河 北 化 工 医 药 职 业 技 术 学院
毕 业 论 文
硝酸工艺
姓 名 梁宏业 学 号 47 专 业 班 级 1301 指导教师 焦其帅 完成时间 2016年1月
化 学 与 环 境 工 程 系
摘要
硝酸是基本化学工业的重要产品之一，也是一种重要的化工原料，产量在各类酸中仅次于硫酸。工业上制取浓硝酸(HNO3浓度高于96%)的方法有三种:一是在有脱水剂的情况下，用稀硝酸蒸馏制取的间接法，习惯上称“间硝" ；二是由氮氧化物、氧及水直接合成浓硝酸，称为’直硝’；三是包括：氨氧化、超共沸酸(75%—80%HNO3) 生产和精馏的直接法。本文仅探讨超共沸精馏法。
关键词：浓硝酸、氨氧化、超共沸精馏法
目录
第一章. 硝酸的性质. 用途及方法 . ................................................................... 1
1.1硝酸的性质 . ....................................................................................................... 1 1.2 硝酸的用途 ....................................................................................................... 4 1.3 硝酸的生产方法 . ............................................................................................... 4
第二章．硝酸生产的基本原理及工艺条件的选择 ..................................... 5
2.1 氨的催化氧化及原理 . ...................................................................................... 5 2.2 氨氧化催化剂 . ................................................................................................. 6 2.3 氨催化氧化的工艺条件 ................................................................................... 7 2.4 氨氧化炉的结构和技术特性 .......................................................................... 10 2.5 一氧化氮的氧化 ............................................................................................ 11 2.6 氮氧化物的吸收 ............................................................................................ 12 2.7 吸收工艺条件的选择 ..................................................................................... 13 2.8 硝酸尾气的处理 ............................................................................................ 13
第三章．工艺流程的选择 ............................................................................. 15
3.1 工艺流程的选择 . ........................................................................................................................... 15 3.2 流程说明 . ...................................................................................................... 15
致谢 ............................................................................................................................. 17
第一章. 硝酸的性质. 用途及方法
1．1硝酸的性质
纯硝酸为带有窒息性与刺激性的无色液体，其相对密度1.522，沸点83.4℃，熔点‐41.5℃，分为浓硝酸和稀硝酸。无水硝酸极不稳定，一旦受热见光就会分解，生成二氧化氮和水。
硝酸能与任意比例的水混合，形成浓硝酸（96%~98%HNO3 ）和稀硝酸（45%~70% HNO3）。硝酸是三大强酸之一，具有很强的氧化性。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）组成的混合液称为“王水”，能溶解金和铂，故称“王水”。
硝酸还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。
1.2 硝酸的用途
硝酸是一种重要得化工原料，在各类酸中，产量仅次于硫酸。工业硝酸依HNO 3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。浓硝酸最主要用于国防工业，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、导弹发射的高能燃料。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、有色金属冶炼等方面都需要用到硝酸。
1.3 硝酸的生产方法
工业上生产硝酸的原料主要是氨和空气，采用氨的接触催化氧化的方法进行生产的。其总反应是式为：
NH 3+2O2=HNO3+H2O
平衡来达到目的，而只可能从反应动力学方面去努力。即要寻求一种选择性催化剂，加速反应式（1），同时抑制其他反应进行。长时期的实验研究证明，铂是最好的选择性催化剂。
氨在催化氧化过程中的程度，用氨氧化率来表示，是指氧化生成NO 的耗氨量与入系统总氨量的百分比率。氨催化氧化反应为气固相催化反应，包括反应物的分子从气相主体扩散到催化剂表面；在催化剂表面进行化学反应；生成物从催化剂表面扩散到气相主体等阶段。据研究表明，气相中氨分子向铂网表面的扩散是整个过程的最慢一步，即过程的控制步骤。诸多学者认为氨的催化氧化反应速度是外扩散控制。该反应速度极快，生产条件下，在10-4s 时间内即可完成，是高速化学反应之一例
2.2、 氨氧化催化剂
目前，氨氧化用催化剂有两大类：一类是以金属铂为主体的铂系催化剂，另一类是以其他金属如铁、钴为主体的非铂系催化剂。但对于非铂系催化剂，由于技术及经济上的原因，节省的铂费用往往抵消不了由于氧化率低造成的氨消耗，因而非铂催化剂未能在工业上大规模应用此处仅介绍铂系催化剂。
（1） 化学组成 纯铂具有催化能力，但易受损。一般采用铂铑合金。在铂中加入10%左右的铑，不仅能使机械强度增加，铂损失减少，而且活性较纯铂要高。由于铑价格更昂贵，有时也采用铂铑钯三元合金，其常见的组成为铂93%、铑3%、钯4%。也有采用铂铱合金，铂99%，铱1%，其活性也很高。铂系催化剂即使含有少量杂质（如铜、银、铅，尤其是铁），都会使氧化率降低，因此，用来制造催化剂的铂必须很纯净。
（2） 形状 铂系催化剂不用载体，因为用了载体后，铂难以回收。为了使催化剂具有更大的接触面积，工业上都将其做成丝网状。
（3） 铂网的活化、中毒和再生 新铂网表面光滑而且具有弹性，活性较小。为了提高铂网活性，在使用前需进行“活化”处理，其方法是用氢气火焰进行烘烤，使之变得松疏，粗糙，从而增大接触表面积。
铂与其他催化剂一样，气体中许多杂质会降低其活性。空气中的灰尘（各种金属氧化物）和氨气中可能夹带的铁粉和油污等杂质，遮盖在铂网表面，会造成暂时中毒。H 2S 也会使铂网暂时中毒，但水蒸气对铂网无毒害，仅会降低铂网的温度。为了保护铂催化剂，气体必须经过严格净化。虽然如此，铂网还是随着时间的增长而逐渐中毒，因而一般在使用3～6个月后就应该进行再生处理。
再生的方法就是把铂网从氧化炉中取出，先浸在10%～15%的盐酸溶液中，加热到60～70℃，并在这个温度下保持1～2h ，然后将网取出用蒸馏水洗涤到水呈中性为止，在将网干燥并在氢气火焰中加以灼烧。再生后的铂网，活性可恢复到正常。
河 北 化 工 医 药 职 业 技 术 学院
毕 业 论 文
硝酸工艺
姓 名 梁宏业 学 号 47 专 业 班 级 1301 指导教师 焦其帅 完成时间 2016年1月
化 学 与 环 境 工 程 系
摘要
硝酸是基本化学工业的重要产品之一，也是一种重要的化工原料，产量在各类酸中仅次于硫酸。工业上制取浓硝酸(HNO3浓度高于96%)的方法有三种:一是在有脱水剂的情况下，用稀硝酸蒸馏制取的间接法，习惯上称“间硝" ；二是由氮氧化物、氧及水直接合成浓硝酸，称为’直硝’；三是包括：氨氧化、超共沸酸(75%—80%HNO3) 生产和精馏的直接法。本文仅探讨超共沸精馏法。
关键词：浓硝酸、氨氧化、超共沸精馏法
目录
第一章. 硝酸的性质. 用途及方法 . ................................................................... 1
1.1硝酸的性质 . ....................................................................................................... 1 1.2 硝酸的用途 ....................................................................................................... 4 1.3 硝酸的生产方法 . ............................................................................................... 4
第二章．硝酸生产的基本原理及工艺条件的选择 ..................................... 5
2.1 氨的催化氧化及原理 . ...................................................................................... 5 2.2 氨氧化催化剂 . ................................................................................................. 6 2.3 氨催化氧化的工艺条件 ................................................................................... 7 2.4 氨氧化炉的结构和技术特性 .......................................................................... 10 2.5 一氧化氮的氧化 ............................................................................................ 11 2.6 氮氧化物的吸收 ............................................................................................ 12 2.7 吸收工艺条件的选择 ..................................................................................... 13 2.8 硝酸尾气的处理 ............................................................................................ 13
第三章．工艺流程的选择 ............................................................................. 15
3.1 工艺流程的选择 . ........................................................................................................................... 15 3.2 流程说明 . ...................................................................................................... 15
致谢 ............................................................................................................................. 17
第一章. 硝酸的性质. 用途及方法
1．1硝酸的性质
纯硝酸为带有窒息性与刺激性的无色液体，其相对密度1.522，沸点83.4℃，熔点‐41.5℃，分为浓硝酸和稀硝酸。无水硝酸极不稳定，一旦受热见光就会分解，生成二氧化氮和水。
硝酸能与任意比例的水混合，形成浓硝酸（96%~98%HNO3 ）和稀硝酸（45%~70% HNO3）。硝酸是三大强酸之一，具有很强的氧化性。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）组成的混合液称为“王水”，能溶解金和铂，故称“王水”。
硝酸还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。
1.2 硝酸的用途
硝酸是一种重要得化工原料，在各类酸中，产量仅次于硫酸。工业硝酸依HNO 3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。浓硝酸最主要用于国防工业，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、导弹发射的高能燃料。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、有色金属冶炼等方面都需要用到硝酸。
1.3 硝酸的生产方法
工业上生产硝酸的原料主要是氨和空气，采用氨的接触催化氧化的方法进行生产的。其总反应是式为：
NH 3+2O2=HNO3+H2O
平衡来达到目的，而只可能从反应动力学方面去努力。即要寻求一种选择性催化剂，加速反应式（1），同时抑制其他反应进行。长时期的实验研究证明，铂是最好的选择性催化剂。
氨在催化氧化过程中的程度，用氨氧化率来表示，是指氧化生成NO 的耗氨量与入系统总氨量的百分比率。氨催化氧化反应为气固相催化反应，包括反应物的分子从气相主体扩散到催化剂表面；在催化剂表面进行化学反应；生成物从催化剂表面扩散到气相主体等阶段。据研究表明，气相中氨分子向铂网表面的扩散是整个过程的最慢一步，即过程的控制步骤。诸多学者认为氨的催化氧化反应速度是外扩散控制。该反应速度极快，生产条件下，在10-4s 时间内即可完成，是高速化学反应之一例
2.2、 氨氧化催化剂
目前，氨氧化用催化剂有两大类：一类是以金属铂为主体的铂系催化剂，另一类是以其他金属如铁、钴为主体的非铂系催化剂。但对于非铂系催化剂，由于技术及经济上的原因，节省的铂费用往往抵消不了由于氧化率低造成的氨消耗，因而非铂催化剂未能在工业上大规模应用此处仅介绍铂系催化剂。
（1） 化学组成 纯铂具有催化能力，但易受损。一般采用铂铑合金。在铂中加入10%左右的铑，不仅能使机械强度增加，铂损失减少，而且活性较纯铂要高。由于铑价格更昂贵，有时也采用铂铑钯三元合金，其常见的组成为铂93%、铑3%、钯4%。也有采用铂铱合金，铂99%，铱1%，其活性也很高。铂系催化剂即使含有少量杂质（如铜、银、铅，尤其是铁），都会使氧化率降低，因此，用来制造催化剂的铂必须很纯净。
（2） 形状 铂系催化剂不用载体，因为用了载体后，铂难以回收。为了使催化剂具有更大的接触面积，工业上都将其做成丝网状。
（3） 铂网的活化、中毒和再生 新铂网表面光滑而且具有弹性，活性较小。为了提高铂网活性，在使用前需进行“活化”处理，其方法是用氢气火焰进行烘烤，使之变得松疏，粗糙，从而增大接触表面积。
铂与其他催化剂一样，气体中许多杂质会降低其活性。空气中的灰尘（各种金属氧化物）和氨气中可能夹带的铁粉和油污等杂质，遮盖在铂网表面，会造成暂时中毒。H 2S 也会使铂网暂时中毒，但水蒸气对铂网无毒害，仅会降低铂网的温度。为了保护铂催化剂，气体必须经过严格净化。虽然如此，铂网还是随着时间的增长而逐渐中毒，因而一般在使用3～6个月后就应该进行再生处理。
再生的方法就是把铂网从氧化炉中取出，先浸在10%～15%的盐酸溶液中，加热到60～70℃，并在这个温度下保持1～2h ，然后将网取出用蒸馏水洗涤到水呈中性为止，在将网干燥并在氢气火焰中加以灼烧。再生后的铂网，活性可恢复到正常。