稀硝酸溶液配制新裝置研發(fā)及應(yīng)用

朱兵賓

（廣西柳州化工控股有限公司，廣西 柳州 545002）

近三年來，受到環(huán)保限制，原有的用戶受調(diào)配裝置和原材料的限制，生產(chǎn)出稀硝酸產(chǎn)品外觀或濃度均不理想，而且所采用的工藝技術(shù)環(huán)境污染大，目前諸多的用戶已經(jīng)取消配酸工序，直接在市場上采購稀硝酸產(chǎn)品，使得稀硝酸市場行情看漲。這也導(dǎo)致了硝酸市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變，98%高濃度硝酸的銷售量逐漸降低。筆者所在公司不得不減產(chǎn)以應(yīng)對市場萎縮。與此同時，公司原有的一些客戶改為從上海、韓國直接購買稀硝酸。

因此，為滿足市場需求，避免客戶的流失，公司決定根據(jù)市場的需求，立足于現(xiàn)有稀硝酸和濃硝酸產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝優(yōu)勢，自主研發(fā)出可以滿足用戶使用各種濃度稀硝酸產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置和工藝，從而為企業(yè)增加新的利潤點，提高企業(yè)的抗風(fēng)險能力。

1 研發(fā)總體思路

目前，大多數(shù)企業(yè)采用98%的濃硝酸與水進行混合配比，生產(chǎn)稀硝酸。用水與98%硝酸按比例簡單混合，稀釋過程中大量放熱，酸溫上漲非?？臁．a(chǎn)生的酸霧難以回收利用，環(huán)境污染大，且成品酸因NO2含量高呈紅棕色，導(dǎo)致出現(xiàn)外觀不達標(biāo)等現(xiàn)象[1]。鑒于現(xiàn)有稀硝酸生產(chǎn)裝置及技術(shù)存在的各種不足，本項目研究開發(fā)一套產(chǎn)品質(zhì)量達標(biāo)，投資少，環(huán)保低耗的稀硝酸溶液配制裝置，以生產(chǎn)各種濃度的稀硝酸溶液產(chǎn)品，以滿足生產(chǎn)和市場的需求。

2 研發(fā)創(chuàng)新點

1）整套裝置制作成本低，易控制。

本裝置創(chuàng)新采用直接加入脫色劑方法，整套裝置結(jié)構(gòu)更為簡單，制作成本大大降低。在配酸槽上開有脫色劑加料口，操作直接、簡便，易控制。

2）能夠配制任意濃度且質(zhì)量合格的稀硝酸溶液。

本裝置采用濃硝酸與稀硝酸按比例混合，添加自配脫色劑，可配制任意濃度且質(zhì)量合格的稀硝酸溶液產(chǎn)品。增加循環(huán)管線，使得濃硝酸與稀硝酸可以充分混合均勻，添加的自配脫色劑及脫色方法脫色效果好且不增加新的污染物。

3）副產(chǎn)酸霧可回收利用。

本裝置配置有噴射器及酸循環(huán)槽，用于回收副產(chǎn)酸霧。該設(shè)備可回收配酸過程中產(chǎn)生的全部酸霧，操作簡單且回收效果好，減少了酸霧對大氣的污染，大大增加了本裝置的環(huán)保性。

4）設(shè)置裝置加料口。

本裝置將稀、濃酸加料口設(shè)置在配酸槽的側(cè)壁，且兩個加料口位置接近，與其他裝置將加料口設(shè)置在槽體頂部相比，使得反應(yīng)時間短且反應(yīng)更為充分，局部反應(yīng)放熱，反應(yīng)范圍小，可有效減少紅棕色NO2的產(chǎn)生量。

5）合理選擇冷卻裝置

混合酸反應(yīng)會釋放出大量的熱。硝酸在高溫的狀態(tài)下不穩(wěn)定，容易分解，產(chǎn)生更多的酸霧。分解產(chǎn)生的NO2會使酸溶液變黃，脫色變得更為困難。冷卻裝置的選擇，關(guān)乎該套新裝置能否實現(xiàn)快速配制稀硝酸溶液。經(jīng)過對比分析，在配酸槽內(nèi)部做冷卻盤管、在配酸槽頂部做冷卻盤管和使用循環(huán)冷卻器三種方案中最終采用增加循環(huán)冷卻器的方式進行設(shè)計。在一臺冷卻器后再增設(shè)了另一臺冷卻器，進水方式采用并聯(lián)，降溫效果大幅度提升，可滿足高強度配制負(fù)荷的要求。

6）整套裝置維修方便。

本裝置將循環(huán)酸冷卻器設(shè)置在配酸槽外部，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障時，能夠及時發(fā)現(xiàn)并且維修方便。

3 研發(fā)工藝流程

稀硝酸溶液配制生產(chǎn)流程圖如圖1。

圖1 稀硝酸溶液配制工藝流程圖

流程說明:將水加入酸循環(huán)槽中，然后啟動抽負(fù)泵對酸循環(huán)槽進行抽真空。按比例將自配脫色劑先從配酸槽的脫色劑加料口加入配酸槽中，同時按比例將濃硝酸和稀硝酸分別從配酸槽的濃硝酸加料口和稀硝酸加料口加入配酸槽中。過程中產(chǎn)生的酸霧從配酸槽的氣體出口進入噴射器，酸循環(huán)槽中的水通過抽負(fù)泵抽到噴射器中與酸霧進行混合后進入酸循環(huán)槽中。當(dāng)配酸槽中的液位達到10%時，開始啟動循環(huán)泵，將配酸槽中的液體導(dǎo)入酸冷卻器中。酸冷卻器冷卻后的液體循環(huán)流入配酸槽中。對配酸槽內(nèi)的酸進行循環(huán)混合、冷卻、脫色漂白；濃硝酸和稀硝酸加料結(jié)束后，繼續(xù)將配酸槽中的液體導(dǎo)入酸冷卻器中再循環(huán)20～40min后，得到目標(biāo)物硝酸。

4 技術(shù)關(guān)鍵和攻關(guān)成果

1）研發(fā)的裝置如何能生產(chǎn)各濃度合格的稀硝酸溶液產(chǎn)品，在配比過程中如何更好的將酸混合均勻成為關(guān)鍵。

實驗室試驗是小批量的混合，而要實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，就有大量的硝酸溶液要在連續(xù)作業(yè)的情況進行混合。設(shè)計方案必須要能快速安全高效的均勻混合。針對這個問題，我們設(shè)想了兩套方案:

方案一:貯槽內(nèi)安裝分布器。①在貯槽內(nèi)部正中處安裝一個分布器；②按計算比例同時往貯槽內(nèi)分布器送入98%與50%硝酸；③分布器內(nèi)的混合酸再溢入貯槽內(nèi)。優(yōu)點:98%與50%硝酸同時進入容易混合均勻。缺點:分布器易腐蝕，難檢修。另50%與98%硝酸同時進入易造成局部爆沸，形成安全隱患。

方案二:增加循環(huán)管線。①在配酸槽內(nèi)、外各安裝一個緩沖罐，同時增加循環(huán)泵和循環(huán)管線；②預(yù)先往配酸槽送入50%硝酸，待份量后足夠后再由緩沖罐送入98%硝酸。③在送入50%硝酸時同時開啟循環(huán)泵對配酸槽內(nèi)的酸循環(huán)混合。優(yōu)點:設(shè)備檢修容易，配酸時不會造成局部爆沸情況。缺點:如此循環(huán)配酸，時間需要較長。

經(jīng)過分析，采用增加循環(huán)管線。雖然增加了時間，但是安全性得到了提高和檢修也更為便捷。

2）降低稀硝酸溶液配制過程中的溫度，減少酸霧的產(chǎn)生。

冷卻裝置的選擇關(guān)乎該套新裝置能否實現(xiàn)快速配制稀硝酸溶液，為此設(shè)想了3套冷卻方案。

方案一:在配酸槽內(nèi)部做冷卻盤管。①在配酸槽內(nèi)部環(huán)繞安裝蛇形盤管；②循環(huán)水通入蛇形盤管內(nèi)，對配酸槽內(nèi)的混合酸進行冷卻。優(yōu)點:能及時冷卻混合時上漲的酸溫。缺點:盤管在貯槽內(nèi)部，容易腐蝕，每次檢修都需清理置換貯槽，置換的酸性水排出需處理，增加環(huán)保措施負(fù)荷。

方案二:在配酸槽頂部做冷卻盤管。①配酸槽頂部圍繞安裝環(huán)形盤管；②在冷卻盤管上開小洞，冷卻水從貯槽頂部噴出沿貯槽壁流下，對整個貯槽進行冷卻。優(yōu)點:盤管在貯槽外部，不會被腐蝕，無需檢修。缺點:冷卻水直接沿壁流下，可能會造成局部冷卻不到，且冷卻水長流易造成浪費。

方案三:增加循環(huán)冷卻器。①新增一冷卻器在循環(huán)管上對循環(huán)酸進行冷卻。②對循環(huán)酸進行溫度聯(lián)鎖。③當(dāng)循環(huán)酸達到60℃時停止98%濃硝酸進料，直到循環(huán)酸溫度降至35℃再開始98%硝酸進料。優(yōu)點:酸溫能及時冷卻降下來，且混合酸在外部冷卻容易檢修。缺點:貯槽內(nèi)的混合酸由泵打入冷卻器內(nèi)，泵進口酸溫尚高，容易造成不打量。

經(jīng)過對比分析，最終采用增加循環(huán)冷卻器的方式進行設(shè)計。在投入生產(chǎn)后，根據(jù)使用過程和操作數(shù)據(jù)分析，在一臺冷卻器后再增設(shè)了另一臺冷卻器，降溫效果有所提升。再次技改，將兩臺冷卻器循環(huán)水進水方式由原來串聯(lián)改為并聯(lián)，降溫效果再次提升，基本滿足高強度配制任務(wù)的要求。

3）消除混合過程中產(chǎn)生的煙霧，實現(xiàn)硝酸溶液配制環(huán)保要求。

硝酸溶液配制的過程中會產(chǎn)生大量的酸霧，大量的酸霧使操作人員無法忍受，對環(huán)境產(chǎn)生較大影響，酸霧溢出也造成一定的配制消耗。

針對酸霧這一環(huán)保問題，設(shè)想了兩套解決方案:

方案一:增加水力噴射器。①在原有的循環(huán)槽處新增一臺水力噴射器，配管至68%酸槽。②待配酸時開啟水力噴射器，將酸霧抽取到循環(huán)槽內(nèi)溶解到槽內(nèi)的水中。優(yōu)點:水力噴射器抽負(fù)效果明顯，且能保持貯槽微負(fù)狀態(tài)，避免配酸中產(chǎn)生的NOX又溶于混合酸中，影響68酸的外觀質(zhì)量。缺點:一次性的投入安裝費用較大。

方案二:槽頂放空管增加膠管。①在槽頂部放空管出口增加膠管接至水槽內(nèi)，酸霧通過膠管溶于水槽；②待水槽內(nèi)酸性水到一定濃度便進行置換。優(yōu)點:安裝方便。缺點:膠管必須插入水中才能使酸霧溶解于水中，若溶解不及時則易造成配酸槽憋壓，存在一定安全隱患。

經(jīng)過對比分析，最終選擇了增加水力噴射器這一方案。這個使得配制過程產(chǎn)生的酸霧極少，并可回收全部的酸霧作為二次生產(chǎn)或者配制低濃度酸原料。

4）要生產(chǎn)出無色透明硝酸溶液，選擇何種脫色劑及脫色方式成為了技術(shù)關(guān)鍵。

硝酸溶液配制完成后，由于含有NO2、亞硝，呈黃色。為了滿足特殊客戶的需求，將產(chǎn)品外觀質(zhì)量統(tǒng)一達到無色透明來進行攻關(guān)。經(jīng)過以下脫色方法的選擇和實驗，效果如下:

①空氣漂白:成品酸淡黃色。②添加脫色劑碳銨:成品酸無色透明，用量大，增加成本。③添加脫色劑雙氧水:成品酸無色透明，可使?jié)舛冉档停斐僧a(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。④添加脫色劑氣氨:成品酸無色透明，用量少，存在較大安全隱患。⑤添加脫色劑（自配）:成品酸無色透明，用量很少，增加微量成本。

5 結(jié)語

本項目裝置攻克了同類行業(yè)的技術(shù)難題，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；產(chǎn)品外觀清澈透明無色，生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保，實現(xiàn)零排放。為同行業(yè)稀硝酸項目建設(shè)及脫色方法選取研究等起到了非常重要的借鑒作用。