用于生产硝酸的单压系统及其操作方法与流程

本公开涉及单压设备中的硝酸生产领域。介绍纯硝酸是一种透明无色的液体，有强烈气味。硝酸主要通过氨的催化氧化(奥斯特瓦尔德法(ostwald process))大量生产。氨经两个阶段转化为硝酸。氨首先在氨燃烧器中在铂丝网(通常称为氨转化器)上被氧化，从而产生氧化氮(在本公开中也称为一氧化氮(no))和水：4nh3(g)+5o2(g)→4no(g)+6h2o(g) (1)然后来自(1)的反应产物氧化氮在冷却之后在氧化区段中被氧化成二氧化氮(no2)并被进一步氧化成四氧化二氮n2o4(g)：2no(g)+o2(g)→2no2(g) (2)2no2(g)→n2o4(g) (3)氮氧化物气体的冷却通过以下步骤完成：首先通过使用废热回收系统回收氨转化为氧化氮的热量，然后通过使用冷却器冷凝器，其中冷凝的硝酸与氧化氮、二氧化氮以及四氧化二氮和硝酸气体(统称为nox气体)分离，并且最后通过加热在吸收塔的出口处释放的尾气，nox气体在吸收塔中被吸收。二氧化氮和四氧化二氮通过吸收在水中而被转化为硝酸和氧化氮：3no2(g)+h2o(l)→2hno3(aq)+no(g) (4)3n2o4(g)+2h2o(l)→4hno3(aq)+2no(g) (5)获得高达68％的弱硝酸(共沸物)。经由精馏过程，硝酸的浓度可以提高到99％的浓硝酸。总反应由下式给出：nh3+2o2→hno3+h2o (6)硝酸生产设备中的主要工艺单元包括氨转化器(使用氧气经合适的催化剂将氨转化为氧化氮)、氧化区段(将氧化氮转化为二氧化氮和四氧化氮)、吸收器单元(用于将nox气体吸收到水中)和漂白器单元(从硝酸水溶液中去除未反应的溶解气体，特别是含有nox和气体的溶解气体，使其呈现典型的褐色)。硝酸的生产工艺可分为单压(单一压力)和双压(分压)工艺。在单压工艺中，转化器和吸收器单元在大致相同的工作压力下操作。此类单压工艺通常包括低压(lp，2巴至6巴)工艺；和高压(hp，6巴至16巴，特别是9巴至16巴)工艺。空气压缩机的驱动力通常源自尾气涡轮机和蒸汽涡轮机或电动机。因此，单压硝酸生产设备的压缩机组通常包括空气压缩机、尾气涡轮机和蒸汽涡轮机或电动机。更详细地，参考图1，根据现有技术的单压设备和工艺按以下方式工作。任选地在预热器单元(未示出)中被预热的气态氨32在混合装置35中与使用空气压缩机36加压的压缩空气34混合，并且所得的氨/富氧空气混合物14被馈入氨转化器37，在该氨转化器中氨通过合适的催化剂而被氧化，从而获得包含水和氧化氮(no)的nox气体/蒸汽混合物15。从氨转化器出来的混合物的热量被回收，之后nox气体/流混合物随后在水冷却器/冷凝器38中冷却到水冷凝的温度，并且自气态nox流22中分离出水性稀硝酸混合物17。气态nox流被进一步氧化以进一步将no转化为no2和n2o4，并任选地在冷却器/分离器39中再次冷却以分离出另一水性稀硝酸混合物17，其被引导至吸收塔41，通常称为吸收塔。在另一端，气态nox流22也被送到吸收器单元41。在吸收器单元41内，nox气体与水反应以产生尾气5和还含有残余nox气体的粗硝酸流27，该流被馈入漂白器(未示出)。然后在漂白器单元(未示出)内用气态介质(未示出)(比如含氧气体或空气)汽提出粗硝酸流27中的残余nox气体；漂白器单元通常在与氨转化器大致相同的压力下操作。空气压缩机36的驱动力源自尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51或电动机(未示出)。在氨转化器37中产生的热量或从气态nox流15产生的热量可用于产生用于蒸汽涡轮机51的蒸汽。任选地经加热尾气5在尾气膨胀机7中膨胀。用于氨氧化的空气通常表示为一次空气；在漂白器单元中用作汽提介质的空气通常表示为二次空气。根据现有技术，改造硝酸生产设备以提高其产能通常是基于增加进入反应器的一次空气的量，这导致生产的硝酸量成比例地增加。反应器中一次空气的量的增加需要安装新的空气压缩机或改造现有的空气压缩机。这种改造有明显的缺点。首先，它需要增加现有设备(即空气压缩机以及对应的涡轮机和电动机)的修改或更换成本。此外，设备的改造技术要求也高，导致设备停机时间长。与硝酸生产设备相关的另一个问题是操作空气压缩机需要大量的能量。因此，需要大量的能量来实现目标硝酸生产量。因此，本发明的目标是提供一种系统和用于操作该系统的方法，其允许减少操作硝酸设备中的空气压缩机所需的功率。

背景技术：

1、在cn110540178a(中国成达工程有限公司，2019)中，公开了一种用于生产硝酸的工艺。一种中压法生产硝酸的方法，其特征在于，氨氧化和吸收压力为0.5mpa至0.6mpa；离开吸收塔的尾气通过碳分子筛变温吸附(tsa)处理装置，以将尾气中的氮氧化物含量降低至100mg/nm3以下；空气压缩机的工艺空气作为碳分子筛变温吸附处理装置的再生解吸气体，并且含有氮氧化物的再生解吸气体可返回氨氧化反应器重复使用；在氧化反应器中添加一层n2o分解催化剂，以通过反应将n2o含量降低至50ppm至100ppm；硝酸漂白塔布置在吸收塔的底部，并且两个塔一体化，从而缩短了工艺流程，并且降低了设备投资。然而，就空气压缩机压缩的空气量而言，要压缩与没有tsa单元时相同的空气量：在存在tsa单元的情况下，压缩的空气量最初直接在tsa单元与氨氧化反应器之间分流，并且最后，随着离开tsa单元的压缩空气量也被引导至氨氧化反应器，由空气压缩机压缩的空气总量最终进入氨氧化反应器。

2、在wo2018/162150a1(casale sa，2018年9月13日)中，提出了一种解决方案来克服改造缺陷。wo2018162150a1公开了一种用于硝酸生产的双压设备，其包括：提供含有氮氧化物的气态流出物的反应器；其中氮氧化物与水反应从而提供粗硝酸的吸收器单元，并且该吸收器单元在大于该反应器的压力的压力下操作；将反应器流出物的压力升高到吸收器单元压力的压缩机，该设备还包括第一hp漂白器单元和第二lp漂白器单元，该第一hp漂白器单元用空气从吸收器单元的输出流中汽提nox气体，从而提供部分汽提的硝酸流和载有氮氧化物的空气流，前者被馈入第二lp漂白器单元，而后者被再循环到nox气体压缩机上游的氧化区段。还提供了另一空气压缩机，其为第一hp漂白器单元提供空气。因此，需要能量以便在高压下操作第一hp漂白器单元，并且然后将nox气体再循环到nox气体压缩机的递送侧。

3、因此，仍然需要一种工艺和对应的设备设置，以使操作空气压缩机所需的能量最小化，从而避免与这些压缩机相关联的硝酸生产量的瓶颈。

技术实现思路

1、在本公开的一个方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的系统。该系统包括：

2、·空气压缩机，该空气压缩机用于将空气压缩至压力p1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；

3、·压力高于p1的加压富氧气体源，比如高压水电解槽，该加压富氧气体源与压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；

4、·混合装置，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物；

5、·氨转化器，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的nox气体/蒸汽混合物；

6、·用于测量氨转化器中的温度的装置；

7、·用于调节氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；

8、·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，该蒸汽涡轮机或电动机以及装置与氨转化器或nox/气体蒸汽混合物流体连通；

9、·水冷却器/冷凝器，该水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态nox气体/蒸汽混合物中的nox气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态nox流；

10、·在水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，该吸收塔用于从水中的气态nox流中吸收nox气体，以提供含有残余nox气体的粗硝酸流和包含nox气体的尾气，该吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出尾气；以及

11、·尾气膨胀机，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气膨胀，包括与吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，以及尾气膨胀机出口。该系统的进一步特征在于，其进一步包括：

12、·用于将尾气分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将尾气流加压至约p1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，该加压装置与压缩空气流流体连通，以提供与压缩空气流结合的加压尾气流；以及

13、·用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至加压装置的第二尾气流的尾气量的装置。

14、发明人已经认识到，在空气压缩机下游和氨转化器上游，在大约压缩空气流的压力p1的压力下将尾气中的一部分再循环到压缩空气流中，同时将加压氧气馈入压缩空气流，并将氨转化器中的温度保持在800℃至950℃范围内，并且氨转化器中的氧与氨摩尔比保持在1.3与9之间时，考虑到尾气膨胀机产生的功率减小、尾气压缩至p1以及空气压缩机所需的功率减小，压缩机组的净功耗降低。因此，采用本公开的系统，在减小空气压缩机的尺寸和尾气膨胀机的尺寸的同时，实现了功率减小，从而减少了设备的占地面积并简化了系统。此外，加压氧气或富氧气体的单独供应确保了氨到一氧化氮的最佳转化。

15、在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器，该尾气加热器具有与吸收尾气出口流体连通的入口和与尾气膨胀机入口流体连通的出口，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自氨转化器的nox气体/蒸汽混合物的热量将来自吸收塔的尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气的装置位于尾气加热器的上游。

16、在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器，该尾气加热器具有与吸收尾气出口流体连通的入口和与尾气膨胀机入口流体连通的出口，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自氨转化器的nox气体/蒸汽混合物的热量将来自吸收塔的尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气的装置位于尾气加热器的下游。

17、在根据本公开的系统的一个实施例中，加压富氧气体源由高压水电解槽供应。

18、在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括压力至少等于大气压力的富氧气体源，该富氧气体源与空气压缩机的入口流体连通。

19、在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括与吸收塔下游和加压装置上游的区域流体连通的附加加压富氧气体源。

20、在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括用于漂白含有残余nox气体的粗硝酸的漂白器，该漂白器包括用于富氧漂白气体的入口、用于硝酸的入口、用于经漂白硝酸的出口和用于漂白气体的出口，其中用于漂白气体的出口与气态nox流流体连通。

21、在本公开的另一方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的方法。所述方法包括以下步骤：

22、a)在空气压缩机中压缩空气，从而产生压力为p1的压缩空气流；

23、b)将压力高于p1的加压富氧气体与压缩空气流混合，从而得到富氧气体/压缩空气流混合物；

24、c)在混合装置中将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，从而产生氨/富氧空气混合物，比如以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比；

25、d)在氨转化器中在800℃至950℃范围内的温度氧化氨/富氧空气混合物中的氨，从而产生包含水和氧化氮的气态nox气体/蒸汽混合物；

26、e)将在氨转化器中产生或来自气态nox气体/蒸汽混合物的蒸汽转化为动力；

27、f)在水冷却器/冷凝器中将蒸汽与气态nox气体/蒸汽混合物中的nox气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态nox流；

28、g)在吸收塔中吸收气态nox流，从而产生含有残余nox气体的粗硝酸流和包含nox气体的尾气；以及

29、h)将尾气在尾气膨胀机中膨胀；

30、该方法的特征在于，其进一步包括以下步骤：

31、i)将从步骤g)获得的尾气5的一部分加压至约p1的压力，从而产生加压尾气；

32、j)将加压尾气与压缩空气流混合；

33、k)测量氨转化器中的温度；以及

34、l)如果步骤k)中测得的温度在800℃至950℃范围之外，则调节步骤i)中加压的总气体体积的量，使得氨转化器中的温度保持在800℃至950℃范围内。

35、在根据本方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

36、m)在位于水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自氨转化器的nox气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的尾气加热至200℃至650℃范围内的温度。

37、在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

38、m')在位于水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自氨转化器的nox气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的尾气加热至200℃至650℃范围内的温度；

39、其中在步骤i)中，对步骤g)或步骤m')中获得的尾气的一部分进行加压。

40、在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

41、n)操作高压水电解槽以产生在混合步骤b)中使用的氧气或富氧气体。

42、在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

43、o)将压力至少等于大气压力的富氧气体送到空气压缩机的入口。

44、在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

45、p)将附加加压富氧气体源馈入吸收塔下游和压缩装置上游。

46、在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：q)将富氧漂白气体馈入漂白器以漂白含有残余nox气体的粗硝酸；r)在漂白器中漂白硝酸，从而产生经漂白硝酸和漂白气体；以及s)将漂白气体与气态nox流混合。

47、在本公开的另一方面，公开了本公开的系统用于执行本公开的方法的用途。

48、在本公开的另一方面，公开了一种改造用于生产硝酸的系统或生产设备的方法，其中现有系统或生产设备包括

49、·空气压缩机，该空气压缩机用于将空气压缩至压力p1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；

50、·任选地，压力高于压缩空气流的压力的加压富氧气体源，该加压富氧气体源与压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；

51、·混合装置，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物；

52、·氨转化器，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的nox气体/蒸汽混合物；用于测量氨转化器中的温度的装置；

53、·用于调节氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；

54、·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，该蒸汽涡轮机或电动机以及装置与氨转化器或nox/气体蒸汽混合物流体连通；

55、·水冷却器/冷凝器，该水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态nox气体/蒸汽混合物中的nox气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态nox流；

56、·在水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，以提供含有残余nox气体的粗硝酸流和包含nox气体的尾气，该吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出尾气；以及

57、·尾气膨胀机，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气膨胀，包括与吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，以及尾气膨胀机出口；公开了一种将用于生产硝酸的系统或生产设备改造成根据本公开的系统的方法。

58、所述方法包括以下步骤：

59、·引入用于将尾气分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将第二尾气流加压至约p1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，该加压装置与压缩空气流流体连通，以提供与压缩空气流结合的加压尾气流；以及引入用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至加压装置的第二尾气流的尾气量的装置。