[发明专利]一种生产硝酸的装置及其方法

说明书

本发明涉及一种无需高温高压以及催化剂，利用不同来源的气态氮氧化物或气态氮氢化合物，甚至使用工业废气生产稀硝酸的装置和方法。在此方法中，气态氮氧化物或气态氮氢化合物在激发态氧原子O(¹D)，活性氧自由基(ROS)，与吸收仓中的羟基自由基协同作用下，被氧化生成高价态的氮氧化物，然后经过吸收仓转化为硝酸。

(一)技术领域：

本发明涉及一种利用气相氮氧化物或气态氮氢化合物制备硝酸的方法及其装置，尤其涉及一种无需高温高压以及催化剂的条件下制备硝酸的方法。

(二)背景技术：

硝酸作为一种重要的化工产品之一，其在农业，军工业，化工催化，有机合成等领域有着广泛的应用价值。而制备硝酸的传统方法(氨气催化氧化法)工艺设备非常繁琐(图1)，即氨气与空气中的氧气在高温下反应生成一氧化氮，一氧化氮进一步被催化氧化生成二氧化氮，二氧化氮被水吸收生成硝酸，最后通过蒸馏生成不同浓度的硝酸。在反应过程中需要高温高压，并需要贵金属作为催化剂。

在生产硝酸的过程中，氨气作为氮源，需要先被氧化成一氧化氮、二氧化氮，再参与后续的氧化反应，所以氮氧化物或氨气是生产硝酸的必要原料，而在工业生产中，一些工厂所排放的气体中含有大量的氮氧化物或氮氢化合物(氨气，联氨等),氮氧化物是大气污染的主要污染物之一，国家对其排放有着严格的标准，而将气相中的氮氧化物作为生产硝酸的氮源不失为一种创新的方法，既可以净化有害气体，又可以将氮氧化物作为一种可利用的资源。其生产硝酸的过程无需高温高压以及催化剂，而硝酸带来的收益也可节约工业环保设备的运行成本。目前，利用气相中的氮氧化物为氮源来生产硝酸的技术主要有以下几种，一为使用多级逆洗的方案来吸收制备硝酸(专利号CN204193769U)，该技术生产设备过于复杂，且只适用于氮氧化物浓度较高的气体。二为使用臭氧或双氧水对含有氮氧化物的气体进行氧化，并以水或硝酸为吸收剂来回收硝酸(专利号CN204380494U)，此技术工艺设备简单但对氧化剂的需求量较大成本偏高，且氧化效率不高。在工业用途上运行成本决定了经济可行性，因此如何降低运行成本应该是研发的重点。三为采用吸附剂将氮氧化物富集，脱附后用氧化剂对其氧化，最后水溶液吸收制酸(专利号CN204824173U)。此技术不受气相中氮氧化物浓度的影响，但其工艺复杂，且吸附剂杂多酸昂贵且使用寿命不长。

(三)发明内容：

一氧化氮的氮原子上有一个未成对的电子，分子极性小，这使其与其它氮氧化物相比水溶性较差。在本发明所涉及的方法中，一氧化氮等低价态氮氧化物能够在低温下转变为二氧化氮及其他高价态的氮氧化物，并被水吸收生成硝酸。

本发明中硝酸的生产可以分为以下三个阶段：

第一阶段：在活性氧自由基发生器中形成活性氧自由基(活性氧自由基包括激发态氧原子O(¹D)、羟基自由基等等含有氧原子的自由基)，并输入到气流管道中；活性氧自由基发生器的位置需要谨慎选取，以使ROS与氮氧化物或气态氮氢化合物气流能够充分混合。生成的ROS需在0.1秒内与气相中的氮氧化物或气态氮氢化合物接触。

本发明中活性氧自由基发生器可以采用光解催化仓来光解臭氧(或电解催化仓电解臭氧)，臭氧是由臭氧发生器运用压缩的空气所生产的，根据需要产生的臭氧量来调整臭氧发生器的功率，本发明仅需产生低浓度臭氧，这与单一使用大量臭氧做氧化剂的技术相比更加经济合算。

1.臭氧是氧气的同素异形体，化学性质十分不稳定，其紫外光吸收波长范围是220～350nm。

2.当紫外灯照射臭氧时，会立即产生激发态氧原子O(¹D)，此反应具有较高的反应活性。

3.激发态氧原子O(¹D)与空气中水分子接触就会生成其它的活性氧自由基，如羟基自由基，从而触发自由基的链式反应。

4.空气中水分子在紫外光(波长220～350nm)照射下会生成活性氧自由基，如羟基自由基。

化学反应式：