釜内部安装有加热管道，该加热管道的两管口端分别穿过精馏釜侧壁、且延伸至精馏釜外部；加热管道和精馏釜侧壁的交接处密封设置；电热丝穿设于加热管道内。

8.根据权利要求7所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述加热管道呈螺旋状结构设置。

9.根据权利要求8所述的硝酸精馏系统，其特征是：所述电热丝外套设有由石棉网制成的隔套。

10.一种根据权利要求1所述的硝硝酸精馏系统的精馏方法，其特征是，步骤为：

步骤1：精馏加热阶段，精馏釜内承装有原料硝酸，通过加热单元为精馏釜加热，原料硝酸受热变成硝酸蒸汽后由精馏出口进入预热冷凝管的预热内管；

步骤2：预热-冷凝阶段，预热冷凝管的预热外管通入原料硝酸为预热内管冷却，原料硝酸由预热外管进口进入、由预热外管出口排出，预热外管出口排出的原料硝酸通过进料管进入精馏釜底部，进料管内硝酸蒸汽由废气导流管导至精馏出口处，而预热内管内的硝酸蒸汽部分冷凝、且随着硝酸蒸汽一同进入成品冷凝管的成品内管；预热外管出口处排出的原料硝酸温度为40～50℃；

步骤3：终冷凝阶段，成品冷凝管的成品外管通入冷却水为成品内管冷却，成品内管的硝酸蒸汽全部冷凝为液态的成品硝酸、并由成品内管出口进入反应釜，成品外管出口排出并回收；

步骤4：反应釜接收液态的成品硝酸，打开真空泵使反应釜内形成真空，通过洗气瓶进气管吸入外部空气，洗气瓶对吸入空气中的杂质进行过滤，洗气后的空气进入反应釜；

步骤5：通过吹气管，洗气后的空气吹入成品硝酸，并带走二氧化氮气体，反应釜内获得高纯度的成品硝酸。