本发明涉及一种用于通过双压力法生产硝酸的设备。本发明还涉及一种用于生产硝酸的方法，并且特别地涉及一种处理由生产硝酸的双压力法产生的尾气的方法。
背景技术：
硝酸的制备通常始于在催化剂上用空气氧化氨，以产生一氧化氮(no)。该方法继续将no氧化成二氧化氮(no2)。二氧化氮将与水形成硝酸。相应的反应方程式如下：
4nh3+5o2→4no+6h2o(1)
2no+o2→no2(2)
3no2+h2o→2hno3+no(3)
在硝酸生产过程中，在两种情况下都发生由二氧化氮形成的酸。由氨氧化获得的氮氧化物气体流(其也包含在氨氧化中形成的水)经受冷凝。由此一部分二氧化氮形成硝酸。此外，剩余的二氧化氮经受被吸收在水中，以完成硝酸的形成。为了使获得的最大量的二氧化氮no2被水吸收，吸收通常在高压下实现，优选在介于4巴和14巴之间的压力下实现。在吸收区段中，还添加氧气，诸如以空气的形式，以便允许一氧化氮(no)形成二氧化氮。未吸收的氮氧化物(no和/或no2，通常表示为nox)以及由氨氧化产物形成的n2o导致尾气，其经由烟囱以常规方式净化并排放到大气中。一般参考文献是behr，a.，2002.ullmann'sencyclopediaofindustrialchemistry，第6卷，wiley-vch，weinheim。
转化用作原料的氨的所需的氧气通常以空气的形式供应。为了供应的目的，将处理空气在压缩机中压缩并使其达到适于氧化反应的压力。任选地，所形成的nox气体可通过第二压缩机压缩至适当的压力以进行吸收反应。
现代硝酸设备在压力下操作，以便在吸收中实现更高的酸浓度和更高的nox吸收率(即更好的效率)。在双压设备和单压设备之间存在区别。在单压过程中，燃烧和吸收均在中压(<8巴)或高压(>8巴)下进行。在双压(双压力)设备中，气体产生，即通过氨氧化产生的亚硝气，在约4巴至6巴的压力下实现，并且吸收用水如此获得的亚硝气通常在8巴至12巴下得到硝酸。使用压缩机产生压力，压缩机通过气体和/或蒸汽涡轮机或电动机驱动。优选使用由至少一个压缩机施加的压力利用硝酸设备的废气能量来操作气体涡轮机。
基于上述氨氧化生产硝酸的设备通常包括以下区段：
-燃烧器区段(即包括燃烧室的反应器)，其中氨和空气的气体混合物反应以形成燃烧器气体流；燃烧器气体流包括通过一氧化氮氧化形成的二氧化氮、以及另外的一定量的非氧化一氧化氮、作为副产物的一氧化二氮(n2o)、以及可能作为副产物的n2、以及从氨氧化获得的水；
-气体冷却区段，其中燃烧器气体流经受冷却，以形成经冷却的燃烧器气体流，并且通常提高蒸汽；
-冷凝区段，其中所述经冷却的燃烧器气体流经受冷凝，以形成硝酸溶液和未冷凝的氮氧化物(nox)气体流；
-吸收/氧化区段；其中氮氧化物气体流经受被吸收在水中，以形成原始硝酸产物流和包含nox(一氧化氮和二氧化氮)、一氧化二氮(n2o)的氮氧化物尾气，并且通常还有n2和任何过量的氧气；优选在该区段中，为气体提供停留时间，允许no进一步氧化成no2；
-尾气处理区段，包括尾气加热区、氮氧化物(nox和n2o)气体去除区、膨胀区和加热区，其中亚硝气经受净化，以形成经净化的尾气，所述经净化的尾气经受膨胀。由此将膨胀的经净化的尾气排放到大气中。该膨胀产生通常用于驱动涡轮机(其用于利用在该过程中产生的蒸汽的蒸汽涡轮机和/或气体涡轮机旁边)以驱动一个或多个压缩机的功。这通常是指用于向氧化过程和/或nox压缩机提供空气的空气压缩机；这些压缩机可组合成单个装置，或者例如为连接至单个驱动轴的两个不同的区段。
通常，硝酸生产过程产生大量的过程热量，并且硝酸生产设备是比如最佳使用过程热量的装置，并且另外产生蒸汽，其可出口到现场的其他设备。因此，在适当的程度上，在硝酸生产回路(即工艺气体)和能量回路(即蒸汽)两者的各种气体流之间进行热交换。
本领域希望进一步改善硝酸生产设备中的能量使用。而且，希望进一步降低排放到大气中的亚硝气的含量。
技术实现要素：
在一个方面，本发明提供了一种用于生产硝酸的设备，该设备包括：
(a)反应器，该反应器包括：至少一个气体入口，该至少一个气体入口用于氨和压缩空气，通常用于氨和压缩空气的混合物；燃烧室，该燃烧室设置有氨燃烧催化剂并且被配置成产生包含由氨的燃烧和随后的氧化产生的氮氧化物的燃烧器气体流；以及气体出口，该气体出口用于燃烧器气体；
(b)气体冷却区段，该气体冷却区段具有：气体入口，该气体入口与反应器的燃烧器气体的出口流体连通，所述气体冷却区段被配置成使燃烧器气体流经受冷却，以形成经冷却的燃烧器气体；气体冷却区段包括蒸汽回路热交换器，该蒸汽回路热交换器被配置成将来自燃烧器气体流的热量传递到蒸汽回路以产生过热蒸汽；以及气体出口，该气体出口用于经冷却的燃烧器气体；
(c)冷凝区段，该冷凝区段具有：气体入口，该气体入口与气体冷却区段的经冷却的燃烧器气体的出口流体连通，所述冷凝区段被配置成使经冷却的燃烧器气体经受冷凝，以形成含水硝酸冷凝物和未冷凝的氮氧化物气体流；所述冷凝区段具有液体出口和气体出口，该液体出口用于含水硝酸冷凝物的，该气体出口用于未冷凝的氮氧化物气体流；
(d)吸收区段，该吸收区段具有：气体入口，该气体入口与冷凝区段的气体出口流体连通，所述吸收区段被配置成使氮氧化物气体流经受被吸收在水中，任选地呈稀硝酸溶液的形式；所述吸收区段还包括液体入口和气体出口，该液体入口与冷凝区段的液体出口流体连通，该气体出口用于尾气；
(e)尾气处理系统，该尾气处理系统包括：尾气加热区段、亚硝气去除区段和膨胀区段，所述尾气处理系统被配置成使氮氧化物气体经受净化，以形成经净化的尾气并且使所述经净化的尾气处理经受膨胀；所述尾气处理区段包括气体入口和气体出口，该气体入口用于尾气，该气体出口用于经净化的尾气；
其中尾气加热区段包括热交换器，该热交换器被配置成接收来自燃烧器气体流的热量，所述热交换器定位在蒸汽回路热交换器的下游以及在用于经冷却的燃烧器气体的气体出口的上游，并且优选在反应器内。
另一方面，本发明呈现了一种生产硝酸的双压力法，包括使氨和空气的气体混合物在燃烧器区段中反应，由此形成燃烧器气体流；在气体冷却区段中冷却所述燃烧器气体流，形成经冷却的燃烧器气体；在冷凝区段中冷凝所述经冷却的燃烧器气体流，形成含水硝酸冷凝物和未冷凝的氮氧化物气体流；将所述含水硝酸冷凝物和所述未冷凝的氮氧化物气体流进料到吸收/氧化区段，形成原始硝酸产物流和尾气；在尾气处理区段中处理所述尾气，包括尾气加热区段、亚硝气去除区段和膨胀区段，由此形成经净化的尾气；将所述经净化的尾气释放到大气；该方法包括在气体冷却区段中将尾气加热到大于460℃的温度。
在另一方面，本发明提供了一种改进用于生产硝酸的预先存在的设备的方法，所述设备包括如上定义的设备部分(a)-(e)，其中改进包括向尾气加热区段添加热交换器，该热交换器被配置成接收来自燃烧器气体流的热量，所述热交换器定位在蒸汽回路热交换器的下游，优选直接定位在其下游，并且定位在用于经冷却的燃烧器气体的气体出口的上游。
具体实施方式
从广义上讲，本发明基于明智的见解，在产生过热蒸汽后，直接使用来自由氨的燃烧形成的燃烧器气体的仍然可用的热量，用于进一步提高从硝酸生产中获得的氮氧化物尾气的温度。特别地，由此将所述尾气加热到高于常规所实现的温度，即大于460℃，诸如大于475℃，例如约485℃。
这具有几个优点，这些优点在基于氨的燃烧生产硝酸的方法中是重要的，并且特别是在双压力型的方法中。在双压力法中，上述吸收区段在通常高于反应器压力的压力下操作。为了实现该压力，通常提供压缩机。这种压缩机可通过尾气膨胀提供的功来驱动。在本发明中，尾气的增加的温度导致从膨胀这种尾气中获得的更高量的动能，这导致压缩机的更节能的驱动。通常，由此通常经加热的和经过滤的空气在涡轮机械组区段中被压缩至例如5巴。双压力硝酸设备的涡轮机械组由轴流式空气压缩机、径向nox压缩机、尾气膨胀器和蒸汽涡轮机组成。
本发明涉及硝酸生产设备的尾气处理区段的新型装置，以及硝酸生产过程中的新型尾气处理。这将在下文中参考这种设备的各个区段以及相应的过程步骤进一步讨论。
新型尾气处理适用于本发明的方法，以及由此使用的设备。通常，应注意本发明的新型改进涉及硝酸设备的区段，其中冷却从氨燃烧获得的燃烧器气体，以及其与尾气处理的组合。除了这种新型的改进之外，硝酸生产设备可以是常规装置，并且本领域技术人员可构建和使用这种设备而无需进一步说明。特别地，该设备被配置为双压力设备，允许反应器和吸收区段在不同的压力通常在反应器中4巴至6巴，并且在吸收区段中10巴至15巴下操作。如上所述，在操作这种设备时，尾气的温度增加具有另外的优点。在一个令人感兴趣的实施方案中，反应器和任选地气体冷却区段的部分在比吸收/氧化区段和尾气处理区段低的压力下操作。
反应器可通过任何合适的反应器进行氨氧化。反应器包括至少一个用于氨和压缩空气的气体入口。这可以是在进入反应器中之前已经混合的氨和空气的单个入口，它可以是用于交替进料氨和压缩空气的单个入口。而且，反应器可具有用于氨和压缩空气的单独的入口。这种反应器，包括诸如平行定位的多于一个反应器的系统，有时称为氨燃烧器、氨燃烧区段、氨燃烧反应器等。特别地，反应器包括燃烧器罩、气体分配器、至少一个催化剂网、或多个催化剂网、以及任选地篮子。通常，反应器包括燃烧室，其中放置有合适的催化剂。用于氨氧化的催化剂是本领域技术人员已知的，并且将通常包含贵金属。提供催化剂的典型方式是借助于一个或多个金属网，诸如一叠金属网，放置在反应器内，诸如在燃烧室中。优选的金属催化剂是铂和铑的组合，诸如一包铂-铑网，例如由细线编织而产生的。反应器包括常规操作设备。反应器包括用于氨的气体入口和用于压缩空气的气体入口，并且被配置成产生包含由氨的燃烧产生的氮氧化物的燃烧器气体流。适当的设备在本领域中是众所周知的。在操作中，反应器用于根据上面的等式(1)和(2)进行化学反应。还可想到，反应器本身用于产生no，而随后在反应器下游进行no向no2的氧化。
因此，下游术语在此参考硝酸生产过程中化学事件的顺序使用。即，no2的形成发生在氨氧化成no的下游，并且hno3的形成发生在no向no2的氧化的下游。
在反应器的下游，任选地经由另外的设备，诸如用于将一氧化氮氧化成二氧化氮的单元，提供气体冷却区段。所述用于氧化的单元可例如通过向nox气体提供停留时间来起作用，从而允许no转化成no2。该区段具有气体入口，该气体入口与反应器的燃烧器气体的出口流体连通(直接或间接)。气体冷却区段可具有常规装置，例如，包括一个或多个壳管式热交换器。热交换器被配置成使得在设备中的化学转化产生的气体流(即工艺气体流)和通常在设备中作为单独的流动系统或回路提供的服务介质(通常为水或蒸汽)之间具有热传递接触。该热交换器称为蒸汽回路热交换器。气体冷却区段可包括一个或多个这种蒸汽回路热交换器。与蒸汽回路的热交换将通常用于产生过热蒸汽，并且一个或多个热交换器有时也称为过热器。在一个令人感兴趣的实施方案中，气体冷却区段还包括第三热交换器和第四热交换器，该第三热交换器是用于提高蒸汽的蒸汽蒸发器，该第四热交换器是节热器。
工艺气体流由于热交换器而被冷却，气体冷却区段的输出被称为经冷却的燃烧器气体，为此气体冷却区段具有气体出口，该气体出口与下一个下游区段即冷凝区段直接或间接地流体连通。
因此，冷凝区段具有气体入口，该气体入口与用于气体冷却区段的经冷却的燃烧器气体的出口流体连通。在基于氨氧化生产硝酸的过程中，由氧化产生的气体流，即燃烧器气体，将必然包含水，这是由于氨和氧气的反应而形成的。应理解，在水中，二氧化氮形成硝酸。冷凝区段被配置成允许通过使包括水蒸气的经冷却的燃烧器气体经受冷凝而发生这种情况。该冷凝导致含水硝酸冷凝物，其通常称为弱硝酸。结合冷凝水蒸气的条件，应该理解，不参与含水硝酸冷凝物形成的气体的种类和量将保留在气相中。这特别地涉及未冷凝的氮氧化物，其包含任何过量的二氧化氮、一氧化氮，包括在二氧化氮和水之间的反应中形成的一氧化氮，以及最初存在的任何非氧化的一氧化氮，和一氧化二氮。因此，冷凝器具有液体出口和气体出口，该液体出口用于含水硝酸冷凝物，该气体出口用于未冷凝的氮氧化物气体流。冷凝区段可以是常规冷凝装置，例如壳管式冷凝器。
在一个令人感兴趣的实施方案中，冷凝区段包括低压冷凝区段和高压冷凝区段，其中离开低压冷凝区段的亚硝气流在进料到高压冷凝区段之前被压缩。
由此优选使用膨胀器，其具有降低蒸汽消耗的益处。膨胀器与压缩机相关联，该压缩机用于增加冷凝区段中的压力。因此，低压冷凝区段包括尾气加热器和低压冷却器/冷凝器。离开低压区段的氮氧化物流经由压缩机送到高压冷凝区段。该压缩机放置在气体冷却区段(低压冷却/冷凝区段)和高压冷凝区段之间。高压冷凝区段包括高压氮氧化物气体冷却器和高压冷却器/冷凝器。离开高压冷凝区段的酸产物流被送到吸收/氧化区段。
优选，进入冷凝区段的经冷却的燃烧器气体具有介于170℃和190℃之间的温度，例如180℃。
为了基于不与水冷凝的过量的二氧化氮完成硝酸的形成，从冷凝器获得的氮氧化物气体流随后在合适的含水液体中经受吸收。在吸收之前，优选使气体具有给定的停留时间，从而允许no进一步氧化成no2。含水液体可以像这样是水，但它也可以是稀硝酸溶液。在后一种情况下，由于二氧化氮的吸收，稀硝酸溶液将变成更浓缩的硝酸溶液。优选，通过冷却水除去吸收热，通常在吸收塔的塔盘上。吸收在吸收区段中进行。因此，该区段具有气体入口，该气体入口与冷凝区段的气体出口直接或间接地流体连通。应理解，通过在水中吸收，允许二氧化氮形成硝酸。在双压力型硝酸生产方法中，该区段在通常10巴(绝压)至14巴(绝压)的压力下操作。术语“双压力”承认生产过程在反应器中和吸收区段中使用不同的压力(例如，4巴(绝压)至6巴(绝压))。吸收区段通常包括吸收塔，优选还起氧化区段的作用，以便允许由不可避免地存在的一氧化氮形成另外的二氧化氮，例如由于在二氧化氮和水之间的反应的结果。为此，例如，将二次空气流引入吸收塔中，以再氧化反应(3)中形成的no。该二次空气还从产物酸中除去no2。
在冷凝器中获得的含水硝酸冷凝物直接或间接地进料到吸收区段。为此，吸收区段包括液体入口，该液体入口与冷凝区段的液体出口流体连通。吸收区段，诸如吸收/氧化区段，产生原始硝酸产物流和氮氧化物尾气。尾气包括nox(未氧化的一氧化氮和未反应的二氧化氮)和一氧化二氮(n2o)。因此，吸收区段包括用于氮氧化物尾气的气体出口。
应该理解的是，由于经济和环境原因，尾气存在持续的挑战。出于经济原因，希望将任何量的一氧化氮转化为二氧化氮，使任何量的二氧化氮转化为硝酸，并使氮氧化物的量尽可能低。出于环境原因，将立即理解，希望尽可能降低释放到大气中的氮氧化物的量。
尾气处理通常包括加热尾气并使其经受催化还原。因此，尾气在催化剂诸如非贵金属催化剂的影响下与氨反应，根据反应式4在氮和水蒸气的形成下，其可安全地释放到大气中。
no+no2+2nh3→2n2+3h2o(4)
如在本发明的方法中产生的本发明的设备发出的尾气温度增加具有的优点是较少量的催化剂可用于催化转化。结果，尾气处理所需的设备可更小，这具有几个优点，诸如降低资金和操作费用，以及不需要使用天然气的事实。
在本发明的一个令人感兴趣的实施方案中，通过允许尾气通过至少三个热交换区来实现更高的能效。因此，在如下区段中进行热交换：
-在来自反应器的燃烧器气体流和来自冷凝区段的尾气之间的气体冷却区段中；
-在来自气体冷却区段的尾气流和来自吸收/氧化塔的尾气之间的尾气处理区段中；
-在来自气体冷却区段的氮氧化物气体流和来自尾气处理区段的尾气流之间的冷凝区段中。
不希望受理论束缚，本发明人相信如上所述的更高的能效由以下产生。本配置允许最佳热交换，这导致产生更多的蒸汽，同时损失更少的热量以冷却水。由于离开尾气处理(nox减排)系统的尾气温度较高，膨胀器可产生更多能量。在来自膨胀器的尾气和来自吸收/氧化区段的尾气之间交换热量的区段导致送到烟囱的尾气温度较低。
此外，在本发明中，增加的尾气温度使nox减排更有效。不需要向n2o/nox减排系统添加辅助天然气以实现低n2o数量。
而且，由于所述交换器紧密放置在过热器上，离开在燃烧器区段内的热交换器的尾气具有更高的温度。
在这方面，在本发明的设备的优选实施方案中，反应器、蒸汽回路热交换器和另外的热交换器集成在单一的装置中。
可以理解的是，其中反应器和所述热交换器集成在单个装置是指其中集成部件被限制，即保持在单个约束内，通常在同一壳体内的一种设备，所述壳体设置有适当的用于气体和液体的入口和出口。
在另一令人感兴趣的实施方案中，热交换器设置为两个装置。这有助于降低设备的高度，
尾气在较高温度下离开所述热交换器。n2o/nox减排系统在较高温度下工作，因此膨胀器以更高的效率工作。特别地，膨胀器在较高温度下比在较低温度下工作时产生更多功率。离开膨胀器的尾气被送到加热器，经加热的尾气被送到冷凝区段，而经冷却的尾气被送到烟囱。
典型的尾气含量可实现：
-nox排放量：20ppm(最大25ppm)
n2o排放量：20ppm(最大100ppm)。
热交换器的网络导致冷凝区段的低温入口(低于180℃，优选低于170℃，例如165℃)。这具有防止冷凝/再蒸发导致的腐蚀的优点。
而且，进入冷凝区段的氮氧化物气体具有较低的温度，这用于避免冷凝区段中的腐蚀。
由于热交换器的布置，可降低热交换面积，并且可最佳地使用可用的温差。
气体冷却区段中的热交换器(亚硝气-尾气)优选是立式热交换器。垂直放置意味着在启动时，管中没有酸残留，因此由于立式热交换器的管中的自排水而具有最小的腐蚀风险。
进入低压冷却器/冷凝器的nox气体的较高温度防止冷凝区段中热交换器入口处的冷凝/再蒸发。
总之，本发明提供了一种用于在氨氧化的基础上生产硝酸的双压力设备。该设备包括：反应器，该反应器被配置成产生燃烧器气体流；气体冷却区段，该气体冷却区段被配置成形成经冷却的燃烧器气体；冷凝区段，该冷凝区段被配置成形成含水硝酸冷凝物和未冷凝的氮氧化物气体流；吸收区段，该吸收区段被配置成产生原始硝酸和尾气；以及尾气处理系统，该尾气处理系统被配置成形成经净化的尾气。在尾气加热区段中，另外的热交换器被配置成接收来自燃烧器气体流的热量，所述另外的热交换器相对靠近反应器定位。本发明的方法优选是双压力法，其中集成尾气加热器在同一反应器中直接位于蒸汽过热器下方。尾气加热器的位置结合进入denox系统的较高尾气温度(即用于去除氮氧化物的系统)导致以下效率：denox中的良好去除而不需要denox中的甲烷(其中在本领域例如us7,393,512中使用)，更小的设备，更多的出口蒸汽，低排放，从膨胀器的更高的能量回收率。另外的益处是降低了腐蚀速率。特别地，在提供最佳地低nox排放的同时，本发明的方法提供了最佳地高能效。
下面参考附图说明本发明。图1是突出显示尾气处理区段在适用于本发明的工艺和热流方面的优选位置的示意图。
设备部件：
(1)反应器
(2)气体冷却区段
(3)低压冷凝区段
(4)压缩机
(5)高压冷凝区段
(6)吸收/氧化塔
(7)漂白区段
(8)尾气处理区段
(9)热交换区段
流：
(a)产物流
(b)尾气