Способ производства азотной кислоты
Изобретение относится к способу производства азотной кислоты. Способ производства азотной кислоты включает воздействие условий на газообразный сырьевой материал установки окисления, состоящий по меньшей мере по существу из аммиака, пара и окисляющего газа, в результате которых аммиак окисляется с получением реакционной смеси, включающей монооксид азота и водяной пар, с последующим охлаждением реакционной смеси в теплообменнике, в результате которого монооксид азота окисляется и происходит конденсация водяного пара; продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой; и по существу весь монооксид азота в реакционной смеси преобразуется в азотную кислоту. Изобретение позволяет получить разбавленную азотную кислоту без использования абсорбционной колонны и без необходимости в обесцвечивании. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к способу производства азотной кислоты.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционно азотную кислоту получают путем применения процесса Оствальда, при котором аммиак захватывается воздухом и окисляется с образованием монооксида азота (NO). Затем монооксид азота претерпевает дальнейшее окисление с образованием диоксида азота (NO2) и его димера динитротетроксида (N2O4), который взаимодействует с водой и абсорбируется ею с получением раствора азотной кислоты (HNO3). Эти реакции могут быть представлены следующими (упрощенными) химическими уравнениями:
Реакция (2) является лимитирующей реакцией процесса Оствальда, и к этому ограничению приспосабливаются, давая возможность нитрозным газам (то есть газам, вовлеченным в реакции (2) и (3)) взаимодействовать в течение существенного периода времени внутри абсорбционной башни, добавляя при этом воду, чтобы гарантировать, что по существу весь монооксид азота, полученный в ходе реакции (1), реагирует с получением азотной кислоты. Концентрация продукта, представляющего собой кислоту, в характерном случае составляет от 50% до 68% HNO3 (масс/масс) в зависимости от рабочего давления абсорбционной башни, числа циклов абсорбции в ней, а также от концентрации нитрозных газов, поступающих в абсорбционную башню. Тем не менее, нитрозные газы в характерном случае относительно разбавлены в связи с присутствием азота, вносимого с воздухом, и, следовательно, чтобы облегчить взаимодействие и абсорбцию, в характерном случае требуется башня большого объема. Кроме того, реакция (2) протекает быстрее при более низких температурах, чему способствует обеспечение охлаждения внутри абсорбционной башни холодильником, примыкающим к ее выходу, с целью предотвращения или минимизации сброса оксидов азота в атмосферу.
Теперь авторами изобретения было обнаружено, что при существенной модификации процесса производства, включающей подачу окислителя для окисления аммиака в форме (по меньшей мере по существу) кислорода, подвод балластной воды перед циклом окисления аммиака и удерживание водяного балласта на протяжении всего процесса, может быть разработан цикл абсорбции, на котором применяют теплообменную технологию, и которая исключает необходимость в абсорбционной башне и позволяет избежать сопутствующих недостатков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В широком понимании в настоящем изобретении предложен способ производства азотной кислоты, при котором газообразный сырьевой материал установки окисления, состоящий по меньшей мере по существу из аммиака, пара и окисляющего газа, подвергают воздействию условий, в результате которых аммиак окисляется с получением реакционной смеси, включающей монооксид азота и водяной пар. Затем эту реакционную смесь охлаждают в теплообменнике, в результате чего:
a) монооксид азота окисляется и происходит конденсация водяного пара,
b) продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой, и
c) по существу весь монооксид азота в реакционной смеси преобразуется в азотную кислоту.
Термин "окисляющий газ", как он использован в приведенном выше и в последующих определениях изобретения, следует понимать как означающий газ, содержащий более чем приблизительно 80% (об/об) кислорода. Окисляющий газ предпочтительно содержит по меньшей мере 90% (об/об) и, в зависимости от размера предприятия, наиболее предпочтительно по меньшей мере 95% (об/об) кислорода.
Также под выражением "по существу весь монооксид азота" в приведенном выше и в последующих определениях изобретения подразумевают количество монооксида азота, превышающее 90%, предпочтительно превышающее 95% и наиболее предпочтительно вплоть до уровня, достигающего по возможности около 100% монооксида азота, находящегося в реакционной смеси. Когда преобразование внутри теплообменника происходит на более низком уровне, чем наиболее предпочтительный уровень, реакционно-абсорбционный процесс может продолжаться в следующей реакционно-абсорбционной камере или трубе, включая или не включая теплообмен. Таким образом, преобразование, достигающее 100%, в теплообменнике несущественно, реакционно-абсорбционный процесс может продолжаться и вне процесса, происходящего в теплообменнике, в последующей адиабатической реакционно-абсорбционной камере, хотя и в ограниченной степени. То есть, известно, что более высокие температуры неблагоприятны для преобразования и абсорбции монооксида азота, и в тех случаях, когда реакцию-абсорбцию проводят в адиабатических условиях, в реакционном потоке может происходить существенное повышение температуры. Например, адиабатическое протекание преобразования, составляющего от 99% до 100% монооксида азота, вызвало бы повышение температуры, составляющее порядка 2,5°C, тогда как протекание преобразования, составляющего от 90% до 100%, вызвало бы повышение температуры, составляющее 24°C.
В настоящем изобретении также предложен раствор азотной кислоты, полученный определенным выше способом.
Азотная кислота, полученная определенным выше способом, по определению будет разбавленной, и ее концентрация составляет, например, порядка, составляющего от 20% до 40% HNO3 (масс/масс), в зависимости от количества воды, содержащегося в реакционной смеси. Уровень концентрации может быть повышен в результате процессов последующей обработки, известных в данной области техники, хотя азотную кислоту в ее разбавленном виде можно применять для последующего получения дополнительных продуктов, таких как нитрат аммония.
Неожиданное преимущество производства разбавленной азотной кислоты состоит в том, что необходимости в обесцвечивании (или выщелачивании) азотной кислоты, существующей на предшествующем уровне техники, можно избежать. Азотная кислота, производимая способом предшествующего уровня техники и имеющая концентрацию, составляющую выше приблизительно 55% HNO3 (масс/масс), содержит растворенный диоксид азота в количествах, достаточных для придания кислоте коричневого цвета. Такие высокие концентрации растворенного диоксида азота должны быть по существу удалены перед хранением или транспортировкой кислоты, где это удаление выполняют посредством операции, известной в данной области техники как выщелачивание или обесцвечивание. Равновесие реакции (3) (см. выше) значительно смещается вправо разбавленной азотной кислотой, что, следовательно, приводит в результате к уменьшению количества диоксида азота, находящегося в разбавленной азотной кислоте, и устраняет необходимость в выщелачивании.
Теплообменник, применяемый в определенном выше способе, может включать любой тип теплообменника, обеспечивающий передачу тепла от технологической среды (в настоящем изобретении - от реакционной смеси) к охлаждающей среде, например, теплообменник кожухотрубного типа, пластинчатый теплообменник с вытравленными каналами (англ. printed-circuit), теплообменник пластинчатого типа или теплообменник типа лопастного вентилятора. Потоки жидкости, проходящие внутри теплообменника, желательно имеют малый размер поперечного сечения (например, менее чем приблизительно 3 мм и желательно менее 2 мм эквивалентного диаметра), что способствует тепломассопереносу и способствует компактности теплообменника. Также в зависимости от требований к обработке можно использовать один теплообменник или два или более теплообменников, которые могут быть соединены параллельно или последовательно, и выражение "теплообменник", используемое в данном описании, следует понимать в этом контексте. Охлаждающая среда может включать газ, например, воздух, нагнетаемый вентилятором, или жидкость, например, воду.
Новое применение теплообменника для завершения абсорбции в цикле абсорбции (в отличие от применения при способах предшествующего уровня техники в противоточной абсорбционной башне) приводит в результате к получению относительно разбавленной азотной кислоты. Такая кислота имеет низкие давления насыщенных паров азотной кислоты и нитрозных газов, что позволяет избежать необходимости в противоточном контакте для достижения полной абсорбции этих компонентов. Тем не менее, скорость, при которой происходит преобразование монооксида азота в кислоту по мере приближения процесса к завершению, в основном, определяется скоростью химической реакции окисления монооксида азота, которая значительно увеличивается за счет более высоких концентраций монооксида азота и кислорода. При способе по настоящему изобретению пар, применяемый для уравновешивания процесса окисления, по существу конденсируется в ходе процесса абсорбции с образованием части продукта, представляющего собой азотную кислоту, в результате чего увеличивается концентрация остаточных газообразных реагентов и облегчается их относительно быстрое взаимодействие и абсорбция. Эффект состоит в интенсификации процесса реакции/абсорбции, и в соответствии с одной формой осуществления изобретения этот эффект наиболее высок, когда композиция окисляющего газа приближена к 100% содержанию кислорода.
Пар в сырьевом материале установки окисления служит для поддержания сырьевого материала установки окисления ниже взрывоопасного предела для смесей аммиака с кислородом и для уменьшения подъема температуры в процессе окисления аммиака, а также действует при конденсации для абсорбции продуктов окисления монооксида азота.
Окисляющий газ (далее в настоящем описании называемый "кислород") в сырьевом материале установки окисления (или в исходном сырье, из которого образуется сырьевой материал установки окисления) можно подавать в количестве, достаточном для окисления по существу всего аммиака и по существу всего монооксида азота. Альтернативно кислород в сырьевом материале может быть обеспечен в количестве, достаточном для окисления по существу всего аммиака, а дополнительное количество кислорода может быть добавлено в реакционную смесь перед конденсацией водяного пара с целью окисления по существу всего монооксида азота.
Можно получить исходное сырье, где весь аммиак, весь кислород и вся вода находятся в газообразном состоянии. Исходное сырье можно также получить путем смешивания кислорода со смесью аммиака и водяного пара, путем смешивания аммиака со смесью кислорода и водяного пара или путем смешивания отдельных компонентов, то есть кислорода, аммиака и водяного пара, но желательно избегать риска образования взрывоопасной смеси, не смешивая водяной пар со смесью аммиака и кислорода.
В альтернативной форме осуществления, где в исходное сырье подают воду в жидком состоянии, эта вода может испаряться либо до, либо после смешивания с двумя другими компонентами исходного сырья.
В следующей форме осуществления аммиак можно растворять в воде с образованием водного аммиака, и в том случае, где избыток водного аммиака после рециркуляции нагнетают обратно в исходное сырье (как описано в настоящем описании ниже), аммиак можно растворять в сырье, состоящем из смеси воды и водного аммиака после рециркуляции. Затем полученное в результате сырье можно нагревать для испарения водного аммиака.
В цикле окисления аммиака (в котором сырье, состоящее из смеси аммиака и кислорода, уравновешенной паром, окисляется с образованием преимущественно монооксида азота в составе нитрозного газа) сырьевой материал установки окисления можно нагревать до температуры, входящей в диапазон, составляющий от 700°C до 1000°C (в характерном случае приблизительно 800°C), при давлении, входящем в диапазон, составляющий от 1 бар (абсолютное давление) до 15 бар (абсолютное давление) (в характерном случае приблизительно 2 бар (абсолютное давление)), в присутствии катализатора. Катализатор может включать каталитическую систему любого известного типа, включающую слой оксида кобальта или платиново-родиевый катализатор в виде слоев тканой или вязаной сетки. Нагревание сырьевого материала установки окисления в установке окисления может происходить либо за счет адиабатического выделения теплоты реакции, либо за счет теплообмена с внешней жидкостью, либо за счет комбинации обоих процессов. Когда для нагревания или охлаждения применяют теплообмен, установка окисления может включать реактор-теплообменник.
Реакционную смесь из цикла окисления аммиака можно охлаждать до первой температуры, находящейся выше точки росы реакционной смеси (например, до температуры, составляющей приблизительно 140°C) за счет теплообмена с жидким теплоносителем, и реакционную смесь можно дополнительно охлаждать до второй температуры за счет теплообмена с жидким теплоносителем или другой технологической средой. Последний теплообмен, под которым в данном описании подразумевают теплообмен входящего/отходящего потока с использованием теплообменника входящего/отходящего потока, может осуществляться между реакционной смесью и исходным сырьем (или компонентами исходного сырья), которое в данном случае становится жидким теплоносителем. Такой теплообменник входящего/отходящего потока может быть отделен от упомянутого выше теплообменника или объединен с тем теплообменником, в котором продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой.
В некоторых формах осуществления, в которых происходит теплообмен входящего/отходящего потока, любой жидкий компонент в исходном сырье может испаряться (по меньшей мере частично), и любой жидкий компонент, остающийся в исходном сырье после теплообмена входящего/отходящего потока, можно подвергать рециркуляции или, используя прежнюю терминологию, подвергать повторному использованию (рециркуляции). В результате этого процесса большая часть любой жидкости в исходном сырье может испаряться до газообразной фазы с использованием теплоты, которую можно рассматривать как "низкопотенциальную" теплоту, оставляя "высокопотенциальную" теплоту, образующуюся внутри процесса, для таких вспомогательных целей, как образование пара для выработки энергии. Накопление растворенных твердых веществ в рециркулирующей жидкости можно предотвратить за счет обеспечения выпускания пара.
Окисление монооксида азота и сопутствующие реакции, приводящие к образованию азотной кислоты, управляются рабочими давлениями и температурами в соответствии с конструкцией системы и, по меньшей мере на конечном этапе абсорбции, температурой охладителя доступного теплообменника. Окисление происходит только до ограниченной степени до инициации охлаждения после окисления, то есть (на основании графических материалов предшествующих примеров) при столь высоких температурах, как 800°C. Когда реакционная смесь охлаждается, первая жидкость образуется при точке росы при рабочем давлении, и образование кислоты продолжится по мере дальнейшего охлаждения смеси. При рабочем давлении, составляющем приблизительно 15 бар (абсолютное давление), образуется конденсат и, следовательно, образование азотной кислоты прекратится при соответствующей температуре насыщения, составляющей приблизительно 200°C, и образование кислоты продолжится при понижении температуры до приблизительно 50°C с учетом того, что последняя температура ограничена доступной температурой охлаждающей среды. Для работы при давлении, составляющем 2 бар (абсолютное давление), образование кислоты прекратится при температуре, составляющей приблизительно 110°C.
Изобретение будет понято более полно на основании последующего описания: трех иллюстративных примеров осуществления способов производства азотной кислоты. Это описание приведено в качестве примера со ссылкой на принципиальные схемы (блок-схемы), как показано в сопроводительных графических материалах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В графических материалах
на фиг.1 представлена блок-схема, применимая к первому примеру осуществления изобретения, в котором воду, аммиак и кислород в газообразной форме объединяют с образованием исходного сырья для производства азотной кислоты;
на фиг.2 представлена блок-схема, применимая ко второму примеру осуществления изобретения, в котором жидкую воду подают в качестве компонента исходного сырья и испаряют с объединением с компонентами исходного сырья, представляющими собой аммиак и кислород;
на фиг.3 представлена блок-схема, применимая к третьему примеру осуществления изобретения, в котором компоненты, представляющие собой водный аммиак и кислород, объединяют с образованием сырья, которое пропускают через теплообменник входящего/отходящего потока; и
на фиг.4 представлены графики зависимости температуры от теплоты, иллюстрирующие характерную работу противоточного теплообмена между входящим и отходящим потоком в теплообменнике, показанном на фиг.3.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве предварительного наблюдения, все три примера осуществления (как показано на фиг.1-3) относятся к одному и тому же изобретению (как определено выше); в котором конкретно:
газообразный сырьевой материал установки окисления, состоящий по меньшей мере по существу из аммиака, пара и окисляющего газа, подвергают воздействию условий, в результате которых аммиак окисляется (в установке, прежде называемой установкой окисления, но в данной работе далее называемой камерой сгорания) с получением реакционной смеси, включающей монооксид азота и водяной пар, и реакционная смесь охлаждается в теплообменнике, в результате чего монооксид азота окисляется, происходит конденсация водяного пара, и продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой,
в результате чего по существу весь монооксид азота в реакционной смеси преобразуется в азотную кислоту.
Далее сделана ссылка на первый пример осуществления изобретения, который представляет собой способ, проиллюстрированный блок-схемой на фиг.1. В способе, проиллюстрированном на фиг.1, сырьевой поток 10 газообразного аммиака, сырьевой поток 11 пара и сырьевой поток 12 кислорода объединяют с образованием исходного сырья 13, причем аммиак и пар предпочтительно смешивают перед их подачей в поток кислорода во избежание возможности образования взрывоопасной смеси. Соответствующие сырьевые потоки доставляют при достаточно высокой температуре, чтобы предотвратить образование конденсата, когда сырье 14 камеры сгорания (в случае примера осуществления фиг.1 соответствующее исходному сырью 13) подают в камеру сгорания 15. Все сырьевые потоки доставляют при несколько более высоком давлении, чем давление сгорания, составляющее приблизительно 2 бар (абсолютное давление).
Камера сгорания 15 может включать любой тип установки окисления аммиака, известный в данной области техники для применения при высокотемпературном каталитическом преобразовании смеси аммиака с кислородом, и в ней можно использовать каталитическую систему любого известного типа, включая слой оксида кобальта. В одной подходящей форме она может включать платиново-родиевый катализатор в виде слоев тканой или вязаной сетки. В другой форме камера сгорания может быть сконструирована в виде реактора-теплообменника, в котором теплота, выделенная во время реакции, одновременно переносится в охлаждающую среду. Сырье 14 (камеры сгорания), представляющее собой смесь аммиака с кислородом, уравновешенную паром, в камере сгорания 15 нагревается путем комбинации теплопередачи, конвекции и излучения до температуры реакционной смеси слоями катализатора и взаимодействует на слоях катализатора с образованием потока нитрозного газа. За исключением случаев, когда окисление происходит в реакторе-теплообменнике, весь процесс является по существу (то есть почти) адиабатическим, и достигаемая температура, подразумевающая полное, высоко селективное преобразование аммиака в монооксид азота, зависит, прежде всего, от количества присутствующего парового балласта. Температура в характерном случае составляет приблизительно 800°C, когда молярное отношение воды к аммиаку в исходном сырье составляет приблизительно 5,6, и концентрация аммиака в сырье камеры сгорания составляет приблизительно 11,4% (об/об). Такая композиция сырья камеры сгорания находится вне ожидаемых пределов взрывоопасности аммиака и приводит в результате к получению продукта, представляющего собой азотную кислоту, концентрация которой составляет приблизительно 33,5% HNO3 (масс/масс).
Полученную в результате реакционную смесь, включающую монооксид азота и водяной пар, указанную как поток 16, подают в следующий теплообменник 17, где реакционная смесь охлаждается путем теплообмена жидким теплоносителем, таким как вода под давлением (жидкая вода), кипящая вода или масло.
Проиллюстрированный теплообменник 17 включает охлаждающий испаритель традиционного типа, известный в данной области техники, в котором газовое сырье 16 охлаждается до температуры, находящейся выше уровня точки росы реакционной смеси (порядка 140°C). В охлаждающем испарителе может образовываться пар для доставки в паровую турбину (не показано) или для процесса нагревания, независимого от способа по настоящему изобретению.
На выходе из теплообменника 17 охлажденную реакционную смесь 18, в которой начинает окисляться монооксид азота (как упомянуто выше), подают в абсорбер, находящийся в форме теплообменника 19. Конденсация водяного пара и продолжающееся окисление монооксида азота и сопутствующие реакции, приводящие к образованию азотной кислоты, в теплообменнике 19 (как также упомянуто выше) управляются рабочими давлениями и температурами, используемыми в системе. Теплота обменивается между охлажденной реакционной смесью (по мере прохождения через каналы 20 теплообменника 19) и жидким теплоносителем 22, в характерном случае водой, которая направляется противоточным путем через каналы 21 теплообменника 19. Теплообменник 19 может включать любой тип теплообменника, известный в данной области техники как подходящий для применения при конденсации/окислении подаваемой реакционной смеси до разбавленной азотной кислоты, включающий теплообменник кожухотрубного типа, теплообменник типа лопастного вентилятора, теплообменник пластинчатого типа или пластинчатый теплообменник с вытравленными каналами, и жидкий теплоноситель 22 может включать любую текучую среду (то есть жидкость или газ), подходящую к используемому типу теплообменника. Потоки жидкости, проходящие внутри теплообменника, желательно имеют малый размер поперечного сечения (например, менее чем приблизительно 3 мм и желательно менее 2 мм эквивалентного диаметра), что, как указано выше, способствует тепломассопереносу и, следовательно, способствует компактности установки.
Газы, не конденсированные или не абсорбированные в теплообменнике, отделяют от азотной кислоты с образованием остаточного газа с помощью сепаратора 23. Основными компонентами остаточного газа являются избыточный непрореагировавший кислород, аргон и другие примеси, вносимые при подаче кислорода в процесс, азот и монооксид азота, образующиеся в качестве побочных продуктов в камере сгорания, и водяной пар. Остаточный газ, выходящий из сепаратора 23, также содержит очень низкие концентрации нитрозных газов. Тем не менее, как проиллюстрировано, остаточный газ можно подавать из сепаратора 23 в дополнительный сепаратор 23A посредством холодильника-конденсатора 23B, где действие всех этих реакторов эффективно обеспечивает взаимодействие-абсорбцию, последующее за взаимодействием-абсорбцией, происходящим в теплообменнике 19. Нитрозные газы и пары азотной кислоты, абсорбированные в холодильнике-конденсаторе, создают очень слабый поток азотной кислоты (в характерном случае менее 2% (масс/масс)), который подают обратно в сепаратор 23, в результате чего эффективно устраняют выбросы паров азотной кислоты и существенно снижают выбросы нитрозных газов из процесса, при этом также несколько увеличивая выход продукта.
Дополнительное количество кислорода при необходимости нагнетают в поток (потоки) реакционной смеси 16 и/или охлажденной реакционной смеси 18, как указано пунктирными линиями 16a и 18a подачи, с целью обеспечения небольшой избыточной подачи кислорода, что способствует полному окислению монооксида азота в реакционной смеси.
Также при необходимости в поток (потоки) реакционной смеси 16 и/или охлажденной реакционной смеси 18 можно нагнетать дополнительное количество пара или воды, как указано пунктирными линиями 16b и 18b подачи, с целью обеспечения достаточного количества конденсата, что способствует полному окислению и абсорбции диоксида азота.
Далее сделана ссылка на второй пример осуществления изобретения; то есть на способ, к которому применима блок-схема фиг.2, при котором воду 11 подают в качестве компонента исходного сырья и испаряют перед объединением с исходным сырьем, представляющим собой аммиак и кислород, с образованием сырья 14 камеры сгорания. Некоторые из циклов способа, представленного блок-схемой, показанной на фиг.2, и, следовательно, показанное на ней рабочее оборудование, являются такими же, как показано на фиг.1, и не описаны повторно, и для идентификации аналогичного оборудования на соответствующих графических материалах использованы аналогичные цифровые обозначения.
При способе, проиллюстрированном на фиг.2, компоненты 10 и 12 исходного сырья, представляющие собой аммиак и кислород, подают в газообразной форме при давлении, несколько превышающем давление камеры сгорания, и при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Водный компонент 11 исходного сырья подают в жидкой форме, также при давлении, несколько превышающем давление камеры сгорания, и воду испаряют (с образованием газообразного потока 25) перед смешиванием сначала с аммиачным компонентом 10, а затем с кислородным компонентом 12 исходного сырья с образованием сырья 14 камеры сгорания.
Водный компонент 11 исходного сырья нагревают до температуры его кипения и испаряют посредством погружного испарительного теплообменника 26, который принимается жидким теплоносителем в виде реакционной смеси 16 посредством погружного теплообменника 27 и/или в виде нагревательной среды 28 из внешнего источника посредством погружного теплообменника 29. Клапан 30 обеспечивает продувку 31 для выброса отходов с целью избегания накопления растворенных твердых веществ в теплообменнике 26.
Либо один, либо другой, либо (как проиллюстрировано) оба компонента 10 и 12 исходного сырья, представляющие собой газообразный аммиак и кислород, нагревают в теплообменнике 32 до температуры, предотвращающей конденсацию потока 25 испаренной воды при смешивании с этим потоком. Как проиллюстрировано, жидкий теплоноситель для теплообменника 32 предпочтительно включает реакционную смесь 18 после ее прохождения (а также потери теплоты/падения температуры) через погружной теплообменник 27, хотя жидкий теплоноситель можно нагревать с помощью источника тепла, который является внешним по отношению к процессу, проиллюстрированному на фиг.2. В первом случае теплообменник 32 можно считать теплообменником входящего/отходящего потока.
Температура реакционной смеси 16 падает до уровня, составляющего приблизительно 140°C, при прохождении через теплообменник 26 и дополнительно падает до температуры, составляющей приблизительно 120°C (выше точки росы) при прохождении через теплообменник 32.
Другие аспекты способа, проиллюстрированного на фиг.2, включающие процессы окисления аммиака абсорбцию реакционного газа, являются по существу такими, как описано выше в контексте фиг.1.
Далее сделана ссылка на третий пример осуществления изобретения; то есть на способ, к которому применима блок-схема фиг.3. Некоторые из циклов способа, представленного блок-схемой, показанной на фиг.2, и, следовательно, показанное на ней рабочее оборудование, являются такими же, как показано на фиг.1 и 2, и, как и в случае оборудования фиг.2, не описаны повторно. Также для идентификации аналогичного оборудования на соответствующих графических материалах использованы аналогичные цифровые обозначения.
При способе, проиллюстрированном на фиг.3, аммиак 10, воду 11 (или, хотя это не показано, водный аммиак из единого источника) и кислород 12 (все компоненты находятся при температуре, приближенной к температуре окружающей среды) подают под давлением в виде сырья 34, представляющего собой смесь водного аммиака и кислорода, в теплообменник 35 входящего/отходящего потока. Сырье 34 может быть получено различными путями, но, как показано на фиг.3, аммиачный компонент 10 исходного сырья при давлении, несколько превышающем атмосферное давление, растворяют как в водном компоненте 11 исходного сырья, так и в потоке 36 жидкости после рециркуляции с образованием потока 37 водного аммиака. Поток 37 водного аммиака охлаждают в камере 38 охлаждения до температуры, составляющей приблизительно 60°C, и создают с помощью насоса 39 давление, несколько превышающее давление камеры сгорания, в характерном случае, как описано выше, приблизительно при 2 бар (абсолютное давление).
Сырье 34 (включающее поток 37 водного аммиака и кислородный компонент 12 исходного сырья) подают в первую систему 40 каналов теплообменника 35 входящего/отходящего потока, и сырье 34 при пропускании через теплообменник нагревается до уровня температуры, дающего возможность для испарения аммиака и воды в потоке водного аммиака в поток кислорода. Полученное в результате сырье, представляющее собой смесь аммиака и кислорода, уравновешенную паром, доставляют в качестве сырья 41 камеры сгорания в камеру сгорания 15 посредством сепаратора 42.
Сепаратор 42 (который может принадлежать к традиционному типу, известному в данной области техники) обеспечивает удаление избытка водного аммиака, добавляемого в сырье 34, который в противном случае оставался бы в сырье 14 камеры сгорания. Избыток водного аммиака добавляют в сырье 34, чтобы избежать высыхания сырья, проходящего через первую систему 40 каналов теплообменника 35 входящего/отходящего потока и накопления твердых веществ/коррозии в системе каналов.
Удаляемую жидкость можно отводить из системы просто в виде потока 43 сбросной воды из сепаратора 42 посредством камеры 44 охлаждения и редукционного клапана 45 или (при заинтересованности в минимизации отходов сырья, представляющего собой водный аммиак) по меньшей мере основной компонент удаляемой жидкости можно, как показано, возвращать в поток водного сырья в виде потока 36 после рециркуляции (отдельно от самого компонента исходного сырья). Поток 43 сбросной воды обеспечивают с целью избегания избыточного накопления твердых растворенных примесей внутри контура рециркуляции, и поток сбросной воды в характерном случае включает небольшую долю (от 1% до 10%) потока водного сырья.
В качестве общего наблюдения, вся подаваемая вода, кроме воды, выводимой в виде сбросной воды, испаряется с образованием парового балласта. Тем не менее, в целях поддержания стенок на стороне подачи теплообменника 35 входящего/отходящего потока в относительно влажном состоянии, выходящую фракцию пара сырья теплообменника желательно поддерживать при концентрации, составляющей не более 50% (масс/масс), причем, остаточную жидкость подвергают рециркуляции до завершения испарения. Комбинация потоков нового сырья и рециркуляции образует избыток воды на стороне подачи теплообменника входящего/отходящего потока. Нужную скорость образования парового балласта в теплообменнике входящего/отходящего потока можно регулировать путем использования контрольного клапана 46, расположенного в системе между охлаждающим испарителем 17 и подачей реакционной смеси в теплообменник 35 входящего/отходящего потока. Контрольный клапан можно использовать для модификации разности давления между сторонами подачи и выхода теплообменника, модифицируя посредством этого доступное количество теплоты из выходящего потока для нагревания и испарения жидкости в потоке сырья. Кроме того, контрольный клапан 46 можно использовать для регуляции давления подачи реакционной смеси с целью регулирования количества образующегося потока, чтобы обеспечить необходимую степень балласта.
Реакционную смесь 16 доставляют посредством охлаждающего испарителя 17 (который снижает температуру реакционной смеси приблизительно до 140°C) и контрольного клапана 46 во вторую систему 47 каналов в теплообменник 35 входящего/отходящего потока, а затем в систему 20 каналов, соединенных последовательно, теплообменника 19.
Подача реакционной смеси, имеющей (относительно) высокую температуру, через систему 47 каналов, претерпевает теплообмен с противоточным сырьем, включающим водный аммиак и кислород, через систему 40 каналов. Графики, представленные на фиг.4, на которых показана зависимость температуры от теплоты, иллюстрируют характерную работу противоточного теплообмена входящего/отходящего потока, который происходит в теплообменнике 35 входящего/отходящего потока. График A применим к реакционной смеси в системе 47 каналов, где она охлаждается с конденсацией воды, а график B применим к потоку сырья, претерпевающего (частичное) испарение водного аммиака в системе 40 каналов во время каждого прохода.
Подача реакционной смеси (при пониженной температуре, составляющей приблизительно 60°C) из теплообменника входящего/отходящего потока направляется непосредственно в систему 20 каналов теплообменника 19 и претерпевает теплообмен с противоточной охлаждающей средой 22 через вторую систему 21 каналов теплообменника/абсорбера 19. Процессы окисления аммиака и абсорбции реакционного газа, которые происходят в системах 47 и 20 каналов, соединенных последовательно, теплообменника 35 входящего/отходящего потока и теплообменника 19 конденсации-абсорбции являются по существу такими, как описано выше в контексте способа, описанного со ссылкой на фиг.1.
Количество (скорость тока) кислородного компонента 12 исходного сырья предпочтительно контролируют таким образом, что оно является достаточным для протекания окисления всего (или по существу всего) аммиака и нитрозного газа в процессе. Тем не менее, при модификации процесса количество кислорода в исходной смеси можно контролировать таким образом, чтобы окислить по меньшей мере по существу весь аммиак, и можно добавлять в реакционную смесь дополнительное количество кислорода перед тем, как вода начинает конденсироваться из реакционной смеси, чтобы окислить почти весь нитрозный газ. Таким образом, дополнительное количество кислорода можно подавать в любой одной, двух или во всех трех точках 16a, 18a и 18c нагнетания, указанных пунктирными линиями на фиг.3.
Количество воды в сырье 34, подаваемом в теплообменник 35 входящего/отходящего потока, при ее конденсации в теплообменнике 19 и взаимодействии с образовавшимся диоксидом азота (то есть во время его абсорбции) также контролируют таким образом, чтобы конденсат присутствовал в количестве, достаточном для образования разбавленной (порядка, составляющего от 20% (масс/масс) до 40% (масс/масс)) азотной кислоты. Однако при необходимости в потоки реакционной смеси и охлажденной реакционной смеси можно подавать дополнительное количество воды в любой или в обеих из двух точек 16b и 18b нагнетания, указанных пунктирными линиями на фиг.3.
Понятно, что иллюстративный способ, описанный со ссылкой на фиг.3, представляет собой эффективную форму осуществления системы теплообмена входящего/отходящего потока, включающей теплообменник входящего/отходящего потока, которая объединена с системой теплообмена абсорбера, включающей теплообменник конденсации-абсорбции. В системе теплообмена входящего/отходящего потока двухфазное сырье, состоящее из водного аммиака и кислорода, нагревается до температуры, которая дает возможность потоку сырья переносить необходимое количество балластного пара. На другой стороне теплообменника реакционный газ, температура которого находится выше точки росы, поступает в теплообменник, охлаждается до точки росы, и дальнейшее охлаждение сопровождается конденсацией. Некоторое количество диоксида азота присутствует во входящем газе в результате окисления монооксида азота в линиях подачи и в охлаждающем испарителе перед теплообменом входящего/отходящего потока, и, поскольку температура и содержание воды в газе падает внутри теплообменника входящего/отходящего потока, окисление монооксида азота газовой фазы ускоряется, и по мере охлаждения газов быстро возрастает скорость образования кислоты в теплообменнике входящего/отходящего потока. Таким образом, конденсируется не только вода. В системе абсорбера-теплообменника завершается процесс окисления монооксида азота/диоксида азота до азотной кислоты. Охлаждающая среда снижает температуру в абсорбере-теплообменнике до уровня, находящегося ниже уровня в теплообменнике входящего/отходящего потока, и время пребывания нитрозных газов в абсорбере за счет конструкции системы достаточно для прохождения процесса окисления по существу до полного завершения.
В изобретении, описанном выше и проиллюстрированном сопроводительными графическими материалами, могут быть произведены изменения и модификации без отклонения от объема изобретения, определенного приведенной ниже формулой изобретения.
1. Способ производства азотной кислоты, при котором газообразный сырьевой материал установки окисления, состоящий по меньшей мере по существу из аммиака, пара и окисляющего газа, подвергают воздействию условий, в результате которых аммиак окисляется с получением реакционной смеси, включающей монооксид азота и водяной пар, а затем охлаждают реакционную смесь в теплообменнике, в результате чего:
a) монооксид азота окисляется и происходит конденсация водяного пара,
b) продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой, и
c) по существу весь монооксид азота в реакционной смеси преобразуется в азотную кислоту.
2. Способ по п. 1, в котором окисляющий газ включает газ, содержащий по меньшей мере 90% (об./об.) кислорода, и предпочтительно по меньшей мере 95% (об./об.) кислорода.
3. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере 95% монооксида азота в реакционной смеси преобразуется в азотную кислоту, и предпочтительно до 100% количества монооксида азота, находящегося в реакционной смеси, преобразуется в азотную кислоту.
4. Способ по п. 3, в котором в том случае, когда преобразование монооксида азота не достигает 100% количества, находящегося в реакционной смеси, процесс взаимодействия-абсорбции продолжается в следующем реакторе-абсорбере или в трубе.
5. Способ по п. 4, в котором процесс взаимодействия-абсорбции продолжается при теплообмене, или в отсутствие теплообмена, или он продолжается в адиабатическом реакторе-абсорбере.
6. Способ по п. 1, в котором окисляющий газ в сырьевом материале установки окисления подают в количестве, достаточном для окисления по существу всего аммиака в сырьевом материале установки окисления и по существу всего монооксида азота в реакционной смеси.
7. Способ по п. 1, в котором окисляющий газ в сырьевом материале установки окисления подают в количестве, достаточном для окисления по существу всего аммиака в сырьевом материале установки окисления и некоторого количества монооксида азота в реакционной смеси, и в реакционную смесь подают дополнительное количество окисляющего газа, что способствует по существу полному окислению монооксида азота в реакционной смеси.
8. Способ по п. 1, в котором сырьевой материал установки окисления получают из исходного сырья, и в исходное сырье подают аммиак в газообразном состоянии.
9. Способ по п. 1, в котором сырьевой материал установки окисления получают из исходного сырья, а исходное сырье включает водный компонент в жидком состоянии, и при котором водный компонент испаряется с образованием парового компонента сырьевого материала установки окисления.
10. Способ по п. 9, в котором водный компонент исходного сырья испаряют перед смешиванием с компонентами сырья установки окисления, представляющими собой аммиак и окисляющий газ, или после смешивания с компонентами сырья установки окисления, представляющими собой аммиак и окисляющий газ.
11. Способ по п. 1, в котором сырьевой материал установки окисления получают из исходного сырья, и в исходное сырье подают аммиак в газообразном состоянии, а водный компонент подают в жидкой форме, и в котором водный компонент исходного сырья испаряют перед смешиванием сначала с аммиачным компонентом исходного сырья, а затем с компонентом исходного сырья, представляющим собой окисляющий газ, с образованием сырьевого материала установки окисления.
12. Способ по п. 11, в котором водный компонент исходного сырья испаряют путем теплообмена с реакционной смесью, причем кислородный компонент исходного сырья нагревают путем теплообмена с реакционной смесью, а аммиачный компонент исходного сырья нагревают путем теплообмена с жидким теплоносителем перед смешиванием с испаренным водным компонентом исходного сырья.
13. Способ по п. 1, в котором сырьевой материал установки окисления получают из исходного сырья, включающего компонент, представляющий собой окисляющий газ, аммиачный компонент и водный компонент в жидком состоянии, и при котором аммиачный компонент растворяют в водном компоненте с образованием водного аммиака, а компонент, представляющий собой водный аммиак, смешивают с компонентом, представляющим собой окисляющий газ, и совместно нагревают аммиачный компонент и компонент, представляющий собой окисляющий газ, путем теплообмена до температуры, при которой аммиак и вода в водном аммиаке испаряются в компонент, представляющий собой окисляющий газ, с образованием сырьевого материала установки окисления.
14. Способ по п. 13, в котором компонент, представляющий собой водный аммиак, и компонент, представляющий собой окисляющий газ, нагревают в виде потока сырьевого материала путем теплообмена с реакционной смесью.
15. Способ по п. 14, в котором после окисления аммиака реакционную смесь охлаждают до первой температуры, находящейся выше точки росы реакционной смеси, путем теплообмена с жидким теплоносителем, и реакционную смесь дополнительно охлаждают до второй температуры, находящейся ниже точки росы реакционной смеси, путем теплообмена с потоком сырья входящего/отходящего потока.
16. Способ по п. 15, в котором теплообмен входящего/отходящего потока выполняют в теплообменнике входящего/отходящего потока, объединенном с теплообменником, в котором продукты окисления монооксида азота взаимодействуют с конденсированной водой и абсорбируются этой водой.
17. Способ по п. 15, в котором любой жидкий компонент, остающийся в потоке сырья после теплообмена входящего/отходящего потока, отделяют от потока сырья и подвергают рециркуляции в компонент исходного сырья, представляющий собой водный аммиак.
18. Способ по п. 1, в котором реакционную смесь охлаждают в теплообменнике, включающем протоки для потока, поперечные сечения которых составляют менее чем приблизительно 3 мм эквивалентного диаметра.
19. Способ по п. 1, в котором реакционную смесь охлаждают в теплообменнике, включающем протоки для потока, поперечные сечения которых составляют менее чем приблизительно 2 мм эквивалентного диаметра.
20. Способ по п. 1, в котором в реакционную смесь нагнетают дополнительное количество воды, находящейся в состоянии жидкости или пара, что способствует получению достаточного количества конденсата для обеспечения по существу полного окисления и абсорбции продуктов окисления монооксида азота в конденсированной воде.
