CN104591101A - 用于硫酸冷凝的高流动能力冷凝器管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于硫酸冷凝的高流动能力冷凝器管。具体地，提供了一种用于冷凝被包含在生产气体中的硫酸蒸汽的冷凝器，包括：耐酸材料的管，所述管构造成具有靠近一端的生产气体入口、靠近另一端的生产气体出口、以及靠近底端的酸出口；所述管构造成延伸穿过冷却区域；以及，所述冷却区域构造成具有冷却介质入口和冷却介质出口，以便使得气态冷却介质相对于该生产气体对流地经过；其特征在于，所述管的长度为7.5m至12m。

Description

用于硫酸冷凝的高流动能力冷凝器管

本申请是申请号为201210197743.3、申请日为2012年6月15日、名称为"用于硫酸冷凝的高流动能力冷凝器管"的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于硫酸的具有增加的气体流动能力的冷凝器。

背景技术

该冷凝器对于净化含硫的烟道气体和排出气体来说是尤其有用的，其中所述硫作为三氧化硫存在并且作为硫酸被去除，所述硫酸借助三氧化硫/含水气体的冷凝而形成。该工艺被称为湿气硫酸工艺，即WSA。

WSA工艺已经证明了其在工业中的价值，例如炼油、冶金、石化生产、炼焦、煤气化、非铁培烧炉和熔炼炉、发电厂、以及粘胶纤维的生产。

已知的是，通过下述方式从烟气体或排出气体中去除硫：将硫化物氧化为三氧化硫，并接着在气体中存在水的情况下冷却所述三氧化硫以形成硫酸，随后对所形成的硫酸进行冷凝和浓缩。可以从与三氧化硫相比缺乏水（不足每摩尔三氧化硫1摩尔水）的气体来生产发烟硫酸，或者可以通过在所产生的硫酸中随后吸收三氧化硫来生产发烟硫酸。

在专利US 5,198,206中，公开了一种通过向生产气体添加颗粒来实现的脱硫工艺，并且在US 5,108,731中，公开了一种在对硫酸雾进行冷凝的冷凝管中使用的除雾器。在所示出的实验数据中，这些管长达6 m，并且构造用于评估在4.05 m、4.45 m、4.95 m和5.4 m的冷却区域长度的效应。在冷却区域的长度是5.4 m的情况下，发现可在管后获得低于10 ppm的范围内的令人满意的H₂SO₄水平。此外，除雾器的使用也被发现能够从流出口有效地去除酸雾。

在根据现有技术的工艺中，冷凝器的生产能力被认为是冷凝器中所提供的管的数量的函数。在两倍的管数量的情况下，通流面积将加倍，并且因此相关联的流动能力也加倍。

向WSA设备提供额外的管当然是昂贵的，并且也是占用空间的，因此需要确定的是，能够提供增加的生产能力而几乎不需要增加所需空间或者根本不增加所需空间的装置。

玻璃管冷凝器的生产能力的限制因素是热交换能力，即多少气体能够在冷凝器中被有效地冷却。在现有技术中，根据是否充分地去除三氧化硫和硫酸来估计管长度。

管长度还能够被用于增加管的流动能力（或通流能力），这是因为管长度的增加也将增加管的表面面积，并且因此增加了热传递面积。因此，在较高的流率的情况下，能够获得相同的热传递接触时间，并且因此预期的是，每管增加生产气体的能力与管长度成比例。然而，在增加玻璃管的长度的情况下，也会增加与玻璃管的生产和处理相关的挑战，并且因此，用于硫酸冷凝器的玻璃管仅被生产成具有与5.45 m或6.45 m的有效冷却区域对应的6 m和7 m的长度。

发明内容

对用于增加气体流动能力（或通流能力）同时确保与该气体有充足热交换的可用装置的分析现在已经令人惊奇地揭示了：对于热交换而言，增加冷凝器玻璃管长度的效果要明显强于通过单独增加管的表面面积所预期的效果。增加的面积允许管内的增加的流率，从而需要在管外侧上的增加的流率以提供足够的冷却空气。这些因素的组合效应令人惊奇地在于：当管长度例如从7 m增加至8.25 m（增加18%）并且对应地有效冷却区域从6.45 m增加至7.7 m（增加19%）的情况下，热气体的流动能力增加了32-58%，这比预期的按比例增加要增加得多得多。

增加长度所具有的该超比例效应的效果在于，能够减少用于WSA设备（例如，用于从粘胶生产中去除H₂S的WSA设备）的管的数量，而不会对脱硫具有负面影响。这允许减少冷凝器的占地面积，并且还可以与更低的生产成本相关。

如本文所使用的那样，冷凝器管的气体流动能力（或通流能力）应当被理解为管中的生产气体的质量流率，其允许充分地冷却生产气体。

如本文所使用的那样，生产气体应被理解为包括了三氧化硫和水的气体。

如本文所使用的那样，冷却介质应被理解为用于热传递而不存在明显化学反应的介质，例如空气。在该工艺的不同位置中，冷却介质也可涉及到化学反应。

如本文所使用的那样，冷却区域应被理解为管的被构造成用于在操作期间使其外表面与冷却介质接触的部段。

如本文所使用的那样，以气体形式的三氧化硫的浓度被表述为在假定了所有六价硫都作为三氧化硫存在的情况下的摩尔百分比，并且因此其包括三氧化硫以及水合成气态硫酸的三氧化硫。

本发明提供了一种用于冷凝被包含在生产气体中的硫酸蒸汽的冷凝器，所述冷凝器包括耐酸材料的管，该管构造成具有靠近一端的生产气体入口、靠近另一端的生产气体出口、以及靠近底端的酸出口，所述管构造成延伸穿过冷却区域，并且所述冷却区域构造成具有冷却介质入口和冷却介质出口，以便使气态冷却介质相对于该生产气体对流地经过，其特征在于，所述管的长度为7.5 m至12 m，耐酸材料的管构造成具有靠近一端的生产气体入口、靠近另一端的生产气体出口、以及靠近底端的酸出口，所述管构造成延伸穿过冷却区域，并且所述冷却区域构造成具有冷却介质入口和冷却介质出口，以便使气态冷却介质与该生产气体对流地穿过，其特征在于，所述管的长度为7.5 m至12 m、优选地为8 m至11 m、甚至更优选地长度为8 m至9 m，具有的相关益处包括由于增加长度而增加了热交换，从而使得能够增加气体流量，同时避免了应对过大长度的挑战。

在本发明的实施方式中，还包括高速气溶胶过滤器，所述高速气溶胶过滤器安装成在冷却区域的靠近生产气体出口的一端中与冷凝器管大致紧密连接，所述过滤器包括直径为0.05 mm至0.5 mm的纤维或细丝，所述纤维或细丝具有的量、层厚和构造达到这样的程度，即：确保在1-7米/秒的气体速度的情况下通过该过滤器的压降将在2 mbar和20 mbar之间，相关益处在于，酸雾通过与气溶胶过滤器接触而冷凝为微滴。

在又一实施方式中，本发明还包括在所述管内的紊流发生装置，例如，螺旋件、玻璃凹陷部或玻璃凸起部，相关益处在于，增加的紊流增加了在管的内表面处的热传递。

在又一实施方式中，本发明还构造成具有靠近生产气体出口的再加热区域，相关益处在于，在冷凝器下游提供了温度高于硫酸露点的生产气体，并且因此基本不存在腐蚀性的液态硫酸。

在又一实施方式中，本发明还构造成：通过将生产气体入口构造成靠近管的底端，从而使得在冷凝器中，冷凝的硫酸相对于生产气体对流地流动，相关益处在于，由于对流的流动从而具有高的硫酸浓度。

在又一实施方式中，本发明构造成：通过将生产气体入口构造成靠近管的顶端，从而使得在冷凝器中，冷凝的硫酸相对于生产气体同向地流动，相关益处在于，降低了在冷凝器管和除雾器中溢流的风险。

在本发明的又一实施方式中，冷凝器包括多个冷凝器管，这些冷凝器管在它们之间具有的距离为管直径的至少1/3，相关益处在于，在冷凝器的冷却介质侧上具有较低的压降。

在又一实施方式中，本发明涉及一种利用了串联的两个硫酸冷凝器并且具有中间的二氧化硫氧化步骤的工艺，相关益处在于，处理具有超高浓度的三氧化硫的生产气体，或者具有超低的二氧化硫排放。

在又一实施方式中，本发明涉及一种利用了串联的两个硫酸冷凝器的工艺，其中，第一冷凝器在与三氧化硫相比缺水（小于每摩尔三氧化硫1摩尔水）的情况下操作，下游的第二冷凝器在与三氧化硫相比水过盈（每摩尔三氧化硫1摩尔水以上）的情况下操作，相关益处在于，能够在上游的第一冷凝器中产生发烟硫酸。

在一个实施方式中，冷凝器管的直径能够从20 mm至70 mm变化、优选地在25 mm和60 mm之间、甚至更优选地在30 mm和50 mm之间。采用窄管的情况下，优势与每截面面积上增加的热交换表面相关，而较宽的管则提供了较低的压降。

在一个实施方式中，生产气体包含小于2.0%的三氧化硫、且优选地小于1.0%的三氧化硫，相关优势在于，在低浓度的三氧化硫的情况下，甚至更增加了管长度的超比例效应。

附图说明

图1示出了根据本发明的冷凝器。

具体实施方式

本发明涉及冷凝器2，其中生产气体20在管4内流动并且冷却介质22在管4外流动。冷凝器管4的内部可以装备有螺旋件8或其它紊流加强元件。管4能够由玻璃（例如，硼硅酸盐玻璃）制成，并且借助底板10被连接到冷凝器的生产气体入口，底板10与管4的外部具有大致气密性接触，并且这些管4的位置借助在冷却介质侧上穿过冷凝器的挡板12来稳定。在冷凝器的生产气体出口16处，这些管4被固定到顶板14并且相对于顶板14被密封。冷却介质22（通常可以是空气）因此将大致以交叉流动的方式流经这些管4。冷却介质能够具有比生产气体稍微更高的压力，以避免腐蚀性的生产气体泄漏到冷却介质侧。在这些管的端部还可以具有可任选的气溶胶过滤器30。

根据现有技术，管的冷却部段的典型长度是4 m至6.5 m，对应的管长度是5 m至7 m。根据本发明，管是7.5 m或更长。当冷凝器管的长度增加时，可以增加管内的流率，同时在生产气体与管壁之间具有相同的接触时间。在管中的气体流率增加的情况下，对于相同体积流量而言可以减少管的数量。借助本发明，还发现管内的增加的体积流量的效应还增加了从生产气体到管壁的热传递，因此有助于增加的管长度的超比例效应。为了能够冷却生产气体，还需要提供增加的冷却介质流量。增加的冷却介质流率还增加了在管的外侧上的热传递，并且因此进一步有助于有关管长度的超比例效应，同时保持了生产气体和冷却介质的质量流量之间的比率。因此，在增加了管长度的情况下，观测到了由生产气体和冷却介质的增加的流率所引起的令人惊讶的热传递的超比例增加。

在增加SO₃含量的情况下，增加了来自冷凝热量的对热传递的影响。因此，增加的流率的相对效应对于高SO₃水平来说较低。在另一方面，对于其中生产气体竖直向上流动并且具有低SO₃水平的管来说，除雾器或这些管中的溢流成为了限制，即生产气体将冷凝的硫酸朝向冷凝器的气体出口驱动，并且流率可能不再增加。然而，在溢流变成限制因素的工艺中，可以选择的是，操作冷凝器使得生产气体向下流动。这克服了溢流的问题，但是可能导致较低的硫酸浓度。另选地，在向上的气流的情况下，通过增加除雾器的直径或者通过利用具有较高空隙率的更开放的除雾器材料能够增加除雾器中的溢流极限。还优选的是，平衡流率、除雾器部段的管直径、和除雾器的空隙率，使得线性流率在1-7米每秒的范围内，且相关除雾器的压降小于20 mbar。

由于冷凝器管中的潜在溢流（即，在增加的气体流率的情况下冷凝的硫酸可能借助气流被向上抽吸并且被抽吸到玻璃管之外的效应），因此存在管内的增加流率的上限。能够通过增加管直径或改变安装在管内的任何紊流产生装置的形状或尺寸来增加管内的溢流极限。

由于冷却介质的流率增加，因此在冷却介质侧上的冷凝器上的压降也将增加。为了减少或避免这种压降，冷凝器管之间的距离可以增加。

在又一实施方式中，可任选的除雾器能够设置在冷凝器管的冷却部段的出口处，以防止酸雾离开冷凝器。该除雾器能够优选地设置在冷凝器管的具有较大直径的区域中，以提供具有最小压降的除雾器区域，否则随着气体流率的增加其可能会越来越成为问题。

又一实施方式包括这样的冷凝器，在该冷凝器中，生产气体在冷凝器的最后部分被再加热，使得未在冷凝器中被捕获的腐蚀性液态硫酸蒸发，从而降低了在下游设备中的腐蚀风险。

示例

在本发明的性能验证中，已经针对不同的气体成分评估了不同的管式冷凝器的热传递。用于将管紧固在冷凝器中的区域是必需的，从而使得对于6 m的管来说，有效的冷却长度被减少了大约0.55 m，成为5.45 m，7 m的管具有6.45 m的有效冷却区域长度，8.25 m的管则具有7.7 m的有效冷却区域长度，等等。对热交换性能的研究是针对从5.45 m到11.45 m的范围内的7种有效冷却区域长度来进行的。

关于具有12%的O₂、2%的CO₂、7-10%的H₂O、1.0%-5.5%的SO₃以及作为余量的N₂的这些成分来评估热交换。对于每个SO₃浓度所用的全部的管长度，流量被调节成获得相同的冷却介质出口温度。冷却介质出口温度在三种被研究的SO₃浓度之间轻微地变化。

从表1清楚地看出，在增加了管长度的情况下，与从比例假定所预期的情况相比，流量能够增加到更大的程度。

在增加流率的情况下，还要在生产气体侧和冷却介质侧上增加冷凝器上的压降。在冷却介质侧上，压降是16-200 mbar，并且假定低于100 mbar的压降是可接受的；因而对于较高的压降，可能需要通过增加间距（即，冷凝器中的管之间的距离）来抵消该压降。

在管中生产气体侧上的压降在从5 mbar至200 mbar的范围内。在这里，该压降可能在从大约60 mbar附近的值开始就已经是有问题的了，并且因此管直径可能不得不增加，其中流量是每管·30 Nm³/h。

对于配置有除雾器的管，观测到在除雾器上的从4 mbar至347 mbar变化的附加压降。同样，这主要是操作成本的问题，并且在一定程度上该问题可被忽略，但是抵消该增加的压降可能有益的。这能够通过在除雾器的部段中增加管面积或者提供具有更高空隙率的更开放的除雾器材料来实现。

Claims (4)

1.一种操作硫酸冷凝器的方法，所述硫酸冷凝器包括长度为7.5 m至12 m的一个或多个竖直的玻璃管，包括：

a）将包括硫酸的气体引导到所述管的入口，

b）将冷却空气引导接触所述管的外表面，

c）从所述管的下端排出冷凝的硫酸，其中所述气体的体积流量是至少10Nm³/h。

2.根据权利要求1所述的操作硫酸冷凝器的方法，还包括在所述气体流出所述玻璃管之前，将所述气体引导接触高速气溶胶过滤器，其中所述过滤器包括直径为0.05mm-0.5mm的纤维或细丝，所述纤维或细丝具有的量、层厚和构造达到这样的程度，即：确保在1-7米/秒的气体速度的情况下通过该过滤器的压降将在2 mbar和20 mbar之间。

3.根据权利要求1或2所述的操作硫酸冷凝器的方法，还包括配置管内直径和所述气体流率的步骤，使得所述气流的压降小于60mbar。

4.根据权利要求1、2或3所述的操作硫酸冷凝器的方法，还包括配置管外直径、管间距和冷却空气流率的步骤，使得冷却空气流的压降小于100mbar。