ОТБЕЛОЧНАЯ КОЛОННА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ Российский патент 2023 года по МПК C01B21/46 C01B21/40 B01D53/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к вертикальной отбелочной колонне для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в процессе производства азотной кислоты и к способу отбеливания для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, с использованием отдувочного газа, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, в процессе производства азотной кислоты. Более конкретно, настоящее изобретение относится к вертикальной отбелочной колонне и к способу отбеливания, в котором не вступившие в реакцию оксиды азота, растворенные в полученном водном растворе азотной кислоты, удаляют отдувочным газом, таким как воздух, азот, кислород или их комбинации, с использованием регулярной насадки и распределителя жидкости, что является новым в случае вертикальной отбелочной колонны.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Чистая азотная кислота является прозрачной, бесцветной жидкостью с сильным запахом. Азотную кислоту получают в больших количествах преимущественно посредством каталитического окисления аммиака (способ Оствальда). Аммиак преобразуется в азотную кислоту в две стадии. Вначале аммиак окисляется на платиновой сетке с образованием окиси азота и воды, см. Формулу 1:

Затем продукт реакции из Формулы (1) - окись азота (NO) - окисляется до диоксида азота NO₂ (г) и затем - до динитротетроксида N₂O₄ (г).

При поглощении водой оксиды азота (определенные в данной публикации как содержащие по меньшей мере диоксид азота и динитротетроксид) преобразуются в азотную кислоту и окись азота:

Получают слабую азотную кислоту с концентрацией до 68% (азеотропную смесь). При использовании процесса ректификации концентрацию азотной кислоты можно повысить до 99% - это концентрированная азотная кислота.

Суммарную реакцию можно выразить следующей формулой:

Основными технологическими блоками установки для производства азотной кислоты являются конвертер аммиака (преобразование аммиака в окись азота с использованием кислорода), холодильно-конденсаторный блок, абсорбционная колонна (абсорбция динитротетроксида водой) и отбелочная колонна (удаление из водного раствора азотной кислоты не вступивших в реакцию растворенных газов -диоксида азота (NO₂) и динитротетроксида (N₂O₄), придающих раствору характерный коричневатый цвет). Кроме того, имеются компрессор для отдувочного газа, по существу не содержащего газообразных оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, и оборудование для обработки отходящего газа. Если отдувочным газом является воздух, то общий поток воздуха из воздушного компрессора разделяют на первый и второй потоки воздуха. Первый поток воздуха в качестве первичного воздуха подают в конвертер аммиака, а второй поток воздуха в качестве вторичного воздуха подают в отбелочную колонну. В другом варианте осуществления настоящего изобретения вторичный воздух может также быть окружающим воздухом при атмосферном давлении.

Стадию отбеливания способа производства азотной кислоты проводят в отбелочной колонне. Стандартной конструкцией отбелочной колонны является вертикальная колонна, заполненная тарелками или содержащая нерегулярную насадку. Водный раствор азотной кислоты, содержащий растворенные газы -диоксид азота (NO₂) и динитротетроксид (N₂O₄), распределяется в верхней части вертикальной колонны. Стандартный распределитель жидкости содержит впускной канал для потока водного раствора азотной кислоты и доставляет водный раствор азотной кислоты к множеству тарелок. Примерами распределителей жидкости являются распылительные форсунки, кольцевые трубы с отверстиями и загрузочные коробки. Для поддержки насадок и помощи в распределении газа/жидкости можно использовать опорные пластины или решетки.

В отбелочной колонне отдувочный газ, по существу не содержащий газообразных оксидов азота, такой как воздух, азот, кислород или их комбинации, продувают навстречу окрашенному в желтый/коричневый цвет водному раствору азотной кислоты, перемещающемуся вниз через лотки отбелочной колонны, для удаления растворенных газов - диоксида азота (NO₂) и динитротетроксида (N₂O₄) (и, возможно, нерастворенных газообразных оксидов азота, перемещающихся с потоком водного раствора азотной кислоты), не преобразованных в ΗΝO₃ (азотную кислоту), и для предотвращения образования азотистой кислоты (ΗΝO₂), концентрации которой следует контролировать в случае, когда азотную кислоту используют для синтеза нитрата аммония, минерального удобрения или других химических продуктов. Водный раствор азотной кислоты, выходящий из нижнего выпускного отверстия отбелочной колонны, должен быть бесцветным. Это показывает, что концентрация растворенных газов - диоксида азота (NO₂) и динитротетроксида (N₂O₄) - достаточно снижена. Удаленные оксиды азота, содержащиеся в потоке отдувочного газа, покидают отбелочную колонну через верхний выпускной канал для отдувочного газа. Удаленные оксиды азота могут быть возвращены в процесс производства азотной кислоты через компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту. Используемый отдувочный газ может быть окружающим воздухом при атмосферном давлении. Важно, чтобы отдувочный газ по существу не содержал газообразных оксидов азота (NO₂, N₂O₄, обобщенно - NO_x), так как это снизит эффективность процесса удаления оксидов азота из водного раствора азотной кислоты.

Отбелочная колонна - это известный ограничивающий блок («бутылочное горло») в производстве азотной кислоты. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить соответствие производимой кислоты спецификациям при высокой нагрузке. Конструкция колонны должна обеспечивать равномерное распределение и равномерный контакт между поднимающимся вверх газом (отдувочным газом) и движущимся вниз потоком жидкости (водный раствор азотной кислоты) на протяжении всей колонны. Задачей настоящего изобретения является обеспечение повышенной производительности производства азотной кислоты и снижение количества используемого отдувочного газа при по меньшей мере сохранении качества водного раствора азотной кислоты, то есть низких концентраций растворенных газов - диоксида азота (NO₂) и динитротетроксида (N₂O₄).

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что регулярная насадка в отбелочной колонне в комбинации с распределителем жидкости, содержащим загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения жидкости через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, может решить одну или более задач настоящего изобретения.

В публикации WO 02/083260 А2 (Koch-Glitsch LP, 24 октября 2002 г.) описан распределитель жидкости в массообменной колонне, который распределяет жидкость по расположенному ниже массообменному слою, содержащему один или более нерегулярных, решетчатых или регулярных насадочных элементов. Зубчатую перегородку используют для распределения жидкости через обращенные вниз зубцы зубчатой перегородки в расположенный ниже массообменный слой. Использование отбелочной колонны на стадии отбеливания способа производства азотной кислоты не описано, также как и использование зубчатой перегородки для распределения жидкости через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости.

В публикации US 4816191 (Koch Engineering Company, 28 марта 1989 г.) описан распределитель жидкости для колонны, обеспечивающей контакт газа и жидкости, который также содержит зубчатую перегородку для распределения жидкости через обращенные вниз зубцы зубчатой перегородки в расположенную ниже колонну. Регулярные насадки не описаны.

В публикации DE 4035205 А1 (Curtius, 7 мая 1992 г.) описана вертикальная противоточная промывная колонна, содержащая насадку, которая может быть регулярной насадкой; распределитель жидкости, расположенный над насадкой; впускной и выпускной каналы для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы для газа. В промывной колонне не описан распределитель жидкости по настоящему изобретению. Кроме того, промывную колонну используют для удаления газообразной окиси азота из отходящего газа с использованием разбавленной азотной кислоты для получения диоксида азота, а не для удаления растворенного диоксида азота и динитротетроксида из водного раствора азотной кислоты с использованием по существу чистого воздуха.

В публикации DE 4034752 А1 (Curtius, 7 мая 1992 г.) описана сходная противоточная колонна, обеспечивающая контакт газа и жидкости, содержащая насадки, которые могут быть регулярными насадками; распределитель жидкости, расположенный выше насадки; впускную линию для необязательного распределения разбавленной азотной кислоты по насадке и выпускную линию для кислоты; а также впускной и выпускной каналы для газа. В промывной колонне не описан распределитель жидкости по настоящему изобретению, и распределитель жидкости не использован в способе по настоящему изобретению.

В публикации ЕР 2295375 А1 (Dietrich Process Systems GmbH, 16 марта 2011 г.) описана отпарная колонна, содержащая тарелки для распределения жидкости типа «CORE-TRAY», которая может содержать регулярные насадки. Промывную колонну используют для удаления серной кислоты и азотной кислоты из потока отходов из производства нитроароматических соединений, и в публикации не описан распределитель жидкости по настоящему изобретению, и распределитель жидкости не использован в способе по настоящему изобретению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предусматривает вертикальную отбелочную колонну для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего эти оксиды азота, с использованием отдувочного газа, по существу не содержащего газообразных оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, в способе производства азотной кислоты, содержащую регулярную насадку; распределитель жидкости, содержащий загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и расположенный выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в регулярную насадку; впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа. Как определено в данной публикации, термин «газ, по существу не содержащий оксидов азота», может означать газ, в котором содержание газообразных оксидов азота меньше или равно 5 масс. %, или меньше или равно 2 масс. %, или меньше или равно 0,4 масс. %.

В рамках данной заявки подразумевается, что оксиды азота содержат по меньшей мере диоксид азота (NO₂) и динитротетроксид (N₂O₄). Оба вещества являются газами при комнатной температуре и атмосферном давлении и легко растворяются в воде или водной композиции. Другие виды соединений азота и кислорода также рассматриваются в качестве оксидов азота в рамках настоящего изобретения, например - азотистая кислота (ΗΝO₂), и они также удаляются в процессе отбеливания. Водный раствор азотной кислоты может содержать до 68% азотной кислоты (азеотропная смесь).

В варианте осуществления настоящего изобретения регулярная насадка вертикальной отбелочной колонны имеет площадь поверхности, равную по меньшей мере 250 м²/м³, предпочтительно - лежащую в диапазоне от 450 м²/м³ до 750 м²/м³.

В варианте осуществления настоящего изобретения распределитель жидкости вертикальной отбелочной колонны предпочтительно имеет плотность капельных точек, равную по меньшей мере 30 капельным точкам на м², предпочтительно - лежащую в диапазоне от 60 капельных точек на м² до 200 капельных точек на м².

В варианте осуществления настоящего изобретения отношение высоты регулярной насадки к диаметру вертикальной отбелочной колонны может быть равным по меньшей мере 1, предпочтительно - по меньшей мере 1,5, более предпочтительно - по меньшей мере 2.

Настоящее изобретение также предусматривает способ отбеливания для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего эти оксиды азота, в вертикальной отбелочной колонне по настоящему изобретению, которая, в частности, содержит регулярную насадку; распределитель жидкости, содержащий загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и расположенный выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в регулярную насадку; впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа, по существу не содержащего газообразных оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, с использованием отдувочного газа, по существу не содержащего газообразных оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, включающий стадии

- подачи водного раствора азотной кислоты в верхнюю часть вертикальной отбелочной колонны через распределитель жидкости;

- перемещения водного раствора азотной кислоты вниз в вертикальную отбелочную колонну через регулярную насадку;

- осуществления контакта водного раствора азотной кислоты с отдувочным газом, движущимся в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты через регулярную насадку; и

- выхода отдувочного газа, содержащего удаленные оксиды азота.

В варианте осуществления настоящего изобретения способ отбеливания включает стадию возвращения удаленных оксидов азота в компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для последующего преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту.

В варианте осуществления настоящего изобретения оксидами азота являются диоксид азота (NO₂) и динитротетроксид (N₂O₄).

В варианте осуществления настоящего изобретения отдувочный газ движется в вертикальной отбелочной колонне в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, и соотношение воздуха и раствора кислоты может быть меньше 75 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, предпочтительно - меньше 45 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, более предпочтительно - меньше 30 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, еще более предпочтительно - меньше 20 м³ воздуха/м³ раствора кислоты.

В варианте осуществления настоящего изобретения падение давления в отбелочной колонне предпочтительно лежит в диапазоне от 25 мбар до 65 мбар.

Настоящее изобретение также предусматривает способ производства азотной кислоты, включающий окисление аммиака с получением окиси азота; преобразование окиси азота в оксиды азота, более конкретно - в NO₂ и N₂O₄; абсорбцию оксидов азота водой в абсорбционной колонне с получением водного раствора азотной кислоты; удаление растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты с использованием способа отбеливания по настоящему изобретению; и возвращение удаленных оксидов азота в компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для последующего преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту.

Настоящее изобретение также относится к применению вертикальной отбелочной колонны по настоящему изобретению для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в способе производства азотной кислоты.

Настоящее изобретение также относится к применению в вертикальной отбелочной колонне для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в способе производства азотной кислоты регулярной насадки в комбинации с распределителем жидкости, содержащим загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку, для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в регулярную насадку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 является упрощенной блок-схемой способа, демонстрирующей технологические блоки стандартной установки для производства азотной кислоты.

Фиг. 2 схематически изображает вертикальную отбелочную колонну, содержащую регулярную насадку.

Фиг. 3 является изображением, демонстрирующим пример распределителя жидкости для использования в комбинации с регулярной насадкой в отбелочной колонне, показывающим зубчатую перегородку с обращенными вверх зубцами.

Фиг. 4 является изображением, демонстрирующим перфорированные тарелки распределителя жидкости, помещенного непосредственно на регулярную насадку в вертикальной отбелочной колонне.

СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к вертикальной отбелочной колонне для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты с использованием отдувочного газа, по существу не содержащего газообразных оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, в процессе производства азотной кислоты. При использовании в контексте настоящего изобретения термин «газ, по существу не содержащий оксидов азота», может означать газ, в котором содержание газообразных оксидов азота меньше или равно 5 масс. %, или меньше или равно 2 масс. %, или меньше или равно 0,4 масс. %.

Вертикальная отбелочная колонна содержит регулярную насадку; распределитель жидкости, который содержит загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку, для распределения водного раствора азотной кислоты через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в регулярную насадку; впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа.

Настоящее изобретение также относится к способу отбеливания для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в вертикальной отбелочной колонне по настоящему изобретению с использованием отдувочного газа, по существу не содержащего оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, включающий стадии:

- подачи водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в верхнюю часть вертикальной отбелочной колонны через распределитель жидкости;

- перемещения водного раствора азотной кислоты вниз в вертикальную отбелочную колонну через регулярную насадку;

- осуществления контакта водного раствора азотной кислоты с отдувочным газом, движущимся в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, через регулярную насадку; и

- выхода отдувочного газа, содержащего удаленные оксиды азота.

Настоящее изобретение также относится к способу производства азотной кислоты. Этот способ включает окисление аммиака с получением окиси азота; преобразование окиси азота в оксиды азота, более конкретно - в NO₂ и N₂O₄; и абсорбцию оксидов азота водой в абсорбционной колонне с получением водного раствора азотной кислоты. Растворенные не вступившие в реакцию оксиды азота удаляются из водного раствора азотной кислоты в вертикальной отбелочной колонне по настоящему изобретению. Более конкретно, вертикальная отбелочная колонна содержит регулярную насадку; распределитель жидкости, который содержит загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку, для распределения водного раствора азотной кислоты через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в регулярную насадку; впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа, по существу не содержащего оксидов азота, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации. В вертикальной отбелочной колонне водный раствор азотной кислоты вступает в контакт с отдувочным газом, движущимся в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, который движется вниз. Удаленные оксиды азота возвращаются в компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для последующего преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту.

Настоящее изобретение также относится к применению вертикальной отбелочной колонны по настоящему изобретению для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в способе производства азотной кислоты.

Если отдувочным газом является воздух, то первичный воздух для окисления аммиака и вторичный воздух для отбелочной колонны в характерном случае обеспечивает воздушный компрессор. Воздух, движущийся в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, в отбелочной колонне может быть вторичным воздухом.

Фиг. 1 является упрощенной блок-схемой стандартной установки для производства азотной кислоты, в которой в качестве отдувочного газа используют воздух. Аммиак 102 подают в конвертер 105 аммиака. Воздух 100 подают в компрессор 103. Сжатый воздух из воздушного компрессора 103 разделяют на первый поток 101а воздуха и второй поток 101b воздуха. Первый поток 101а воздуха подают в качестве первичного воздуха в конвертер 105 аммиака, а второй поток 101b воздуха подают в качестве вторичного воздуха в отбелочную колонну 110.

Аммиак окисляется до NO в конвертере 105 аммиака. NO подают в холодильник/конденсатор 104. В холодильнике/конденсаторе 104 NO реагирует с избытком кислорода с образованием NO₂, после чего N0₂ реагирует с образованием N₂O₄. NO₂ и N₂O₄ подают по линии 106 в абсорбционную колонну 107, где они преобразуются в азотную кислоту, и таким образом образуется водный раствор азотной кислоты. Водный раствор азотной кислоты подают по линии 109 в отбелочную колонну 110, в которой растворенные оксиды азота, придающие раствору желтоватый цвет, удаляются из водного раствора азотной кислоты за счет тесного контакта водного раствора азотной кислоты с воздухом 101b. Оксиды азота, удаленные из водного раствора азотной кислоты, подают по линии 108, идущей от отбелочной колонны 110, в абсорбционную колонну 107 или, необязательно, снова в процесс на стадию, лежащую выше по течению, для преобразования в азотную кислоту. Водный раствор азотной кислоты, из которого удалены оксиды азота (то есть отбеленный раствор), выходит через выпускное отверстие 111, расположенное в дне вертикальной отбелочной колонны 110, в качестве конечного продукта - водного раствора азотной кислоты.

Вертикальные отбелочные колонны обычно заполняют тарелками и/или нерегулярной насадкой. Настоящее изобретение относится к применению регулярной насадки в вертикальной отбелочной колонне в комбинации с распределителем жидкости, содержащим загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, который расположен над регулярной насадкой для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в регулярную насадку.

Настоящее изобретение обеспечивает новую вертикальную отбелочную колонну, содержащую регулярную насадку в комбинации со специфическим распределителем жидкости.

Применение регулярной насадки в настоящем изобретении обеспечивает повышенную эффективность как в новых, так и в уже существующих отбелочных колоннах, переоборудованных с установкой регулярной насадки и специфического распределителя жидкости по настоящему изобретению, как показано в Примерах осуществления настоящего изобретения. Переоборудование существующих вертикальных отбелочных колонн может потребовать регулирования технологических параметров для обеспечения наиболее эффективного осуществления способа производства азотной кислоты.

Фиг. 2 схематически демонстрирует пример переоборудованной вертикальной отбелочной колонны 200 для способа производства азотной кислоты с использованием воздуха в качестве отдувочного газа. Эта отбелочная колонна 200 содержит нижний выпускной канал для кислоты, верхний впускной канал 202 для кислоты, впускной канал 203 для вторичного воздуха и выпускной канал 204 для вторичного воздуха. Впускной канал 202 для кислоты расположен выше распределителя 208 жидкости. Отбелочная колонна содержит внутреннюю трубу 205 для уменьшения исходного диаметра колонны. Новая колонна будет иметь меньший диаметр и не потребует такой внутренней трубы 205. Регулярная насадка 206 расположена во внутренней трубе 205. Распределитель жидкости 208 расположен выше регулярной насадки 206. Туманоуловитель 207 обычно расположен в верхней части отбелочной колонны 200. Впускной канал 203 для вторичного воздуха и, предпочтительно, перфорированная зона 209 расположены ниже регулярной насадки 206. Вторичный воздух, поступающий в отбелочную колонну 200 через впускной канал 203 для вторичного воздуха, обычно перед поступлением в колонну проходит через перфорированную зону 209 и течет вверх в регулярную насадку 206. Вторичный воздух обычно проходит через туманоуловитель 207, прежде чем выйти из отбелочной колонны через выпускной канал 204 для вторичного воздуха.

Водный раствор азотной кислоты распределяется в перфорированные тарелки распределителя жидкости через зубчатую перегородку. Результатом является то, что водный раствор азотной кислоты гораздо лучше распределяется через перфорированные тарелки при использовании такой системы распределения, и оптимизируется падение давления. Важно избежать коррозии насадки и канализировать потоки газа и жидкости. Потеря целостности элементами насадки приводит к снижению эффективности отбелочной колонны. Использование титана с толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, или нержавеющей стали с толщиной, равной 0,2 мм, в качестве материала для перфорированных тарелок позволяет минимизировать или исключить проблемы с коррозией. Также в качестве материала для загрузочной коробки и перфорированных тарелок можно использовать полимерные материалы, тефлон или другие устойчивые к кислотам и нагреванию материалы.

Преимущества использования распределителя жидкости, содержащего зубчатую перегородку с обращенными вверх зубцами, состоят в том, что оптимизируется распределение водного раствора азотной кислоты в перфорированные тарелки, оптимизируется площадь поверхности раздела (и, соответственно, массоперенос) между водным раствором азотной кислоты и отдувочным газом, поток отдувочного газа в отбеливатель поддерживается минимальным, и оптимизируется падение давления.

Фиг. 3 является рисунком, демонстрирующим распределитель жидкости для использования в комбинации с регулярной насадкой в вертикальной отбелочной колонне для способа производства азотной кислоты по настоящему изобретению. Распределитель жидкости содержит следующие элементы: зубчатую перегородку 301, загрузочную коробку 302, тарелку (или тарелки) 303 и решетку 304. Распределитель жидкости помещают на вершину регулярной насадки в вертикальной отбелочной колонне, содержащейся в колонне/башне химической установки. Водный раствор азотной кислоты подают в загрузочную коробку 302. Водный раствор азотной кислоты распределяется в перфорированные тарелки через зубчатую перегородку. В днищах перфорированных тарелок имеется множество мелких отверстий. Поэтому оптимизировано распределение водного раствора азотной кислоты в перфорированные тарелки, оптимизирована площадь поверхности раздела между водным раствором азотной кислоты и отдувочным газом, поток отдувочного газа в отбеливатель поддерживается минимальным, и оптимизировано падение давления.

Фиг. 4 является рисунком, демонстрирующим перфорированные тарелки 402 распределителя жидкости, причем перфорированные тарелки 402 помещены прямо на регулярную насадку 401.

Распределитель жидкости содержит загрузочную коробку, принимающую водный раствор азотной кислоты, поступающий в отбелочную колонну. Водный раствор азотной кислоты распределяется из загрузочной коробки в перфорированные тарелки.

Загрузочная коробка содержит зубчатую перегородку с обращенными вверх зубцами. Зубчатая перегородка может быть расположена на одной или обеих продольных сторонах загрузочной коробки. Водный раствор азотной кислоты распределяется из загрузочной коробки через зубцы в перфорированные тарелки. Использование зубчатой перегородки и ее размещение внутри распределителя жидкости дополнительно способствует оптимизации массопереноса между отдувочным газом и водным раствором азотной кислоты и/или снижению необходимого количества отдувочного газа.

Различные формы зубцов перегородок могут обеспечивать одинаковый или сходный эффект, например - V-образные, заостренные, U-образные зубцы. При использовании в контексте настоящего изобретения термина «зубчатая перегородка» следует понимать, что сюда относятся не только зубцы, имеющие форму зубцов пилы, но и другие нелинейные формы зубцов, обеспечивающие такой же или сходный эффект распределения водного раствора азотной кислоты.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения загрузочная коробка может иметь отверстия в днище и/или в стенках для распределения водного раствора азотной кислоты в перфорированные тарелки. Отверстия могут быть круглыми, или они могут иметь форму вертикальных или горизонтальных щелей.

Днище загрузочной коробки может быть расположено выше перфорированных тарелок. В другом варианте осуществления настоящего изобретения днище загрузочной коробки может быть расположено на той же высоте, что и днище перфорированных тарелок. Если загрузочная коробка содержит зубчатую перегородку, то зубцы могут быть расположены выше верхнего края перфорированных тарелок.

Перфорированные тарелки распределителя жидкости могут быть расположены на опорных решетках или непосредственно на регулярной насадке.

Распределитель жидкости вертикальной отбелочной колонны может иметь плотность капельных точек, равную по меньшей мере 30 капельным точкам на м², предпочтительно - лежащую в диапазоне от 60 до 200 капельных точек на м².

По сравнению с нерегулярной насадкой или фракционирующими тарелками регулярное устройство регулярной насадки обеспечивает ряд преимуществ, таких как меньшее падение давления на колонне, большая емкость, более высокая эффективность при той же высоте колонны, превосходные характеристики распределения жидкости и сниженная задержка жидкости.

Каждый тип регулярной насадки имеет специфические эксплуатационные характеристики. В конкретных применениях или при определенных условиях каждый тип регулярной насадки обеспечивает конкретное преимущество, что может сделать одну конфигурацию более желательной, чем другая конфигурация.

Важным является обеспечение хорошего контакта между жидкой и парообразной фазами в регулярной насадке. Насадка, которая равномерно распределяет жидкость в виде тонкой пленки, будет обеспечивать большую эффективность. Турбулентность, повышающую массоперенос, обеспечивают посредством перемешивания пленки.

При использовании регулярной насадки и воздуха в качестве отдув очного газа в отбелочных колоннах в способе производства азотной кислоты площадь поверхности водного раствора азотной кислоты увеличивается от 250 м 2/м3 до 450-750 м2/м3 по сравнению со стандартной насадкой. Это приводит к уменьшению необходимого потока воздуха от более чем 100 м3 воздуха/м3 водного раствора азотной кислоты до примерно 45 м3 воздуха/ м3 водного раствора азотной кислоты. Воздух, не использованный на стадии отбеливания в регулярной насадке, вместо этого можно использовать в сжигателе, в котором аммиак окисляется до окиси азота, поскольку содержание кислорода в отходящем газе остается достаточным.

При использовании воздуха в качестве отдувочного газа важно оптимизировать использование сжатого воздуха. Общий поток воздуха из воздушного компрессора распределяют между сжигателем в качестве первичного воздуха и отбеливателем в качестве вторичного воздуха. Если удастся снизить поток воздуха в отбеливатель, то больше воздуха будет доступно в качестве первичного воздуха, и поэтому увеличится производство азотной кислоты.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комбинацию регулярной насадки и распределителя жидкости встроили в несколько отбелочных колонн (с А по D) авторов настоящего изобретения, в которых в качестве отдувочного газа использовали воздух, и обнаружили значительное улучшение процесса производства азотной кислоты в отношении снижения потребления вторичного воздуха и повышенного производства кислоты по сравнению с исходной конструкцией колонн с сетчатыми тарелками или нерегулярной насадкой из металлических колец. Результаты приведены в Таблице 1 ниже. Регулярные насадки, оборудованные зубчатыми распределителями жидкости, были получены из компании Sulzer (Винтертур, Швейцария).

Для сравнения с улучшениями ниже приведены некоторые данные исходных отбелочных колонн:

Результаты отчетливо демонстрируют улучшение, состоящее в повышенном производстве кислоты. Кроме того, заметным является снижение потребления вторичного воздуха.

Кроме того, техническое решение по настоящему изобретению обеспечивает более высокое качество кислоты, то есть снижение концентрации ΗΝO₂ в азотной кислоте. Площадь поверхности раздела между водным раствором азотной кислоты и воздухом оптимизирована. Величина потока воздуха к отбелочной колонне поддерживается на минимальном уровне. Использование титана и минимальной толщины, равной 0,1 мм (титан) или 0,2 мм (нержавеющая сталь), в качестве материала регулярной насадки исключает проблемы с коррозией. Падение давления поддерживается на минимальном уровне.

Несмотря на то, что настоящее изобретение проиллюстрировано посредством описания различных вариантов его осуществления, и эти варианты осуществления описаны достаточно подробно, заявитель не намерен ограничивать объем формулы изобретения этими подробностями. Специалист в данной области техники легко сможет обнаружить дополнительные преимущества и модификации. Поэтому настоящее изобретение в его более широких аспектах не ограничено конкретными подробностями, описанной аппаратурой и способом и приведенными и описанными иллюстративными примерами. Соответственно, возможны отклонения от указанных подробностей без отклонения от идеи или объема общей концепции настоящего изобретения, предложенного заявителем.

Группа изобретений может быть использована в химической промышленности. Предложена вертикальная отбелочная колонна для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, с использованием отдувочного газа, в котором содержание газообразных оксидов азота меньше или равно 5 мас.%, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, в процессе производства азотной кислоты. Отбелочная колонна содержит регулярную насадку; распределитель жидкости, который содержит загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в регулярную насадку; впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа. Предложены также способ отбеливания водного раствора азотной кислоты, способ производства азотной кислоты, применение вертикальной отбелочной колонны и применение регулярной насадки в комбинации с распределителем жидкости. Изобретения позволяют повысить производительность азотной кислоты при снижении количества используемого отдувочного газа и сохранении низких концентраций растворенных оксидов азота NO₂ и N₂O₄ в водном растворе кислоты. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Вертикальная отбелочная колонна для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, с использованием отдувочного газа, в котором содержание газообразных оксидов азота меньше или равно 5 мас.%, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, в процессе производства азотной кислоты, которая содержит

- регулярную насадку;

- распределитель жидкости, который содержит загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в регулярную насадку;

- впускной и выпускной каналы, предназначенные для водного раствора азотной кислоты; и

- впускной и выпускной каналы, предназначенные для отдувочного газа.

2. Вертикальная отбелочная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что регулярная насадка имеет площадь поверхности, равную по меньшей мере 250 м²/м³, предпочтительно - от 450 до 750 м²/м³.

3. Вертикальная отбелочная колонна по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что распределитель жидкости имеет плотность капельных точек, равную по меньшей мере 30 капельным точкам на м², предпочтительно - от 60 до 200 капельных точек на м².

4. Вертикальная отбелочная колонна по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что отношение высоты регулярной насадки к диаметру вертикальной отбелочной колонны равно по меньшей мере 1, предпочтительно - по меньшей мере 1,5, более предпочтительно - по меньшей мере 2.

5. Способ отбеливания для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, содержащего оксиды азота, в вертикальной отбелочной колонне по любому из пп. 1-4, с использованием отдувочного газа, в котором содержание газообразных оксидов азота меньше или равно 5 мас.%, такого как воздух, азот, кислород или их комбинации, для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты, включающий стадии:

- подачи водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в верхнюю часть вертикальной отбелочной колонны через распределитель жидкости;

- перемещения водного раствора азотной кислоты вниз в вертикальную отбелочную колонну через регулярную насадку;

- осуществления контакта водного раствора азотной кислоты с отдувочным газом, движущимся в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, через регулярную насадку; и

- выхода отдувочного газа, содержащего удаленные оксиды азота.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что он включает стадию возвращения удаленных оксидов азота в компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для последующего преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту.

7. Способ по любому из пп. 5 или 6, отличающийся тем, что оксидами азота являются диоксид азота (NO₂) и динитротетроксид (N₂O₄).

8. Способ по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что отдувочным газом является воздух, который движется в вертикальной отбелочной колонне в направлении, противоположном направлению движения водного раствора азотной кислоты, и соотношение воздуха и раствора кислоты составляет меньше 75 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, предпочтительно - меньше 45 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, более предпочтительно - меньше 30 м³ воздуха/м³ раствора кислоты, еще более предпочтительно - меньше 20 м³ воздуха/м³ раствора кислоты.

9. Способ по любому из пп. 5-8, отличающийся тем, что падение давления в вертикальной отбелочной колонне составляет от 25 до 65 мбар.

10. Способ производства азотной кислоты, включающий следующие стадии:

- окисление аммиака с получением окиси азота;

- преобразование окиси азота в оксиды азота, а именно в NO₂ и N₂O₄;

- абсорбция оксидов азота водой в абсорбционной колонне с получением водного раствора азотной кислоты;

- удаление растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты с использованием способа по любому из пп. 5-9; и

- возвращение удаленных оксидов азота в компрессор для газообразных оксидов азота, расположенный выше по течению относительно абсорбционной колонны, или непосредственно в абсорбционную колонну для последующего преобразования удаленных оксидов азота в азотную кислоту.

11. Применение вертикальной отбелочной колонны по любому из пп. 1-4 для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в способе производства азотной кислоты.

12. Применение в вертикальной отбелочной колонне для удаления растворенных оксидов азота из водного раствора азотной кислоты в способе производства азотной кислоты регулярной насадки в комбинации с распределителем жидкости, который содержит загрузочную коробку, имеющую зубчатую перегородку для распределения водного раствора азотной кислоты через обращенные вверх зубцы зубчатой перегородки в перфорированные тарелки распределителя жидкости, и который расположен выше регулярной насадки для распределения водного раствора азотной кислоты, содержащего растворенные оксиды азота, в регулярную насадку.