课 程 设 计
学院： 专业：过程装备与控制工程 班级
学生： 指导教师： 系主任: （签名）
一、设计要求：
1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字） 2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。
3、图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）。 二、进度安排：
教学内容 学时 地点 设计室 设计室 备注 设计题目： 硝酸镁法制取浓硝酸(年产4万吨)
查资料、说明书提纲、流程论证、工艺第—周 流程图 设备布置图、说明书整理、答辩。 三、指定参考文献与资料
第二周 《过程装备成套技术设计指南》（兼用本课程设计指导书）、《过程装备成套技术》、 《化工单元过程及设备课程设计》。
摘 要
浓硝酸（HNO3浓度98%）是一种重要的基础化工原料，广泛用于化工、冶金、医药、染料、农药等领域。近年来随着需求量的增加，国内浓硝酸的生产能力和产量也迅速增长，2001年总产量约88万吨。“硝酸镁法” 生产浓硝酸工艺以硝酸镁溶液为脱水剂，将浓度为45%~60%的稀硝酸精馏制取浓度为98.2%以上的浓硝酸的生产工艺。因其流程短、投资省并且无稀硝酸生成，产品质量好而被大多数浓硝酸生产企业采用。
关键词：浓硝酸、硝酸镁、间接法
目 录
前 言 .............................................................................................................................................................. 1 第一章 概述 .................................................................................................................................................. 2
§1.1 产品浓硝酸.................................................................................................................................... 2
1.1.1 物理性质 .............................................................................................................................. 2 1.1.2 化学性质 .............................................................................................................................. 2 1.1.3 产品标准 .............................................................................................................................. 2 1.1.4 浓硝酸用途 .......................................................................................................................... 3 1.1.5 浓硝酸的包装与储运 .......................................................................................................... 3 §1.2 脱水剂硝酸镁................................................................................................................................ 3
1.2.1 性质 ...................................................................................................................................... 3
第二章 浓硝酸的制造概述 .......................................................................................................................... 5
§2.1 工业生产浓硝酸的工艺方法 ........................................................................................................ 5
2.1.1 直接合成法 .......................................................................................................................... 5 2.1.2 超共沸酸精馏法 .................................................................................................................. 5 2.1.3 加脱水剂法 .......................................................................................................................... 5 §2.2 浓硫酸脱水法 ............................................................................................................................... 6 §2.3 硝酸镁脱水法 ............................................................................................................................... 6
2.3.1 硝镁法生产浓硝酸的原理 .................................................................................................. 7
第三章 工艺流程论证 ................................................................................................................................ 10
§3.1 影响工艺操作的因素 .................................................................................................................. 10
3.1.1 稀硝酸浓度 ........................................................................................................................ 10 3.1.2 硝酸镁溶液的浓度 ............................................................................................................ 10 3.1.3 配料比 ................................................................................................................................ 10 3.1.4 回流比 ................................................................................................................................ 10 3.1.5 操作温度 ............................................................................................................................ 10 3.1.6 操作压力 ............................................................................................................................ 10 3.1.7 空塔速度和喷淋密度 ........................................................................................................ 10 §3.2 硝镁法浓硝酸生产工艺流程 .......................................................................................................11 §3.3 硝镁法“间硝”生产的优点 .......................................................................................................... 12
3.3.1 工艺设计优点 .................................................................................................................... 12 3.3.2 酸性水的回收利用 ............................................................................................................ 12 3.3.3 酸性水的新用 .................................................................................................................... 12 3.3.4 酸性水的提浓 .................................................................................................................... 12 §3.4 硝镁法“间硝”生产需完善的工艺 .............................................................................................. 13 §3.5 硝酸镁的制备及再生 .................................................................................................................. 13
3.5.1 氧化镁的选择 .................................................................................................................... 13 3.5.2 硝酸镁的制备 .................................................................................................................... 13 3.5.3 硝酸镁的再生使用 ............................................................................................................ 13
第四章 典型机器设备选型与论证 ............................................................................................................ 15
§4.1 硝镁法生产浓硝酸的主要设备 .................................................................................................. 15 §4.2 塔设备的选型与论证 ................................................................................................................ 15
4.2.1 浓缩塔结构 ........................................................................................................................ 15 4.2.2 浓缩塔材质的选用 ............................................................................................................ 16 §4.3 泵设备的选型与论证 ................................................................................................................. 16
4.3.1 离心泵的基本特性： ........................................................................................................ 16 4.3.2 应注意的问题 .................................................................................................................... 17 4.3.3 离心泵的安装和操作： .................................................................................................... 17
总结 .............................................................................................................................................................. 18 参考文献 ...................................................................................................................................................... 19 致谢 .............................................................................................................................................................. 20
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前 言
浓硝酸是化工、医药、国防、染料和纺织工业的重要原料。工业上生产浓硝酸有直接法、间接法和共沸酸蒸馏法三种方法。“直接法”生产浓硝酸是以氨和空气为原料，在铂触媒催化下生成一氧化氮；一氧化氮再氧化得到二氧化氮；二氧化氮经吸收得发烟硝酸；蒸馏发烟硝酸经冷凝得到液态N2O4；液态N2O4与水按一定比例混合，在高压下通入高纯度O2，直接合成浓硝酸。“共沸酸蒸馏法”是将HNO3含量68.3％以上的硝酸通过精馏来获得。“间接法”生产浓硝酸是在有脱水剂存在的情况下，将稀硝酸蒸馏制取浓硝酸。 稀硝酸是一种具有最高恒沸点的水溶液，其最高恒佛点为121.9℃。相应的硝酸浓度为68.4%。欲将稀硝酸直接蒸馏得到浓硝酸是不可能的，只有在脱水剂作用下才能使稀硝酸脱水浓缩成98%以上的浓硝酸。用硫酸作脱水剂的叫硫酸法，用硝酸镁作脱水剂将稀硝酸精馏制取浓硝酸，习惯上称为“硝镁法”浓硝酸工艺。硫酸法是古老的方法，生产成本高，产品质量差，生成大量稀硫酸不好处理，已逐渐被淘汰。六十年代初，我国研究建设了硝酸镁法稀硝酸提浓装置，硝酸镁法生产浓硝酸，设备结构简单，不产生有害废气，产品质量高，无稀硫酸生成，操作方便，运行成本低，投资回收期短，经济效益较好，已被广泛用于硝酸厂及有关企业。
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第一章 概述
第一章 概述
§1.1 产品浓硝酸 1.1.1 物理性质
纯硝酸是无色发烟液体，易分解出二氧化氮和氧气，因而呈红棕色。一般商品带有微黄色，发烟硝酸是红褐色液体。具有刺激性。溶解性易溶于水。纯硝酸是无色液体，比重为1.5027，有刺鼻窒息气味，沸点86℃，纯硝酸熔点-42℃，溶解热9.54kcal /kg，汽化热115kcal /kg；无水的硝酸( 100%) 是不稳定化合物，易溶解于水并放出溶解热，硝酸水溶液比重随浓度的升高而增加。
1.1.2 化学性质
硝酸分子式HNO3，分子量63.02。硝酸是强酸，具有酸的通性，是强氧化剂，受热易发生分解，一般情况下认为硝酸的水溶液是完全电离的。
硝酸与金属反应的规律：
1) 除Au、Pt等少数金属外，硝酸几乎可能氧化所有的金属。 2) 常温下Fe、Al等金属在浓HNO3中发生“钝化”。
3) 硝酸越浓，其氧化性越强。如稀HNO3可使石蕊试液变红，而浓HNO3可使石
蕊试液先变红后褪色。 4) 一般来说，活泼金属与HNO3反应不生成H2，浓HNO3的还原产物为NO2，稀
HNO3的还原产物为NO。活泼金属与极稀HNO3反应时，还原产物复杂，可为NO、N2O、NH4NO3等。 5) 非金属单质可被HNO3氧化为最高价氧化物或其含氧酸。
6) 王水（浓HNO3和浓HCl按体积比1：3配制）具有更强的氧化性，能溶解Au、
Pt。
1.1.3 产品标准
浓硝酸执行GB337.1—2002
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1.1.4 浓硝酸用途
浓硝酸是一种重要的无机化工原料，广泛应用于化工、冶金、化纤和医药等工业部门。是生产炸药、染料中间体、以及其他硝酸盐和硝基化合物的原料，也是生产硝酸磷肥和磷酸的原料，对有机物进行硝化时可制得许多非常有用的成品、半成品，如苯经硝化可制得硝基苯，大量硝基苯用来加工制成苯胺—是染料生产中最重要的中间体。甲苯和苯酚经过硝化可制成烈性炸药T·N·T。浓硝与硝化脂类可制得硝化纤维等，硝化纤维既是炸药又是制造高级涂料、油漆、人造丝、胶棉等的原料。
1.1.5 浓硝酸的包装与储运
浓硝酸用铝槽车装运，也可装于铝制容器或陶瓷坛内，坛盖用耐酸材料涂封，放于坚固的透笼或半透笼木箱中。可用铁路、公路运输。在运输中，各类容器应防止烈日曝晒或猛烈撞击，确保容器严密不漏。本品有强氧化性、腐蚀性，露置空气中会冒烟，浓硝酸应贮在铝罐或陶器坛中，放置在温度低、通风条件好的库房内。在炎热季节，露天库场应在上部搭石棉瓦凉棚遮蔽阳光。严禁与木屑、稻草、纸张、木材等有机物接触，以防氧化燃烧着火。
§1.2 脱水剂硝酸镁 1.2.1 性质
纯硝酸镁为三斜晶系的无色结晶，它很容易吸水而生成含有1、2、3、6、9个分子结合水的硝酸镁，在一定条件下可以互相转变。一般常见的是带有6分子结合水的硝酸镁Mg( NO3)2·6H2O，为无色单斜晶体，分子量256.4；比重1.467；熔点95℃；易溶解于水、液氨、酒精中，与酒精作用生成Mg( NO3)2·3C2H5OH。无水硝酸镁为白色潮解性结晶，与有机物混合能发生自燃，有火灾及爆炸危险。硝酸镁溶液极易结晶，其结晶温度与浓度有关，浓度为40%时凝固温度为0℃，51%时凝固温度75℃，72%凝固温度为90℃。在凝固温度时析出Mg(NO3)2·6H2O。
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第一章 概述
图1 Mg(NO3)2－ H2O 系统的结晶曲线
从图1可知Mg(NO3)2- H2O 系统为具有4个饱和点的曲线。硝酸镁浓度在0~34%时为饱和水溶液曲线，浓度在34%~38%时为9水硝酸镁饱和溶液曲线，浓度在38%~67.6%时为6水硝酸镁饱和曲线，浓度在67.6%~81.9%时为2水硝酸镁饱和溶液曲线，浓度在81.9% 以上时为无水硝酸镁饱和溶液曲线。4个共饱点分别为－31.9℃、－18℃、54℃和130.5℃。从图1可以看出，当浓度大于67.6% 时，结晶温度随溶液浓度增加而升高。当浓度超过81.9%，则结晶温度成直线上升。故在工业生产中，若采用较低浓度的硝酸镁，则其脱水效果不好，而如果硝酸镁溶液浓度过高，又易结晶同时粘度也增加而影响正常生产。 常压下硝酸镁溶液沸点随浓度增大而升高，其粘度随温度升高而变小，随浓度增大而增大，粘度愈大则输送愈困难，输送耗功也愈大。
硝镁法浓硝生产过程中硝酸镁水溶液浓度一般都控制在64%~80%。通常浓硝酸镁溶液浓度为72%~76%，稀硝镁浓度不低于64%(硝镁加热器出口)。
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第二章 浓硝酸的制造概述
§2.1 工业生产浓硝酸的工艺方法
目前我国稀硝酸生产厂50多家，生产能力约为400万t /a( 折100%) 。浓硝酸生产厂家约为30家，总生产能力110万t /a 左右。目前工业生产浓硝酸的工艺主要有三种：直接合成法(直硝法) 、间接浓缩法(间硝法) 及共沸蒸馏法(共沸法)。我国生产浓硝酸所采用的是直硝法、间硝法，共沸法我国尚未采用。直硝法是通过氨氧化、冷却吸收、漂白冷凝、高压加纯氧合成浓硝酸。兰州石化公司、吉化公司、大连化学工业公司、南化公司、淮南化工总厂、四川泸天化股份有限公司硝区等均采用该法。间硝法是借助于脱水剂将稀硝酸精馏后得到浓硝酸。1964年我国采用硝酸镁作脱水剂的中试成功后，很快应用到生产实际中。目前济南化肥厂、上海染化、川化、山东鲁光化工厂、河南开封化肥厂、鄂西等企业均采用该方法。直硝法流程复杂，对设备要求很高，不仅需要高压合成设备，还要配套的空气分馏装置、冷冻系统，因此投资较高、能耗高、占地面积大。作为目前间接法生产浓硝酸的主流工艺~硝镁法流程短，工艺简单，投资较少。
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、纯氧与水直接合成浓硝酸，简称直硝法。 3) 共沸酸蒸馏法。即将HNO3含量68.3％以上的硝酸通过精馏来获得。
2.1.1 直接合成法
直硝法是用液态N2O4、纯氧与水直接反应生成浓硝酸，此种方法要用特种不锈钢设备和管道，造价昂贵，现国内仅有早期建成的大化、吉化、兰化、南化等大厂采用此法。
2.1.2 超共沸酸精馏法
该法是西班牙Esp indesa公司开发的，其基本原理是氨氧化制取氮的氧化物气体，经冷却后析出冷凝酸，冷凝酸经酸水漂白塔用空气提取氮的氧化物返回系统，将酸水排出系统。脱水后系统总物料中生成硝酸的浓度超过稀硝酸共沸点的浓度，经氧化塔、超共沸吸收塔、次共沸吸收塔和真空精馏塔等主要设备制取浓硝酸。
2.1.3 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。
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第二章 浓硝酸的制造概述
另外，从以氨为原料制硝酸的总反应来看 NH3+ 2O2= HNO3+ H2O
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％~80%的硝酸.如欲获得95％~100％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被面上的水蒸汽分压。 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。
§2.2 浓硫酸脱水法
早期使用的脱水剂以激硫酸最为普通。此法是将浓硫酸按—定比例加入稀硝酸中，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16层塔板上送入。稀硝酸分别由第13层和第10层塔板上加入。浓缩和硫酸脱硝所用的蒸汽由塔底通入。温度为65~85℃的浓硝酸蒸汽和少量氮氧化物由塔顶引出，送入硝酸冷凝器冷却到35℃左右。冷凝后重新进入浓缩塔顶，在塔的第19、20、21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19层塔板上流出。再经硝酸冷却器冷却，即得HNO3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150~170℃，经酸封去稀硫酸浓缩器。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。硫酸法是古老的方法，生产成本高，产品质量差，生成大量稀硫酸不好处理，已逐渐被淘汰。
§2.3 硝酸镁脱水法
从20世纪60年代以来，间接法生产浓硝酸主要采用硝酸镁溶液作脱水剂，习惯上称为“硝镁法”浓硝酸工艺。硝酸溶液是一种具有最高恒沸物的水溶液，不能用一般的蒸馏方法，必须用萃取蒸馏。萃取蒸馏是在被分离的混合液中加入第三组份(称为萃取剂) ，但此萃取剂与原料液不形成恒沸物。由于萃取剂具有较高的沸点，能与原料液中某一组分形成—沸点较高的溶液，因而加大了被分离组分间的相对挥发度，使组分易于用—般精馏方法分离。硝酸镁法浓缩硝酸的过程，就是将硝酸镁作为萃取剂加入硝酸水溶液中，形成Mg(NO3)2—HNO3—H2O 三元混合物，将此混合物蒸馏时，混合液面上的水蒸汽分压大大降低，蒸汽中硝酸含量大大增加，从而实现稀硝酸的浓缩。该工艺设备结构简单，不产生有害废气，产品质量高、操作方便、运行成本低、投资回收期短、经济效益好。目前国内浓硝酸生产企业60%以上采用“硝镁法”生产，该工艺已成为我国浓硝酸生产的首选生产方法。
硝酸镁法具有以下优点：
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1) 在硝酸镁蒸发后设间接冷凝器，冷凝回收含酸蒸汽，未冷凝气体采用低位水喷
射器回收，回收了硝酸镁溶液中所含硝酸，较直接水喷射吸收大大节约了水，而且消除了污染。镁尾酸性水，可作为稀硝酸吸收塔的吸收用水回收利用。 2) 采用低位水喷射器形成塔负压抽吸硝酸尾气，通过循环吸收，可使塔尾水的酸
浓度循环提至10% ~ 15%，将这部分酸性水送至吸收塔相应塔盘上，因此减少了硝酸尾气污染，并可回收硝酸。 3) 成品酸采用硝酸蒸汽进行漂白(热漂)，较空气漂白(冷漂)不仅提高了产品质量，
而且减少了硝酸尾气污染，并可回收硝酸。 4) 脱水剂硝酸镁便于浓缩及循环使用。
2.3.1 硝镁法生产浓硝酸的原理
浓硝酸不能由稀硝酸直接蒸馏来制取，因为稀硝酸是硝酸和水的具有最高恒沸点的二元混合物。如在0.1MPa 压力下，其最高恒沸点为121.9℃，相应的硝酸浓度为68.4%，形成了共沸点，即此时无论是液相还是气相中HNO3含量都是68.4%，而不再变化，见表1相关数据。
表1 0.1MPa 压力下硝酸水溶液沸点及气液相的平衡组成
稀硝酸水溶液其共沸点将随压力变化而变化，但与共沸点相对应的硝酸浓度几乎不变，如图2所示。
我们借助表1的相关数据可以得到如图3所示硝酸水溶液共沸时平衡气、液相组成关系图。
通过图3我们可以得出如下结论：
1) 硝酸水溶液是具有最高共沸点的混合物；
2) 平衡时气相中硝酸的浓度是随液相中硝酸的浓度增加而增大的；
3) 当液相中硝酸的浓度小于共沸点对应的浓度时，则与其呈平衡的气相中硝酸浓
度反而比液相中硝酸浓度低；当液相中硝酸的浓度大于共沸点对应的浓度时，则与其呈平衡的气相中硝酸浓度比液相中硝酸浓度高。
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第二章 浓硝酸的制造概述
图2 HNO3－ H2O 系统的沸点、组成与压力的关系
图3 硝酸水溶液平衡时气、液相组成关系图
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这就是说我们简单的蒸馏稀硝酸这个混合物，其成分在未达到共沸点时，气相中硝酸浓度反而比液相中硝酸浓度还低；当达到共沸点时，无论其液相还是气相中硝酸浓度都不会再改变，所以借助于直接蒸馏的方法要想得到大于68.4%的浓硝酸是不可能的。若硝酸浓度低于68.4%时，在蒸馏过程中，气相所含H2O较多，所含HNO3较少。若硝酸浓度大于68.4%时，在蒸馏过程中，气相所含HNO3较多，所含H2O较少。如蒸馏49.85%HNO3时，气相中HNO3含量仅为19.85%，而蒸馏85.2%HNO3时，气相中HNO3含量就为99%，我们把气相冷却就可以得到99%HNO3。
很显然我们想通过蒸馏这种方式制得浓硝酸，必须先要得到浓度大于共沸点所对应浓度的硝酸。所以我们采取特殊蒸馏~萃取，在硝酸和水的二元体系中加入第三种组分硝酸镁，水与硝酸镁的结合力远大于与硝酸的结合力，致使硝酸和水之间的沸点差距拉大，在加热汽化的过程中，气相中大部分为硝酸蒸汽，其浓度高于该操作压力下的共沸点所对应的硝酸浓度68.4%，把此气相冷凝便得到了浓度高于68.4% 的硝酸，再把此浓度的硝酸进行多次部分冷凝，则最后所得的气相中HNO3含量就无限趋近于100%，把此高浓度的硝酸蒸汽冷凝，一部分作为产品输出系统，一部分作为蒸馏过程的回流液，亦即充当上升的含硝酸蒸汽多次部分冷凝所需要的冷量的载体，在生产中实现这个传质过程的设备叫硝酸浓缩塔。在浓缩塔中，温度分布为：从下到上逐渐降低；HNO3浓度分布为：从下到上逐渐增大。不断下流的液相中的HNO3多次被上升的蒸汽加热部分汽化而进入到气相中，不断上升的蒸汽中所含的H2O同时多次被下流的液体部分冷凝而进入到液相中。这样在浓缩塔顶部便得到了含HNO3非常高的蒸汽，经过冷凝得到浓硝酸产品。而稀硝酸中的水分就与脱水剂硝酸镁一起从塔底流出，这样就实现了稀硝酸的提浓过程，得到了浓度≥98%的硝酸。
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第三章 工艺流程论证
第三章 工艺流程论证
§3.1 影响工艺操作的因素 3.1.1 稀硝酸浓度
稀硝酸是生产浓硝酸的基本原料，稀硝酸浓度的变化，必将引起蒸馏气体中硝酸浓度的变化。从Mg(NO3)2-HNO3-H2O三元混合物相图分析：稀硝酸浓度越高，蒸馏出来的蒸汽中含硝酸浓度愈高。在硝镁法浓缩硝酸生产中，要求稀硝酸浓度在45%以上。
3.1.2 硝酸镁溶液的浓度
硝酸镁溶液浓度的变化会引起蒸馏过程中蒸出气体硝酸浓度的变化。国内成熟的工艺操作中，要求硝酸镁溶液浓度在72%~76%范围内为宜。
3.1.3 配料比
增加Mg(NO3)2-HNO3-H2O三元混合物中Mg(NO3)2的含量，有利于得到高浓度的硝酸，但配料比过大，影响脱硝。生产上一般控制稀硝酸和硝酸镁溶液的比例为1:4~6为宜。
3.1.4 回流比
综合设备费用、操作费用、成品硝酸浓度和硝酸镁溶液中含硝酸量，回流比一般控制在2~215为宜。
3.1.5 操作温度
蒸馏操作过程中，由塔底到塔顶温度逐渐降低，硝酸浓度逐渐升高。精馏过程的热量由加热器供给。通常情况下，保持精馏塔顶温度在85~95℃，加热器液相温度在170~180℃。温度过高或过低都会影响成品酸质量。
3.1.6 操作压力
硝镁法浓缩硝酸的工艺操作中，压力的大小对系统溶液的沸点、Mg(NO3)2溶液中含硝酸、成品酸中含N2O4及塔的生产能力有直接影响。该工艺为负压操作，以降低Mg(NO3)2溶液中含硝酸量和提高塔的生产能力。负压保持在600~1000mmH2O范围内。
3.1.7 空塔速度和喷淋密度
空塔速度的大小直接影响浓缩塔的生产能力。空塔速度越大，越有利于传质传热过
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程；但空塔速度过大，使液体被气体带走，反而减弱了传质和传热过程。通常空塔速度保持在016~019m/s为宜。喷淋密度过小，不能保证填料表面全部润湿，适当加大喷淋密度对精馏段操作是有利的，但喷淋密度加大，塔内阻力也加大。根据实践经验，一般喷淋密度在2~20m3/ m2时为宜。
§3.2 硝镁法浓硝酸生产工艺流程
60%的稀硝酸和72%~76%的浓硝酸镁分别由各自高位槽计量后按1∶3.5的比例流至混合分配器，在混合器内稀硝酸的水分被浓硝镁吸收，使硝酸蒸汽浓度提高到68. 4%以上，该混合物进入浓缩塔，硝酸在提馏段内气化得到大于80%的硝酸蒸汽进入精馏段，和精馏段顶部下来的回流酸逆向传热传质，进一步提浓得到含量98%以上的硝酸蒸汽由顶部引出进入漂白塔，热的硝酸蒸汽与冷的硝酸液体在漂白塔内逆向传热传质，NOx被解吸出来的液体硝酸进入成冷器中，被循环水冷却至常温后送入浓硝酸储槽。从漂白塔顶部出来的硝酸蒸汽被抽吸进入淋洒式冷凝器进行冷凝得到浓硝酸，液体硝酸再流至分配酸封按2∶1的回流比回流，2/3以回流酸形式回到浓塔精馏段，1/3浓硝酸经漂白塔热漂后再次冷却得到成品酸进入贮槽。浓硝酸镁吸水后由提馏段底部流入硝镁加热器，在加热器内经蒸汽间接加热后沸腾，稀硝酸镁至含硝低于0.3%后进入稀镁槽，同时一部分含硝酸蒸汽从加热器上升进入浓缩塔，为浓缩塔的萃取过程提供热量。
稀镁槽内的稀硝酸镁被稀镁泵打入蒸发器，在真空度大于70kPa下经蒸汽间接加热蒸发提浓至72%~76%，再溢流至浓镁槽，通过浓镁泵将浓镁打到高位槽，同时，稀硝泵将稀硝打至稀硝高位槽。.
图4 硝镁法浓硝酸工艺流程图
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第三章 工艺流程论证
§3.3 硝镁法“间硝”生产的优点 3.3.1 工艺设计优点
在硝镁法“间硝”生产工艺中采取了三废处理加节能降耗设计，主要有以下几方面： 1) 在硝镁蒸发器后设间冷器，冷凝回收含酸蒸汽，未冷凝气体用水喷射器冷凝吸
收。回收了硝酸镁溶液中所含硝酸，较直接水喷射器吸收大大节约了生产用一次水，而且还可消除污染。 2) 设计中采用水喷射器使浓缩塔形成负压，并吸收硝酸尾气，减少了硝酸尾气污
染，同时可回收硝酸。 3) 成品浓硝酸采用精馏出来的硝酸蒸汽解析硝酸中的氧化氮，即热法脱硝，不仅
提高了产品质量，而且减少了污染，降低了消耗。 4) 采用膜式蒸发器在真空条件下蒸发，与在常压下蒸发比较，当加热蒸汽压力相
同时，蒸发的传热推动力增大，因而减少了所需传热面积，从而可减少投资费用。
3.3.2 酸性水的回收利用
浓硝酸的“塔尾水”、“ 镁尾水” 统称为酸性水，浓度为3%~5%，因本工艺的设计均采用循环吸收，从而可以使塔尾水的浓度循环提浓至25%~30%（此浓度不影响尾气的吸收效果），将这部分酸性水送至吸收塔相应的塔板。将2%~3%的镁尾水根据稀硝酸生产需要作为吸收塔的塔顶加水。在实际生产中，稀硝吸收塔顶不可能全部用酸性水作吸收水，塔顶仍要加一小部分脱盐水用于吸收，从而保证尾气的浓度不超标。
10*104t/a硝酸装置酸性水回收可降低浓硝成本12.6元/t，提高了稀硝酸的利用率，每年回收酸性水（折100%硝酸）可达1020t，年获效益约120万元。
3.3.3 酸性水的新用
1) 在软水生产中采用酸性水替代盐酸，处理阳床中树脂2%~3%的镁尾水浓度十分适宜，每个阳床日用量20t，这项技术已在山东多家企业使用，经济效益也很可观。
2) 利用稀氨水中和后变成低浓度农用硝铰液体肥，可在农村用肥季节使用，市场较好。
3) 利用酸性水作为陶瓷洁具等家庭、宾馆、饭店用清洗除垢剂，市场前境看好。
3.3.4 酸性水的提浓
由于浓硝酸性水浓度低、量大，仅靠上述回收利用办法在产量低的生产厂家尚可，
但产量较大的浓硝厂家则是不可能全部回收利用的。现在可以利用硝镁蒸发器出口含硝酸的蒸汽温度，通过增加部分设备，能够将酸性水的浓度提至18%~23%，这样就可以大
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量回收高浓度酸性水。此项技术投资较少，运行费用极低，是今后酸性水回收的发展方向。
§3.4 硝镁法“间硝”生产需完善的工艺
1) 硝镁法浓硝酸生产中要产生大量酸性水，浓度约为3 %～5 % ，应考虑回收
利用。一方面可降低浓硝酸生产成本，另一方面可减少对环境的污染。回收的方法可将浓度约为3 %～5 %的酸性水用于硝酸装置的吸收用水。
2) 硝镁法浓硝酸生产中需耗大量蒸汽，因此可考虑回收蒸汽冷凝液的热量和冷凝水。回收的方法可在蒸发器后增设膨胀槽，产生的低压蒸汽引入其它地方利用;排出的冷凝水送到软水贮槽中供废热锅炉使用。
§3.5 硝酸镁的制备及再生 3.5.1 氧化镁的选择
要制取优质的硝酸镁关键在于氧化镁的质量，以卤水法制取的氧化镁在纯度和杂质含量上均优于矿石法生产的氧化镁。氧化镁中Cl-含量的控制，对整个系统的防腐蚀也起到较好的作用，现使用的卤水法氧化镁含量一般在96%~98%，Cl-含量小于0.10%。
3.5.2 硝酸镁的制备
绝大多数厂家在硝酸镁制备时酸雾大、粉尘多，冒NOx气体，不仅污染环境，而且配制时易发生人身安全事故。现将制备槽进行技术改造，改变过去的配制方式，可以消除上述不利因素，达到安全、无污染。
3.5.3 硝酸镁的再生使用
由于稀硝酸带来一定杂质和设备腐蚀作用等原因，使硝酸镁中逐渐积累许多杂质，大大降低脱水能力，严重影响工艺生产条件，因此要进行再生处理。在原设计中只有一个沉降槽，再生处理不好进行，因而应增加一个小型的沉降槽，使原沉降槽变成一个再生除铵纯净镁贮槽，硝酸镁的再生处理程序如图5。
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第三章 工艺流程论证
图5 硝酸镁再生处理流程框图
通过这样改进后，就可以使硝酸镁的沉降加热除钱连续进行，同时又不影响浓硝酸的正常生产。使系统内循环便用的硝酸镁始终保持较好的脱水性，既有利于产品质量，又有利于稀硝酸镁的脱硝，同时也提高了氧化镁的利用率。现吨浓硝酸耗氧化镁可降至众0.3kg以下。
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第四章 典型机器设备选型与论证
§4.1 硝镁法生产浓硝酸的主要设备
硝酸镁法生产浓硝酸的主要设备、材质及操作参数见表2
表2
§4.2 塔设备的选型与论证
在硝酸镁法生产浓硝酸中, 硝酸浓缩塔是关键设备之一。目前国内主要有DN1000和DN1200两种规格,公称能力为10kt/a和15kt/a。
4.2.1 浓缩塔结构
塔体分为下部提馏段和上部精馏段两部分。有1000mm、800mm等高度不同的塔节和上、下封头及底座组成,总高约15m,塔节之间用法兰连接。
塔顶有回流酸分布器,一般为盘式(草帽式)；塔中部有混合物料分布器, 一般为槽式分布器；上封头有硝酸蒸汽出口和回流酸进口；塔中部有硝酸- 硝酸镁混合物进口管；塔下部有稀硝酸镁出口和二次蒸汽进口管。因提馏段填料高度为7.7m 左右,为了提高分离效率, 降低出塔稀硝酸镁溶液中的硝酸含量,在提馏段中部加设集液器,并加装再分布器浓缩塔填料原来均为陶瓷或玻璃散堆填料, 多为陶瓷矩鞍环填料(DN38 和DN25) 加少量DN15的拉西环。可以满足正常生产的要求。近年来为了提高单塔产量和降低消耗, 部分生产厂家用陶瓷规整填料代替散堆填料, 并对分布器等部件进行相应的改造, 取得很好的效果, DN1000塔的生产能力达到15kt/a以上(视稀硝酸的浓度不同而不同) 。
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第四章 典型机器设备选型与论证
4.2.2 浓缩塔材质的选用
浓缩塔精馏段各点均在不同浓度硝酸的沸点温度下操作, 塔中部硝酸蒸汽浓度为80%左右, 相应温度为110～120℃；自中部向上硝酸浓度逐步提高, 温度相应逐步降低, 到塔顶部硝酸蒸汽含硝酸98.2%以上, 温度85℃左右。浓缩塔下部提馏段物料为硝酸、硝酸镁、水的三元混合物, 其中硝酸含量自上而下逐步降低, 温度逐步升高, 至塔底部硝酸含量约为1～2% , 温度约为150℃左右。由此可见, 塔内介质对材质的耐腐蚀要求是很苛刻的, 且在开车时要经过一个自浓度很低的硝酸逐步提浓的过程, 因而所选材质必须要耐沸点状态下不同浓度硝酸的腐蚀。浓缩塔材质的选用曾经过非金属材料衬里、搪瓷等的使用阶段, 但因各种原因被淘汰。现在壳体和内件基本上采用高硅铸铁。
高硅铸铁牌号为:STSi15R 标准号为: GB8491-87。
化学成分为:1.00%C 14.25～15.75%Si 0.50%Mn 0.10%P 0.10%S 0.10%R
机械性能:最小抗弯强度σw 140MPa
最小挠度f 0.66mm 最小硬度HRC 48。
该材质在氧化性酸(如各种温度和浓度的硝酸、硫酸和铬酸等) 、各种有机酸和一系列的盐溶液中都有良好的耐蚀性。但因其固有的特性,存在不耐急剧的交变载荷、冲击载荷, 不耐温度急剧变化、加工性能差等缺点, 需在安装、使用、维护等方面给以充分地重视。
§4.3 泵设备的选型与论证
装置中使用的泵有离心泵、往复泵及旋转泵等多种型式。离心泵和往复泵使用尤为广泛。
由于此次工艺的年生产量大，年产量为4万吨，所以应选择效率高和流量大的泵。于是决定选择离心泵。离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和便于维修等优点。
4.3.1 离心泵的基本特性：
1) 性能曲线：扬程受流量变化的影响小，在零流量附近最大扬程可达设计扬程的
1.1~1.2倍。对下游设备设计压力有影响。 2) 转速：蒸汽透平驱动，配置性能良好的调速系统，电动机驱动要考虑到转差率。 3) 流量控制：用排出管道上的控制阀开、闭进行控制。 4) 汽蚀余量（NPSH）：最低约2m
5) 黏性液体：流量、扬程、效率随黏度上升而下降，可用到300mPa?s
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6) 淤浆液体：可用，也有高浓度淤浆用特殊泵
7) 液击：当流量—扬程曲线显驼峰形、总扬程取于静压差时，有可能引起液击。 8) 最小流量：流量过小，液温高，易产生烧结、气蚀、振动等。
特点及适用范围：输送温度下液体黏度不宜大于650mm2/s，否则泵效率下降较大；流量较大，扬程相对较低;液体中溶解或夹带的气体不宜大于5%（体积）；液体中含有固体颗粒时，宜选用特殊离心泵（例如泥浆泵）；要求流量变化大、扬程变化小者，宜选用平坦的qv-H曲线的离心泵；要求流量变化小、扬程变化大者，宜选用陡降的qv-H曲线的离心泵。
4.3.2 应注意的问题
离心泵要注意的问题是气蚀问题。气蚀主要是指当叶片入口附近液体的静压强等于或低于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体将在该处部分汽化，产生气泡。气蚀具有以下危害性：
1) 离心泵的性能下降，泵的流量、压头和效率均降低。若生成大量的气泡，则可
能出现气缚现象，且使离心泵的停止工作。 2) 产生噪声和振动，影响离心泵的正常运行和工作环境。 3) 泵壳和叶轮的材料遭受损坏，降低了泵的使用寿命。
4.3.3 离心泵的安装和操作：
1) 离心泵的安装高度必须低于允许吸上高度，以免出现气蚀和吸上液体的现象。
因此在管路布置时应尽可能减小吸入管路的流动阻力。 2) 离心泵在启动前必须向泵内充满待输送的液体，保证泵内和吸入管路内无空气
存积。 3) 离心泵应在出口阀门关闭的条件下启动，这样启动功率最小。停泵前也应先关
闭出口阀，以免排出管路内液体倒流，使叶轮受冲击而被损坏。 4) 离心泵在运转中应定时检查和维修，注意泵轴液体泄漏、发热情况，保持泵的
正常操作。
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总结
总结
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨、相互学习、相互监督。学会了合作、学会了运筹帷幄、学会了宽容、学会了理解、也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。
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参考文献
1) 匡国柱，史启才主编. 《化工单元过程及设备课程设计》. 北京：化学工业出版社，
2001 2) 郑津洋，董其伍，桑芝富主编. 《过程设备设计》. 北京：化学工业出版社，2010 3) 康勇，张建伟，李桂水主编. 《过程流体机械》. 北京：化学工业出版社，2007 4) 夏清，陈常贵主编. 《化工原理》. 天津：天津大学出版社，2005
5) 化学工业出版社组织编写. 《化工生产流程图解》. 北京：化学工业出版社，1992 6) 黄振仁，魏新利主编. 《过程装备成套技术》. 北京：化学工业出版社，2008 7) 崔克清主编. 《化工单元运行安全技术》. 北京：化学工业出版社，2005 8) 刘道德等编著. 《化工设备的选择与设计》. 长沙：中南大学出版社，2003 9) 赵惠清，蔡纪宁主编.《化工制图》. 北京：化学工业出版社，2008
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致谢
致谢
本次设计虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和赠予，没有同学帮助和支持，我的这次课程设计肯定会大打折扣。当我打完课程设计的最后一个字符，涌上心头的不是完成设计的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。
再次由衷感谢各位老师对学生的指导和教诲！
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