毕业论文--- 年产3.3万吨硝酸生产工艺设计

1、 年产3.3万吨硝酸生产工艺设计 目 录一、综述26二、生产流程的确定 67三、生产流程简述、定 三氧化二氮 kg 711四、物料衡算1214五、主要设备选型1417六、原材料、动力消耗1719七、“三废”的处理1921八、参考文献22九、 致谢23一、综述：1、 概述：纯硝酸是无色的液体，其相对密度1.522,沸点83.4，熔点-41.5。工业产品往往含有no2 ,所以略带黄色，硝酸可以和任意体积的水混合，并放出热量。 硝酸是强酸之一，也是强氧化剂，除金、铂及一些稀有金属外，各种金属都能与稀硝酸作用生成硝酸盐；由浓硝酸与盐酸按1：3（体积比）组成的混合液成为“王水”，能溶解金和铂。合成氨工业

2、和硝酸的生产密切相关，氨和空气混合后，通过铂铑合金网（催化剂）便被氧化为一氧化氮。一氧化氮进一步转变为二氧化氮，二氧化氮与水作用变成硝酸。硝酸是一种重要的化工原料，在各类酸中，产量仅次于硫酸，工业硝酸依hno3含量多少分为浓硝酸(96%-98%)和稀硝酸(45%-70%)。稀硝酸大部分用于制造硝酸铵、硝酸磷肥和各种硝酸盐；浓硝酸主要用于国防工业，是生产三硝基甲苯(tnt)、硝化纤维、硝化甘油等的主要原料。生产硝酸的中间产物液体四氧化二氮是火箭、导弹发射的高等原料。硝酸还广泛用于有机合成工业；用硝酸将苯硝化并经还原制得苯胺；用硝酸氧化苯可制造邻苯二甲酸，均用于染料生产。此外，制药、塑料、有色金属

3、冶炼等方面都需要用到硝酸。由此可知，硝酸工业、在国民经济、国防工业和航天事业中占有重要地位，根据国家原石油和化学工业局1998年统计报告，目前中国浓硝酸产量为71.52万t(折100%未包括台湾)。现今稀硝酸的生产流程有十几种之多，各种流程几乎都是以操作压力来分类，归纳起来不外有以下三种：（1） 常压法 氨氧化及酸吸收均在常压下进行，这种方法因压力低，氨氧化率高，铂损耗低，设备结构简单，多用6-12个串联的吸收塔。早期吸收塔多用耐酸材质，如花岗石或耐酸砖砌成，现金用塑料和不锈钢制成。常压法缺点是成品酸中hno3含量低，排放的尾气中氮氧化物含量高，环境污染严重，尾气需作处理。吸收容大，占地多，损

4、耗大。（2） 全压法 氨氧化和吸收均在加压下进行。吸收压力可分为两个等级：中压吸收的压力为0.2-0.5mpa，高压吸收为0.7-1.0mpa或更高。全压法因吸收压力高，其no2吸收率以及成品酸中hno3含量都较高。排放尾气中氮氧化物含量低，吸收塔容积小，能量回收率高，但氨氧化率比常压法稍低，而且铂损耗较大。（3） 综合法 氨氧化和吸收分别在两种不同压力下进行。现有两类流程：一为常压氨氧化no2吸收流程；二为中压氨氧化no2吸收流程。前者兼有常压和加压法两者优点：其氨耗和铂损耗比全高压法小，不锈钢用量比全中压法少。后者采用较高吸收压力和较低吸收温度，成品酸中hno3含量可达60%，尾气中氮氧化

5、物含量低于200mg/kg排放。现代的硝酸工业与早期的相比，无论生产规模、生产技术以及工艺流程都有很大的革新和突破。早期多用常压法，只能生产低于50%的稀硝酸，以后由于设备材质、工艺条件的改进，借助于低温和加压的方法，可以生产50%-70%的硝酸，或一种流程可以兼产60%和70%两种不同含量的硝酸。这已成为今后稀硝酸工业的发展趋向。2、 计划任务书的项目来源：本课题来源于生产实际，设计为年产3.3万吨硝酸的工艺流程。本设计以氨和空气为原料，采用全高压法生产65wt%的稀硝酸，设计生产时间为7200h/y，连续化生产。在本设计中，包括生产流程的确定，生产流程简述，物料衡算，主要设备选型，原材料和

6、动力（水、电、汽等）消耗，“三废”处理等。3、 原材料来源及水、电、汽等供应情况:（1）原材料规格： nh3 ： 纯度99.8%h2o ： 0.2% 灰份 ： 10ppm(2)公用工程供应情况:电力： 高压电 低压电频率 50hz 50hz电压 交流6kv 交流380v类型 三相三线 三相三线工厂空气： 压力： 0.6mpa(至少)温度： 常温特性： 无油仪表空气： 压力： 0.6mpa（至少）温度： 常温特性： 无油固体颗粒： 最大小于等于3m露点： -40（常压）蒸汽： 饱和高压蒸汽 中压蒸汽 低压蒸汽 压力 3.5mpa 1.3mpa 0.4mpa温度 244 2005 1555脱盐水：

7、 压力： 0.4mpa 温度： 5-30 电导率： 0.5s/cmfe ： 0.1mg/l sio2 ： 0.1 mg/l ph ： 6.5-7.5工业水： 压力： 0.4mpa 温度： 190.5总硬度： 7.14 mg/l （折cao）总碱： 5.35mg/l cl-： 1.5mg/l 浊度： 10mg/l饮用水： 压力： 0.4mpa 温度： 常温冷却水： 上水 回水压力 0.35mpa 0.23mpa温度 32 41锅炉给水： 压力： 4.0mpa 温度： 95-100 电导率： 5.0s/cm o2含量： 0.015mg/l sio2： 0.1mg/l其它： 液氨从外部购入，储存于耐

8、压球罐中。成品酸存储于成品酸储罐中。尾气中氮氧化物含量小于200ppm，可直接排放。二、生产流程的确定：生产方法为全高压法，氧化压力为1.16mpa,吸收压力为1.12mpa。其优点是：成品酸浓度高，尾气中nox 含量低，设备台数较少，布置比较紧凑。缺点是：氨耗高，铂耗高。设计氨的氧化率为96%，氮氧化物的吸收率为98%。工艺流程简图如下：空气空气入口过滤器压缩机工艺空气/漂白空气空气预热器空气加热器空气出口过滤器氨空混合器液氨液氨过滤器氨蒸发器氨过热器气氨过滤器氨空混合器工艺气体氧化炉废热锅炉尾气加热器铂过滤器空气加热器冷却冷凝器吸收塔第层塔板下尾气尾气预热器尾气加热器尾气膨胀机烟囱三、生产

9、流程简述：1、 流程简述：（1） 氨-空气混合气的制备：空气经进口过滤器进行二级过滤，以除去机械杂质，经过一级过滤除去4m以上粒径杂质，二级过滤除去0.3m以上粒径杂质，0.3m以上粒径杂质的过滤效率达99%以上。经空气压缩机加压至1.203mpa，温度在135，加压之后的空气分为两部分：工艺空气与漂白空气。工艺空气经空气预热器利用中压蒸汽加热到149后进空气加热器进一步加热至251，再经空气出口过滤器进一步过滤后进入氨空混合器与氨气混合。由界区外送来的液氨先经液氨过滤器以除去机械杂质，进入液氨蒸发器、氨过热器蒸发为气氨，再经气氨过滤器过滤后温度达121，压力达1.275mpa，进氨空混合器与

10、空气充分混合，混合后温度达233，压力达1.14mpa。(2) 氨氧化及热量回收：氨-空气混合气进入氧化炉在铂网表面进行氨的催化氧化，铂网温度可达921，氧化率为96%，反应后产生高温工艺气体经废热锅炉后温度降到430，进入尾气加热器温度降到276，与尾气加热器相连的有铂过滤器以回收工艺气体中夹带的铂粒子，工艺气体出铂过滤器后进入空气加热器、冷却冷凝器，工艺气体温度降到57后进入吸收塔。此外在冷却冷凝器中有弱酸析出，此部分弱酸进入第十二层塔板。no的氧化主要在换热系统中进行。(3) 氮氧化物的吸收:吸收塔是泡罩塔，所用吸收剂是脱盐水从吸收塔顶部加入，工艺气体从吸收段第一层塔板下加入，向上与塔板

11、上弱酸逆向接触，在吸收塔内进行吸收与no的循环反应，最后到达塔顶尾气中nox含量低于200ppm，从塔顶排出。由冷却冷凝器析出的弱酸与漂白空气的一部分混合后进入第十二层塔板。成品酸由吸收段进入漂白段。漂白段共有9层塔板，漂白空气从吸收塔底部加入，气提其中的nox，经过漂白之后的成品酸从吸收塔底部排出至hno3贮槽内。在吸收塔第25层至39层塔板上共有34层冷却盘管，利用k2co3溶液作为冷冻剂以吸收反应热。在第一层至23层塔板上共有60层冷却水盘管，利用冷却水移走反应产生的热量。此部分冷却水出吸收塔之后进冷凝器与工艺气体换热后进液氨蒸发器作为液氨蒸发之热源。(4) 尾气流程: 自吸收塔顶部出来

12、之尾气是先经尾气预热器利用蒸汽加热后进尾气加热器进一步用工艺气体加热至350左右，1.204mpa进尾气膨胀机作功后温度降到132左右压力降到0.1013mpa进烟囱排放至大气中。2 、相关反应式及工艺条件:（1） 氨和氧可以进行下列三个方向：4nh3+5o2= 4no + 6h2o h = - 907.28kj （3-1）4nh3 +4o2= 2n2o + 6h2o h = -1104。90kj （3-2）4nh3+3o2 =2n2 + 6h2o h = -1269.02kl （3-3）除此之外，还可能发生下列反应：2nh3 =n2 + 3h2 h = 91.69kj （3-4）2no =

13、n2 + o2 h = -180.60kj （3-5）4nh3 +6no =5n2 +6h2o h = -1810.8kj （3-6）根据nernst公式计算结果，（3-1）（3-2）（3-3）式在900时平衡常数约为：k1=pno4ph2o6/pnh34po25=1058k2=pn2o2ph2o3/pnh32po25=1063k2=pn22ph2o6/pnh34po23=1067由此可见，在工业操作温度为900时，三个反应的平衡常数都很大，实际上都可以为不可逆反应，反应物几乎全部转变为生成物。比较三个反应的平衡常数，以反应式（3-3）为最大。也就是说当该系统处于平衡状态下，最终仅有氮生成。因

14、此，对此多向性反应体系，若想只得到目的产物no，就不能从改变学平衡条件，而应从反应动力学方面去抑制其它反应式的进行。所以我们选择铂作为催化剂，使（3-1）式的反应加快，而抑制其它反应的进行。根据氨氧化压力高，铂耗要求小，氧化炉材质易得等经济原则。我们选择：反应温度 921 氧化压力 1.16mpa 氨空比 0.114（体积比） 液氨流量 1315kg/h 工艺空气流量 20753kg/h为反应条件。(2) no的氧化2no+o2 =2no2 h = -112.6kj （3-7）no+no2=n2o3 h = -40.2kj （3-8）2no2=n2o4 h = -56.9kj （3-9）上述三

15、个反应都是可逆的放热反应，反应应体积减少因而降低温度和加压，均有利反应的进行。由实验可知，温度低于200时no氧化反应视为是不可逆的，只要控制在较低温度下，no几乎可100氧化成no2 ，而且在no2进入吸收塔制酸以前，并无必要将no进行百分百的氧化，而只要氧化到70-80程度就可以了，因此在本流程中no的氧化在不断降温的管道中进行。 (3)nox吸收： 2no + h2o = hno3 + hno2 h = -116.1kj （3-10）n2o4 +h2o = hno3 + hno2 h = -59.2 kj （3-11）n2o3 +h2o = 2hno2 h = -55.7 kj （3-1

16、2）显而易见，式（3-10）和式（3-11）的反应结果都是生成等分子的hno3和hno2。在hno3工业上，实际上n2o3的含量是很少的，故（3-12）式可以省去。亚硝酸性质活泼是很不稳定的，只有在温度低于0，而且浓度极小时，才能稳定存在。因此，在一般工业条件下，hno2会很快按下式进行分解：3hno2 = hno3 + 2no + h2o h=75.9kj （3-13）因而，用水吸收氮氧化物总反应式可以写成：3no2 + h2o = 2hno3 + no h=-136.2kj （3-14）在硝酸吸收塔内no2吸收和no氧化是同时交替进行的，这样就使整个过程变得更加复杂。吸收必须在许多阶段完成

17、，吸收效率在理论上是达不到100%。因为降温和加压有利于no2的吸收，所以在本流程中：no2的吸收压力1.12mpa 吸收过程用冷却水和冷冻水不断进行冷却降温 漂白空气流量 3498kg/h。3、原料成品的贮存：液氨极易汽化，汽化后体积迅速膨胀，吸收大量热。因此，液氨的贮存采用耐压的球罐贮存。hno3具有很强的腐蚀性，因此，贮存hno3的储罐要采用耐腐蚀的材质制成，而且要作好防腐措施。 四 、物料衡算：流程采用1.12mpa的全高压法生产工艺，日产100%的hno3110吨，氨-空气混合气在铂网表面进行氨的氧化，混合气中氨的浓度为10.3%，接触温度为921，氨的接触氧化率为96%，酸吸收率为

18、98%，铂网张数为28张，规格：丝径0.009cm，每平方厘米孔数1024。氨接触氧化炉的物料衡算：按照反应nh3+2o3=hno3+h2o，每制成1吨100%的hno3，氨的理论消耗量为：17/631000=270kg。当氨的接触氧化率为96%，氮氧化物被水吸收后的吸收率为98%，氨的实际消耗量为：270/（0.960.98）=287kg每小时氨的总消耗量（287110）/24=1315kg或1315/17=77.4kmol已知氨空混合器中氨的含量为10.3%，则每小时空气的消耗量为77.4（10010.3）/10.3=674kmol其中氧量为：6740.221=141.5kmol或141.

19、532=4528kg空气中被送入的其他气体的量，如完全按氮计应为： 6740.79=535.5kmol或532.528=14910kg因此送入氧化炉中氨空混合气的量为：kmol体积%kg重量%nh377.410.313156.34o2141.518.8452821.82n2532.570.91491071.84总计751.410020753100氨氧化后的气体成分按系列反应式计算： 4nh3+5o2=4no+6h2o h= -90.8kj 4nh3+3o2=2n2+6h2o h=-127.0kj一氧化氮： 77.40.96=74.3kmol氮： 77.4（1-0.96）=1.548kmol 1

20、.548+532.5=534.1kmol水蒸汽： 77.46/4=116.1kmol在上列反应中氧的用量分别为： 用于生成一氧化氮的反应：77.40.965/4=92.9kmol用于生成氮的反应：77.4（1-0.96）3/4=2.322kmol剩余的氧量为：141.5-92.9-2.322=46.28kmol所以，出氧化炉的混合气体的量为：kmol体积%kg重量%no74.39.64222910.74o246.286.3914817.14h2o116.115.06209010.07n2534.168.911495572.05总计770.7810020755100五、 主要设备选型：1、氧化炉

21、（1）氧化炉大致有锥形封头和催化剂篮组成，锥形封头及其内件能满足均匀混合nh3-air气体的要求，而催化剂篮经过特殊的设计，不允许气体在催化剂周围短路通过，对于提高氨氧化率很有效，而催化剂篮的内壁和底部均有衬里，可减少热损失，更有效地回收热量。（2）氧化炉数据表作用：通过铂网催化剂的催化作用使氨/空气混合气反应成氮氧化物设计标准：能力 19165kg/h（空气） 1293kg/h氨 气体入口温度： 233（正常） 气体出口温度： 921（正常）操作压力： 1.167mpa腐蚀裕度： 0结构材料：锥体： 304ss配以cs法兰 催化剂篮： 外壳、内衬、法兰sa-240-310，sa-182-f3

22、10 格栅： sa-182-310 受力压环： a-297-gr-hk2、 吸收塔(1)、吸收塔是吸收部分的主要设备，所用塔型有填料塔、泡罩塔、筛板塔、常用吸收塔一般为填料塔，而加压法一般采用筛板塔与泡罩塔。本工艺吸收塔采用的是泡罩塔，与筛板塔相比，为生产带来一些好处，这在前面已经提到。与筛板塔相比，停车时一直保持塔板密封；铂网熄火所需空气量少；停车时不漏液，下一次开车时所需时间短，操作也较简单；且开车时各层塔板均保持酸浓度梯度，因此nox排出量能更迅速、容易地控制。但泡罩塔只在塔板上进行氮氧化物的吸收，在两层塔板之间进行氧化，而筛板塔在泡沫状态下能使no在液相中进行激烈的氧化，设备容积可大为

23、减少。(2)、吸收塔数据表：作用：用水吸收no气体产生成品酸，设计成品酸浓度65wthno3。处理物料：hno3、h2o、no、no2、o2、n2、n2o4。设计数据：塔： 直径2438mm（内径） 高32130mm 塔板数： 吸收段40块 漂白段9块设计压力： 1.302mpag 操作压力：1.122mpag设计温度： 93 操作温度：71（最大）板间距： 不等塔板设计:（吸收段）类型:泡罩 下降孔:无泡罩数:117 溢流堰高：不等间距:171.5154交叉排列 水平极限：3mm（漂白段）类型:泡罩 下降孔:无泡罩数:15 溢流堰高:76.2mm间距:171.51524交叉排列 水平极限:3

24、mm泡罩设计:（吸收段）类型:泡罩 高:20.6mm泡罩外径76.2mm 裙板高:4.8mm泡罩bwg16 裙板洁净度:0泡罩高:139.7mm 升气管外径:50.8mm齿槽数:48 升气管bwg:127mm泡罩设计:（漂白段）类型:泡罩 槽高:31.8mm泡罩数:76.2mm 裙板高:4.8mm泡罩bwg:16 裙扳洁净度：0泡罩高:101.6mm 升气管外径：50.8mm齿槽数：38 升气管bwg:16mm齿槽宽：3.2mm 升气管高：88.9mm冷却盘管：总面积 ：294m2（大约） 外径：254bwg（平均）：14 材质：sa-213-3042设计压力 ：o.7mpag 设计温度：60

25、六、原材料、动力消耗:表1 原材料消耗量表序号名称规格单位消耗量kg/h1液氨99.9%kg131.52空气kg22671表2 动力消耗量表序号名称规格单位消耗量1高压电6kvkwh11702低压电380vkwh1503工厂气0.6mpa/4仪表气0.6mpanm3855高压蒸汽3.5mp/2445kg-63746sm1.3mp/2005kg2507sl0.4mpa/1555kg964/10158脱盐水0.4mpa/5-30t0.9069工业水0.4mpa/191.5/10饮用水0.8mpa/20/11冷却水上水:0.35mpa/32回水：0.23mpa/41m379479412锅炉水40mp

26、a/95-100t6.411七、“三废”的处理： 氮氧化物气体和酸雨是造成大气污染的污染源，目前，全世界每年由燃烧各种燃料气和科学加工排放的氮氧化物总量为50mt之多，我国每年仅由硝酸工厂排放的氮氧化物达46.3kt（以no2计）。现已确认，no对人体是有毒的，no与血红蛋白的亲和力比co大百余倍，no2毒性比no更大，氮氧化物在阳光照射下能与大气中的碳氢化合物起光化学反应。形成含有过氧乙酰硝酸盐的烟雾是一种致癌物。 空气中氮氧化物含量对人体毒性影响程度如下：氮氧化物含量（mg/l） 对人体危害0.03-0.2 无显著影响0.2-0.3 刺激咽喉，咳嗽0.3-4.8 半小时内即发生危险0.6-2.2 短时间内死亡根据我国工业三废排放试行标准（gb-73）中有关氮氧化物排放的规定，不同排放烟囱高度的批放量如下： 排放烟囱高度（m） 允许排放量（以no2计）kg/l20 1240 3760 8680 160100 230 此外，规定居民区氮氧化物最高允许含量为0.5mg/m3，生产车间空气中氮氧化物的最高允许含量为5mg/m3.吸收尾气中的氮氧化物残余含量，取决于操作压力，现在国际规定尾气中nox排放浓度不得