CN106345135A - 一种用于气相反应的结晶塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气相反应的结晶塔，所述结晶塔包括上封头、塔体和下封头，所述上封头上设有气体出口，所述下封头上设有气体入口和物料出口，所述塔体由下至上包括冷却段和结晶段，所述冷却段内设置有取热组件，所述结晶段内设置有塔盘，所述塔盘包括塔盘板和固定于塔盘板上的结晶柱。本发明的结晶塔具有可附着结晶物的表面积大、结晶体易脱并落堆积塔盘上，适用于炼厂酸性水处理过程中的硫氢化氨结晶过程，尤其适用于含二氧化碳的酸性气中硫化氢的分离过程。

Description

一种用于气相反应的结晶塔

技术领域

本发明涉及一种用于气相反应的结晶设备，属于化工设备领域，特别是涉及一种用于处理两种气体反应生成固相的结晶塔。

背景技术

结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程，早在几千年以前，它就被人们用来从海水中提取食盐。据统计，在现代社会中，大约有2/3的大宗化学产品都是固体产品，特别是在医药行业中，有85%的产品是固体产品，这些固体产品的生产过程，都离不开结晶操作。传统的工业结晶研究领域，一般可以分为四大类，即溶液结晶、熔融结晶、沉淀结晶和升华结晶。

结晶设备是一个重要的单元化工设备。目前，冷却结晶设备主要采用间壁冷却结晶设备和真空冷却结晶设备，其中间壁冷却结晶设备以夹套冷却结晶槽居多，其耗水量较大，且换热面易结垢，冷却生产效率很低；真空冷却结晶设备仅在少数企业采用，通常由于需要使用蒸汽进行喷射抽真空，蒸汽能耗较高。为了克服间壁冷却结晶设备和真空结晶设备存在的缺点与不足，空气冷却结晶塔已成功应用于化工生产冷却结晶，但结晶塔体积较大，能耗较高的问题仍然存在。

专利CN 202569637公开了一种结晶塔，包括结晶塔本体和结晶塔本体外壁的夹套，其特征在于，所述的结晶塔本体顶部设有减速机，减速机下连有搅拌器，搅拌器通于塔体底部，搅拌器上设有搅拌桨，塔体的上封头上设有进料口，下封头的底部设有出料口和排污口，塔体侧边中上部设有温控仪，塔体的外部设有液位计，所述夹套的底部设有进液口，夹套的上部设有出液口，所述进液口和出液口上分别设有温控仪，本发明结构简单，方便实用。但该结晶器主要用在油脂的加工过程中，以脱去油脂中的蜡，应用具有局限性。

专利CN1833747公开了一种连续结晶塔，该结晶塔是由结晶的精制段、回收段、提纯段和熔融段组成，将待分离物系送入精制段和回收段之间，通过结晶将目标产物制得，送入提纯段内提纯，得到纯度很高的成品；在回收段内将目标产物充分回收，在提纯段内提纯，残液排放。提纯段内的分离机理是发汗作用、重结晶机理和逆流洗涤机理，此段设置，可以提供很多理论级的分离过程，将这些间歇的重结晶过程，在一个塔式的提纯段中一次完成，大幅度的缩短了提纯工艺，节省了设备投资，降低了能耗和操作费用。而且，随着产品纯度要求的提高，可以设计更高的提纯段来达到要求。该结晶塔适用于将液体物料连续送入该设备中，连续分离得到高纯产品。主要用于化工、石化、制药、冶金等领域的结晶过程中。

石油化工行业的酸性气主要来自于天然气开采、油田伴生气、煤化工、炼油化工行业。在能源进行加工处理的过程中又会对后续的处理产生不利影响（如催化剂中毒、管道腐蚀），因此必须控制工艺原料和产品中的硫含量。在脱硫的过程中硫元素以硫化氢的形式离开工艺系统外排进入锅炉焚烧，以二氧化硫的形式排入大气。我国烟气脱硫技术起步比较晚，脱硫副产品利用率更低。所以，绝大部分脱硫副产品闲置堆放，占用大量土地资源并造成二次污染。而采用脱硫剂循环再生使用、回收硫资源的脱硫技术，其回收产品为单质硫和硫酸等，均可作为化工原料，相对于其他脱硫工艺而言，其回收产品有更好的市场前景。

我国炼厂酸性气的处理，主要是利用酸性气制备硫磺，目前比较常用的有两种工艺技术，一种是二级克劳斯工艺结合尾气加氢还原工艺，及溶剂吸收工艺技术。另一种工艺技术是美国Merichem公司气体技术产品公司开发的LO-CAT工艺技术。LO-CAT工艺技术特点是工艺流程简单，操作弹性大，占地面积小，初次投资费用低；但运行成本过高，化学溶剂消耗大，不适合规模较大的脱硫装置，含铁废水难处理，硫磺产品质量不高。LO-CAT工艺国外主要致力于降低生产成本，减少设备尺寸以及改善硫磺的质量等。国内方面，LO-CAT工艺所使用的主要催化剂和其他化学药剂均为进口，相关催化剂的研究工作还处于起步阶段LO-CAT催化剂的研发还需投入大量工作。

酸性气的综合利用，可以采用投资较少的吸收法脱硫工艺技术，该技术以碱剂为吸收剂，将硫化氢回收制备亚硫酸盐。该技术将酸性气进行燃烧生成二氧化硫，然后送入吸收塔进行化学吸收生成亚硫酸盐溶液，再将溶液与碱性吸收剂反应，制备亚硫酸盐液体产品，或者生成亚硫酸盐结晶物，经分离、干燥等工序制备成亚硫酸盐固体产品。该工艺装置流程较短，反应简单，操作弹性大，可适用于中小气量的酸性气工况，且气量波动对生产过程无影响，可通过选择不同的工序生产固体或者液体产品，选择不同的吸收剂可生产不同类型的亚硫酸盐，且通过三段吸收实现尾气达标排放，实现净化尾气的目的。但实际生产过程中存在设备腐蚀严重，维修费用较高的确定。

石油化工领域中的酸性气主要包括硫化氢和二氧化碳，目前主要通过碱法吸收制备硫化钠或硫氢化钠，但由于酸性气中含有一定体积的二氧化碳，碱法吸收会生成碳酸钠、碳酸氢钠等容易结晶的物质，导致系统内固含量较高，出现结晶、堵塞管道、设备等现象，影响装置的长周期、稳定运行。目前，对于酸性气处理需要一种综合考虑安全、环保、经济性等因素的酸性气处理方法及反应器。根据酸性气组成、产品要求及技术目标，新型吸收法酸性气综合利用工艺技术分为三类工况：ａ、利用酸性气生产低浓度溶液产品；ｂ、酸性气为纯净硫化氢气体，没有二氧化碳组分；ｃ、酸性气为硫化氢和二氧化碳气体的混合气体。

ａ、利用酸性气生产低浓度溶液产品：低浓度有效避免结晶，但溶液产品没有使用价值，必须进行多级蒸发浓缩，能耗很高，没有经济性。专利CN1027031149 公开了一种天然气脱硫及脱硫废液的资源化利用的方法，以氢氧化钠为吸收液吸附天然气中的硫化氢和二氧化碳，生成硫氢化钠和碳酸氢钠，再加入氢氧化钠溶液将硫氢化钠和碳酸氢钠转化为碳酸钠和硫化钠，再加入硫化钡将碳酸钠转化为碳酸钡，最后提取出工业品碳酸钡和工业品硫化钠。该技术由于硫化钠、碳酸氢钠极易结晶造成装置堵塞，只能采用8%～10%的氢氧化钠溶液作为吸收液，然后进行蒸发、浓缩将浓度提高至60%，存在流程长、生产装置复杂、生成的低浓度产品液蒸发、浓缩过程能耗高、生产过程为间歇操作、易造成装置堵塞等问题。专利CN102765700 公开了一种生成硫氢化钠的方法，所述方法设置两级吸收、一级碱保护和一级吸附过程，酸性气与碱剂采用逆流吸收方式，最后将溶液蒸发浓缩脱水，冷却成型、包装工序，完成硫氢化钠的生成过程。该技术只适用于纯净的硫化氢吸收过程，由于硫化钠极易造成填料塔的堵塞，所以只能生产浓度极低的溶液，存在流程长、生成的低浓度产品液蒸发、浓缩过程能耗高、硫化钠易造成填料塔的堵塞等问题。专利CN102515112 A公开了一种利用粘胶纤维生产中生产的硫化氢废气制备硫化钠的方法，设置喷淋吸收、两级蒸发及冷却结晶过程，该技术只能生产浓度极低的溶液，存在流程长、生成的低浓度产品液蒸发、浓缩过程能耗高等问题。

ｂ、酸性气为纯净硫化氢气体，没有二氧化碳组分：由于没有碳酸钠、碳酸氢钠的结晶现象，容易实现连续化生产。实际上，二氧化碳和硫化氢由于物化性质十分接近，分离经济代价高、技术难度大，所以，纯硫化氢气源极少存在。专利CN201098601 Y公开了硫化氢尾气处理装置，设置吸收塔和硫化钠储槽，实现循环吸收。该技术流程简易，只适用于纯净的硫化氢吸收过程，且硫化氢浓度不能过高、硫化钠浓度也不能过高，否则会出现硫化钠结晶堵塞和反应热无法控制的现象，无法实现连续化生产。专利CN103432874 公开了一种消除烟气中硫化氢的方法及系统，设置两级吸收过程，第一级以硫化钠为吸收剂，第二级以中性或碱液为吸收剂，实现烟气的净化。该技术不以生产化工产品为目标。专利CN103466559 A公开了三釜式硫氢化钠连续生产技术，以氢氧化钠为吸收液，采用三级逆流吸收过程，实现硫氢化钠溶液的连续化生产。该技术的原料气需进行脱除二氧化碳的预处理，存在流程长、生产装置复杂、特别是原料气预处理能耗很高，装置复杂等问题。专利CN101654226 A公开了硫化染料废气制备硫化碱的方法，以含硫化氢的硫化染料废气为原料，加入碱进行反应，生成硫化碱。该技术生产过程为间歇操作，存在碱剂及产品低浓度，清洗装置繁杂，产生废水，实例3、4易产生堵塞、无法连续生成，且存在固废问题。专利CN103495329 A公开了一种脱除硫化氢并回收硫磺的工艺，由酸性水汽提脱除硫化氢、碳酸钠吸收硫化氢、富液在脱硫催化剂作用下生产硫泡沫，及过滤、熔硫生产单质硫四部分构成。该技术存在脱硫催化剂昂贵，硫泡沫夹带催化剂导致硫产品纯度不高，有固废产生等问题。

c、酸性气为硫化氢和二氧化碳气体的混合气体：在石油化工领域，酸性气通常为硫化氢、二氧化碳混合体，以碱剂为吸收剂、生产硫化钠或硫氢化钠溶液产品时，通常会形成硫化钠、硫氢化钠、碳酸钠、碳酸氢钠等物质，当浓度达到一定值时，会产生结晶，导致装置堵塞而无法正常实现连续化生产。专利CN101337661 A公开了一种制备硫氢化钠的方法，酸性气分两股，其中一路和烧碱反应生产含碳酸根的硫氢化钠溶液，另一路和石灰乳反应，其上清液硫氢化钙与第一路产生的溶液混合，去除硫氢化钠溶液中的碳酸根，制备合格的硫氢化钠溶液。该技术易出现结晶堵塞现象，并会产生大量固废。专利CN104016310A公开了一种用合成氨工业废气选择性生产硫化钠或硫氢化钠的方法，由NHD溶剂分离酸性气中的二氧化碳和硫化氢碱液吸收生产硫化钠或硫氢化钠溶液两部分构成。该技术流程长，生产浓度极低的溶液，需蒸发、浓缩过程，能耗大等问题。专利CN102120135 A 公开了一种同时脱除含硫混合气中的H₂S、CO₂、SO₂的方法及装置，该技术首先采用石灰水去除混合气中的CO₂、SO₂，然后采用烧碱脱除硫化氢，经催化剂反应将硫化氢转化为硫泡产品，共三个步骤构成。该技术存在脱硫催化剂昂贵，硫泡沫夹带催化剂导致硫产品纯度不高，且有固废产生等问题。其它技术如专利CN1836767A公开了一种炼油厂酸性气的处理方法，利用酸性气作为水泥厂立窑的燃料，酸性气在窑内燃烧时，其中的H₂S成分与水泥料发生化学反应而生成CaSO₄，其他有害成分也被烧结而转化，从根本上解决酸性气处理的难题，同时，酸性气作为一种气体燃料，使水泥厂节能燃料，实现环境保护及解决燃料的双重目的。

对于石油化工领域的酸性气处理，目前还停留于“利用的根本原因是硫化氢为极危险的有毒气体，必须加以利用或转化”的粗放型思维模式。目前，在“能效倍增、经济可持续发展”的新要求下，需要一种新型的“节能、降耗、环保”的酸性气处理方法。目前，现有的结晶塔存在结晶物不易脱落，能耗大，形成的酸性水浓度较低等问题，造成资源浪费，如何实现提高酸性水浓度，降低能耗，提高结晶塔的效率，是该技术急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于气相反应的结晶塔，与现有技术相比，本发明所述的结晶塔具有结晶物易脱落、可附着结晶物的表面积大等优点。

本发明提供一种用于气相反应的结晶塔，所述结晶塔包括上封头、塔体和下封头，所述上封头上设有气体出口，所述下封头上设有气体入口和物料出口，所述塔体由下至上包括冷却段和结晶段，所述冷却段内设置有取热组件，所述结晶段内设置有塔盘，所述塔盘包括塔盘板和固定于塔盘板上的结晶柱。

本发明所述结晶塔中，所述上封头上设有进水口，所述进水口与气体出口可以为同一个口，或者另外单独设置一个进水口，优选另外单独设置一个进水口，所述进水口位于上封头一侧，更优选的方案是所述进水口连接有进水分布管，进水分布管上设置有若干喷嘴。

本发明所述结晶塔中，所述下封头上的气体入口可以为一个或两个以上。

本发明所述结晶塔中，所述取热组件可以为列管式蒸发冷却器、板式热交换器、电制冷机组、燃气型溴化锂机组中的任一种，优选为列管式蒸发冷却器。

本发明所述结晶塔中，所述塔盘与塔体内壁之间存在间隙，所述间隙用于气相通过。

本发明所述结晶塔中，所述结晶段内设置一层或两层以上的塔盘，当结晶段内设置两层以上塔盘时，所述上下相邻塔盘交错布置，而且保证气相以折流的方式流过上下相邻的塔盘。

本发明所述结晶塔中，所述结晶柱固定于塔盘板的上表面，所述结晶柱为扭丝刷式结构，所述结晶柱包括柱体和丝线，所述柱体为不锈钢材质、四氟材质、或碳钢外衬四氟材质，所述丝线材质是不与硫氢化氨反应且不溶于水的任何材质，可以为金属材质，也可以为非金属材质，具体可以为碳纤维、尼龙、氟塑料、不锈钢丝中的任一种，所述丝线直径为1mm～12mm，当丝线为金属材质时，丝线直径为1mm～3mm，当为非金属材质时，丝线直径为2mm～5mm。

本发明所述结晶塔中，所述结晶塔还包括进料混合段，所述进料混合段位于冷却段下方，所述进料混合段内设置气相分布器，所述气相分布器可为曝气头、板式气相分布器、或槽盘式气相分布器。所述板式气相分布器的具体结构为按一定间距布置若干塔板，每层塔板设置气相通道，所述气相通道可为斜槽形、圆形、三角形中的任一种，操作时气相在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，实现气相物料的均匀混合及分布。

本发明所述结晶塔中，所述塔盘板的下表面也可以设置有与上表面相同的结晶柱，当结晶段内设置两层以上塔盘时，所述上下相邻两个塔盘中，下面塔盘的结晶柱的顶端与上面塔盘的结晶柱的底端有一定间隙，所述间隙距离为20mm～150mm，优选为50mm～100mm。

与现有技术相比，本发明所述结晶塔具有如下优点：

1、本发明所述结晶塔，通过设置扭丝刷式结晶柱，极大的增加了结晶物附着面积，当上一层塔盘结晶物坠落时，该结晶柱的丝束空间依然存在，可使坠落结晶物处于蓬松状态，硫氢化氨气相依然可以穿越，并在穿越过程中继续结晶附着；而且还可以将坠落的结晶物表面也作为结晶附着面使用，极大的增加了结晶附着面积。

2、本发明所述结晶塔，由于结晶柱的丝线为柔软的材质，当气相流经结晶柱时，其周围流动存在差异，结晶附着为非均匀态，气相流动吹拂及重心的偏移，导致结晶柱摆动，结晶物易于从结晶柱上剥落。

3、本发明所述结晶塔具有可附着结晶物的表面积大、结晶体易脱并落堆积塔盘上，当用于处理酸性气时，形成的酸性水浓度高，可有效降低酸性水汽提的能耗，适用于炼厂酸性水处理过程中的硫氢化氨结晶过程，尤其适用于含二氧化碳的酸性气中硫化氢的分离过程。

附图说明

图1是本发明结晶塔结构示意图。

图2是本发明第一种实施方式中结晶塔塔盘结构示意图。

图3是本发明第二种实施方式中结晶塔塔盘结构示意图。

图4是本发明所述结晶塔的结晶柱结构示意图。

具体实施方式

结合图1对本发明所述结晶塔作进一步说明，本发明用于气相反应的结晶塔包括上封头1、塔体2和下封头3，所述上封头1上设有气体出4和进水口5，所述进水口5连接有进水分布管6，所述进水分布管6上设置有若干喷嘴，所述下封头3上设有气体入口8和物料出口7，所述塔体4由下至上包括进料混合段9、冷却段10和结晶段11，所述进料混合段9内设置气相分布器12，所述冷却段10内设置取热组件13，所述结晶段11内设置有塔盘14，所述塔盘14包括塔盘板16、固定在塔盘板16上表面上的结晶柱15。

本发明所述塔盘有两种形式，其中第一种形式为，如图2所述，所述塔盘14包括塔盘板16、固定在塔盘板16上表面上的结晶柱15，所述结晶柱15为扭丝刷式结构，如图4所述结晶柱15包括柱体17和丝线18。

其中第二种形式为，如图3所述，所述塔盘14包括塔盘板16、固定在塔盘板16上表面和下表面上的结晶柱15，所述结晶柱15为扭丝刷式结构，如图4所述结晶柱15包括柱体17和丝线18， 所述上下相邻两个塔盘中，下面塔盘的结晶柱的顶端与上面塔盘的结晶柱的底端有一定间隙。

下面结合具体应用来进一步说明本发明所述结晶塔是如何工作的，以采用氨气处理酸性气为例来具体说明本发明所述结晶塔的工作流程，首先混合了氨气的酸性气自结晶塔的气体入口8进入结晶塔，经过进料混合段9内的板式气相分布器12均匀分布后的气相进入冷却段，经过列管式蒸发冷却器，在液氨的作用下，实现降温冷却，液氨吸热升温成氨气送出装置，或者作为与酸性气反应的氨气进入结晶塔，经过降温后的混合了氨的酸性气在塔盘的结晶柱上开始结晶，通过采用扭丝刷式结晶柱，大大的增加了结晶物附着面积，而且由于结晶柱的丝线为柔软的材质，结晶易于从结晶柱上脱落，而且当上一层塔盘结晶物坠落时，该结晶柱的丝束空间依然存在，可使坠落结晶物处于蓬松状态，气相依然可以穿越，并在穿越过程中继续结晶附着；甚至将坠落的结晶物表面也作为结晶附着面使用。当结晶塔内结晶物达到一定负荷时，结晶塔切换操作，从结晶塔的进水口5开始注水，冲洗、溶解硫氢化氨结晶，形成酸性水，经结晶塔下封头设置的物料出口送出装置。

Claims (19)

1.一种用于气相反应的结晶塔，所述结晶塔包括上封头、塔体和下封头，所述上封头上设有气体出口，所述下封头上设有气体入口和物料出口，所述塔体由下至上包括冷却段和结晶段，所述冷却段内设置有取热组件，所述结晶段内设置有塔盘，所述塔盘包括塔盘板和固定于塔盘板上的结晶柱。

2.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述塔盘与塔体内壁之间存在间隙，所述间隙用于气相通过。

3.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述结晶段内设置一层或两层以上的塔盘。

4.按照权利要求3所述的结晶塔，其特征在于：当结晶段内设置两层以上塔盘时，所述上下相邻塔盘交错布置，而且保证气相以折流的方式流过上下相邻的塔盘。

5.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述结晶柱固定于塔盘板的上表面，所述结晶柱为扭丝刷式结构。

6.按照权利要求5所述的结晶塔，其特征在于：所述结晶柱包括柱体和丝线，所述柱体为不锈钢材质、四氟材质、或碳钢外衬四氟材质，所述丝线材质是不与硫氢化氨反应且不溶于水的任何材质。

7.按照权利要求6所述的结晶塔，其特征在于：所述丝线材质为金属材质或非金属材质，具体为碳纤维、尼龙、氟塑料、不锈钢丝中的任一种。

8.按照权利要求7所述的结晶塔，其特征在于：所述丝线直径为1mm～12mm。

9.按照权利要求8所述的结晶塔，其特征在于：当丝线为金属材质时，所述丝线直径为1mm～3mm，当为非金属材质时，所述丝线直径为2mm～5mm。

10.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述结晶塔还包括进料混合段。

11.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述进料混合段位于冷却段下方，所述进料混合段内设置气相分布器。

12.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述气相分布器为曝气头、板式气相分布器、或槽盘式气相分布器。

13.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述塔盘板的下表面也设置有与上表面相同的结晶柱。

14.按照权利要求13所述的结晶塔，其特征在于：当结晶段内设置两层以上塔盘时，所述上下相邻两个塔盘中，下面塔盘的结晶柱的顶端与上面塔盘的结晶柱的底端有一定间隙。

15.按照权利要求14所述的结晶塔，其特征在于：所述下面塔盘的结晶柱的顶端与上面塔盘的结晶柱的底端之间的间隙距离为20mm～150mm。

16.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述上封头上设有进水口，所述进水口与气体出口为同一个口，或者另外单独设置一个进水口。

17.按照权利要求16所述的结晶塔，其特征在于：所述进水口连接有进水分布管，进水分布管上设置有若干喷嘴。

18.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述取热组件为列管式蒸发冷却器、板式热交换器、电制冷机组、燃气型溴化锂机组中的任一种。

19.按照权利要求1所述的结晶塔，其特征在于：所述下封头上的气体入口为一个或两个以上。