[发明专利]低温低压空气固氮制硝酸方法

说明书

本发明直接以空气为原料，以五氧化二氮气体和硝酸蒸气为循环介质，在低温低压和使用本发明催化剂的情况下，使空气中的氮转化为氮的氧化物，进而制取硝酸。

与本发明接近的专利有西德专利2、521、375和美国专利4，256、967，其中西德专利所述的制硝酸方法是在2200℃的温度和10个大气压的条件下，使空气中的氮和氧发生化学反应，生成氮氧化物，然后制取硝酸。美国专利所指的为电弧法，它是空气中的氮和氧在极高的电弧温度下，直接化合成氮氧化物，再制取硝酸，美国专利4、042、339所述制硝酸方法也是在2200℃温度下用空气制取硝酸，其氮氧化物的最高浓度为2摩尔%。目前国内外采用的制硝酸方法是以合成氨为原料，以贵金属铂为催化剂在700-800℃的温度下，氨与空气中的氧发生化学反应生成氮氧化物，再制成硝酸。

本发明是以空气为原料，以五氧化二氮、过氧化氮气体和硝酸蒸气为循环介质。在100-500℃的温度，0.2～6kg/cm²的压力和使用本发明非贵金属系催化剂的条件下，使空气中的氮和介质发生化学反应生成新的氮氧化物，新生成氮氧化物重量百分浓度为1～10%，最高可达8摩尔％。采用气相反应法使氮氧化物、水蒸气和空气中的氧发生化学反应制成硝酸。该法在0.2～6kg/cm²压力下表压）可直接合成重量百分浓度为98%的硝酸。本发明目的是：寻找一种能耗少、成本低、宜于工业化的以空气为原料制取氮氧化物和硝酸的方法。

本发明工艺流程如图所示，其工艺过程是：空气经压缩机1加压0.2～6kg/cm²（表压），经计量装置进入空气净化器2、以除去气体中的硫化氢、二氧化碳等酸性气体。净化后的空气进入干燥器3，以除去空气中的水份。干燥后的空气进入介质蒸发器4，如果以硝酸蒸气为介质，介质蒸发器内装浓硝酸、五氧化二磷和浓硫酸等脱水剂混合物。浓硝酸装入量为90～98%（重量百分浓度），五氧化二磷装入量为2～6%（重量百分浓度）、浓硫酸装入量6～10%（重量百分浓度）。浓硝酸重量百分浓度为98%（其五氧化二磷和硫酸只加一种即如果加入五氧化二磷就不需加硫酸），也可以只装98%（重量百分浓度）的浓硝酸。不加任何脱水剂。介质蒸发器温度控制在30-120℃，加热装置5利用固氮炉余热气体来加热介质蒸发器，（或将空气预热至所需的温度后再进入介质蒸发器）空气在介质蒸发器内与硝酸蒸气混合，并将硝酸蒸气带出蒸发器。如果以五氧化二氮为循环介质，干燥后的空气将直接进入五氧化二氮反应器6，内装浓硝酸和五氧化二磷混合物，五氧化二磷装入量为25-45%（重量百分浓度），浓硝酸装入量为55～75%（重量百分浓度）。若五氧化二磷装入量低于38%（重量百分浓度）时，介质为气体五氧化二氮与硝酸蒸气混合物，若五氧化二磷装入量大于38%（重量百分浓度）时，介质为单纯的五氧化二氮气体，温度控制在30-80℃，反应方程如下：6HNO₃+P₂O₅＝3N₂O₅+2H₃PO₄，生成的N₂O₅气体作介质使用，生成的磷酸可作产品放出，或制成磷酸盐产品（如磷酸铵等）。空气与五氧化二氮气体在反应器混合后，一起通过五氧化二氮反应器。从介质发生器或五氧化二氮反应器出来的混合气体，进入固氮反应炉8，反应炉上下层为填料（如瓷环、不锈钢环等）。中层为催化剂床层，床层反应温度为100～500℃。介质与空气中的氮氧在催化剂作用下，发生化学反应生成新的氮氧化物，反应如下：

在上述反应过程中也会发生下列反应即五氧化二氮加热分解成过氧化氮，其方程如下：