TW201336779A - 製備硝酸之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種用以自氨及氧氣(oxygenous gas)藉由單壓或雙壓製程製備硝酸之方法及裝置，其中使用的氨之氧化係藉由壓縮處理空氣完成，其係被壓縮於至少一個壓縮器中的觸媒之上，且由氧化所形成的亞硝氣(nitrous gas)係至少部分由水吸收，形成硝酸，且未吸收的剩餘氣體係膨脹以使回復壓縮器作用於至少一個多段剩餘氣體渦輪機(1)，本發明方法及裝置之屬性特徵在於，至少在硝酸工廠啟動及/或停機期間，抽出在多段剩餘氣體渦輪機(1)中流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)的子流(3)及任意地在該多段剩餘氣體渦輪機(1)上游抽出供應至多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4a)的子流(2)，且抽出的介質係被供應至煙道(5)，子流(3)的抽出發生在二或多個剩餘氣體渦輪段之間。本方法可有效避免剩餘氣體渦輪機之冰凍。

Description

製備硝酸之方法及裝置
本發明關於一種用以製備硝酸的方法，在此製備過程中，在工廠的啟動及停機中，使用用於剩餘氣體渦輪機之經選擇控制方法。本發明亦關於用以製備硝酸之相應地經改造工廠。根據本發明之方法及發明的工廠允許完美的硝酸工廠之啟動及停機，包括裝備有高性能剩餘氣體膨脹器之工廠。
硝酸為化學工業中重要的商品，且作為例如用以製造肥料、炸藥之基礎，以及在製造染料及殺菌劑中用以硝化有機物質。
從20世紀早期，硝酸已由Ostwald方法製造，迄今，大規模工業製造係以Ostwald方法為基礎。此反應係氨的觸媒反應。形成的一氧化氮反應成二氧化氮，由二氧化氮與水反應形成在滴流塔中可被移除的硝酸。此方法係被描述於Mundo/Weber之“Anorganische Stickstoffverbindungen”[Inorganic Nitrogen Compounds],Carl Hanser Verlag Munich Vienna 1982之刊物中，及WO 01/68520A1中。
為了製備硝酸，氨NH3通常先與空氣反應以獲得氧化氮NO，氧化氮接著氧化成二氧化氮(NO2)。
接著，因此而獲得的二氧化氮(NO2)係在水中被吸收以形成硝酸。所得到的二氧化氮(NO2)之最大量係由 水吸收，一般吸收係在高溫，較佳在4及14巴之間的壓力下進行。
針對作為原料之氨的轉化所需的氧係一般以大氣氧的形式供應。針對供應的目的，處理空氣係在壓縮器中經壓縮，且達到適合氧化反應也適合吸收反應的壓力。
通常，先在由環境壓力吸收而離開的剩餘氣體之剩餘氣體膨脹器中藉由減壓以獲得用於壓縮氣體的能量，其次，憑藉利用反應中釋放的熱以獲得用於壓縮氣體的能量。以各種設計構成的硝酸工廠係符合每個地點的特定需求。
特別當所需的每日產量低時，使用單壓製程。在這些例子中，硝酸工廠較佳係藉由單高壓製程或藉由單中壓製程操作。在單高壓製程中，氨的燃燒及氧化氮的吸收係在約>8巴的相同壓力中進行。單高壓製程的優點是確保為緊密設計。
在單中壓製程中，氨的燃燒及氧化氮的吸收係在約<8巴的相同壓力中進行。單中壓製程的優點是確保為最理想的燃燒產率。
若相反的，需要高標示容量及/或相對高酸濃度，藉由雙壓製程操作硝酸工廠為更經濟的解決方案。在雙壓製程中，使用的氨之燃燒係在第一壓力完成，也就是在與吸收壓力相比之較低壓力。在燃燒中形成的亞硝氣通常藉由亞硝氣壓縮之冷卻後，使亞硝氣處於第二壓力，也就是吸收壓力。
雙壓製程的優勢是壓力段對於分別的反應是適合的，且因此可確保最適的燃燒產率及集成吸收。
一般來說，完成上述製程的工廠包含至少一空氣壓縮器及用於剩餘氣體之至少一膨脹渦輪機(亦稱作〝剩餘氣體渦輪機〞)及至少一驅動機(例如蒸氣渦輪機或電動馬達)，驅動機提供給使用的機器用於其操作所需的補償能量。
例如，由WO 2009/146758A1及WO 2011/054928中已知此種工廠。
相對於穩態操作，在硝酸工廠之啟動及停機操作中，單元在標準條件下不運轉，且經常需要額外調整。
從關閉/冷狀態啟動的過程中，硝酸工廠通常先填充帶有外部能量輸入的空氣(例如外部蒸汽及/或動力)(〝空氣操作〞)。在啟動操作的期間，NOx之第一排出一發生就以來自儲存容器之硝酸填充吸收塔，且酸中存在的NO2氣係由空氣吹熄，且在現代工廠中，排出在填充操作期間形成的NOx。填充操作結束時，接著先停止排出NOx，直到硝酸工廠中之NH3氧化開始(〝點燃〞)。點燃後，工廠中的溫度及NOx濃度不斷地上升至穩態操作值，且個別工廠機件可從特定時間如計畫般操作。
硝酸工廠的停機中，先停止NH3氧化。來自吸收塔出口的NOx濃度不斷地降低，且溫度平行下降。因不再能遵從穩態操作值，在此，從特定時間，亦無法如計畫般操作個別工廠機件。
美國專利第4,869,890A號及美國專利第4,330,520A號揭露了用以由氨及氧氣製備硝酸的工廠，其包含氣體壓縮器、剩餘氣體渦輪機、煙道及分流線路，分流線路係安排在剩餘氣體渦輪機上游，且剩餘氣體流可透過分流線路直接被導至煙道。
德國專利第102 11 964 A1號揭露了用以從氨及氧氣製備硝酸的工廠，其包含氣體壓縮器、剩餘氣體渦輪機及分流或次級線路，分流或次級線路係安排在剩餘氣體渦輪機的上游，且至少一子流可藉由分流或次級線路直接通過至排氣管。
英國專利第807,885A號揭露了在大氣壓力下從氨及含氧氣體製備硝酸的工廠，其包含氣體壓縮器、剩餘氣體渦輪機及分流線路，分流線路係安排在剩餘氣體渦輪機上游，且至少一子流可藉由分流線路直接通過至煙道。此文件另外提到，在硝酸工廠的啟動或操作期間，在剩餘氣體渦輪機上游抽出供應至剩餘氣體渦輪機之介質的子流並供應至煙道。
在硝酸工廠的操作中，為減少操作成本，達到剩餘空氣渦輪機的高功效是令人嚮往的。針對此目的，在工廠的啟動或停機操作期間流經剩餘氣體渦輪機之介質的入口溫度必須足夠高，使離開剩餘氣體渦輪機的氣體不會冰凍。特別在具有高功效之剩餘氣體渦輪機之例子中，與習知剩餘氣體渦輪機相比，因具有經改善功效之剩餘氣體渦輪機對於相同的入口溫度能更顯著地冷卻流經剩餘氣體渦輪機 之介質，故增加了冰凍的風險。然而，在啟動過程中及/或停機過程中，並不一定可將流經剩餘氣體渦輪機之介質加熱至所需的溫度。
相對於工廠的正常操作，在啟動及/或停機期間，流經剩餘氣體渦輪機之介質之入口溫度通常係較低的。
因此，剩餘氣體渦輪機的功效係受限於在啟動及/或停機期間流經剩餘氣體渦輪機之介質，以避免在啟動及/或停機期間冰凍剩餘氣體渦輪機。
本發明之目的是最佳化已知用於製備硝酸之單壓及雙壓製程，使以上詳述之這些工廠於啟動或停機過程中之問題可被避免。本發明之進一步目的係提供用以完成這些製程之工廠，並能使用高效能的剩餘氣體渦輪機，以此降低操作成本。
本發明之另一個目的即為使用習知膨脹器及早期被啟動之剩餘氣體純化單元所加熱到現在之剩餘氣體，使硝酸工廠之無色啟動成為可能。
本發明係關於一種用以自氨及氧氣(oxygenous gas)藉由單壓或雙壓製程製備硝酸之方法，其中使用的氨之氧化係藉由壓縮處理空氣完成，壓縮處理空氣係被壓縮於至少一個壓縮器中的觸媒之上，且由氧化所形成的亞硝氣(nitrous gas)係至少部分由水吸收，形成硝酸，且未吸收的剩餘氣體係膨脹以使回復壓縮器作用於至少一個多段 剩餘氣體渦輪機(1)，該方法包含，至少在硝酸工廠啟動及/或停機期間，抽出在該多段剩餘氣體渦輪機(1)中流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)的子流(3)及任意地抽出被供應至該多段剩餘氣體渦輪機(1)上游之該多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4a)之子流(2)，及供應抽出之介質至煙道(5)，子流(3)的抽出發生在二或多個剩餘氣體渦輪段之間。
根據本發明的方法中，流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)之子流(3)係從多段剩餘氣體渦輪機(1)抽出且供應至在剩餘氣體渦輪機(1)之出口側上之煙道(5)。子流(3)的抽出發生在二或多個剩餘氣體渦輪段之間。
根據本發明所用之剩餘氣體渦輪機(1)的設計，係符合可抽取之蒸汽渦輪機的基本觀念，被稱之為抽取渦輪機。
子流(3)抽出期間，在多段剩餘氣體渦輪機(1)的例子中，抽出之剩餘氣體擴張器段的效率係因下流(lower flow)而降低。可藉由抽出裝置(6)控制抽出比例，例如手動閥及/或調節閥；另一選項則為抽出比例之自動化控制，例如藉由電腦控制閥。
此外，剩餘氣體渦輪機(1)及/或煙道(5)之出口中的剩餘氣體溫度，可以藉由根據本發明方法之手段而被設定至需要的溫度。
根據本發明之方法的進一步變形中，多段剩餘氣體渦 輪機(1)之上游，也就是剩餘氣體渦輪機子流(2)，同樣地會減少被供應至剩餘氣體渦輪機之介質(4a)的量，並且通過剩餘氣體渦輪機(1)進入煙道(5)。
這同樣地具有通過多段剩餘氣體渦輪機(1)之經縮減流會降低效率的效應，並且由於來自渦輪機之介質的出口溫度被升高，經縮減的擴張會發生在多段剩餘氣體渦輪機(1)。這同樣地避免掉多段剩餘氣體渦輪機(1)的冰凍風險。
根據本發明之硝酸工廠運作的模式，係主要在工廠啟動及/或停機階段受到影響。然而，穩定運作期間亦然，根據本發明之方法的手段可以被應用於調節工廠內的運作參數。
根據本發明之方法係藉由透過單壓製程或雙壓製程之氨及氧氣而製造具有40至76%之濃度範圍的硝酸，其中所使用氨之燃燒會伴隨著壓縮處理空氣，其係已在至少一個壓縮器中被壓縮。
由氧化所形成的亞硝氣係至少部分由水吸收，形成硝酸。為了回復壓縮器作用的目的，未經吸收的剩餘氣體係在一台或多於一台剩餘氣體渦輪機(亦稱作氣體膨脹器)中膨脹，較佳膨脹成環境壓力。
使用的氧氣為通常空氣，但使用含氧豐富的空氣亦為有利的。
本發明關於在包含至少一個具有至少兩段的剩餘氣體渦輪機(1)之工廠中實施的方法。
本發明特別關於一種方法，其中提供以流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之部分介質(4a)係藉由多段剩餘氣體渦輪機(1)之上游之作為子流(2)之分流而分支，並經由分流而被移除至煙道(5)。
本發明特別關於一種方法，其中使用多段剩餘氣體渦輪機(1)，且流經剩餘氣體渦輪機(1)之部分的介質(4)在離開一段渦輪段後，在下游渦輪段之前被分流分支成子流(3)，並經由分流而被移除至煙道(5)。
在根據本發明之方法的特佳具體實施例中，離開多段剩餘氣體渦輪機之介質(4b)的溫度用於抽出裝置(6)之控制參數，較佳為閥，以調整自分流移除之介質比例的量作為子流(2，3)。
本發明特別關於一種在工廠中實施的方法，工廠包含至少一吸收裝置用以吸收水中的亞硝氣。
本發明再提供一種用以實施上述方法之裝置。
此裝置包含：一台驅動機(例如蒸氣渦輪機或電動馬達)，驅動機提供給使用的機器用於其操作所需的補償能量；至少一台氣體壓縮器；至少一台剩餘氣體渦輪機(1)及至少一個煙道(5)，且至少一道分流線路設置在多段剩餘氣體渦輪機(1)中，用以在二或多個剩餘氣體渦輪段之間抽出流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)之至少一道子流(3)，及任意地多段剩餘氣體渦輪 機(1)之上游用以抽出供應至多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4a)之至少一道子流(2)，且用以將子流(2，3)引入煙道(5)。
藉助於根據本發明方法，可以立即並以保護材料的方式啟動及關機用以製備硝酸的工廠，而不會有任何冰凍剩餘氣體渦輪機(1)之風險。特別在使用具有高功效之剩餘氣體渦輪機(1)之例子中，因可確實避免剩餘氣體渦輪機(1)之冰凍，故根據本發明之方法得到高水準的操作可靠性。
圖1以圖式的方式描述根據本發明方法之變形或發明裝置之機件之變形。
此顯示部分硝酸工廠(7)之非詳細圖示，硝酸工廠(7)通向多段剩餘氣體渦輪機(1)。藉由剩餘氣體渦輪機(1)中及上游之分流抽出流經多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)的子流(2，3)或供應至多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4a)的子流(2，3)，且供應至煙道(5)。抽出率可藉由閥(6)調節。離開多段剩餘氣體渦輪機之介質(4b)亦同樣的供應至煙道(5)。
1‧‧‧多段剩餘氣體渦輪機
2‧‧‧子流
3‧‧‧子流
4‧‧‧介質
4a‧‧‧介質
4b‧‧‧介質
5‧‧‧煙道
6‧‧‧閥
7‧‧‧硝酸工廠
圖1以圖式的方式描述根據本發明方法之變形或發明裝置之機件之變形。
1‧‧‧多段剩餘氣體渦輪機
2‧‧‧子流
3‧‧‧子流
4‧‧‧介質
4a‧‧‧介質
4b‧‧‧介質
5‧‧‧煙道
6‧‧‧閥
7‧‧‧硝酸工廠

Claims (13)

  1. 一種用以自氨及氧氣(oxygenous gas)藉由單壓或雙壓製程製備硝酸之方法，其中使用的氨之氧化係藉由壓縮處理空氣完成，該壓縮處理空氣係被壓縮於至少一個壓縮器中的觸媒之上，且由氧化所形成的亞硝氣(nitrous gas)係至少部分由水吸收，形成硝酸，且未吸收的剩餘氣體係膨脹以使回復壓縮器作用於至少一個多段剩餘氣體渦輪機(1)，該方法包含，至少在硝酸工廠啟動及/或停機期間，抽出在該多段剩餘氣體渦輪機(1)中流經該多段剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)的子流(3)及供應抽出之該介質至煙道(5)，該子流(3)的抽出發生在二或多個剩餘氣體渦輪段之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該多段剩餘氣體渦輪機(1)之上游抽出供應至該多段剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4a)之子流(2)，且抽出之該介質係供應至該煙道(5)。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中流經該多段剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4)之子流(3)係從該多段剩餘氣體渦輪機(1)抽出且供應至在該剩餘氣體渦輪機(1)之出口側上之該煙道(5)。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中流經該多段剩餘氣體渦輪機(1)之部分該介質(4)，在離開渦輪段後係藉由在下游渦輪段前之分流(bypass)而分支為子流(3)，並經由分流而被移除至該煙道(5)。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該子流(2，3)之抽出率係藉由抽出裝置(6)控制，較佳藉由手動閥及/或調節閥。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該子流(2，3)之抽出率係用以設定自該剩餘氣體渦輪機出口中及/或該煙道(5)中的剩餘氣體溫度至所需的溫度。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該硝酸工廠啟動及/或停機期間，在該多段剩餘氣體渦輪機(1)中抽出流經該多段剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4)之子流(3)，且任意地在該剩餘氣體渦輪機(1)之上游抽出供應至該剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4a)之子流(2)，且抽出的該介質係供應至該煙道(5)。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中流經該多段剩餘氣體渦輪機(1)之部分該介質(4a)係藉由該多段剩餘氣體渦輪機(1)之上游之分流而分支，並經由該分流而被移除至該煙道(5)。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中離開該多段剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4b)的溫度作為抽出裝置(6)的控制參數，以調整經由該分流移除之介質(4)比例的量作為子流(2，3)。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其係在包含至少一個吸收裝置之工廠中進行，該吸收裝置用以吸收水中的亞硝氣。
  11. 一種用以操作如申請專利範圍第1項之方法的裝 置，其包含至少一個氣體壓縮器、至少一個多段剩餘氣體渦輪機(1)及至少一個煙道(5)，且至少一道分流線路設置在該多段剩餘氣體渦輪機(1)中，用以在二或多個剩餘氣體渦輪段之間抽出流經該剩餘氣體渦輪機(1)之介質(4)之至少一道子流(3)，且任意地用以將該子流(3)引入該煙道(5)。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中提供至少一道分流線路，其係設置在該多段剩餘氣體渦輪機(1)之上游，並用於抽出供應至該多段剩餘氣體渦輪機(1)之該介質(4a)的至少一道子流(2)，且用以將該子流(2，3)引入該煙道(5)。
  13. 如申請專利範圍第11或12項之裝置，其中設置在該分流線路中之至少一個抽出裝置(6)可被用以調整該子流(2，3)的量。
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