第二章浓硝酸的制造.docx
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第二章浓硝酸的制造
第二章浓硝酸的制造
浓硝酸广泛用于化学工业和军事工业。
随着近代有机合成、化学纤维、矿山建没，高效
化肥以及火箭、导弹等工业的发展，均需大量浓硝酸。
所谓浓硝酸是指95％～100％HNO3而言。
工业上制取浓硝酸方法有三：
①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。
②直接合成法。
即将液体N2O4、纯氧与水随接合成浓硝酸，简称直硝法。
③共沸酸蒸馏法。
即将HNO3含量68.3%编以上的硝酸通过精馏来获得。
2．1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℃）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+2O2——HNO3+H2O（3-2-1）
理论上，生成硝酸的最大HNO3含量为63／（63+18）*100％=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％～85％的硝酸。
如欲获得95％～l00％的浓硝酸，必须在稀硝酸中加入脱水剂，以破坏共沸点组成方有
可能。
工业上采用的脱水剂，应满足下列条件要求：
①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。
②脱水剂本身的蒸汽压应很小，且能大大降低稀硝酸液面上的水蒸气分压。
③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。
2.1.1浓硫酸脱水法
早期使用的脱水剂以浓硫酸最为普遍。
此法是将浓硫酸按一定比例加人稀硝酸中，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％～95％的硫酸从由下往上数的第l6层塔板上送人。
稀硝酸分别由第l3层和第l0层塔板上加入。
浓缩和硫酸脱硝所用的蒸汽由塔底通人。
温度为65～85℃的浓硝酸蒸气和少量氮氧化物由塔顶引出，送人硝酸冷凝器冷却到35℃左右。
冷凝后
重新进入浓缩塔顶，在塔的第l9、20、2l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l9层塔板上流出c再经硝酸冷却器冷却，即得I{N03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l50～170℃，经酸封大稀硫酸
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。
2．1．2硝酸镁脱水法
2．1．2．1硝酸镁的性质
纯硝酸镁为三斜晶系的无色结晶，易吸水生成含有l、2、3、6、9个结合水的硝酸镁，在一定条件下可以相互转变。
一般常见的是带有6个结合水的硝酸镁：
Mg（NO3）2，6H2O为无色单斜晶体，常温时相对密度为1．464。
图3—2—1Mg（NO3）2-H2O体系的结晶曲线
硝酸镁水溶液极易结晶，其结晶温度与浓度有关。
由图3-2-1可知，在该相图中硝酸镁结晶曲线上存在四个共饱点：
在0～34％区间为饱和水溶液曲线；在34％～38％区间为9水硝酸镁区间；在38％～67.8％区间为6水硝酸镁曲线；在67.6％～81.9％区间为2水硝酸镁曲线。
在81.9％以上时为无水硝酸镁曲线。
四个共饱点分别为-31.9℃、-18℃、54℃和130．5℃。
由图可知，当硝酸镁溶液大于67．6％时，结晶温度随溶液中硝酸镁含量的增加而升高。
当超过81．95％时，结晶温度便成直线而上升。
所以，在工业生产中，若采用硝酸镁含量较低的溶液，则其脱水效果欠佳，一般都控制在64％～84％之间，通常硝酸镁含量约为80％左右，加热器出口不低于64％。
图3—2—2不同温度下硝酸镁水溶液的粘度与硝酸镁含量的关系
硝酸镁溶液的粘度与温度及浓度的关系参见图3—2—2及表3-2-1。
溶液中硝酸镁含量越大，则粘度也越大，特别是硝酸镁含量增加至75％以上|时，粘度急剧增高。
表3-2-1硝酸镁水溶液的粘度
硝酸镁含量／％
温度／℃
粘度／mPa·s
硝酸镁含量／％
温度／℃
粘度／mPa·s
65
120
130
140
9.56
7.18
4.34
75
120
130
140
150
160
55．30
43．27
21．32
12.59
7．525
70
120
130
140
150
160
2．0
14．99
8.l
4．47
3．32
80
120
130
140
150
160
170
154．4
98．9
51．35
28．6l
16．63
l3．02
硝酸镁水溶液的沸点在常压和不同真空度下，随硝酸镁含量的增大而增高，见图3—2—3及表3-2-2。
表3-2-2不同真空度下，硝酸镁水溶液的沸点
品种
硝酸镁
含量
%
真空度Pa（mmHg）
79993（600）
82660（620）
85326（640）
82993（660）
90659（680）
93325（700）
沸点／℃
纯硝酸镁
含杂质的硝酸镁
71.2l
73.92
69.69
71.52
72.72
137．7
145.2
143.6
147.1
151.4
l34.6
142.0
140.5
143.1
148.0
131．3
138.5
137.0
139.7
144.6
l27．3
135.0
133.6
136.0
140.4
l24.0
131.2
129.0
132.4
——
——
127.3
——
——
——
①杂质系指其他硝酸盐，如Ca（NO3）2、Al（NO3）3、Fe（NO3）3等。
2。
1．2．2基本原理
将硝酸镁溶液加入稀硝酸，形成Mg（NO3）2一H2O—HNO3三元混合物体系。
硝酸镁吸收稀硝酸中的水分，使水蒸气分压大大降低。
加热此三元混合物蒸出HNO3，其气相浓度较原来为大。
图3-2-4和图3-2-5分别为常压下Mg（NO3）2一H2O—HNO3三元混合物的液相组成与沸点的关系，以及液相组成与沸腾液面上气相组成的关系。
利用图3-2-4和图3-2-5，可以确定三元混合物沸点及液面上的硝酸蒸气含量。
而且若已知组成该三元混合物的组成及硝酸镁的理论用量。
图3—2—4硝酸镁水溶液的沸点
图3—2—4常压HNO3一H2O—Mg（NO3）2三元混合物液相组成与沸点的关系
图3-2-5常压下HNO3-H2O-Mg（NO3）2三元混合物液相组成与蒸气中HNO3含量的关系
2．1．2．3工艺流程及主要设备
（1）工艺流程
用硝酸镁法浓缩稀硝酸的流程，参见图3—2—6。
浓缩操作一般在浓硝酸镁高位槽、稀硝酸高位槽中进行。
72％～76％的浓硝酸镁与稀硝酸分别经高位槽6和2，流量计3[两者系以（4～6）：
l的比例]流入混合器7中，然后自提馏塔l2顶部加入塔内，蒸馏过程所需的热量由加热器13供给。
温度为115～130℃、含有80％～90％的HNO3蒸气从提馏塔顶逸出进入精馏塔中，并与精馏塔顶加入回流酸进行换热并进一步蒸浓，温度为80～90℃的98％以上HNO3蒸气引入冷凝器1中冷凝，冷却后的浓硝酸流入酸分配器9，2／3作为精馏塔的回流酸，l／3去漂白塔14，赶出其中溶解的氮氧化物，即得成品酸。
冷凝器和漂白塔l4中未冷凝的HNO3蒸气，经集雾器19，由风机23抽出送去吸收或放空。
图3—2—6硝酸镁法浓缩稀硝酸工艺流程
1一硝酸冷凝器；2一稀硝酸高位槽；3一流量计；4一液封；5一稀硝酸贮槽；
6一浓硝酸镁高位槽；7一混合器；8一离心泵；9一酸分配器；l0一回流酸流量计；
11一精馏塔；12一提馏塔：
l3一加热器；l4一漂白塔；15一大气冷凝器；16一蒸发
器；17一液下泵；l8一稀硝酸镁槽；l9一集雾器；20一水喷射泵；21～循环水池；
22一浓硝酸镁贮槽；23一风机
稀硝酸镁溶液进提馏塔底部流出，进入加热器中。
加热器用1.3MPa蒸汽间接加热，温度维持在l74～l77℃，并在此脱硝酸，而后硝酸镁含量为62％～67％、含硝酸0．1％的硝
酸镁溶液，进入稀硝酸镁贮槽中，由液下泵泵入膜式蒸发器进行蒸发。
用蒸汽间接加热并蒸
出部分水，使稀硝酸镁溶液提浓到72％～76％，流人硝酸镁贮槽中循环使用。
由膜式蒸发器出来的蒸汽，进入大气冷凝器加水进行冷凝，冷凝液流至循环水池、供水
喷射泵循环使用。
蒸发过程系在真空度60～93kPa压力下进行。
由水喷射泵维持真空。
每生产lt浓硝酸需硝酸（折合l00％HNO3）1.01～1.015t，氧化镁1～1.5kg。
（2）主要设备
①浓缩塔。
这是生产浓硝酸的主要设备。
当前多用填料塔。
图3—2—7及图3—2—8是填料提馏塔和填料精馏塔的结构图。
塔身的材料可以是硅铁、搪瓷、不锈钢或碳钢内衬辉绿岩等。
提馏塔总高9.3～9.7m，全部填充25×25×3mm的钾玻璃环约7m。
提馏塔顶有出气管及进液管。
塔底有蒸汽进口管及排液管。
塔上部有分酸器，液体进入分酸器后再均匀分布于塔内。
塔中部一般有再分布板，能使液体重新分布。
图3-2-7提馏塔
1-分滤器；2-填料；3，7-塔箅子；
4-再分布板；5，6-手孔
图3-2-8精馏塔
1一分酸器；2，7一手孔；3，6一塔箅子；
4一填料；5一再分布板
精馏塔总高5.5~6m，填料总高3．5~4m，其中填充15×15×2mm的钾玻璃环约1～
1.5m，其余为25×25×3mm的钾玻璃环。
精馏塔构造与提馏塔基本相同，但在中部一般不设置液体再分布板。
浓缩塔的主要操作指标：
精馏塔顶温度80~95℃提馏塔顶负压2．5-3．9kPa
提馏塔顶温度115～130℃提馏塔顶喷淋密度5~6kg／（m2·s）
精馏塔顶负压3.9～5.9kPa提馏塔气体空塔流速0.8~lm／s
②膜式蒸发器。
膜式蒸发器为蒸发室和气液分离室两部分组成，见图3-2-9。
加热室为用锅炉钢板制成的圆筒体，加热管是不锈钢管，管内走硝酸镁溶液，管外走加热蒸汽。
蒸发室的上部是气液分离室，由不锈钢制成的圆筒体。
稀硝酸镁溶液由蒸发室底部进入加热室后，根据稀硝酸镁溶液与蒸汽之间的传热，分预热区、沸腾区和饱和蒸汽区。
溶液在预热区未达到沸腾温度，管内溶液的给热系数较低，如图3-2-10中I段。
沸腾区乳浊状态流动，称为乳化段。
在Ⅳ段小气泡变成大气泡，称转变段。
第V段随气相量的增加，液体沿壁成膜状流动。
沸腾区给热系数最大。
图3—2—9膜式蒸发器图3—2—10液体在管内的沸腾
l-筛板；2-填料；3-桨叶式涡流分离器；
4-人孔；5-温度计孔；6-无缝钢管
饱和蒸汽区如图3—2一l0中Ⅵ段。
随气体量的逐渐增加，液膜部分被蒸干而变成饱和蒸汽区，给热系数下降。
为了提高给热系数，就必须造成良好的流体力学条件，使沸腾区尽可能扩大，预热区和饱和区缩小。
溶液进入沸腾区后，大量的蒸汽与溶液形成混合物，且在管壁处形成薄膜，此混合物在管内以约20m/s的速度呈膜状高速流动进入饱和蒸汽区，冲击管口时的速度高达100～200m／s。
膜式蒸发器特点是不易生成污垢，给热系数大，加热蒸汽与溶液的平均温差大，生产强
度高。
由于加热管内液体的高度只有管高的1／5～1／4，并且充满二次蒸汽泡沫，几乎没有液体静压的影响。
但是，清洗与更换管子很不方便。
膜式蒸发器的主要操作指标：
真空度60～93kPa
蒸汽压力≤l.2MPa
溶液温度140～165℃
硝酸镁含量72％～76％
2．2直接合成浓硝酸
直接合成浓硝酸法，简称直硝法。
经典的方法为霍科（Hoko）法，已有五十多年的生产历史。
是至今生产规模最大，技术和经济上都较完美的一种方法。
它是利用液态N2O4纯氧和水直接合成浓硝酸。
其总反应如下：
2N2O4
（1）+O2
（1）+2H2O
（1）===4HNO3△H=一78．9kJ（3—2—2）
其生产过程分为四步：
即氨氧化制取NO混合气；混合气中NO的氧化和深度氧化；NO2的分离和液化；浓硝酸的直接合成。
由于液态N2O4的制取方法不同，工业上可分蒸汽一氧化法以及吸收法两种：
蒸汽一氧化法是在水蒸气的存在下，将氨与纯O2（99％）燃烧。
因此，燃烧产物中没有无用的氮，只有NO、氧和水蒸汽。
然后将NO氧化并从气相中分离出水分，留下的产物几乎全是l00％的氮氧化物，再将其冷却使之变成N2O4液体。
蒸汽一氨氧化法非常简单，但是生产lt硝酸（100％计）需要消耗1000m3纯O2和大量电能。
目前工业上主要还是采用吸收法制取液态N2O4，以此生产浓硝酸。
2．2．1直接法制硝酸工艺原理
2．2．1．1氧的催化氧化
这与稀硝酸生产中的氨催化氧化完全相同，在此不再叙述。
2．2．1．2含氮氧化物气体冷却和过量水的分离
从下列方程式可知：
NH3十2O2——HNO3十H2O
这一反应理论上的最大硝酸中HN03含量为77.8％，而要获得l00％的硝酸仅需反应生成水
量的1／3，其余2／3的水量必须除去。
工业上是将气体高速地通过快速冷凝器（也称快速冷却器）的方法，使气体中大部分水蒸气冷凝下来。
而其中的NO因气体穿越冷却器时问仅为0．1～0．3s来不及氧化，因此氮氧化物溶于水而造成的NxOy损失并不大。
2．2．1．3NO的氧化
工业上NO的氧化分两步进行：
首先是NO与空气中的氧氧化，其氧化度可达到90～
93％。
余下的NO，再用浓度为95％～98％的浓硝酸进行深度氧化，反应式如下：
NO+2HNO3——3NO2+H2O
大家知道，在浓硝酸的液面上NO的平衡分压是很小的，这是因为浓硝酸具有极强的氧
化性，故可将NO氧化得很完全，NO氧化度可高达99％，而且反应速度也很大，并随着温
度的升高而增快。
反应结果，导致硝酸中HNO3含量降至70％～75％。
当然，若气相NO含量很大，或则在加压下进行NO氧化，那么仅用空气而不用浓硝酸，也可以将NO氧化得
相当完全。
由表3—2—3可见，在常压下氮氧化物的氧化度可达99.1％。
但随着压力增高，例如在0.7MPa下，若利用浓硝酸氧化氮氧化物，其氧化度仅为94.8％，原因是用浓硝酸氧化时，压力增大有利于氮氧化物吸收，而不利于NO的氧化。
表3．2．325℃时在68％～98％HNO3液面上的气体平衡组成
压力／MPa
气体组成体积分数／％
NO的氧化度／％
压力／MPa
气体组成体积分数／％
NO的氧化度／％
NO2
N2O4
NO
NO2
N2O4
NO
0.1
0.2
0.3
0.4
3.58
2.90
2.49
2.22
0.908
1.195
1.31
1.40
0.046
0.097
0.14
0.176
99.1
98.3
97.4
96.6
0.5
0.6
0.7
0.8
2.03
1.88
1.75
1.64
1.46
1.50
1.52
1.54
0.209
0.237
0.253
0.284
96.1
95.5
94.8
94.3
2.2.1.4液态N2O4的制造
将NO2或N2O4冷凝则可获得液态N2O4。
在不同温度下液态N2O4的蒸汽压间表3-2-4。
化条件。
N204与水的混合物，其凝固点与水含量的关系，见表3—2—6。
表3．2．6N204与H20的混合物的凝固点与含水量的关系
┃混合物中水分的含量／％┃2┃^┃5。
5┃l0┃l5┃l9．6┃
┃凝固点／℃┃一13．4┃～14．2┃一l6．0┃～l9．（）┃一22。
（）┃一25．4┃
浓硝酸吸收NO2，在用空气将氨氧化时，气体中氮氧化物含量不会超过11％。
所以要
制取纯的NO2气体，必须把惰性气体分离掉。
低温时NO2在浓硝酸中有很好的溶解度，在
一l0℃及0．1MPa下，98％的硝酸吸收混合气体中氮氧化物可生成发烟硝酸，溶液中NO2的含量达到30％～32％；而在0℃时，只可达到26％～28％。
当处在0℃和0．7MPa下，
能够使溶液中NO2含量达到32％～36%，经过吸收后，气相中NO2的含量不会超过0．1％～0．2％，但却为该温度下的硝酸蒸气所饱和。
为了避免硝酸蒸气随废气一同排出而损失，所以将此废气通至吸收塔中用水或稀硝酸加以洗涤。
通过这样用浓硝酸吸收NO2，便可以将氮氧化物和惰性气体氮分离开来。
l00
020406080100
溶液中N02的含量／％
图3—2—12在各种不同压力下
HN03一N02体系的沸腾曲线
为欲获得纯的NO2，只要将吸收NO2所形成的发烟硝酸加热分解即可，这是一个普通的二组分蒸馏过程。
图3—2一l2所示为HNO3一NO2二元体系在l01.3及47kPa压力下的沸腾曲线。
图中下面的三条曲线表示液体的沸点随着液体的组成而变化的情况。
上面的三条曲线表示蒸气中氮氧化物的含量。
在左边纵坐标轴上的各点代表纯HNO3的沸点。
如果将含有30％的NO2的发烟硝酸加热，在101kPa下，将于40℃左右的温度下沸腾，蒸气中含有96．5％的氮氧化物和3．5％HNO3；当NO2含量超过45％时，在每一压力下溶液的沸点均保持一恒定值。
当NO2的含量超过95％时，沸腾温度低于N2O4的沸点，这是因为在这种浓度下，液体是由两个液层所组成，一个是为氮氧化物所饱和了的硝酸层，另一个则是为硝酸所饱和了的N2O4层。
如果将含80％氮氧化物的硝酸加热，则当氮氧化物含量降低到45％以前，该溶液一直
是在一个恒定的温度下沸腾，并且所放出的蒸气组成亦保持不变（约l00％的氮氧化物）。
当氮氧化物降低到45％以下，沸腾点开始升高，蒸气中HNo飞含量也增加，如果将10％的
溶液在l01kPa下加热沸腾，则在蒸气中将有85％的氮氧化物和l5％的HN01。
如果使这个
溶液在80kPa下沸腾，则蒸气中将含有78％的氮氧化物和22％的HN（）3。
由此可见，压力增高，自硝酸溶液中分离含量较高的氮氧化物是有利的，但是加压时的
沸点较高，设备腐蚀加重，并且为了防止气体从设备和管道泄漏而造成损失，所以氮氧化物
的蒸出可在微减压下进行操作。
蒸出过程是在用铝制的板式塔或填料塔中进行。
将溶液加热到85℃，冷却到0℃的发烟硝酸溶液由塔的顶部加入，溶液与自下而上的蒸气相遇，进行换热放出氮氧化物，并提高了HN01的含量。
气体由塔顶排出，温度为40℃、含有97％～98％的氮氧化物和2％～3％的
HN03。
氮氧化物经冷却冷凝便可得到液态N704。
2．2．1．5四氧化二氮合成硝酸
直接合成浓硝酸的反应并非象式（3—2—2）所示的那样简单，实际上由以下步骤组成。
N204——2N02（3—2—3）
2N02十H20：
--HN03+HN02（3-2—4）
3HN02="HN03+H2O+2NO（3—2—5）
2HN02+（）2--2HN03（3—2—6）
2NO+02——2N02-"N204（3—2—7）
从化学反应平衡来看，显然，提高N204含量，对反应式（3—2—3）、（3—2—4）有利。
而提
高压力及氧的含量，对反应式（3—2—51、（3—2_6）的平衡及反应速度有利。
工业生产上不但
要求转化率高，同时要求反应速度快：
如果在5Mt）a压力下操作且有过剩的N204和07存
在时，即使在高温情况下，从平衡角度来看，也能使反应（3—2—1）进行得很完全。
研究结果认为，二氧化氮与水反J泣这一步是反应总速度的控制步骤。
其反应速度方程
式为：
式中C-＼q，CH㈡——分别为N02和H20的含量；
a——溶液中N02的初始含量／m01／L；
易——溶液中H2O的初始含量／mol／L；
／e——反应速度常数。
不同压力和温度下k值如图3—2一l3所示。
根据不同条件下的计算结果，提高温度，增加压力，以及提高NO2含量都能使反应加快。
下面分别讨论各种因素对反应速度的影响。
（1）压力
406080100
温度／口C
图3-2-13不同压力、温度下液体N2O4与稀硝酸及氧作用的反应速度常数
将液态氮氧化物与一定比例的水混合后，通入间歇操作的高压反应器中，再将高压氧通入反应器可使反应压力增大，也可使反应速度增快。
图3-2—14示出了反应速度随着压力增大而增高的比例倍数。
如果将0．5MPa下的反应速度作为l，则在1MPa下反应速度增至2倍，在2MPa下增至3．8倍；在5MPa下可增至5．3倍。
若将压力再提高，效果就不再明显了，且会增加动力消耗和设备腐蚀，也增大了对设备的强度及严密性的要求。
所以至今工业上都选用5MPa压力，作为直接合成硝酸的操作压力。
（2）温度
反应速度是随着温度增高而增大，这是因为温度能促进液相中的亚硝酸的分解速度。
而在低温时其分解速度将决定操作所需的总时间。
图3—2一l4高压反应器中反应速
度的变化倍数与总压力的关系
（3）氧
在反应器高压操作中，氧的吸收速度与温度、压力等因素有关，参见图3—2一l5。
由图可见，在操作开始时，反应速度增加很快，然后逐渐趋缓。
温度由20℃增至60℃，
可使反应速度增加数倍。
在实际操作中，高压反应器的温度控制在80℃左右，以防止高压
反应器中铝制圆筒遭受剧烈的腐蚀。
另外，氧穿过溶液的分散度及氧的纯度对反应速度也有影口向。
氧的用量越多，反应速度愈快。
而氧的分散度对于增加反应速度有着重要的意义，由图3—2—16可以看出，氧的用量（实线）、气泡的表面积（虚线）均与反应速度成线性关系。
尤其是对于含N2O4过剩量很少的混合物来说影响更大。
所用氧的纯度是一个重要因素。
氧中含惰性气体越少，则加压下的反应速度愈快。
（4）原料配比
原料配比对反应速度的影响至大。
若按反应式（3—2—2）配料，N2O4与H2O的比例为
92：
18=5.11：
l，按此比例合成的浓硝酸，即使用很高的压力，反应所需的时间仍很长。
若
能增大比例可以使反应的时间大大缩短。
在5MPa和60～80℃温度下合成98％HN（）3时，
原料配比与合成时间的关系，参见表3—2—7。
表3—2—7N2O4/H2O与合成时间的关系
N2O4/H2O
6.2
6.82
7.5
8.3
9.28
时间/min
200
70
30
15
6
衡结果，当以最低生产费用来确定最适宜的配料比。
表3～2—8即以不同配料比所生产lt浓硝酸（以l00％HN03计）需要的生产费用的相对比例。
表3．2．8N204／H2O比与相对生产费用的比例关系
┃＼，（）』／H。
O比┃6．2┃6．82┃7
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