CN110540178A - 一种中压法硝酸生产工艺及其生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中压法硝酸生产工艺，具有如下特点：氨氧化和吸收压力为0.5～0.6MPa；吸收塔尾气通过碳分子筛变温吸附(TSA)处理装置，使尾气中氮氧化物含量降至<100mg/Nm3；空气压缩机工艺空气用作碳分子筛变温吸附处理装置再生解吸气，含氮氧化物的再生解吸气可返回氧化反应器再利用；氧化反应器中增加一层N2O分解催化剂，使N2O通过反应含量降低到50～100PPM；硝酸漂白塔设在吸收塔底部，两塔合一，缩短工艺流程，减少了设备投资。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，涉及一种中压法硝酸生产工艺及生产设备，尤其涉及一种采用碳分子筛变温吸附(TSA)尾气氮氧化物再利用的中压法硝酸生产工艺及生产设备。
背景技术
硝酸是重要的基本化工原料，广泛应用于制染料、炸药、医药、塑料、氮肥、化学试剂以及用于冶金、有机合成。目前国内外用氨和空气生产硝酸工艺有常压法、中压法、高压法和双加压法。
常压法，即氨的氧化和氮氧化物的吸收均在常压下进行。这种方法的特点是生产过程及设备比较简单，系统压力低，工艺操作稳定，氨氧化率高，原料及辅助材料消耗低，不需要大型的转动设备；缺点是生产强度低，设备容积大，氧化炉和吸收塔数量多，热能利用低，吸收率低，产品浓度低，尾气中NOx含量高，易生成严重污染。需设置碱吸收尾气或用其他方法处理尾气，布置不紧凑，占地面积大，基建材料及投资较多。
中压法，氨的氧化和氮氧化物的吸收均在0.35～0.6MPa压力下进行。此法的特点是，设备较为紧凑，生产强度有所提高，基建投资及特种钢材用量较少，因此吸收压力高，其NO2吸收率高，成品酸浓度高，吸收塔容积小，能量回收率高；缺点是生产强度仍低，氨在加压下氧化，氧化率略低，铂损失大，尾气中NOx含量比较高，仍需处理才能达标排放。
高压法，氨氧化和NOx吸收均在0.71～1.2MPa的压力下进行，基本流程与全中压法相似。此法的特点是全过程压力均由空压机提供，流程简单，设备布置紧凑，基建投资少，特点钢材用量少，生产强度大，吸收率高，产品浓度高，能量回收率高；缺点是氨氧化率低，氨耗高，铂催化装填量大，使用周期短，耗损亦大，尾气中NOx含量高，使得尾气处理费用高，生产成本较高。
双加压法，氨氧化和氮氧化物吸收分别在两种不同的压力下进行，此法氨的氧化采用中压(0.35～0.6MPa)，NOx的吸收采用高压(1.0～1.5MPa)。此法使氨耗和铂耗均减少，吸收率高，吸收系统采用高压，容积减少，酸浓度高，生产强度大，生产成本低，尾气中NOx的排放也比较低，能量综合回收利用合理。因此该硝酸生产工艺在国内外应用比较普遍。但双加压法硝酸生产工艺的不足是：
1、需更多地设置氧化氮气体压缩机和高压氧化氮系统；
2、尾气中NOx排放仍高达400mg/Nm3，为达到国家的100mg/Nm3排放指标，通常需在尾气系统增加氨选择性催化还原反应装置，消耗部分氨，在催化剂作用下与氮氧化物反应生成氮气，使尾气中NOx达标排放；
3、氧化反应器反应后的氮氧化物气体中含有1000～1500PPM的N2O，N2O是高当量的温室气体，单位质量的温室效应为CO2的310倍，是国际上CDM的主要交易项目。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，提供一种中压法硝酸生产工艺，氨氧化和吸收压力为0.5～0.6MPa；吸收塔尾气通过碳分子筛变温吸附(TSA)处理装置，使尾气中氮氧化物含量降至<100mg/Nm3；用空气压缩机工艺空气作碳分子筛变温吸附处理装置再生解吸气，含氮氧化物的再生解吸气可返回氧化反应器再利用；氧化反应器中增加一层N2O分解催化剂，使N2O通过反应含量降低到50～100PPM；硝酸漂白塔设在吸收塔底部使两塔合一，缩短工艺流程，减少了设备投资。
本发明采用的技术方案如下：
一种中压法硝酸生产工艺，其工艺步骤如下：
S1：将氨气按照一定氨空比与空气混合，再将混合气体通入氧化反应器；
S2：混合气体在氧化反应器中进行氨的催化氧化反应，反应温度为800℃～950℃，氨氧化压力为0.5～0.6MPa，生成含有NOx的一次气体；
S3：一次气体经热回收和快速冷却分离处理后，再将得到的含NOx的二次气体和一次稀硝酸通入一体化塔，一体化塔的上部为吸收塔、下部为漂白塔；
S4：二次气体通入吸收塔底部，顶部脱盐水作为吸收液与二次气体发生两相逆流反应生成硝酸，一次稀硝酸通入吸收塔相应酸浓度塔盘处，吸收压力为0.5～0.6MPa，硝酸落入漂白塔进行NOx脱除处理，含NOx的尾气从吸收塔顶部排出；
S5：步骤4中含NOx的尾气采用分子筛进行变温吸附处理，净化后的尾气先经步骤S3中的换热器吸收热量，再经膨胀机回收能量，然后再排空；分子筛上解吸后得到的再生气与步骤S1中的混合气体混合。
进一步地，步骤S5中至少设有一组分子筛吸附罐，每组包括两个并联设置的分子筛吸附罐；组内两个分子筛吸附罐在吸附状态和解吸状态之间动态变换，当一个为吸附状态时，另一个为解吸状态。
进一步地，步骤S3中换热器的热侧进口或出口连接有加热器，锅炉给水经加热器加热后进入汽包，再通过盘管在氧化反应器内被加热、汽化和过热，生成的过热蒸汽通过透平机回收能量。
进一步地，步骤S2中混合气体经过铂催化剂层反应生成NOx，再通过N2O分解催化剂层将N2O分解生成氮气。
进一步地，步骤S1中的空气来自空气压缩机，空气压缩机的全部或部分机械动力来自步骤S5中的膨胀机。
进一步地，步骤S5中的分子筛吸附罐的解吸气和步骤S4漂白塔的解吸气也均来自所述空气压缩机，压缩机出口空气压力为0.35～0.6MPa，更优选地为0.5～0.6MPa。
进一步地，所述分子筛吸附罐采用碳分子筛变温吸附。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种中压法硝酸生产设备，包括依次连接的氨空混合器、氧化反应器、换热器、快冷器、一体化塔和分子筛吸附罐；换热器的热侧进口或出口连接有用于加热锅炉给水的加热器，锅炉给水管连接至汽包，汽包的水相出口与气相入口间连接汽化盘管，汽化盘管设于氧化反应器内，汽包的气相出口连接过热盘管，过热盘管设于氧化反应器内汽化盘管的下方，过热盘管的出口连接透平机；分子筛吸附罐的尾气出口与换热器的冷侧入口连接，换热器的冷侧出口连接膨胀机，分子筛吸附罐的再生气出口与氨空混合器连接。
进一步地，所述一体化塔通过丝网分隔成两部分，上部为吸收塔、下部为漂白塔。
进一步地，还包括至少一台空气压缩机，空气压缩机的工艺气管连接至氨空混合器、漂白塔和分子筛吸附罐，空气压缩机的全部或部分机械动力来自所述透平机和所述膨胀机。
进一步地，所述吸收塔的尾气出口连接有至少一组分子筛吸附罐，每组包括两个并联设置的分子筛吸附罐，通过换向阀动态调节分子筛吸附罐的状态。
进一步地，所述氧化反应器内依次设有铂催化剂层和N2O分解催化剂层。
进一步地，所述分子筛吸附罐采用碳分子筛变温吸附。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、排空的尾气中NOx排放含量<100mg/Nm3，N2O含量<100PPM，是一种环保又低消耗的硝酸生产工艺；
2、吸收塔和/或漂白塔尾气中NOx返回至氧化反应器再利用，无需氨选择催化还原反应装置，且氨耗比较低；
3、氧化和吸收无需用两个压力等级，且无需设置高压氧化氮系统，流程比较紧凑；
4、硝酸漂白塔和吸收塔合二为一，有助于节省设备投资；
5、碳分子筛变温吸附装置也无需设置进出口换热器和加压风机，缩短流程，减少设备，节省投资成本。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构原理示意图。
附图标记说明：
1-空气压缩机，2-膨胀机，3-氧化反应器，4-铂催化剂层，5-N2O分解催化剂层，6-氨空混合器，7-换热器，8-加热器，9-快冷器，10-泵，11-漂白塔，12-吸收塔，13-分子筛吸附罐，14-排气筒，15-汽包，16-透平机；
附图中管线交叉处，一实、一虚代表两条管线各自的走向，以防产生歧义。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明涉及一种中压法硝酸生产工艺，氨氧化和吸收压力为0.5～0.6MpaG；吸收塔尾气通过碳分子筛变温吸附(TSA)处理装置，使尾气中氮氧化物含量降至<100mg/Nm3；用空气压缩机工艺空气作碳分子筛变温吸附处理装置再生解吸气，含氮氧化物的再生解吸气可返回氧化反应器再利用；氧化反应器中增加一层N2O分解催化剂，使N2O通过反应含量降低到50～100PPM；硝酸漂白塔设在吸收塔底部使两塔合一，缩短流程，减少了设备投资。
实施例1：
本实施例具体涉及一种中压法硝酸生产工艺，以年产20万吨的硝酸生产为例，其工艺步骤如下：
S1：采用空气压缩机以102100Nm3/h的速率将空气压缩至0.5～0.6Mpa，其中75600Nm3/h的工艺空气与93300Nm3/h的氨气在氨空混合器中混合，再将混合气体通入氧化反应器；
S2：混合气体自上而下地依次穿过设置在氧化反应器中的铂催化剂层和N2O分解催化剂层，进行氨的催化氧化反应，反应温度为860℃～900℃，生成含有NOx的一次气体；
其中，混合气体经过铂催化剂层时反应生成NOx，再通过N2O分解催化剂层将N2O分解生成氮气，使N2O含量降低到约100PPM；
S3：一次气体经换热器和加热器，再通过快冷器冷却到约50℃，在快冷器内分离气液两相得到含NOx的二次气体和一次稀硝酸，二次气体通入吸收塔底部，一次稀硝酸通入吸收塔内，吸收塔的下方设有漂白塔，吸收塔和漂白塔为一体化装备，即整体为一体化塔；
其中，加热器用于加热锅炉给水，即一次气体在流经加热器时将锅炉给水加热，加热后的锅炉给水进入汽包，通过设于氧化反应器内的汽化盘管加热至汽化，蒸汽回流到汽包后再通过设于氧化反应器内汽化盘管下方的过热盘管加热至过热，过热蒸汽温度约为420℃，过热蒸汽再通过透平机回收热能；
S4：二次气体通入吸收塔底部，一次稀硝酸通过泵送入吸收塔内，二次气体与脱盐水发生两相逆流反应生成硝酸，硝酸落入漂白塔，通过由漂白塔底部通入的工艺空气进行NOx脱除处理，含NOx的尾气从吸收塔顶部排出；
其中，用于漂白硝酸的工艺空气来自上述空气压缩机，空气量为18000Nm3/h，工艺空气将硝酸中的NOx带出，并从漂白塔顶部进入吸收塔，与二次气体混合；
S5：步骤S4中含NOx的尾气采用碳分子筛进行变温吸附处理，净化后的尾气先经步骤S3中的换热器吸收热量，再经膨胀机回收能量，然后再通过排气筒排空；8500Nm3/h的工艺空气作为解吸气将分子筛上的NOx解吸，解吸后得到的再生气与步骤S1中的混合气体混合；
其中，变温吸附处理过程在两个并联设置分子筛吸附罐内进行，通过换向阀使分子筛吸附罐在吸附状态和解吸状态之间动态变换，即一个处在吸附状态时，另一个处在解吸状态，具体的工作状态描述如下：
【状态一】含NOx的尾气从第一分子筛吸附罐的A端进入，经碳分子筛吸附净化后从A'端排出，已净化气体经过换热器并吸收热量，再经膨胀机回收能量，然后排空；作为解吸气的工艺空气从第二分子筛吸附罐的B'端进入，解吸后得到的再生气从B端排出，再生气返回至氨空混合器，与混合气体混合；
【状态二】含NOx的尾气从第二分子筛吸附罐的B端进入，经碳分子筛吸附净化后从B'端排出，已净化气体经过换热器并吸收热量，再经膨胀机回收能量，然后排空；作为解吸气的工艺空气从第一分子筛吸附罐的A'端进入，解吸后得到的再生气从A端排出，再生气返回至氨空混合器，与混合气体混合。
本实施例中，空气压缩机与透平机、膨胀机构成一个空压机组，空气压缩机的机械动力来自透平机和膨胀机。
参见图1，采用上述中压法硝酸生产工艺的生产设备，包括依次连接的氨空混合器6、氧化反应器3、换热器7、快冷器9、一体化塔和分子筛吸附罐13；氧化反应器3内依次设有铂催化剂层4和N2O分解催化剂层5；换热器7的热气进口或出口连接有用于加热锅炉给水的加热器8，锅炉给水管连接至汽包15，汽包15的水相出口与气相入口间连接有汽化盘管，汽化盘管设于氧化反应器内，汽包15的气相出口连接有过热盘管，过热盘管设于氧化反应器3内汽化盘管的下方，过热盘管的出口连接有透平机16；快冷器9内设有气液分离装置，气体出口和液体出口均与一体化塔连接；分子筛吸附罐13的尾气出口与换热器7的冷气入口连接，换热器7的冷气出口连接有膨胀机16，分子筛吸附罐13的再生气出口与氨空混合器6连接。
一体化塔通过丝网分隔成上下两部分，上部为吸收塔12、下部为漂白塔11，丝网具有良好的除泡作用，在吸收塔12顶部的尾气出口处也设有丝网。吸收塔12上部设有喷淋脱盐水的喷淋水管和用于降温的循环水管，漂白塔11底部设有硝酸出口。
吸收塔12的尾气出口连接有两个并联设置的分子筛吸附罐13，通过换向阀动态调节分子筛吸附罐13的状态。具体的工作状态描述如下：
【状态一】含NOx的尾气从第一分子筛吸附罐的A端进入，经碳分子筛吸附净化后从A'端排出，已净化气体经过换热器7并吸收热量，再经膨胀机2回收能量，然后再通过排气筒14排空；作为解吸气的工艺空气从第二分子筛吸附罐的B'端进入，解吸后得到的再生气从B端排出，再生气返回至氨空混合器6，与混合气体混合；
【状态二】含NOx的尾气从第二分子筛吸附罐的B端进入，经碳分子筛吸附净化后从B'端排出，已净化气体经过换热器7并吸收热量，再经膨胀机2回收能量，然后再通过排气筒14排空；作为解吸气的工艺空气从第一分子筛吸附罐的A'端进入，解吸后得到的再生气从A端排出，再生气返回至氨空混合器6，与混合气体混合。
还包括空气压缩机1，空气压缩机1的工艺气管连接至氨空混合器6、漂白塔11和分子筛吸附罐13，空气压缩机1的机械动力来自透平机16和膨胀机2的化学能转化。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种中压法硝酸生产工艺，其特征在于，其工艺步骤如下：
S1：将氨气按照一定氨空比与空气混合，再将混合气体通入氧化反应器；
S2：混合气体在氧化反应器中进行氨的催化氧化反应，反应温度为800℃～950℃，氨氧化压力为0.5～0.6MPa，生成含有NOx的一次气体；
S3：一次气体经热回收和快速冷却分离处理后，再将得到的含NOx的二次气体和一次稀硝酸通入一体化塔，一体化塔的上部为吸收塔、下部为漂白塔；
S4：二次气体通入吸收塔底部，吸收塔顶部用脱盐水作为吸收液与二次气体发生两相逆流反应生成硝酸，一次稀硝酸通入吸收塔相应酸浓度的塔盘处，吸收压力为0.5～0.6MPa，硝酸落入漂白塔进行NOx脱除处理，含NOx的尾气从吸收塔顶部排出；
S5：步骤4中含NOx的尾气采用分子筛进行变温吸附处理，净化后的尾气先经步骤S3中的换热器吸收热量，再经膨胀机回收能量，然后再排空；分子筛上解吸后得到的再生气与步骤S1中的混合气体混合。
2.根据权利要求1所述的中压法硝酸生产工艺，其特征在于，步骤S5中至少设有一组分子筛吸附罐，每组包括两个并联设置的分子筛吸附罐；组内两个分子筛吸附罐在吸附状态和解吸状态之间动态变换，当一个为吸附状态时，另一个为解吸状态。
3.根据权利要求1或2所述的中压法硝酸生产工艺，其特征在于，步骤S3中换热器的热侧进口或出口连接有加热器，锅炉给水经加热器加热后进入汽包，再通过盘管在氧化反应器内被加热、汽化和过热，生成的过热蒸汽通过透平机回收能量。
4.根据权利要求1或2所述的中压法硝酸生产工艺，其特征在于，步骤S2中混合气体经过铂催化剂层反应生成NOx，再通过N2O分解催化剂层将N2O分解生成氮气。
5.根据权利要求1或2所述的中压法硝酸生产工艺，其特征在于，步骤S1中的空气来自空气压缩机，空气压缩机的全部或部分机械动力来自步骤S5中的膨胀机。
6.一种中压法硝酸生产设备，其特征在于，包括依次连接的氨空混合器、氧化反应器、换热器、快冷器、一体化塔和分子筛吸附罐；换热器的热侧进口或出口连接有用于加热锅炉给水的加热器，锅炉给水管连接至汽包，汽包的水相出口与气相入口间连接汽化盘管，汽化盘管设于氧化反应器内，汽包的气相出口连接过热盘管，过热盘管设于氧化反应器内汽化盘管的下方，过热盘管的出口连接透平机；分子筛吸附罐的尾气出口与换热器的冷侧入口连接，换热器的冷侧出口连接膨胀机，分子筛吸附罐的再生气出口与氨空混合器连接。
7.根据权利要求6所述的中压法硝酸生产设备，其特征在于，所述一体化塔通过丝网分隔成上下两部分，上部为吸收塔、下部为漂白塔。
8.根据权利要求6或7所述的中压法硝酸生产设备，其特征在于，还包括至少一台空气压缩机，空气压缩机的工艺气管连接至氨空混合器、漂白塔和分子筛吸附罐，空气压缩机的全部或部分机械动力来自所述透平机和膨胀机。
9.根据权利要求6或7所述的中压法硝酸生产设备，其特征在于，所述吸收塔的尾气出口连接至少一组分子筛吸附罐，每组包括两个并联设置的分子筛吸附罐，通过换向阀动态调节分子筛吸附罐的状态。
10.根据权利要求6或7所述的中压法硝酸生产设备，其特征在于，所述氧化反应器内依次设有铂催化剂层和N2O分解催化剂层。
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