在双加压法硝酸生产工艺中，吸收加水量是控制产品稀硝酸浓度的重要手段之一，不仅影响产品稀硝酸目标浓度的控制，而且影响二氧化氮在吸收塔中的吸收效率，进而影响排放尾气中NO_x浓度和原料液氨的消耗。因此，根据实际工况和产品稀硝酸浓度的要求，选择合适的吸收加水量对硝酸生产来说十分重要。

双加压法硝酸生产工艺包括2个步骤，即氨在铂网催化剂上氧化为一氧化氮以及一氧化氮氧化为二氧化氮并用水吸收制得稀硝酸，其反应过程可用下列反应方程式表示^[1]：

反应方程式(2)和(3)可表达如下：

反应方程式(1)，(2)和(3)可表达如下：

双加压法稀硝酸生产工艺流程如图 1所示。原料液氨经氨蒸发系统转化为气氨，空气经轴流压缩机压缩后大部分(一次空气)进入氨空混合器，小部分(二次空气)进入漂白塔漂白成品硝酸；气氨与空气经氨空混合器混合后进入氧化炉中，在铂催化剂上按照反应方程式(1)进行反应生成NO，然后在余热回收系统回收热量的过程中与过量的空气进一步按照反应方程式(2)生成NO₂，其中一部分NO₂与反应方程式(1)生成的H₂O反应生成稀硝酸，这些稀硝酸经NO_x分离器分离后送入吸收塔相应的塔板上，其余的NO₂经NO_x压缩机压缩后从底部进入吸收塔，与吸收塔顶部加入的水反应生成硝酸；从吸收塔顶部出来的尾气被系统余热加热后进入尾气透平做功，然后放空；从吸收塔底部出来的硝酸经漂白塔漂白合格后作为成品硝酸外送，漂白塔顶部出来的NO_x进入NO_x分离器。反应方程式(1)中很少一部分未反应的氨与系统内的硝酸反应生成铵盐，铵盐浓度过高时易分解，存在爆炸的危险，故需定期对NO_x分离器(或之前换热器)进行喷水或通蒸汽，以降低铵盐浓度。

图 1

双加压法稀硝酸生产工艺流程

在硝酸生产中，氨空比为氨空混合气中气氨的体积百分比，用γ表示。在双加压法硝酸生产中，γ一般控制在9.6%左右，故取γ=9.6%，其表达式如下：

式中：V_am——正常生产气氨流量，m³/h(标态)；

V_air-1——一次空气量，m³/h(标态)。

在正常生产过程中，为保证反应方程式(3)产生的NO在吸收塔中按照反应方程式(2)进行反应，要求尾气中氧含量控制在一定的范围内，进一步要求二次空气量与一次空气量合理进行配比，一般要求二次空气量与一次空气量的体积比约为1 :5，则一次空气量与总空气量的关系可以表达如下：

式中：V_air——轴流压缩机入口空气流量，m³/h(标态)。

从双加压法稀硝酸生产的反应过程及工艺流程可看出，产品硝酸中水的来源包括以下几个方面：①吸收塔加水，用m₁表示，可由流量计检测得到；②轴流压缩机入口空气中含有的水，用m₂表示；③喷水或蒸汽中的水，用m₃表示，可由流量计检测得到；④液氨含有的水，用m₄表示；⑤反应生成的水，用m₀表示。m₂可用下式表示：

式中：D₁——空气的绝对湿度，g/m³。

原料液氨指标中一般要求含水质量分数小于0.1%，相对于液氨量(或硝酸产量)，其量极少。另外，氨蒸发器温度一般在14 ℃左右，其中水蒸发进入硝酸产品中的量很少，由于水的密度比氨的密度大，这些水存于氨蒸发器底部，一般通过定期排污排出。因此，m₄可近似看作为0。

反应生成的水m₀与气氨量及其氧化率有关，由反应方程式(5)可得出其计算公式如下：

式中：α——氨氧化率。

在整个系统中，只有尾气带水离开系统，其带水量与尾气量和尾气湿度有关。由于尾气的主要成分为氮气，与空气中主要气体成分相似，尾气湿度可近似按照空气湿度进行计算。由反应方程式(5)可知，消耗的氧气量为气氨量的2倍，即为2V_am。另外，在正常生产中，尾气中的氧含量控制过高或过低均对生产不利，一般尾气含氧气体积分数控制在3%~5%^[2]。计算时，取尾气含氧气体积分数为4%，空气中含氧气体积分数为21%，则尾气中的氧气体积为：

V_tail×4%=V_air×21%-2V_am

将式(8)代入，可算出V_tail=9.325 2V_am，则：

式中：V_tail——出系统的尾气流量，m³/h(标态)；

D₂——尾气的绝对湿度，g/m³。

双加压法硝酸生产工艺的吸收塔出口尾气温度(15 ℃左右)、压力(绝压0.9 MPa左右)变化不大，且与吸收加水逆向接触，可近似认为其相对湿度为100%，其绝对湿度D₂为上述温度和压力条件下的饱和蒸汽密度。查询有关数据^[3]并经计算，D₂=12.82 g/m³，则：

用M₁表示每小时硝酸产品中含水质量，计量单位为g/h，其表达式为：

总吸收度是指气体中被吸收的氮氧化物的总量与进入吸收系统的气体中的氮氧化物总量之比，用β表示。由反应方程式(1)和(4)可计算出每小时折100%硝酸产量，用M₂表示，计量单位为t/h，其计算公式如下：

产品稀硝酸的质量浓度用η表示，根据式(12)和式(14)可知其计算式如下：

将式(13)和式(14)代入后整理得：

从式(16)可知，影响产品硝酸浓度的因素有氨空比、氨氧化率、总吸收度、空气湿度、吸收加水量、喷水或蒸汽量、气氨量。双加压法硝酸生产工艺一般要求α不低于96%，加压下α可达96%~97%^[1]，故计算时取α=96.5%。参考有关资料^[4]，取β=98.0%，则式(16)可进一步简化为：

从式(17)可看出，双加压法硝酸工艺影响产品硝酸浓度的主要因素有空气湿度、吸收加水量、喷水或蒸汽量、气氨量，其中η与D₁，m₁和m₃呈负相关，而与V_am呈正相关。在实际生产过程中，当系统进行增减负荷时，气氨量相应增加或减少，为保证产品硝酸浓度稳定，需增大或减小吸收加水量m₁；当长时间进行喷水或通蒸汽(即增加m₃)时，如不适当降低吸收加水量m₁，则产品硝酸浓度下降，甚至导致不合格。就150 kt/a双加压法硝酸装置而言，在相同的生产负荷和未喷水或通蒸汽的情况下，会发现冬季吸收加水量比夏季多0.3 m³/h左右，其根本原因还是因为冬季空气湿度比夏季小的缘故，这说明上述理论分析与实际生产过程中的变化情况是一致的。

在双加压法硝酸装置实际生产中，喷水或通蒸汽的目的是除去系统中的铵盐。正常情况下，该操作间断进行，时间较短(10 min左右)，加入水量不多(一般喷水量或通喷蒸汽量约0.5 m³/h)，频次较低(一般间隔8 h操作1次)，故m₃可忽略不计。则根据式(17)，吸收加水量m₁可表示为：

当生产负荷进行调整(即V_am变化)时，往往需多次尝试调整吸收加水量m₁才能将成品硝酸浓度控制在合理的指标范围，而利用式(18)可快速计算出生产负荷调整后对应的加水量。为验证式(18)计算的准确性，根据某公司150 kt/a双加压法硝酸装置实际运行数据，运用式(18)计算理论吸收加水量m₁，并与实际加水量m′ ₁进行对比，结果如表 1所示。

从表 1可看出，加水误差均小于0.05 t/h，该误差小于实际加水调整的最小幅度(0.10 t/h)，说明利用式(18)对指导实际吸收加水量的调整是有一定意义的。另外，在空气湿度D₁变化、空气湿度D₁和生产负荷V_am同时变化、调整成品硝酸浓度η等情况下，均可利用式(18)计算相应的吸收加水量。

式(17)和式(18)是根据双加压法硝酸生产工艺理论和实际推导出的半经验半理论公式，根据生产工况的变化或产品浓度的需要，利用公式可快速准确地计算出适宜的吸收加水量，对双加压法硝酸装置的生产具有一定的指导作用。需要指出的是，在应用上述公式时应结合装置的实际情况选取合适的参数(γ，α，β)；同一装置在不同工况(如吸收压力和温度的变化)和不同运行时段(如铂催化剂运行初期与运行后期)所选取的参数(α，β)也稍有不同。当理论计算值与实际值误差增大时，应考虑上述参数选取是否合适，必要时进行适当修正，前提是要求实际计量或分析值准确。