硝酸镁法制取浓硝酸

课程设计（论文）任务书设计题目： 硝酸镁法制取浓硝酸（年产3万吨）学院：_专业：_班级：_学生：指导教师：—系主任:（签名）一、 设计要求：1、 根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字）2、 设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。3、 图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号））。二、 进度安排：教学内容学时地点备注查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图第一周设计室设备布置图、说明书整理、答辩。第二周设计室三、指定参考文献与资料《过程装备成套技术设计指南》（兼用本课程设计指导书）、《过程装备成套技术》、 《化工单元过程及设备课程设计》浓硝酸是重要的化工基本原料。在化工、轻工、冶金、国防等工业有广泛的用途“硝酸镁法”生产浓硝酸工艺属于间接法，是以硝酸镁溶液为脱水剂，将浓度为45%—60%的稀硝酸精馏制取浓度为98.2%以上的浓硝酸的生产工艺。因其流程短、投资省并且无稀硝酸生成，产品质量好而被大多数浓硝酸生产企业采用。关键词：浓硝酸；硝酸镁；稀硝酸；间接法TOC\o"1-5"\h\z摘要 I刖言 1第一章 浓硝酸的制造概述 1\o"CurrentDocument"1.1产品浓硝酸 1\o"CurrentDocument"1.1.1物理性质 2\o"CurrentDocument"1.1.2化学性质 2\o"CurrentDocument"1.1.3产品标准 3\o"CurrentDocument"1.2脱水剂硝酸镁 4\o"CurrentDocument"第二章工艺流程论证 5\o"CurrentDocument"2.1工业上制取浓硝酸的三种方法 5\o"CurrentDocument"2.1.1直接合成法 5\o"CurrentDocument"2.2.2超共沸酸精馏法 6\o"CurrentDocument"2.2.3加脱水剂法 62.2工艺条件简述 10\o"CurrentDocument"2.2.1稀硝酸的浓度 10\o"CurrentDocument"2.2.2硝酸镁溶液的浓度 10\o"CurrentDocument"2.2.3配料比 102.2.4回流比 112.2.5操作温度 11\o"CurrentDocument"2.2.6操作压力 11\o"CurrentDocument"2.2.7空塔速度和喷淋密度 11\o"CurrentDocument"2.3硝镁法浓硝酸生产工艺流程简介 11\o"CurrentDocument"2.4硝酸生产装置的布置 12第四章 典型机器设备选型与论证 13\o"CurrentDocument"4.1硝酸浓缩塔的设计 13\o"CurrentDocument"4.1.1浓缩塔结构 14\o"CurrentDocument"4.1.2浓缩塔材质的选用 14\o"CurrentDocument"4.1.3浓缩塔的强度计算 15\o"CurrentDocument"4.2硝酸镁加热器 16\o"CurrentDocument"4.3硝酸镁溶液蒸发器 17\o"CurrentDocument"4.4硝酸镁分离器 17\o"CurrentDocument"4.5漂白塔 17\o"CurrentDocument"4.6硝酸冷凝器和冷却器 18总结 18参考文献 19\o"CurrentDocument"致谢 20浓硝酸（HNO3浓度98%）是一种重要的基础化工原料，广泛用于化工、冶金、医药、染料、农药等领域。在化学工业中浓硝酸主要用于生产三硝基甲苯（TNT）、硝化棉、硝基苯、一硝基甲苯、己酸、甲苯二异氤酸酯CTDI）、二苯基甲撑二异氤酸酯（MDI）、染料中间体和柴油的十六烷值增进剂等；在钢铁工业中用于稀土加工酸洗及抛光；电子工业中用于半导体和印刷电路板的清洗；在核工业上用于铀的提取及精制。浓硝酸是化工、医药、国防、染料和纺织工业的重要原料。基于浓硝酸生产的特点，用水吸收氮氧化物气体，受吸收平衡的限制,最多只能得到60%〜70%浓度的硝酸;而要得到浓度为98%以上的浓硝酸，目前工业上主要采用“直接法”和“间接法”两种生产方式。“直接法”生产浓硝酸是以氨和空气为原料，在铂触媒催化下生成一氧化氮;一氧化氮再氧化得到二氧化氮；二氧化氮经吸收得发烟硝酸;蒸馏发烟硝酸经冷凝得到液态N2O4;液态N2O4与水按一定比例混合，在高压下通入高纯度O2，直接合成浓硝酸。“间接法”生产浓硝酸是在有脱水剂存在的情况下，将稀硝酸蒸馏制取浓硝酸。由于硝酸水溶液是二元恒沸物，用直接蒸馏的办法最多只能得到浓度为68.14%的硝酸，而要得到97%〜98%的浓硝酸就必须加入脱水剂，形成三元混合物来进行萃取蒸馏。从20世纪60年代以来,间接法生产浓硝酸主要采用硝酸镁溶液作脱水剂，习惯上称为“硝镁法”浓硝酸工艺。该工艺设备结构简单，不产生有害废气,产品质量高、操作方便、运行成本低、投资回收期短、经济效益好。目前国内浓硝酸生产企业60%以上采用“硝镁法”生产，该工艺已成为我国浓硝酸生产的首选生产方法。第一章浓硝酸的制造概述第一章浓硝酸的制造概述工艺过程中各主要介质1产品浓硝酸1.1.1物理性质纯硝酸是无色发烟液体，易分解出二氧化氮和氧气，因而呈红棕色。一般商品带有微黄色，发烟硝酸是红褐色液体。具有刺激性。溶解性易溶于水。纯硝酸是无色液体，硝酸分子式HNO3，分子量63.02。硝酸是强酸，具有酸的通性，是强氧化剂，其水溶液能导电。硝酸受热易发生分解比重为1.5027,有刺鼻窒息气味，沸点86°C，纯硝酸熔点一42°C，溶解热9.54kcal/kg，汽化热115kcal/kg;无水的硝酸（100%）是不稳定化合物，易溶解于水并放出溶解热，硝酸水溶液比重随浓度的升高而增加。1.1.2化学性质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。硝酸与金属反应的规律：除Au、Pt等少数金属外，硝酸几乎可能氧化所有的金属。常温下Fe、Al等金属在浓HNO3中发生“钝化”。硝酸越浓，其氧化性越强。如稀HNO3可使石蕊试液变红，而浓HNO3可使石蕊试液先变红后褪色。一般来说，活泼金属与HNO3反应不生成H2，浓HNO3的还原产物为NO2，稀HNO3的还原产物为NO。活泼金属与极稀HNO3反应时，还原产物复杂，可为NO、N2O、NH4NO3等。非金属单质可被HNO3氧化为最高价氧化物或其含氧酸。王水（浓HNO3和浓HCl按体积比1:3配制）具有更强的氧化性，能溶解Au、Pt。硝酸与氨作用生成硝酸铵，它也是一种化肥，含氮量比硫酸铵高，对于各种土壤都有较高的肥效。硝酸铵在气候比较潮湿时容易结块，使用时不太方便。有

些人看到硝酸铵结块后，就用铁锤来砸碎，这是万万做不得的事情。因为硝酸铵受到冲击就可能发生爆炸。硝酸溅于皮肤能引起烧伤，并染成黄色斑点。一般带微黄色。发烟硝酸是红褐色液体，在空气中猛烈发烟并吸收水分。不稳定，遇光或热分解放出二氧化氮。其水溶液具有导电性。浓硝酸是强氧化剂，能使铝钝化。与许多金属能剧烈反应。浓硝酸和有机物、木屑等相混能引起燃烧。腐蚀性很强，能灼伤皮肤，也能损害粘膜和呼吸道。与蛋白质接触，即生成一种鲜明的黄蛋白酸黄色物质。硝酸是无机化学工业中三大强酸之一，具有酸类的通性。炸药和硝酸有密切的关系。最早出现的炸药是黑火药，它的成分中含有硝酸钠（或硝酸钾）。后来，由棉花与浓硝酸和浓硫酸发生反应，生成的硝酸纤维素是比黑火药强得多的炸药。工业制法一：1制氢气C+H2O（g）=H2+CO2冷凝分离空气制氮气3制取氨气N2+3H2=（可逆）2NH34铂、氧气氧化4NH3+5O2=（A）4NO+6H2O5氧气进一步氧化2NO+O2=2NO26与水反应3NO2+H2O=2HNO3+NO7原料重利用（五到六步重复）1.1.3产品标准浓硝酸执行GB/T337.1—2002，外观：呈淡黄色透明液体。表1浓硝酸产品标准项目指标 98酸硝酸表1浓硝酸产品标准项目指标 98酸硝酸（HNO3）含量，质量分数 N98亚硝酸（HNO2）含量，质量分数W97酸970.201.0灼烧残渣，质量分数0.02灼烧残渣，质量分数0.020.021.2脱水剂硝酸镁纯硝酸镁为三斜晶系的无色结晶，它很容易吸水而生成含有1、2、3、6、9个分子结合水的硝酸镁，在一定条件下可以互相转变。一般常见的是带有6分子结合水的硝酸镁Mg(NO3)2・6H2O,为无色单斜晶体，分子量256.4;比重1.467;熔点95°C;易溶解于水、液氨、酒精中，与酒精作用生成Mg(NO3)2・3C2H5OH。无水硝酸镁为白色潮解性结晶，与有机物混合能发生自燃，有火灾及爆炸危险。硝酸镁溶液极易结晶，其结晶温度与浓度有关，浓度为40%时凝固温度为0C，51%时凝固温度75C，72%凝固温度为90C。在凝固温度时析出Mg(NO3)2-6H2O。从图1可知Mg(NO3)2-H2O系统为具有4个饱和点的曲线。硝酸镁浓度在0〜34%时为饱和水溶液曲线，浓度在34%〜38%时为9水硝酸镁饱和溶液曲线，浓度在38%〜67.6%时为6水硝酸镁饱和曲线，浓度在67.6%〜81.9%时为2水硝酸镁饱和溶液曲线，浓度在81.9%以上时为无水硝酸镁饱和溶液曲线。4个共饱点分别为一31.9C、一18C、54C和130.5C。从图1可以看出，当浓度大于67.6%时，结晶温度随溶液浓度增加而升高。当浓度超过81.9%，则结晶温度成直线上升。故在工业生产中，若采用较低浓度的硝酸镁，则其脱水效果不好，而如果硝酸镁溶液浓度过高，又易结晶同时粘度也增加而影响正常生产。26S80MgCN0326S80MgCN03)2『%1QQ图1Mg（NO3）2-H2O系统的结晶曲线常压下硝酸镁溶液沸点随浓度增大而升高，其粘度随温度升高而变小，随浓度增大而增大，粘度愈大则输送愈困难，输送耗功也愈大。硝镁法浓硝生产过程中硝酸镁水溶液浓度一般都控制在64%〜80%。通常浓硝酸镁溶液浓度为72%〜76%，稀硝镁浓度不低于64%（硝镁加热器出口）。第二章工艺流程论证目前我国硝酸生产工艺及状况目前我国稀硝酸生产厂50多家，生产能力约为400万t/a（折100%）。浓硝酸生产厂家约为30家，总生产能力110万t/a左右。目前工业生产浓硝酸的工艺主要有三种：直接合成法（直硝法）、间接浓缩法（间硝法）及共沸蒸馏法（共沸法）。我国生产浓硝酸所采用的是直硝法、间硝法，共沸法我国尚未采用。直硝法是通过氨氧化、冷却吸收、漂白冷凝、高压加纯氧合成浓硝酸。兰州石化公司、吉化公司、大连化学工业公司、南化公司、淮南化工总厂、四川泸天化股份有限公司硝区等均采用该法。间硝法是借助于脱水剂将稀硝酸精馏后得到浓硝酸。1964年我国采用硝酸镁作脱水剂的中试成功后，很快应用到生产实际中。目前济南化肥厂、上海染化、川化、山东鲁光化工厂、河南开封化肥厂、鄂西等企业均采用该方法。直硝法流程复杂，对设备要求很高，不仅需要高压合成设备，还要配套的空气分馏装置、冷冻系统，因此投资较高、能耗高、占地面积大。作为目前间接法生产浓硝酸的主流工艺一硝镁法流程短，工艺简单，投资较少。2.1工业上制取浓硝酸的三种方法：加脱水剂法。在稀硝酸中加入某种脱水剂，如浓硫酸、硝酸镁等脱水剂，然后通过精馏或蒸馏来获得。直接合成法。即将液体N204、纯氧与水直接合成浓硝酸，简称直硝法。共沸酸蒸馏法。即将HNO3含量68.3%以上的硝酸通过精馏来获得。2.1.1■接合成法直硝法是用液态N204、纯氧与水直接反应生成浓硝酸,此种方法要用特种不锈钢设备和管道，造价昂贵，现国内仅有早期建成的大化、吉化、兰化、南化等大厂米用此法。2.2.2超共沸酸精馏法该法是西班牙Espindesa公司开发的，其基本原理是氨氧化制取氮的氧化物气体，经冷却后析出冷凝酸，冷凝酸经酸水漂白塔用空气提取氮的氧化物返回系统，将酸水排出系统。脱水后系统总物料中生成硝酸的浓度超过稀硝酸共沸点的浓度，经氧化塔、超共沸吸收塔、次共沸吸收塔和真空精馏塔等主要设备制取浓硝酸。2.2.3加脱水剂法浓硝酸不可能直接由稀硝酸蒸馏来获得。原因是稀硝酸是由HNO3与H2O组成的二元混合物。这个体系在不同压力下存在着不同的共沸点。例如在常压下，其共沸点温度为390.05K(120.05°C)这时气相和液相的HNO3含量均为68.4%。因而，不可能获得68.4%以上的浓硝酸。另外，从以氨为原料制硝酸的总反应来看NH3十2O2——HNO3+H2O理论上，生成硝酸的最大HNO3含量为63/(63+18)X100%=77.8%。实际上由于氨的氧化率一般为95%—97%，所以其最大含量也只能是72%—73%。但事实上因溶液具有共沸点，最多也只能获得共沸酸(68.4%)。若在高压下，例如在0.8MPa下，因可获得较高浓度的NO2,这才可能制得HNO3含量为70%一80%的硝酸.如欲获得95%—100%的浓硝酸，必须在稀硝酸中加入脱水剂，以破坏共成体组成方有可能。工业上采用的脱水剂，应满足下列条件要求：脱水剂与水的亲和力必须大于硝酸与水的亲和力，这样才可以破坏共沸点组成。脱水剂本身的蒸汽压应很小，且能大大降低稀硝酸被面上的水蒸气分压。脱水剂本身不与硝酸起化学反应，并要求其热化学性质稳定，受热时不易分解。浓硫酸脱水法早期使用的脱水剂以激硫酸最为普通。此法是将浓硫酸按一定比例加入稀硝酸中，然后在泡罩塔(或填料塔)中进行稀硝酸的浓缩。塔内共有2l层塔板。92%一95%的硫酸从由下往上数的第16层塔板上送入。稀硝酸分别由第13层和第10层塔板上加入。浓缩和硫酸脱硝所用的蒸汽由塔底通入。温度为65--85°C的浓硝酸蒸气和少量氮氧化物由塔顶引出，送入硝酸冷凝器冷却到35C左右。冷凝后重新进入浓缩塔顶，在塔的第19、20、21层塔板上进行漂白，使溶解在硝酸中的氮氧化物完全解吸出来，由第19层塔板上流出。再经硝酸冷却器冷却，即得HNO3含量为98%左右的成品酸。脱硝后68%左右的稀硫酸由浓缩塔底部流出，其温度为150—170C.经酸封去稀硫酸浓缩器。浓硫酸脱水法制取浓硝酸，因技术陈旧、设备在高温下腐蚀性大，环境保护条件差，且热能消耗大，至今已很少采用。硫酸法是古老的方法，生产成本高,产品质量差，生成大量稀硫酸不好处理，已逐渐被淘汰。硝酸镁脱水法从20世纪60年代以来,间接法生产浓硝酸主要采用硝酸镁溶液作脱水剂，习惯上称为“硝镁法”浓硝酸工艺。硝酸溶液是一种具有最高恒沸物的水溶液，不能用一般的蒸馏方法，必须用萃取蒸馏。萃取蒸馏是在被分离的混合液中加入第三组份(称为萃取剂)，但此萃取剂与原料液不形成恒沸物。由于萃取剂具有较高的沸点，能与原料液中某一组分形成一沸点较高的溶液，因而加大了被分离组分间的相对挥发度，使组分易于用一般精馏方法分离。硝酸镁法浓缩硝酸的过程，就是将硝酸镁作为萃取剂加入硝酸水溶液中，形成Mg(NO3)2—HNO3—H2O三元混合物，将此混合物蒸馏时，混合液面上的水蒸汽分压大大降低，蒸汽中硝酸含量大大增加，从而实现稀硝酸的浓缩。该工艺设备结构简单，不产生有害废气,产品质量高、操作方便、运行成本低、投资回收期短、经济效益好。目前国内浓硝酸生产企业60%以上采用“硝镁法”生产，该工艺已成为我国浓硝酸生产的首选生产方法。硝酸镁法具有以下优点：在硝酸镁蒸发后设间接冷凝器，冷凝回收含酸蒸汽，未冷凝气体采用低位水喷射器回收，回收了硝酸镁溶液中所含硝酸，较直接水喷射吸收大大节约了水，而且消除了污染。镁尾酸性水，可作为稀硝酸吸收塔的吸收用水回收利用。采用低位水喷射器形成塔负压抽吸硝酸尾气，通过循环吸收，可使塔尾水的酸浓度循环提至10%〜15%，将这部分酸性水送至吸收塔相应塔盘上，因此减少了硝酸尾气污染，并可回收硝酸。成品酸采用硝酸蒸气进行漂白(热漂)，较空气漂白(冷漂)不仅提高了产品质量，而且减少了硝酸尾气污染，并可回收硝酸。脱水剂硝酸镁便于浓缩及循环使用。硝镁法生产浓硝酸的原理：浓硝酸不能由稀硝酸直接蒸馏来制取，因为稀硝酸是硝酸和水的具有最高恒沸点的二元混合物。如在0.1MPa压力下，其最高恒沸点为121.9°C，相应的硝酸浓度为68.4%，形成了共沸点，即此时无论是液相还是气相中HNO3含量都是68.4%，而不再变化，见表2相关数据。表20.1MPa压力下硝酸水溶液沸点及气液相的平衡组成沸点KHNO3%沸点KHNO3%沸点KHNO3%液相气相液相气相液相气相373.000394.855.235.1372.O85.299.0379.524.22.15394.968.468.4363.590.299.7385.033.05.9394.570.175.0358.996.099.9391.549.819.85391.076.592.0358.4100.0100.0394.551.029.0385.080.097.0稀硝酸水溶液其共沸点将随压力变化而变化，但与共沸点相对应的硝酸浓度几乎不变，如图2所示。图2HNO3-H2O系统的沸点、组成与压力的关系我们借助表2的相关数据可以得到如图3所示硝酸水溶液共沸时平衡气、液相组成关系图。通过图3我们可以得出如下结论：硝酸水溶液是具有最高共沸点的混合物；平衡时气相中硝酸的浓度是随液相中硝酸的浓度增加而增大的；当液相中硝酸的浓度小于共沸点对应的浓度时，则与其呈平衡的气相中硝酸浓度反而比液相中硝酸浓度低；当液相中硝酸的浓度大于共沸点对应的浓度时，则与其呈平衡的气相中硝酸浓度比液相中硝酸浓度高。图3硝酸水溶液平衡时气、液相组成关系图这就是说我们简单的蒸馏稀硝酸这个混合物，其成分在未达到达到共沸点时，气相中硝酸浓度反而比液相中硝酸浓度还低；当达到共沸点时，无论其液相还是气相中硝酸浓度都不会再改变，所以借助于直接蒸馏的方法要想得到大于68.4%的浓硝酸是不可能的。若硝酸浓度低于68.4%时，在蒸馏过程中，气相所含H2O较多，所含HNO3较少。若硝酸浓度大于68.4%时，在蒸馏过程中，气相所含HNO3较多，所含H2O较少。如蒸馏49.85%HNO3时，气相中HNO3含量仅为19.85%，而蒸馏85.2%HNO3时，气相中HNO3含量就为99%，我们把气相冷却就可以得到99%HNO3。很显然我们想通过蒸馏这种方式制得浓硝酸，必须先要得到浓度大于共沸点所对应浓度的硝酸。所以我们采取特殊蒸馏 萃取，在硝酸和水的二元体系中加入第三种组分硝酸镁，水与硝酸镁的结合力远大于与硝酸的结合力，致使硝酸和水之间的沸点差距拉大，在加热汽化的过程中，气相中大部分为硝酸蒸气，其浓度高于该操作压力下的共沸点所对应的硝酸浓度68.4%，把此气相冷凝便得到了浓度高于68.4%的硝酸，再把此浓度的硝酸进行多次部分冷凝，则最后所得的气相中HNO3含量就无限趋近于100%，把此高浓度的硝酸蒸气冷凝，一部分作为产品输出系统，一部分作为蒸馏过程的回流液，亦即充当上升的含硝酸蒸气多次部分冷凝所需要的冷量的载体，在生产中实现这个传质过程的设备叫硝酸浓缩塔。在浓缩塔中，温度分布为：从下到上逐渐降低；HNO3浓度分布为：从下到上逐渐增大。不断下流的液相中的HNO3多次被上升的蒸汽加热部分汽化而进入到气相中，不断上升的蒸汽中所含的H2O同时多次被下流的液体部分冷凝而进入到液相中。这样在浓缩塔顶部便得到了含HNO3非常高的蒸气，经过冷凝得到浓硝酸产品。而稀硝酸中的水份就与脱水剂硝酸镁一起从塔底流出，这样就实现了稀硝酸的提浓过程，从而得到了浓度N98%的硝酸。2.2工艺条件简述2.2.1稀硝酸的浓度稀硝酸是生产浓硝酸的基本原料，稀硝酸浓度的变化，必将引起蒸馏气体中硝酸浓度的变化。从Mg(NO3)2—HNO3—H2O三元混合物相图分析:稀硝酸浓度越高,蒸馏出来的蒸汽中含硝酸浓度愈高。在硝镁法浓缩硝酸生产中，要求稀硝酸浓度在45%以上。2.2.2 硝酸镁溶液的浓度硝酸镁溶液浓度的变化会引起蒸馏过程中蒸出气体硝酸浓度的变化。国内成熟的工艺操作中，要求硝酸镁溶液浓度在72%〜76%范围内为宜。2.2.3配料比增加Mg(NO3)2—HNO3—H2O三元混合物中Mg(NO3)2的含量，有利于得到高浓度的硝酸,但配料比过大，影响脱硝。生产上一般控制稀硝酸和硝酸镁溶液的比例为1:4〜6为宜。2.2.4回流比综合设备费用、操作费用、成品硝酸浓度和硝酸镁溶液中含硝酸量，回流比一般控制在2〜215为宜。2.2.5操作温度蒸馏操作过程中，由塔底到塔顶温度逐渐降低，硝酸浓度逐渐升高。精馏过程的热量由加热器供给。通常情况下，保持精馏塔顶温度在85〜95°C,加热器液相温度在170〜180C。温度过高或过低都会影响成品酸质量。2.2.6 操作压力硝镁法浓缩硝酸的工艺操作中，压力的大小对系统溶液的沸点、Mg(NO3)2溶液中含硝酸、成品酸中含N2O4及塔的生产能力有直接影响。该工艺为负压操作,以降低Mg(NO3)2溶液中含硝酸量和提高塔的生产能力。负压保持在600〜1000mmH2O范围内。2.2.7 空塔速度和喷淋密度空塔速度的大小直接影响浓缩塔的生产能力。空塔速度越大，越有利于传质传热过程;但空塔速度过大，使液体被气体带走，反而减弱了传质和传热过程。通常空塔速度保持在016〜019m/s为宜。喷淋密度过小，不能保证填料表面全部润湿,适当加大喷淋密度对精馏段操作是有利的，但喷淋密度加大，塔内阻力也加大。根据实践经验，一般喷淋密度在2〜20m3/m2时为宜。3硝镁法浓硝酸生产工艺流程简介工艺流程如图1。来自稀硝酸高位槽1的42%〜50%的稀硝酸与来自硝酸镁高位槽2的72%〜76%的硝酸镁溶液分别经酸流量计3和硝酸镁流量计4按1:4〜6的比例在混合器5中混合后，进入浓缩塔6的中部。硝酸蒸汽在精馏段逐步提浓后由塔顶进入漂白塔7下部，对成品酸进行漂白后进入淋洒式冷凝器8，冷凝后的液态硝酸经气液分离器9后进入酸分配器10，约2/3经回流酸封11进入浓缩塔顶部作为回流酸，约1/3经成品酸封12进入漂白塔7,漂白后的浓硝酸经成品酸冷却器13冷却后进入成品酸槽。气液分离器9分离出的尾气和不凝性气体，经塔尾水喷射器24抽至塔尾水循环水槽22循环利用。稀硝酸镁溶液由浓缩塔中提馏段底部流出，进入加热器14，用113MPa蒸汽间接加热，温度维持在174〜178°C并在此脱硝后，其浓度为62%〜67%，含硝011%进入稀硝酸镁贮槽15中,由稀镁泵17打入膜式蒸发器19进行蒸发。用蒸汽间接加热并蒸出部分水，使稀硝酸镁提浓至72%〜76%流入硝酸镁贮槽16中循环使用。膜式蒸发器出来的二次蒸汽进入间冷器20冷凝后，冷凝液进入镁尾水槽21供水喷射泵23循环使用。不凝性气体由镁尾水喷射器23抽至镁尾水槽21中。图4硝镁法浓硝酸工艺流程简图（见附图）2.4硝酸生产装置的布置硝酸生产装置分为稀酸工段及浓酸工段二部分，在布置上可采用联合厂房形式，也可采用单独布置的形式。稀酸工段设备布置主要在室外，室内布置的设备主要有离心式空压机组、氧化炉、素瓷过滤器等。而大型吸收塔换热器、泵和贮槽等设备则布置在室外，且一般以平面布置为主，为此，厂房的高度较低，二偿框架结构即可。浓酸工段厂房由于工艺流程需要，特别是浓酸等介质输送，一般靠位差自流，为此需立体布置。整个厂房是六层框架结构。因而如压缩氧化厂房与六层的浓酸提浓厂房组成的联合厂房，则厂房承重不一，基础结构难于

处理。处理不当则会引起沉降不均匀、厂房倾斜等间题，故分开单独设置。5硝镁法浓硝酸设备布置图第四章 典型机器设备选型与论证硝镁法生产浓硝酸的主要设备、材质及操作参数见表3。主要设备好观格「作温度C匚作压力MPa工作介质主要材质硝酸法缩塔DN1000S5/L70-0.01—002硝酸镁、硝酸、硝酸燕汽STSil5R硝酸漂白塔DN8D075/90-0.0085硝酸、硝酸蒸汽艄酸镁加热器壳程DN9OO，DN15O01?0；170-0.002相酸钱常波■■少量HN。0QC119N110管程灿X21941.3囱和水蒸汽帽酸镁蒸发器壳程DN700/DN14001941.3饱和水蒸汽0Crl8Ni9管程心X2140/150-00872%稀镁溶液浓硝酸冷鼬器管内DN12590/400.02硝酸蒸汽、冷凝液STSil5R(C4)管外32/38常压冷却，.敝硝酸冷却器管内DN10030/400.1798.N泌硝酸管外32/38常压冷却水间接冷凝器壳程DN110032/38035火0Crl8Ni9管程心X2]50/50-00S俩酸蒸汽、水蒸气、冷凝水浓硝酸贮罐DN360035常压W8渤硝酸L2(C4)成昂酸泵及浓硝酸泵STSil5R(C4>表3硝镁法生产浓硝酸的主要设备、材质及操作参数4.1硝酸浓缩塔的设计硝酸浓缩塔是本装置的核心设备之一，该塔为填料塔，目前国内主要有DN1000和DN1200两种规格，公称能力为10kt/a和15kt/a。分为提馏塔，精馏塔两台设备。塔内共有三段陶瓷规整填料,其中精馏段有一段填料41522m3，提馏段有两段填料，共9125m3。4.1.1浓缩塔结构塔体分为下部提馏段和上部精馏段两部分。有1000mm、800mm等高度不同的塔节和上、下封头及底座组成，总高约15m,塔节之间用法兰连接。塔顶有回流酸分布器，一般为盘式（草帽式）；塔中部有混合物料分布器，一般为槽式分布器；上封头有硝酸蒸汽出口和回流酸进口；塔中部有硝酸-硝酸镁混合物进口管；塔下部有稀硝酸镁出口和二次蒸汽进口管。因提馏段填料高度为7.7m左右，为了提高分离效率，降低出塔稀硝酸镁溶液中的硝酸含量，在提馏段中部加设集液器，并加装再分布器。浓缩塔填料原来均为陶瓷或玻璃散堆填料，多为陶瓷矩鞍环填料（DN38和DN25）加少量DN15的拉西环。可以满足正常生产的要求。近年来为了提高单塔产量和降低消耗，部分生产厂家用陶瓷规整填料代替散堆填料，并对分布器等部件进行相应的改造，取得很好的效果，DN1000塔的生产能力达到15kt/a以上（视稀硝酸的浓度不同而不同）。4.1.2浓缩塔材质的选用浓缩塔精馏段各点均在不同浓度硝酸的沸点温度下操作，塔中部硝酸蒸汽浓度为80%左右，相应温度为110〜120°C;自中部向上硝酸浓度逐步提高，温度相应逐步降低，到塔顶部硝酸蒸汽含硝酸98.2%以上，温度85C左右。浓缩塔下部提馏段物料为硝酸、硝酸镁、水的三元混合物，其中硝酸含量自上而下逐步降低，温度逐步升高，至塔底部硝酸含量约为1〜2%，温度约为150C左右。由此可见，塔内介质对材质的耐腐蚀要求是很苛刻的，且在开车时要经过一个自浓度很低的硝酸逐步提浓的过程，因而所选材质必须要耐沸点状态下不同浓度硝酸的腐蚀。浓缩塔材质的选用曾经过非金属材料衬里、搪瓷等的使用阶段，但因各种原因被淘汰。现在壳体和内件基本上采用高硅铸铁。高硅铸铁牌号为:STSi15R标准号为:GB8491-87。化学成分为：1.00%C14.25〜15.75%Si0.50%Mn0.10%P010%S0.10%R机械性能:最小抗弯强度。w140MPa;最小挠度f0.66mm;最小硬度HRC48。该材质在氧化性酸（如各种温度和浓度的硝酸、硫酸和铭酸等）、各种有机酸和一系列的盐溶液中都有良好的耐蚀性。但因其固有的特性，存在不耐急剧的交变载荷、冲击载荷，不耐温度急剧变化、加工性能差等缺点，需在安装、使用、维护等方面给以充分地重视。4.1.3浓缩塔的强度计算因该设备放置在框架内，所以计算时不考虑风载荷及地震载荷的影响。按GB150-1998《钢制压力容器》进行强度计算，按HG20531-93《铸钢、铸铁容器》、GB8491-87《高硅耐蚀铸铁件》进行有关参数取值。由表1工艺参数取值如下：设计压力：0.03MPa（仅考虑内压）计算压力：0.03MPa+0.14MPa（液柱静压力）=0.17MPa设计温度：170°C设备直径：DN1000mm（1）筒体壁厚的计算：按GB150-1998《钢制压力容器》公式（5-1）6=pcDi2[o]t<-pc=0.17X10002X14X1-0.17=6.1mm6'=6+C1+C2=6.1+3+2=11.1mm其中6—筒体的计算厚度,mm;pc一计算压力,MPa;Di—设备内径,mm;[o]t—设计温度下筒体材料的许用应力,MPa。按GB8491-87《高硅耐蚀铸铁件》表2取最小弯曲强度。w=140MPa按HG20531-93《铸钢、铸铁容器》表1.7.2取高硅铸铁设计温度下抗拉强度的安全系数nb=10[o]t=ownb.^=14010X1=14MPa中一铸造质量系数中二1<一焊接接头系数<=1C1一材料的厚度负mm按HG20531-93《铸钢、铸铁容器》表1.6.1.1-2铸件的尺寸公差级参照自硬砂灰铸铁取CT13,按表1.6.1.2取CT值为6mm。C1=CT/2=6/2=3mmC2一腐蚀余量，mm按HG20531-93《铸钢、铸铁容器》取C2=2mm封头壁厚的计算(封头为球壳)按GB150-1998《钢制压力容器》公式(5-5)6=pcDi4[o]t<-pc=0.17X10004X14X1-0.17=3mm6Z=6+C1+C2=3+3+2=8mm筒体、封头最小厚度的确定为满足铸造和机械加工工艺要求，根据实践经验，铸件铸造的最小厚度，参照HG20531-93《铸钢、铸铁容器》表1.6.2砂型(灰铸铁)取最小厚度为20mm。考虑厚度附加量后，取厚度为25mm。筒体、封头厚度的取值目前生产中常用的下封头及最下一节筒体厚度为30mm,上封头及其余筒节厚度为25mm。从上述计算结果、铸造及机加工工艺要求，取下封头、上封头及其余筒节厚度均为25mm即可。连接各筒节的设备法兰由于硝酸浓缩塔工作状态为微负压，考虑其密封性能，设备法兰的厚度不能太薄，考虑其刚度及结构(筒节为铸件，设备法兰为剖开式)要求，目前生产中常用的设备法兰厚度为30mm。栅板的强度计算栅板的强度计算按《塔设备设计》第五章公式(5-8)〜(5-11)，从略。4.2硝酸镁加热器硝酸镁加热器是精馏系统的重要设备，其作用是将浓缩塔底部来的含1%左右硝酸的稀硝酸镁溶液用饱和蒸汽加热至沸腾，使其中大部分硝酸和水气化，将稀硝酸镁质量分数浓缩至6400^-6800o产生的二次蒸汽进人浓缩塔，提供精馏操作所需要的热量。硝酸镁加热器为U型管换热器，加热器壳体和换热管的材质选用普304L（OOCr19Ni10）oU型换热管规格为小25mmX2mmX5400mm（管数二304X2）,换热面积为253mZ。管侧介质为饱和蒸汽，设计温度210°C，操作温度194°C;壳侧介质为硝酸镁溶液，设计温度190C，操作温度170—1750C。加热器结构形式简单，管束便于抽出，检修方便。换热管可以随温度变化自由伸缩。加热器主体侧面设有视镜、灯孔、人孔和进料口等，主体封头上设有稀硝酸镁溶液出口（溢流下料），底部有放净口。管箱上、下部分别有蒸汽人口和冷凝水排出口。装置开车初期，稀硝酸镁含硝持续超高，在较高温度时HN03对不锈钢设备、管道腐蚀严重，直接影响到加热器的使用寿命。硝酸镁溶液呈酸性，与硝酸镁溶液接触的加热器壳体，换热管等零部件用耐腐蚀的OOCr19Ni10制造。4.3硝酸镁溶液蒸发器硝酸镁溶液蒸发器采用列管式升膜蒸发器，是用于稀硝酸镁提浓的关键设备。管间是加热蒸汽，管内走硝酸镁溶液。由水喷射器造成的真空使受热的硝酸镁溶液在列管内上升，降低了蒸发温度，便于蒸发浓缩得到72-74%的浓硝酸镁，使生产流程简化、合理，易于生产控制，蒸发效果好。硝酸镁溶液及蒸发产物呈微酸性，与硝酸溶液接触的蒸发列管，管板，上下封等零部件用耐腐蚀的OCr18Ni9带造。4.4硝酸镁分离器硝酸镁分离器是立式圆柱形的汽液分离设备，由蒸发器来的硝酸溶液及蒸发产物切线进入分离器，汽液靠重力分离，设备结构简单，分离效果好。分离出来的水汽和不凝气体由水喷射器造成的真空抽吸排走，硝酸镁溶液由分离底部排至浓硝酸镁贮槽。分离器用耐腐蚀材料OCr18Ni1lTi制造。4.5漂白塔漂白塔为立式填料塔，塔内设有汽液分布盘和填料支承栅板，内装玻璃填料。这样既使生产流程简化、合理，减少占地面积，又能适应生产负荷有较大的变化，稳定生产。由提馏塔上升的硝酸蒸汽浓度在85-90%左右进入精馏塔，在精馏塔中进一步提浓达98%以上进入漂白塔。漂白塔内由上往下流动的冷凝硝酸液被由精馏塔上升进入漂白塔的硝酸蒸汽吹除N2O4后由漂白塔底引出冷却成合格的成品硝酸。基于与提馏塔同样的原因，我们采用了碳钢外壳内衬聚四氟乙烯。由于填料支承栅板需承受相当的重量，我们采用钢筋加强氟塑料的设计。4.6硝酸冷凝器和冷却器硝酸冷凝器和冷却器是硝酸蒸汽冷凝和硝酸液体冷却的换热设备。进入设备的硝酸浓度在98%以上，温度在95°C左右。要求设备换热性能良好，耐浓硝酸的腐蚀。我们采用了耐腐蚀的搪玻璃换热器，硝酸和冷却水都在密闭的换热器内流动逆流换热，传热系数大，换热性能良好，既满足了耐腐蚀的要求，又改善了生产环境，降低了设备成本，整个生产装置经半年多生产试验，既解决了硝酸的腐蚀问题，又简化了生产流程，改善了生产环境，满足了生产需要。总结两周的课程设计终于结束了，作为一名机电工程系，过控专业大四的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。虽然很忙碌、很疲劳，但是收获