一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法
阅读说明：本技术 一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法 (Method for directly realizing one-step conversion from nitrogen to nitric acid by utilizing air ) 是由 赵林 金长浩 但勇 高波 李莉 何永 赵澎 赵顶 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法,包括以下步骤：脱除空气中的酸性气体和水分,制得净化空气；将所述净化空气与外加氧气混合后压缩,制得压缩混合气；利用电弧法使所述压缩混合气反应,制得一氧化氮气体；将所述一氧化氮气体降温后与补入的氧气发生氧化反应,制得氮氧化物；将所述氮氧化物与水反应生成硝酸。本发明通过引入氧气,并与空气混合后一同加压,使氮气与氧气浓度成倍提高,同时利用电弧高温固氮合成氮氧化物,实现氮到硝酸一步高效转化的方法,具有极大的现实意义与经济价值。(The invention relates to a method for directly realizing one-step conversion from nitrogen to nitric acid by using air, which comprises the following steps of: removing acid gas and water in the air to prepare purified air; mixing the purified air with external oxygen and then compressing to prepare compressed mixed gas; making the compressed mixed gas react by using an electric arc method to prepare nitric oxide gas; cooling the nitric oxide gas, and then carrying out oxidation reaction on the nitric oxide gas and supplemented oxygen to prepare nitrogen oxide; the nitrogen oxides are reacted with water to produce nitric acid. The invention introduces oxygen, mixes the oxygen with air and pressurizes the mixture, so that the concentration of nitrogen and oxygen is improved by times, and simultaneously utilizes the arc high-temperature nitrogen fixation to synthesize nitrogen oxide, thereby realizing the method for realizing the one-step efficient conversion from nitrogen to nitric acid, and having great practical significance and economic value.)
技术领域
本发明涉及电弧高温法制备硝酸技术领域，进一步地说，是涉及一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法。
背景技术
固氮是将空气中的游离氮转化为化合态氮的过程。固氮可分为人工固氮、天然固氮和生物固氮。
硝酸是化工行业中重要的产品之一，在各类酸中，其世界产量仅次于硫酸而位居第二位，硝酸及其盐类在国民经济中具有极其重要的意义。硝酸可制得硝酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙等氮肥，可用做爆破作业和制造其他炸药的原料，可以用来制造硝酸钡、硝酸银等其他硝酸盐类，在有色冶金工业中用于分离贵金属，另外，在有机化学中，浓硝酸与浓硫酸的混合液是重要的硝化试剂，可制得很多非常重要的产品和半成品。
生产硝酸常用的方法有氨氧化法和电弧法。
氨氧化法生产硝酸是现代应用最广泛的方法，反应主要原料为氮气、氢气、空气和水，该方法硝酸生产率高，但在技术上较为复杂，生产成本高，且对环境污染严重。氨氧化法生产硝酸的过程分为以下四步：第一步：氮气和氢气在高温高压，有催化剂条件下生成氨；第二步：氨氧化生成一氧化氮；第三步：一氧化氮氧化生成二氧化氮；第四步：二氧化氮水吸收生成硝酸。苛刻的反应条件和复杂的生产过程决定了氨氧化法生产硝酸工艺设备规模庞大、成本高的特点，使其无法在土地资源、能源等条件匮乏的偏远地区发展。该方法巨大的能量消耗和温室气体排放问题在当今碳中和、碳达峰的低碳经济形势下难以大力发展。该方法在合成氨过程中，排放废水量大，对环境造成污染。
随着世界工业、农业的发展，人类对硝酸的需求量越来越大，而工业合成氨需在高温高压条件下进行，造成严重的能源浪费和环境污染。此外，关于电弧固氮的研究虽然有了一定成果，但大多数研究尚处于理论阶段，未能应用于实际生产中。因此，研究用电弧法固氮生产硝酸的技术具有非常重要的意义。
电弧法是将空气直接通过3000℃高温的电弧炉，使空气中的氮气和氧气直接化合成一氧化氮。电弧法主要优点是原料取自空气，且设备简单。但由于生成的一氧化氮在高温下极易分解，而且在冷却过程中也会分解，最后获得的一氧化氮浓度很低，在1.5％～2％左右，要把这样低浓度的一氧化氮氧化成二氧化氮需要很长时间，就需要增加吸收设备的反应体积，这样就会提高设备建设及维护费用，因此没有得到很大发展。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提出了一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法。本发明通过引入氧气，并与空气混合后一同加压，使氮气与氧气浓度成倍提高，同时利用电弧高温固氮合成氮氧化物，实现氮到硝酸一步高效转化的方法，具有极大的现实意义与经济价值。
本发明的目的之一是提供一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法，包括以下步骤：
(1)脱除空气中的酸性气体和水分，制得净化空气；
(2)将所述净化空气与外加氧气混合后压缩，制得压缩混合气；
(3)利用电弧法使所述压缩混合气反应，得到一氧化氮气体；
(4)将所述一氧化氮气体降温后与补入的氧气发生氧化反应，制得氮氧化物；
(5)将所述氮氧化物与水反应生成硝酸。
本发明中压缩混合气进入电弧反应器，在极高的电弧温度下，氮气和氧气反应，主要合成一氧化氮气体。
本发明中脱除空气中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体可以采用现有技术中的通入碱性介质中的吸附分离法，也可以采用现有的空气分离装置分离出二氧化碳、硫化氢等酸性气体。
本发明中的空气干燥采用现有技术中常用的气体干燥装置即可。
本发明中的压缩混合气采用现有技术中常用的气体压缩装置即可。
本发明中电弧法采用现有技术中常用的电弧炉即可。
优选的，
所述酸性气体包括二氧化碳、硫化氢。本发明中的酸性气体不仅限二氧化碳、硫化氢，还可以包括其他空气中常见的酸性气体。
优选的，
步骤(2)中，所述净化空气与外加氧气的比例按氮气和氧气反应理论量进行配比。(即净化空气中的氮气：净化空气中的氧气与外加氧气的和的比例为氮气和氧气反应生成一氧化氮所需的理论配比)
优选的，
所述压缩混合气的压力值为1.0～10MPa，即经过压缩机压缩后，混合气体升压至1.0～10.0Mpa。
优选的，
步骤(3)中，所述电弧法中的电弧温度在3000℃以上。
优选的，
步骤(4)中，所述降温是指降温至40～50℃。
优选的，
所述补入的氧气的加入量为一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮所需理论量的1～10倍。
本发明步骤(3)对应的反应过程为：
N2+O2＝2NO
本发明步骤(4)对应的反应过程为：
2NO+O2＝2NO2
本发明步骤(5)对应的反应过程为：
3NO2+H2O＝2HNO3+NO
本发明利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法，制得的硝酸产品质量浓度为60％。
本发明实现了用加压电弧法固氮实现氮到硝酸一步高效转化的方法，本发明的制备方法环保无废水废气排放、工艺流程简单高效、投资和运行成本低、产率高、占地少，解决了现有技术中先合成氨，再将氨转化为生产硝酸所用氮源进而再生产硝酸成本高、装置复杂的问题。
综上所述，本发明具有显著的经济效益及社会效益。
附图说明
图1为本发明的利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的生产系统的示意图。
其中，1-空气净化器，2-干燥器，3-第一进氧管线，4-送风机，5-加压装置，6-电弧反应器，7-冷却器，8-第二进氧管线，9-硝酸生成器。
具体实施方式
下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例1
为本发明的一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法，该方法的详细步骤如下：
a、脱除空气中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体，净化后的空气干燥，以除去空气中的水分，制得净化空气。本发明中脱除空气中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体可以采用现有技术中的通入碱性介质中的吸附分离法，也可以采用现有的空气分离装置分离出二氧化碳、硫化氢等酸性气体。
b、将空气和氧气混合(按氮气和氧气反应生产NO的理论量)，将混合气体送至压缩机进行压缩，经过压缩机压缩后，混合气体升压至1.0MPa，得到压缩混合气。
c、步骤b所得压缩后混合气体进入电弧反应器内，在3000℃的电弧温度下，氮气和氧气反应，生成NO气体。
d、步骤c所得的NO气体进行冷却，降至40℃。
e、步骤d所得一氧化氮与外加通入理论量1倍的氧气反应生成二氧化氮，得到氮氧化物，主要是生成的二氧化氮气体以及少量未反应的一氧化氮气体。
f、步骤e所得氮氧化物进入吸收塔制得硝酸产品，质量浓度为60％。
实施例2
本发明的一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法，该方法的详细步骤如下：
a、脱除空气中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体，净化后的空气干燥，以除去空气中的水分，制得净化空气。
b、将空气和氧气混合(按氮气和氧气反应生产NO的理论量)，将混合气体送至压缩机进行压缩，经过压缩机压缩后，混合气体升压至5.0MPa。
c、步骤b所得压缩后混合气体进入电弧炉，在3000℃的电弧温度下，氮气和氧气反应生成一氧化氮气体。
d、步骤c所得电弧炉出来的气体经过热交换器进行冷却，经过热交换器后气体温度降至40℃。
e、步骤d所得一氧化氮与外加通入理论量2倍的氧气反应生成二氧化氮，得到氮氧化物。
f、步骤e所得氮氧化物进入吸收塔制得硝酸产品，质量浓度为61％。
实施例3
本发明的一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的方法，该方法的详细步骤如下：
a、脱除空气中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体，净化后的空气干燥，以除去空气中的水分，制得净化空气。
b、将空气和氧气混合(按氮气和氧气反应生产NO的理论量)，将混合气体送至压缩机进行压缩，经过压缩机压缩后，混合气体升压至10.0MPa。
c、步骤b所得压缩后混合气体进入电弧反应器，在3000℃的电弧温度下，氮气和氧气反应生成一氧化氮气体。
d、步骤c所得电弧反应器出来的气体经过热交换器进行冷却，经过热交换器后气体温度降至50℃。
e、步骤d所得一氧化氮与外加通入理论量3倍的氧气反应生成二氧化氮，得到氮氧化物。
f、步骤e所得氮氧化物进入吸收塔制得硝酸产品，质量浓度为63％。
对比例1
对比例1的制备方法与实施例3的制备方法相同，区别仅在于，对比例1是将空气直接压缩，未补入氧气，形成压缩空气；对比例1制备的硝酸产品，质量浓度为30％。
通过以上对比，可以看出本发明通过补入氧气，形成压缩混合气，使氮气与氧气浓度成倍提高，同时利用电弧高温固氮合成氮氧化物，实现氮到硝酸一步高效转化的方法，具有极大的现实意义与经济价值。
实施例4
如图1所示为本发明的一种利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的生产系统，该生产系统包括：空气净化器1、干燥器2、第一进氧管线3、加压装置5、电弧反应器6、冷却器7、第二进氧管线8、硝酸生成器9；
所述干燥器2的进料口与所述空气净化器1的出料口连通；
所述干燥器2的出料口与所述加压装置5的进料口连通；
所述第一进氧管线3的出料口也与所述加压装置5的进料口连通；
所述加压装置5的出料口与所述电弧反应器6的进料口连通；
所述电弧反应器6的出料口与所述冷却器7的进料口连通；
所述冷却器7的出料口与所述硝酸生成器9的进料口连通；
所述第二进氧管线8的出料口也与所述硝酸生成器9的进料口连通。
本发明的生产系统中的主要流动介质是气体，各部件之间的连通可以采用现有技术中适宜的连通方式，优选管道连通。
优选的，
所述生产系统还包括计量装置，所述计量装置安装在空气净化器1的进料口之前。所述计量装置为的目的是为了计量空气，可采用现有技术中适宜的计量气体的装置。
优选的，
所述生产系统还包括送风机4，所述送风机4的进料口与所述干燥器2的出料口连通，所述送风机4的出料口与所述加压装置5的进料口连通。
优选的，
所述第一进氧管线3的出料口与所述送风机4的进料口连通。本发明中送风机的作用之一是将混合气体送入加压装置中，也可以采用现有技术中其他具有气体引入功能的装置。
优选的，
所述加压装置5为压缩机。加压装置的目的是为了混合气体加压，优选压缩机，也可以采用现有技术中其他具有气体加压功能的装置。
优选的，
所述电弧反应器6采用现有技术中常用的电弧炉即可。如类似专利CN104961112A公开的电弧反应器等。
优选的，
所述冷却器7为热交换器，冷却器的目的是为了冷却气体，优选热交换器，也可以采用现有技术中其他具有气体冷却功能的装置。
优选的，
所述硝酸生成器9为吸收塔。硝酸生成器的目的是为了与水反应生成硝酸，优选吸收塔，也可以采用现有技术中其他含水以供生成硝酸的装置。
优选的，
所述第一进氧管线3、第二进氧管线8上还安装有计量装置。所述计量装置为的目的是为了计量氧气，可采用现有技术中适宜的计量气体的装置。
优选的，
所述生产系统还包括硝酸出料管路，所述硝酸出料管路与所述硝酸生成器9的出料口连通。
本发明的利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的生产系统的生产方法如下：
本发明实施例4的利用空气直接实现从氮气到硝酸一步转化的生产系统的优选生产方法如下：
a、将空气经计量装置进入空气净化器1，以脱除气体中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体，净化后的空气进入干燥器2，以除去空气中的水分，第一进氧管线3输入的氧气与干燥器2流出的空气混合，进入送风机4中。
b、用送风机4将空气和氧气混合气体(按氮气和氧气反应生产NO的理论量)送至压缩机5进行压缩，经过压缩机5压缩后，混合气体升压至8MPa。
c、步骤b所得压缩后混合气体进入电弧反应器6内，在3000℃的电弧温度下，氮气和氧气反应生成一氧化氮气体。
d、步骤c所得电弧反应器出来的气体经过热交换器7进行冷却，经过热交换器7后气体温度降至45℃。
e、步骤d所得一氧化氮与第二进氧管线8输入的氧气混合反应生成二氧化氮，得到氮氧化物(主要是生成的二氧化氮气体以及少量未反应的一氧化氮气体)，第二进氧管线8输入的氧气为一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮的理论量6倍。
f、步骤e所得氮氧化物进入吸收塔制得硝酸产品，通过硝酸出料管路出料硝酸产品的质量浓度为64％。
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