摘要：在一些化工生产操作中要利用硝酸催化氧化来制备化工产品，例如硝酸催化氧化法制备硫酸铜、硫酸镍，制备聚合硫酸铁，这些制备反应都有一个共同特点，那就是在反应过程中都加入硝酸并通入氧气，在硝酸催化氧化的过程中有一定量的NO和NO2的生成放出。另外，由于通入氧气能使生成的NO氧化成NO2，如何使放出的NO2重新返回反应系统内，使其得到充分循环利用，减少污染，这是个巨大的难题。文章重点就硝酸催化氧化制备化工产品装置相关问题进行研究分析，以供参考和借鉴。
关键词：硝酸；催化氧化；化工产品；装置
引言
硝酸催化氧化制备硫酸铜、硫酸镍、聚合硫酸铁，均可采用密闭负压操作装置或密闭常压操作装置，用喷射泵把反应生成的二氧化氮返回反应系统或通过吸收塔用水吸收二氧化氮，使二氧化氮可以得到循环利用。
1装置研究原理
通过实验得出NHO3-H2O系统的沸点、组成与压力的关系如图1所示，从图1中不难看出，当一定浓度的HNO3（重量百分数为60％以下），在压力逐渐升高时HNO3的沸点也就随之升高，反之亦然；当压力愈高HNO3在气相中含量愈高，当压力愈低时，HNO3在液相中含量愈高。为保证在反应中HNO3在液相中的高含量，当催化氧化极为有利，防止HNO3外跑，所以反应设置装置采用密闭低压操作。
图1 HNO3-H2O系统的沸点组成与压力的关系
2操作装置
2.1密闭负压操作装置
用硝酸催化氧化法制备硫酸铜、硫酸镍、聚合硫酸铁的主要设备装置为反应釜，在向反应釜内加入硝酸等物料后密闭反应釜，抽真空到-0.01Mpa（表压）后，通氧气至-0.08Mpa（表压），滴加硫酸（制备聚合硫酸铁不有滴加硫酸），此种设备装置要有氧气通入管道充分保证在反应内的气、液、固三相有较大的接触面积，要在反应釜上方设有硝酸和硫酸的滴加高位计量槽，设有真空循环泵，由于在反应过程中要不断抽真空，把抽出的NO和NO2重新返回到反应釜内，使反应连续进行，所以在反应釜旁要设有外循环管、真空循环泵，设备装置如图2所示。
图2 设备装置图
2.2密闭常压操作装置
由于NO2的吸收和NO的氧化都是放热反应，吸收温度多维持在20～35℃，制备硫酸铜、硫酸镍、聚合硫酸铁所需反应温度都在80～90℃进行，反应过程中挥发出的NO和NO2最低温度为80～90℃左右，所以常压操作时就需将NO和NO2的温度冷却至20～35℃左右，这就需要冷凝器，使挥发出的NO和NO2通过冷凝器冷却下来，然后通过反应釜外的循环管，用喷射泵将NO2送入反应釜内。另外，为保证挥发出少量NO2充分被吸收，使之生成HNO3，以达循环利用，为此在反应釜旁要设置两个筛板式喷淋吸收塔，用水喷淋吸收挥发出少量的NO2，设备装置如图3所示。
图3 设备装置图
3密闭常压、负压装置制备硫酸铜
用以上两种密闭常压或负压装置制备硫酸铜、硫酸镍、聚合硫酸铁等化工产品都是可行的，现以制备硫酸铜为例，论证两种装置的可行性。在密闭常压下，如图3装置，用O2和H2SO4溶液,、单质铜，在有NHO3做催化剂，反应温度控制在80～90℃时自行反应制备硫酸铜，其反应方程式为：O2+2Cu+2H2SO4→2CuSO4+2H2O（液），其工艺过程如下：先向反应釜内加入过量的金属紫铜（含铜量为Cu≥98％），加水将反应釜密闭，若用负压装置（如图2装置），此时抽真空至-0.01Mpa（表压），通过反应上方硝酸高位计量槽滴加硝酸，通氧气，然后通过反应釜上方的浓硫酸高位计量槽滴加计量的浓硫酸，反应开始，反应温度不断升高，自行反应不断进行，反应时间为16小时，每隔1个小时测一次反应液密度，当反应液密度等于1.4时，即为反应终点，放液到结晶槽中，经冷却24小时后，获得硫酸铜晶体，再经过水洗和离心甩干，即制得成品硫酸铜（CuSO45H2O％≥98.4％）。
4工艺条件
第一，铜含量及加入量。反应釜内加入铜要过量，单质铜的选材为铜线或铜片、铜屑，含铜量为Cu≥98％；第二，硫酸的浓度。本工艺采用整体滴加浓硫酸的方法，控制好浓硫酸高位计量槽的开关阀，流量要小，滴加入浓硫酸与反应釜内水相混后，保证反应时硫酸的百分比浓度控制在24％～30％，从而使反应安全进行；第三，硝酸的浓度及加入量。硝酸作为催化剂，硝酸的百分比浓度在反应时控制在40％以下，滴加硝酸要勤加少加，保证连续和均质稳定；第四，氧气的通入量。为充分保证氧气（含量99％）的通入，要设置四个氧气通管，通入量为1m3/h；第五，反应釜内的压力及温度。反应釜内的压力常压操作控制在0.008～0.04Mpa，若用负压装置操作开始抽真空为-0.01Mpa，最后压力升高至0.008～0.04Mpa，使反应正常进行，最佳反应温度应控制在83℃以下；第六，反应后挥发出NO和NO2的处理按反应装置图2或装置图3，通过真空循环泵或喷射泵使挥发出的NO和NO2温度冷却下来，返回反应釜，再参加反应。值得注意的是用常压操作时，最后必须用装置图3中的喷淋吸收塔，把挥发出极少量NO2被水吸收。
结束语
综上所述，通过硝酸催化氧化制备硫酸铜用以上两种装置的研究，制备硫酸镍、聚合硫酸铁均可仿照制备硫酸铜的生产工艺，使用两种装置均可得到较高的生产效益。
参考文献：
[1]谢仁峰.基于层状双金属氢氧化物的高效氧化催化剂制备、结构及其性能[D].北京化工大学,2016.
[2]秦磊.钒铌氧化物催化氧化乙二醛制乙醛酸[D].武汉工程大学,2014.
论文作者:莫昆
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/28
标签：装置论文; 硝酸论文; 硫酸铜论文; 反应釜论文; 操作论文; 氧气论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第19期论文;