[发明专利]用于制备硝酸的设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备硝酸的设备。

背景技术

制备硝酸的常规方法，在碱性反应条件下，涉及一个三步法，包括，首先是在空气存在下的氨氧化作用，将氨-空气混合物通过快速高温快速催化转化而生成一氧化氮。将所得反应混合物流冷却（在压力下），并使一氧化氮的一部分与氧进行非催化反应从而形成更高的氮氧化物如二氧化氮及其二聚体；其混合物在下文称为二氧化氮，反应混合物流作为一个整体在下文称为亚硝气（nitrous gas）。之后进一步冷却亚硝气进入吸收操作与水和空气制备硝酸。

所述吸收操作在一个所谓的吸收塔内实施，产物酸的浓度一般为50％-68％的HNO₃(重量/重量)，这取决于吸收塔的操作压力、吸收塔中吸收阶段的数目和进入吸收塔的亚硝气的浓度。

现本发明人认识到，对所述制备过程的实质性改进，包括在氧化性气体的存在下氨的氧化，在氨氧化阶段之前压载水（water ballast）的准入，在整个过程中压载水的保留，以及稀硝酸（例如，具有约20％-40％HNO₃(重量/重量)的浓度，这取决于氧化性气体的组成和保留在反应混合物流中的水的量）形式的终产物的接收，可以采用一个利用热交换技术的吸收阶段，所述热交换技术消除了常规的对吸收塔的需要及随之而来的缺点。本发明中的术语“氧化性气体”应理解为包括含有多于约80％（体积/体积）氧、最优选高于95％（体积/体积）的氧的气体。

在对吸收阶段的开发中，可能应用了各种热交换技术（例如，包括壳-管型交换器，板型热交换器或翅片-风扇型热交换器（fin-fan type heat交换器）），省却了对吸收塔的需要，但发明人进一步认识到，称为印刷电路热交换器（“PCHE”）构造用于硝酸的制备过程可能是有利的。目前PCHE型芯被用于多种应用中的热交换器中，包括例如2003年1月3日授权于Meggitt(UK)Ltd的澳大利亚专利2003201195中公开的蒸汽-甲烷重整装置（reformer）中。PCHE芯通过在各不锈钢（或其他非腐蚀性材料）板的至少一个表面内蚀刻具有所需形式和剖面（profile）的通道而制造，所述板堆叠并扩散接合（diffusion bond）而形成具有特定应用所需尺寸的结构。小型PCHE通道相对于常规的管-壳式交换器显著降低了吸收过程中的耐热性和质量转移，并本质上提供了一种高度紧凑的装置。

因此，下文所述的本发明，体现了三方面的新颖性；首先，认识到，常规使用的吸收塔可以通过采用热交换器技术而省却，第二，采用PCHE型技术用于此目的是有利的，第三，构造PCHE型芯，以提供整合的进料-出料的热交换和二氧化氮的吸收。

发明内容

根据一个方面，本发明提供一种用于制备硝酸的热交换设备，其提供进料-出料的热交换和整合的二氧化氮吸收。在一个实施方案中，所述设备含有一个芯结构，该芯结构包括第一组和第二组接合的金属板，所述金属板具有形成其中的流体流动通道系统，并具有一个进料-出料热交换系统，该系统含有以热交换关系并列设置的所述第一和第二组板的第一通道系统，以及一个吸收系统，该吸收系统含有以热交换关系并列设置的所述第一和第二组板的第二通道系统。在一个实施方案中，所述第一和第二组金属板是抗腐蚀的。

在本发明的一个实施方案中，所述第一组板包括多个第一所述板，所述第二组板包括多个第二所述板。所述第一板和第二板以面对面的关系接合，第二板交替地与第一板交叉。每个第一板均形成有独立的所述第一和第二通道系统，并且每个第二板均形成有所述第一和第二通道系统，所述第一和第二通道系统在流体通道的连通中串联连接。第二板的第一和第二通道系统分别与第一板的第一和第二通道系统以热交换关系并列设置。

在一个操作模式中，所述设备可限定为，包括一个芯结构，该芯结构包括多个以面对面的关系接合的第一和第二耐腐蚀性金属板，第二板交替地与第一板交错。每个第一和第二板形成有独立的第一和第二通道系统，第一板的第一通道系统被设置为用于接收氨水和氧化性气体和传送蒸汽压载的氨-氧，第一板的第二通道系统被设置为与冷却液的供应串联连接。每个第二板也形成有第一和第二通道系统，所述第一和第二通道系统分别与第一板的第一和第二通道系统以热交换关系并列设置；每个第二板的第一和第二通道系统在流体通道的连通中串联连接，所述第一通道系统被设置为用于接收热的亚硝气，所述第二通道系统被设置为传送硝酸，根据在通过第二板的第一和第二通道系统传输的过程中亚硝气的逐步氧化和水冷凝吸收。