硝酸生产工艺

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

前言

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广泛用于生产化肥、炸药、无机盐，也可用于贵金属分离、机械刻蚀等。目前，我国有浓硝酸厂家20多家，年生产能力在80万吨以上。1999年产量在73万~75万吨，到2005年稀硝酸生产能力达544.7万吨，2004年浓硝酸产量130.5万吨，2005年产量157万吨，2006年新增产能达300万吨。稀硝酸是合成氨的下游产品，与化肥生产紧密相关。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。

我国硝酸的消费结构大致为：化学工业占65%左右，冶金行业占20%，医药行业占5%，其他行业占10%。在化学工业中生产浓硝酸的工艺主要有多种大同小异的工艺流程，生产中是根据氨氧化和氮氧化物吸收操作压力的不同分为间接法、直硝法和直接法三种类型。

1 硝酸的性质、用途及生产方法

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HNO3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：

NH3+2O2=HNO3+H2O

此反应由3步组成，在催化剂的作用下，氨氧化为一氧化氮；一氧化氮进一步氧化为二氧化氮；二氧化氮被水吸收生成硝酸。可用下列反应式表示：

4NH3+5O2=4NO+6H2O

2NO+O2=2NO2

3NO2+H2O=2HNO3+NO

氨催化氧化法能制得45%—60%的稀硝酸

2硝酸生产的基本原理及工艺条件的选择

2.1 氨的催化氧化

2.1.1 氨催化氧化的基本原理

氨和氧可以进行下列三个反应：

4NH3+5O2=4NO+6H2O △H=－907.28kJ（1）

4NH3+4O2=2N2O+6H2O △H=－1104.9kJ（2）

4NH3+3O2=2N2+6H2O △H=－1269.02kJ（3）除此以外，还可能发生下列反应：

2NH3=N2+3H2 △H=91.69kJ（4）

2NO=N2+O2 △H=-180.6kJ（5）

4NH3+6NO=5N2+6H2O △H=-1810.8kJ （6）不同温度下，上述式（1）~式（4）的平衡常数见表1

表1不同温度下氨氧化或氨分解反应的平衡常数（p=0.1013MPa）

温度/K K

p1K

p2

K

p3

K

p4

300 500 700 900 1100 1300 15006.4×1041

1.1×1026

2.1×1019

3.8×1015

3.4×1011

1.5×1011

2.0×1010

7.3×1047

4.4×1028

2.7×1020

7.4×1015

9.1×1012

8.9×1010

3.0×109

7.3×1056

7.1×1034

2.6×1025

1.5×1020

6.7×1016

3.2×1014

6.2×1012

1.7×10-9

3.3

1.1×102

8.5×102

3.2×103

8.1×103

1.6×104

从表1可知，在一定温度下，几个反应的平衡常数都很大，实际上可视为不可逆反应，比较各反应的平衡常数，以式（3）为最大。如果对反应不加任何控制而任其自然进行，氨和氧的最终反应产物必然是氮气。欲获得所要求的产物NO，不可能从热力学去改变化学平衡来达到目的，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。

氨催化氧化的反应动力学根据上述反应机理,М.И.捷姆金等导出800～900℃间在Pt-Rh网上的宏观反应动力学:

式中: C0—氨空气混合气中氨的浓度,%;

C1—通过铂网后氮氧化物气中氨的浓度,%;

S—铂网的比表面积(活性表面cm2/铂网截面积cm2);

m—铂网的层数;