年产10万吨稀硝酸工段课程设计

目录前言1第一章 总论11.1 硝酸工业的概况及发展趋势11.1.1 国外硝酸工业的现状及发展趋势11.1.2 国内硝酸工业的现状及发展趋势21.2 硝酸的性质31.2.1 硝酸的物理性质31.2.2 硝酸的化学性质31.3 硝酸的用途4第二章 稀硝酸生产流程综述42.1 双加压法42.2 稀硝酸生产流程的确定52.3 稀硝酸生产的主要原理6第三章 氨的接触氧化原理63.1 氨的接触氧化原理73.2 催化剂的选择73.3 铂系催化剂83.3.1 化学组成83.3.2 物理性状83.3.3 铂网的活化、中毒及再生93.3.4 铂网的损失和回收103.4 氨催化氧化的反应动力学103.5 工艺条件的确定113.6 混合气组成133.7 爆炸及其防止133.8 氨接触氧化工艺流程153.8.1 空气和氨的净化153.8.2 混合气体的配制153.8.3 反应热的利用153.8.4 工艺流程简述16第四章 一氧化氮的氧化164.1 一氧化氮氧化机理174.2 氧化反应的影响因素174.3 一氧化氨氧化的工艺流程18第五章 氮氧化物的吸收185.1 氮氧化物吸收机理195.2 工艺条件的确定195.2.1 吸收温度195.2.2 操作压力195.2.3 气体组成19第六章 工艺计算206.1 物料衡算206.1.1 反应器（氧化）206.1.2 废热锅炉（WHB）和冷却-冷凝器226.1.3 吸收塔256.1.4 生成的酸276.1.5 总收率286.1.6 放大至所需生产的速率286.2 能量衡算296.2.1 压缩机（透平机）296.2.2 氨气化306.2.3 氧化器30第七章 主要设备的工艺计算和选型327.1 氢氧化炉327.1.1 设备简介337.1.2 工艺计算及选型337.2 酸吸收塔347.3 其他设备选型357.3.1 尾气透平膨胀机：向心式膨胀器 P320-35/11-11357.3.2 离心式压缩机：DA-1000-5135第八章 车间设备布置37第九章 硝酸尾气的处理389.1 溶液吸收法389.1.1 碱液吸收389.1.2 亚硫酸溶液吸收法399.1.3 延长吸收法399.1.4 用稀硝酸加钒盐吸收法399.1.5 硝酸吸收法409.2 固体物质吸收或吸附法409.2.1 固体物质吸收法409.2.2 固体吸附法409.3 催化还原法40第十章 设计总结与讨论41致谢43参考文献44附录：工艺流程图，设备布置图,吸收塔流程图前言经过 3 个礼拜在各个化工厂的认识和生产实习，我深刻理解化工设计的真谛。实习结束后，开始了长达 3 个礼拜的化工工艺设计，本着理论与实际相结合的原则，我选择以稀硝酸生产为题材的化工设计。此次化工设计的训练，进一步巩固加深了所学的基础理论、基本技能和专业知识，使之系统化、综合化，对我以后的工作和生活一定会起到重要作用的。本设计是根据课程设计要求进行编写的，内容是年产 10 万吨稀硝酸（HNO3）生产工艺设计。为了全面介绍稀硝酸工艺过程设计的基本内容、基本原理，本设计共分为五章。第一章概述了硝酸的现状和趋势、硝酸的物理化学性质、用途和生产发展；第二章较详细地论述了稀硝酸的主要生产方法和本设计生产流程的确定；第三章、第四章、第五章重点阐述了稀硝酸生产中各个环节的工艺流程及其工艺选择的原理，并在本设计结尾附有该工艺流程的 CAD 图；第六章进行了物料和能量的工艺计算；第七章简单介绍了主要设备的选型，并在本设计结尾附有氧化炉设计图；第八章介绍了车间的布置的基本要求和原则，并在本设计后面附有稀硝酸车间布置图；第九章介绍了目前处理硝酸尾气的各种方法，并对这些方法做了合理化选择；第十章对本设计进行了全面的总结和讨论。最后附有参考文献。第一章 总论1.1 硝酸工业的概况及发展趋势1.1.1 国外硝酸工业的现状及发展趋势目前各国硝酸工业的发展趋势是随着合成氨和硝酸磷肥的生产装置大型化而采用大机组、大装置，合理提高系统压力，提高产品浓度，降低原材料及能量的消耗，降低尾气排放浓度，以减少对大气的污染。硝酸工业形成了如下的趋势：（1） 、生产规模大型化，目前最大装置为 2000t/d；（2） 、装置高压化；（3） 、产品多样化，可生产浓、稀两种产品；（4） 、 尾气排放达标，目前大型装置上，特别是双加压装置已实现了 15010-6的指标；（5） 、催化剂不断改良；（6） 、能量回收合理化；（7） 、总体技术提升。由于稀硝酸是半成品，其主要用途是用于制造浓硝酸、硝酸铵等，在此，借浓硝酸在国外的生产情况来反映稀硝酸在国外的生产现状。目前，世界上浓硝酸的生产能力约为 300 万吨/年，2000 年总产量为 260万吨，我国浓硝酸产量 82.48 万吨，居世界首位。世界浓硝酸的装置能力如下：表 1 世界浓硝酸装置能力及产量国别 装置能力（万吨/年） 开工率（%）美国 32.5 100加拿大 30.75 90墨西哥 17.4 66西欧 82.0 85日本 24.45 80中国 90 92总计 3001.1.2 国内硝酸工业的现状及发展趋势从近几年硝酸行业发展来看，在国内硝酸盐行业超常规发展冶金和医药等下游需求快速增长的推动下，我国硝酸行业的发展步伐大大加快。2006 年全国硝酸产量达到了 181.78 万吨，同比增长了 12.6%，增速同比下降了 11.4 个百分点，但依然实现较快增长，当年进口量 3.12 万吨，出口量 1.2 万吨，观消费量为 183.7 万吨，同比增长 14.3%，表明下游需求旺盛。进入 2007 年，在硝酸下游消费稳中有增的利好因素下，行业继续保持着较好的增长势头，一季度硝酸累计产量为 47.54 万吨，同比增长 14.35%，进口480 吨出口 1854 吨，表观消费量为 47.4 万吨，同比增长 14.78%。从我国硝酸工业的发展趋势来看，2006 年产能的过快增长已经使得影响行业健康发展的不利因素凸显。2006 年上半年，浓硝酸企业外购的合成氨、原料煤、电力、铁路运价及各种辅助材料价格的大幅度上涨，加之因铁路提速而大增的自备槽车改造和安全评估费用，使浓硝酸的生产成本大幅度上升。而同时浓硝酸市场价格跳水，行业利润暴跌，许多企业被迫减产甚至停产，市场供应量大幅度波动，价格跌宕不稳。2007 年以来，由于市场需求较旺，硝酸价格止跌回稳，5 月以来强势上行，其中华东市场浓硝酸（98%）价格从 4 月底 2300/吨上升至 5 月上旬的 2350 元/吨。可见硝酸工业还是很有前景的，但高价格将诱发硝酸生产恢复，增加供应量，导致价格波动，总的看来，产能增长过快仍然是硝酸行业难以承受的压力。同时人们越来越重视环境保护。因此本设计将从节能、提高氨利用率、降低铂耗、提高成品酸、降低尾气排放等方面来降低成本从而提高工业生产的利润。1.2 硝酸的性质1.2.1 硝酸的物理性质硝酸(nitric acid)，又名硝镪水或氮酸。纯硝酸（100% HNO3）为无色透明，具有窒息性与刺激性的液体，相对密度 1.522，沸点 83.4 C，熔点-41.5 C。硝酸腐蚀性很强, 属一级无机酸性腐蚀品，能灼伤皮肤,也能损害粘膜与呼吸道，与蛋白质接触生成鲜明的黄蛋白酸黄色物质。在-41时，呈白色雪状晶体，不稳定，在常温下分解出红棕色的二氧化氮,光和热能促其分解更快,溶于水,可以任何比例混合,溶解时放热。68.4%硝酸为恒沸混合物,具有最高沸点 121.9,溶点-42(75%HNO3)。工业硝酸依 HNO3 量多少可分为浓硝酸（96%98% HNO3）和稀硝酸（45%70% HNO3） 。纯硝酸是无色透明的发烟液体 ,一般商品都带且有微黄色有刺激性气味。1.2.2 硝酸的化学性质硝酸是强酸之一，氧化性很强。除金、铂及某些其它稀有金属外，各种金属都能与稀硝酸作用生成硝酸盐，如硝酸银、硝酸钠等。硝酸能使铁、铝、铬、钙等钝化而不致继续侵蚀。非金属硫、磷、硼能被硝酸氧化成相应的酸，碳则被氧化成 CO2。硝酸还能够使有机物氧化和硝化。硝酸作为氮的最高价(+5)水化物，具有很强的酸性，一般情况下认为硝酸的水溶液是完全电离的。浓硝酸具有强烈的硝化作用，与硫酸制成的混酸能与很多有机化合物结合成硝化物，如硝基苯、硝基萘、三硝基甲苯、硝化甘油等。浓硝酸还是强氧化剂，除金、铂、铑、铱外，可将所有金属氧化。将浓硝酸按 1:3 的比例与盐酸混合，其混合液称为王水。此溶液中含有氯化亚硝酰，并放出游离氯，游离氯是一种强氧化剂：HNO3+3HCl=NOCl+Cl2+2H2O, 这就是各种金属包括金、铂等之所以溶于王水中的原因所在。1.3 硝酸的用途硝酸是基本化学工业重要的产品之一，产量在各类酸中仅次于硫酸。其用途如下：（1） 制造化肥：硝酸大部分用于生产硝酸铵和硝酸磷肥。（2） 制造硝酸盐：硝酸可用于制造金属硝酸盐，如：硝酸钠、硝酸镁、硝酸锂、硝酸铷等。硝酸锂熔点 264，分解温度为 600，用于热交换载体。硝酸铷是制备丁二烯的催化剂。（3） 有机合成原料：浓硝酸可将苯、蒽、萘和其他芳香族化合物硝化制取有机原料。如硝酸和硫酸的混酸（工业上常用由 30%与苯反应，生成硝基苯，再加氢生成苯胺，它是合成染料、医药、农药的中间体。（4） 制造草酸以农作物废料如玉米蕊、甘蔗渣、谷壳、花生壳等为原料与硝酸反应，制取草酸，硝酸与丙烯或乙烯、乙二醇作用也可制取草酸。（5） 军火工业硝酸除用于制造 TNT 炸药，还用它精制提取核原料。钚是重要的核燃料，在精制过程中，先将钚转化成 Pu(NO3)4溶液，再萃取分离。（6） 合成香料硝酸与二甲苯反应制得二甲苯麝香气味，广泛用于调配化妆品、皂用及室内用香料。此外,硝酸还用于化学试剂及有色金属酸洗涤。也用来鉴别含有蛋白的物质加羊毛,羽毛等。第二章 稀硝酸生产流程综述2.1 双加压法此法氨的氧化采用中压（0.350.6MPa）,NOX 的吸收采用高压（1.01.5MPa） 。我国于 1986 年在山西天脊集团建成 2 套 920t/d 的双加压法生产装置，形成 540Kt/a 规模，为我国硝酸工业的技术提高起到了推动作用。此法吸收全中压法和高压法的优点，并可采用比全高压法更高的吸收压力，对工艺过程更为适用。使氨的损耗与铂催化剂的损耗较少，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，经济技术指标最优化，生产成本低，尾气中 NOX 含量低，是彻底的清洁技术，符合国际上的排放要求，基建投资适度，能量回收综合利用合理，是最具发展的流程。缺点是流程复杂，设备制造要求高，操作控制要求严，管理水平要求高。 衡量一种工艺流程优劣的标准，主要是技术经济指标和设备的投资。而氨氧化法生产稀硝酸的技术经济指标主要包括氨耗、铂耗、电耗和冷却水消耗等。表 2 三种稀硝酸生产工艺的主要技术经济指标生产方法 常压法 加压法 综合法项目 常压法 中压法 高压法常压氧化-加压吸收双加压法氧化压力/MPa（绝）0.110.22 0.45 0.80.9 0.10 0.45吸收压力/MPa（绝） 0.0980.1800.40 0.70.8 0.35 1.1氨氧化率% 9697 96 95 9697 96酸吸收率% 8592 98 97 96 99.7成品酸度% 4045 5053 5355 4345 5860尾气 NOX浓度（10 -3）510 1.01.5 2.02.5 2.5 0.2吨酸总氨耗/t0.3080.3300.293 0.304 0.290 0.283吨酸铂耗/g 0.06 0.10.180.20.06 0.12.2 稀硝酸生产流程的确定尽管稀硝酸生产流程很多，但衡量一个流程的优劣应根据实际条件的不同，如生产规模，成品酸浓度要求，氨原料成本及公用工程费用等，采用不同流程。通过上节的比较，可知全中压法与双加压法较优。由于本设计的生产规模是年产 6 万吨稀硝酸，而双加压法单机组生产能力大，适用于较大型硝酸装置，所以本设计选用中压法流程来生产稀硝酸。其工艺流程方块图见下图：液氨 氨过滤器 氨预热器 氨蒸发器文氏管混合器混合过滤 器氧化炉空气 泥袋过滤器 空气透平压缩机机 素瓷过滤器 副产蒸汽水冷却器 尾气预热器 水加热器 废热锅炉尾气 尾气透机平放空第一吸收塔 第二吸收塔10%11%稀硝酸 冷凝水二次空气稀硝酸生产工艺流程图2.3 稀硝酸生产的主要原理氨接触氧化法制硝酸的总反应式为:NH 3+2O2=HNO3+H2O，反应可分三步进行：氨的接触氧化过程：在催化剂的作用下，将氨氧化为一氧化氮，其反应式为:4NH3+5O2=4NO+6H2O （1）一氧化氮氧化过程：将前一过程中生成的 NO 进一步氧化成 NO2，其反应式为：2NO+O2=2NO2 （2）氮氧化物的吸收过程：用水吸收二氧化氮，从而得到产品硝酸，其反应式为：3NO2+H2O=2HNO3+NO （3）用此工艺可生产浓度为 45%60%的稀硝酸。60 年代后，硝酸生产的技术特点是，采用大型化组，适当的提高操作压力。采用高效设备，降低原料及能量消耗，解决尾气中氮氧化物的污染问题。第三章 氨的接触氧化原理3.1 氨的接触氧化原理由于催化剂和反应条件不同，氨与氧相互作用可生成不同的产物4NH3+5O2=4NO+6H2O H=-907.28 KJ/mol (1)4NH3+4O2=2N2O+6H2O H=-1104.9KJ/mol (2)4NH3+3O2=2N2+6H2O H=-1269.02KJ/mol (3)以上均为强烈放热反应。除此之外，还可能发生下列副反应：2NH3=N2+3H2 H=91.69 KJ/mol (4)2NO