CN109915806B - 热法磷酸水化过程的余热利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热法磷酸水化过程的余热利用装置，主要包括水化塔、套管式蒸发器、汽包、管壳式换热器、循环酸泵、给水泵以及中间连接管道，水化塔的壁面为带有上下环形集箱的膜式水冷壁结构，套管式蒸发器由一组不同直径的环状套管式蒸发组件构成，不同直径的环形集气管连接成圆锥型构成水化塔的上封头，多根蒸发套管置于水化塔内上部与环形集气管和环形配水管连通，给水进入管壳式换热器内吸收高温浓磷酸的余热升温后进入汽包，然后通过下降管进入膜式水冷壁以及套管式蒸发器内，吸收水化塔内工艺气体的余热产生蒸汽，供外部热用户使用，从而提高整个生产工艺的余热回收效率，降低生产成本，经济效益显著。

Description

热法磷酸水化过程的余热利用装置

技术领域

本发明涉及热能回收与利用技术领域，尤其是一种热法磷酸水化过程的余热利用装置。

背景技术

磷酸作为重要的化工产品及中间体，广泛应用于食品、医疗、电子、生物化学等领域。工业磷酸生产有两种不同的方法，一种是湿法，其中原料氟磷灰石(CA3(PO4)2·CAF2)与浓硫酸反应生成磷酸和硫酸钙以及其他不溶性杂质；另一种是热法，其中原料CA₃(PO₄)₂在热的作用下被还原成磷，并在1800-3000K的空气中燃烧，然后五氧化二磷被水化合成磷酸，热法能产生高浓度高纯度的磷酸，但需要高能量的消耗。从单质磷出发生产热法磷酸的技术可分为燃烧水合一步法流程和燃烧水合二步法流程，一步法流程的特点是磷的燃烧与五氧化二磷的水化在同一设备中进行，二步法流程的特点是磷的燃烧与五氧化二磷的水化分别在燃烧塔与水化塔中进行。在热法磷酸二步法技术中，燃磷塔、水化塔以及排出的浓磷酸存在大量的余热可供利用。传统的热法磷酸燃烧塔与水化塔塔壁均采用水冷夹套结构，燃烧热和水合热通过夹套的冷却水带走，浓磷酸利用板式换热器进行冷却。

由清华大学和云南省化工研究院申请的发明专利【公开号：CN1355133A】中提出能有效回收磷燃烧反应热副产工业蒸汽生产技术，其余热利用效率可到达60％，在这之后不断对该余热利用技术进行改进。由常州大学申请的发明专利【公开号：CN105967160A】中提出的具有辐射对流受热面的热法磷酸余热利用装置，利用增加对流换热面降低气体出口温度，进一步提高热能利用效率，但是排出燃烧塔的工艺气体温度仍然达到600℃以上，目前该部分热量未得到有效回收利用。

现有的热法磷酸生产工艺中余热回收利用技术主要存在的不足与问题：

1、余热回收利用不充分：进入水化塔的气体温度达到550～600℃，水化塔的塔壁为水夹套结构，水化塔的余热由夹套内冷却水和浓磷酸带走，热量完全没有利用；这部分余热占到整个系统热量的20％以上。燃磷塔的燃烧热利用装置的研究已经较为成熟，而水化塔以及浓磷酸余热回收利用的相关研究较少。

2、冷却系统设备复杂：目前热法磷酸生产技术中水化塔部分采用水冷夹套冷却，而大量的循环冷却水又需要安装冷却塔对其冷却，增加了设备的复杂性，提高了产品的成本。

3、水电消耗量大：大量循环冷却水在冷却系统中循环使用，循环水泵需要消耗大量的电，同时循环水冷却因蒸发、风吹、渗漏、排污等原因需要不断补充，水电消耗量较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种热法磷酸水化过程的余热利用装置，在保证不影响磷酸产量的同时，利用水化过程中的热量产生蒸汽，达到余热的充分回收利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热法磷酸水化过程的余热利用装置，包括水化塔、套管式蒸发器、汽包、管壳式换热器、下降管、导气管、循环酸泵、给水泵以及分流器，所述水化塔的塔体内壁设有膜式水冷壁，水化塔上端安装有环形集气箱，环形集气箱上方设有气体入口管，水化塔下端安装有环形配水箱，水化塔的塔体壁上部安装有喷酸雾化器，水化塔底部通过下封头固连有浓磷酸出口管，水化塔的塔体壁下端连接有尾气出口管；

所述膜式水冷壁包括翅片、与翅片交替焊接成筒形膜式结构的换热管，翅片上端与环形集气箱连接，翅片下端与环形配水箱连接，换热管上端与环形集气箱连通，换热管下端与环形配水箱连通；

所述套管式蒸发器具有多个不同直径的环状套管蒸发组件，所述的环状套管蒸发组件包括：多根由内管和外管构成的蒸发套管、环形集气管和环形配水管，环形配水管置于环形集气管上部，蒸发套管环向分布，其中外管上端与环形集气管的底部连通，外管下端封闭并置于水化塔内；内管置于外管的内部中心，内管上端穿过环形集气管与环形配水管底部连通，内管下端接近外管底部且与其连通，

所述的汽包包括设置在水化塔上方的汽包体，汽包体上安装有排气管、给水接管、循环水出口管和导气进管；

所述的管壳式换热器：具有横置的壳体，壳体内轴向排列安装有换热管，壳体底部设有与给水泵出口管路连通的给水进管、与循环酸泵进口连通的磷酸出口管，循环酸泵出口与喷酸雾化器管路连通，壳体顶部固连有与汽包的给水接管连通的出水管、与水化塔上的浓磷酸出口管连通的磷酸进口管，

所述分流器设置在气体入口管底部，分流器上部中心布有进水管，分流器下侧环向布有多根导气出口管。

具体说，所述的下降管包括：连接汽包与环形配水箱的下降管一、连接汽包与环形配水管的下降管二、连接汽包与分流器进水管的下降管三；所述导气管包括：连接汽包与环形集气箱的导气管一、连接汽包与套管式蒸发器的导气管二、连接汽包与分流器导气出口管的导气管三。

进一步地，所述的管壳式换热器的壳体内设有间距分布的多个折流板，所述折流板与换热管垂直，壳体底部中间位置固连有排污管，排污管两侧的壳体上分别安装有支座。

为提高装置安装稳定性，所述的水化塔的塔体底部设置有支撑裙座。

本发明的有益效果是：本发明具有如下技术效果：

1、提高余热回收效率；本发明将现有生产装置中的水化塔塔壁的水冷夹套改为膜式水冷壁受热面，水化塔内部布置套管式蒸发器，并在水化塔上方放置一个汽包，用下降管和导气管将上述几个部分连通起来，将原来的板式换热器换为管壳式换热器，利用排出的高温浓磷酸来加热给水再送入汽包，以此达到高效利用水化塔内的余热来产生工业蒸汽，使整个热法磷酸生产工艺余热回收效率可达80％以上，同时减少了热污染。

2、强化水化反应过程；现有技术中，水化塔中的工艺气体大部分集中在顶部和中心，磷酸喷雾与五氧化二磷气体进行水化反应不充分。本发明在水化塔的气体入口管底部安装一个分流器，使进入水化塔内的气体扩散到水化塔外围，在水化塔的塔体壁与套管式蒸发器的蒸发套管壁面之间进行膜状式水化反应，因此在提高余热回收效率的同时，也强化了工艺气体与稀磷酸水化反应过程。

3、节约水电、简化设备、减低成本；现有技术中，水化塔塔体壁为水冷夹套结构，水化塔的热量通过水冷夹套中的冷却水带走，高温浓磷酸余热的通过板式换热器冷却降温也由冷却水带走；循环冷却水需要安装冷却装置进行冷却后循环使用，这样余热未得到利用还增加了系统设备的复杂性。而本发明在不影响磷酸产量的情况下即可对余热进行高效回收利用，在大幅节约水电的同时，简化设备，降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中“A-A”的剖视放大结构示意图；

图3是本发明所述套管式蒸发器的结构示意图；

图4是图3中“Ⅰ”处的局部放大结构示意图。

图中：1.水化塔；2.套管式蒸发器；3.汽包；4.管壳式换热器；7.循环酸泵；8.给水泵；9.分流器；11.气体入口管；12.环形集气箱；13.膜式水冷壁； 14.环形配水箱；15.下封头；16.浓磷酸出口管；17尾气出口管；18.喷酸雾化器；121.导气连接管；131.翅片；132.换热管；141.循环水接管；21.蒸发套管； 22.环形集气管；23.环形配水管；24.进水进管；25.导气出管；26.环形隔板； 211.内管；212.外管；31.汽包体；32.排气管；33.给水接管；34.循环水出口管；35.导气进管；41.壳体；42.换热管；43折流板；44.磷酸出口管；45.给水进管；46.排污管；47.支座；48.磷酸进口管；49.出水管；51.下降管一；52. 下降管二；53.下降管三；61.导气管一；62.导气管二；63.导气管三；91.进水管；92.导气出口管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～图4所示的一种热法磷酸水化过程的余热利用装置，包括：水化塔 1、套管式蒸发器2、汽包3、管壳式换热器4、下降管、导汽管、循环酸泵7、给水泵8及分流器9。

所述水化塔1的塔体内壁设有膜式水冷壁13，水化塔1上端安装有环形集气箱12，环形集气箱12上方设有气体入口管11，水化塔1下端安装有环形配水箱14，环形集汽箱12上布有多个与其连通的导气连接管121，环形配水箱14 上布有多个与其连通的循环水接管141，水化塔1的塔体壁上部安装有喷酸雾化器18，水化塔1底部通过下封头15固连有浓磷酸出口管16，水化塔1的塔体壁下端连接有尾气出口管17，水化塔1的底部还设置有支撑裙座，以提高装置整体安装的稳定性。

所述膜式水冷壁13包括翅片131、与翅片131交替焊接成筒形膜式结构的换热管132，翅片131上端与环形集气箱12连接，翅片131下端与环形配水箱 14连接，换热管132上端与环形集气箱12连通，换热管132下端与环形配水箱 14连通。

所述套管式蒸发器2包括环状的套管蒸发组件，套管蒸发组件包括多根不同直径的蒸发套管21、环形集气管22和环形配水管23，蒸发套管21具有内管 211和外管212，环形配水管23置于环形集气管22上部，蒸发套管21沿环向分布，其中外管212上端与环形集气管22的底部固定并连通，外管212下端封闭并置于水化塔1内；内管211置于外管212内部中心，内管211上端穿过环形集气管22与环形配水管23底部固定并连通，内管211下端接近外管212底部并与外管212连通，环形配水管23上连接有进水进管24，环形集气管22上连接有导气出管25。

上述多个不同直径的环形集气管22与环形隔板26连接成锥形封头置于水化塔1上部，其中直径最大的环形集气管22底部通过环形隔板26与水化塔1 上的环形集气箱12连接，直径最小的环形集气管22通过环形隔板26与气体入口管11连接。

所述的汽包3包括设置在水化塔1上方的汽包体31，汽包体31上安装有排气管32、给水接管33、循环水出口管34和导气进管35。

所述的管壳式换热器4：具有横置的壳体41，壳体41内轴向排列安装有换热管42和多个间距分布的折流板43，所述折流板43与换热管42垂直，壳体4 底部设有与给水泵8出口管路连通的给水进管45、与循环酸泵7进口连通的磷酸出口管44，位于循环酸泵7与磷酸出口管44之间的管路上设置成品酸出口。循环酸泵7出口与喷酸雾化器18管路连通，壳体41顶部固连有与汽包3的给水接管33连通的出水管49、与水化塔1上的浓磷酸出口管16连通的磷酸进口管48，同时在壳体41底部中间位置固连有排污管46，排污管46两侧的壳体41 上分别安装有支座47。

所述分流器9为薄壁空心回转体，该分流器9通过下降管和导气管吊装在气体入口管11的底部，分流器9上部中心布有进水管91，分流器9下侧环向布有多根导气出口管92。

所述下降管包括：下降管一51、下降管二52和下降管三53，所述下降管一51、下降管二52以及下降管三53的上端均与汽包3上对应的循环水出口管 34连通，下降管一51的下端与环形配水箱14上的循环水接管141连通，下降管二52的下端与环形配水管23上的进水进管24连通，下降管三53下端与分流器9上的进水管91连通。

所述导气管包括：导气管一61、导气管二62、导气管三63，所述导气管一 61、导气管二62以及导气管三63的上端均与汽包3上对应的导气进管35连通，导气管一61的下端与水化塔1的环形集汽箱12上的导气连接管121连通，导气管二62的下端与环形集汽管22上的导气出管25连通，导气管三63的下端与分流器9的导气出口管92连通。

上述回收装置的受热部分包括水化塔1塔壁对流受热段、水化塔1顶部和内部对流受热段，其中水化塔1塔壁的对流受热段包括膜式水冷壁13、环形集气箱12及环形配水箱14，水化塔1顶部和内部的对流受热段包括分流器9、蒸发套管21、环形集气管22。

热法磷酸水化过程余热利用装置的汽水流程：给水在管壳式换热器4中加热后被输送到汽包3内。水化塔1的膜式水冷壁13受热面部分：汽包3内的水经过下降管一51引入到水化塔1下部的环形配水箱14，再分配进入换热管132，管道内的水被加热汽化，汽水混合物在浮力的作用下，进入到环形集气箱12，由导气管一61引入到汽包3内；套管式蒸发器2部分：汽包3内的水经过下降管二52输送到环形配水管23，再分配到各个内管211输送到外管212底部，外管211内部的水被加热产生汽水混合物，在浮升力作用下到环形集气管22，之后再由导气管二62到达汽包3内；分流器9部分：汽包3内的水经过下降管三 53到达分流器9，加热产生汽水混合物后通过导气管三63输送到汽包3内。进入汽包3的汽水混合物通过汽水分离器将水汽分离开，水回到汽包3下部的水空间进入下一个水循环，饱和蒸汽通过排气管32输送到外部供热用户使用。

热法磷酸水化过程余热利用装置的水化及酸循环过程：含有五氧化二磷的工艺气体在水化塔1内与稀磷酸雾进行热质交换完成水化反应过程，水化生成的浓磷酸排出水化塔1，高温浓磷酸经管道进入管壳式换热器4冷却后，一部分浓磷酸作为成品酸供出，另一部分加水稀释作为循环酸被送入水化塔1内的喷酸雾化器18后，与水化塔1内的气体进行水化。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种热法磷酸水化过程的余热利用装置，包括水化塔、套管式蒸发器、汽包、管壳式换热器、下降管、导气管、循环酸泵、给水泵以及分流器，其特征是：所述水化塔的塔体内壁设有膜式水冷壁，水化塔上端安装有环形集气箱，环形集气箱上方设有气体入口管，水化塔下端安装有环形配水箱，水化塔的塔体壁上部安装有喷酸雾化器，水化塔底部通过下封头固连有浓磷酸出口管，水化塔的塔体壁下端连接有尾气出口管；

所述膜式水冷壁包括翅片、与翅片交替焊接成筒形膜式结构的换热管，翅片上端与环形集气箱连接，翅片下端与环形配水箱连接，换热管上端与环形集气箱连通，换热管下端与环形配水箱连通；

所述套管式蒸发器具有多个不同直径的环状套管蒸发组件，所述的环状套管蒸发组件包括：多根由内管和外管构成的蒸发套管、环形集气管和环形配水管，环形配水管置于环形集气管上部，蒸发套管环向分布，其中外管上端与环形集气管的底部连通，外管下端封闭并置于水化塔内；内管置于外管的内部中心，内管上端穿过环形集气管与环形配水管底部连通，内管下端接近外管底部且与其连通；

所述的汽包包括设置在水化塔上方的汽包体，汽包体上安装有排气管、给水接管、循环水出口管和导气进管；

所述的管壳式换热器：具有横置的壳体，壳体内轴向排列安装有换热管，壳体底部设有与给水泵出口管路连通的给水进管、与循环酸泵进口连通的磷酸出口管，循环酸泵出口与喷酸雾化器管路连通，壳体顶部固连有与汽包的给水接管连通的出水管、与水化塔上的浓磷酸出口管连通的磷酸进口管；

所述分流器设置在气体入口管底部，分流器上部中心布有进水管，分流器下侧环向布有多根导气出口管；

所述的下降管包括：连接汽包与环形配水箱的下降管一、连接汽包与环形配水管的下降管二、连接汽包与分流器进水管的下降管三；

所述导气管包括：连接汽包与环形集气箱的导气管一、连接汽包与套管式蒸发器的导气管二、连接汽包与分流器导气出口管的导气管三。

2.如权利要求1所述的热法磷酸水化过程的余热利用装置，其特征是：所述的管壳式换热器的壳体内设有间距分布的多个折流板，所述折流板与换热管垂直，壳体底部中间位置固连有排污管，排污管两侧的壳体上分别安装有支座。

3.如权利要求1所述的热法磷酸水化过程的余热利用装置，其特征是：所述的水化塔的塔体底部设置有支撑裙座。

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