CN113003544A - 用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管。所述文氏管的特征是具有：收敛部分(20)、喉部部分(30)和发散部分(40)；以及在它的顶部处的第一管道(21)，包含三氧化硫的热处理气体通过该第一管道(21)而被引入。而且，文氏管具有：用于通过与三氧化硫气流并流地喷射硫酸而引入硫酸的装置(22)；管道(52)，用于抽取液体部分；以及管道(51)，用于抽取气体部分。作为本发明的基本部分，内部装置(60)位于发散部分(40)中或该发散部分(40)的下面，该内部装置(60)是筛盘、多文氏管阵列或自支承圆顶，特征是具有凸形形状。

Description

用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管

本发明涉及一种用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管，其中，文氏管的特征是有收敛部分、喉部部分和发散部分，并有在它的顶部处的第一进口(包含三氧化硫的热处理气体通过该第一进口而引入)，还有用于与三氧化硫气流并流地喷射硫酸的装置、用于抽取液体部分的第一出口和用于抽取气体部分的第二出口、以及在发散部分中的内部安装件。

硫酸是具有化学式H₂SO₄的硫化合物。它是油性的、非常粘稠和吸湿的液体，在室温下无色，是最强的酸之一，具有很高的腐蚀性。

用于硫酸生产的起始物质大部分是元素硫，该元素硫在天然气和原油的脱硫或软化过程中大量获得，例如通过Claus方法来生产硫。这样获得的硫与空气中存在的氧气燃烧，从而获得二氧化硫(SO₂)：

S+O₂→SO₂

然后通过通常利用钒催化剂的多相催化，由二氧化硫来产生三氧化硫(SO₃)。

用于生产硫酸的另一起始物质是由硫化矿石进行火法冶金生产有色金属(例如铜、锌、镍、铅、钼)的废气。

这样获得的三氧化硫随后通过在浓硫酸中吸收而转变成硫酸(H₂SO₄)，这导致中间形成焦硫酸(H₂S₂O₇)。包含和/或添加的水(H₂O)导致形成硫酸的反应：

SO₃+H₂SO₄→H₂S₂O₇

H₂S₂O₇+H₂O→2H₂SO₄

这种方法并不是利用100％的硫酸，而是利用98-99.6％的H₂SO₄，取决于处理参数和共沸混合物的位置。其余的是水。

显然，目前的单个硫酸设备的生产能力很大，且将来由于经济原因还将更大，因为更大的单生产线设备生产每吨酸的成本更低。目前最大的设备规模为大约5000mtpd的Mh(每天多少公吨的一水合物(Mh＝100％H₂SO₄))。因此，倾向于有更大的设备，尽管有更高的操作/应用风险。

特别是在非常大的设备中，热回收概念是提高设备的经济效益的一个主要方面。

用于从吸收部分回收热量的方法实例可在WO2006/087150A2和WO2016/096867A1中找到，该方法涉及用于通过从接触气中浓缩硫酸而除去SO₃的两级吸收装置的布置方式，还涉及相关的酸冷却器。

为了在硫酸中吸收SO₃，通常至少将一级限定为文氏管吸收器。这种设计能够在文献GB1252363、US3944401和DE2255029中找到。由于较大的气体和液体流，且基于较大的喉尺寸以及液体均匀分布至气体中将变得更复杂而最终不足以保证SO₃气体的特定的所需吸收效率，人们必然预计到文氏管类型吸收器的吸收效率降低。

图1表示了基于应用标准文氏管尺寸的吸收效率的标准化/规则化损失，未考虑液体或气体的不均匀流动分布。

不过，通过文氏管预吸收器进入这种后吸收器的SO₃越多，需要向所述后吸收器供给的冷酸(通常为98.5％的H₂SO₄，温度为大约80℃)越多，以便使得系统保持所希望的平衡。这又将导致热酸从系统预吸收器更大地排出(通常99.5％的H₂SO₄，温度为200℃)，以便保持总体SO₃平衡，而不管供给系统的SO₃和H₂O的量如何。更大的冷酸供给需求导致低压蒸汽生产的可用能量的损失。

总结起来，更大的硫酸设备遭受更低的蒸汽的产生，即更低的能量回收，因此有更高成本/更低收入。显然，这种效率损失将不利于硫酸设备的热回收系统的总体能源效率。因此，大型设备至少部分损失通过由规模经济来节省资金成本而带来的优势。

因此，本发明的任务是使得系统对于在文氏管(预吸收器)处的SO₃吸收的效率最大，因此使得低压蒸汽产生的能量损失最小。

该任务利用具有权利要求1的特征的文氏管吸收器管来解决。

这种用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管的特征是有收敛部分(20)、喉部部分(30)和发散部分(40)。参见图2。包含三氧化硫(21)的热处理气体通过第一进口来引入。而且，文氏管包括喷射单元(22)，用于喷射硫酸，优选是与三氧化硫气流并流地喷射。通过第一出口(52)来抽取液体部分，而气体部分通过第二出口(51)来抽取。为了增加文氏管的效率，内部装置(60)位于发散部分中或该发散部分的下面。

重要的是，该装置是筛盘、多文氏管阵列或自支承圆顶(具有凸形形状)。凸形形状导致流体进入该装置的、局部分解的不同进入点。因此，流体流的进入在发散部分的中部处比在它的边界处更早。考虑到在发散部分中的典型速度分布，在高速度位置的速度限制较高，而在低流速边界区域的限制较低。

因此，本发明的主题是在较大的酸设备生产能力下保持相对便宜的文氏管装置，尽管在大尺寸下效率降低，但是通过引入附加的集成装置来补偿所述损失。所述装置不仅能够补偿所述损失，还令人惊讶地在未吸收的SO₃从该预吸收器滑移(渗透)方面(显然，这里排除了根据蒸汽压力的气体SO₃)使得文氏管类型预吸收器的效率提高至两倍。由于该原因，当前可获得的吸收效率将显著增加，而不管设备尺寸如何。

优选是，在发散部分中预计装置的有效开口面积在40％和80％之间，优选是在50％和70％之间。开口面积是反映孔占据板材多少的比率，通常用百分数表示。例如，当开口板材的开口面积是30％时，意味着板材的30％是孔，而板材的70％是材料。给定的比率导致最大的湍流，因此导致更高的吸收率。

在另一或补充实施例中，文氏管吸收器管的特征是在喉部部分和发散部分之间的角度α在5°与20°之间，优选是在7°与15°之间。另外地或者替代地，在喉部部分和收敛部分之间的角度β在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间。在典型的操作参数下，这些值保证非常好的气体侧传质系数，因此保证最佳的吸收率。

而且，特别优选是，根据本发明的文氏管吸收器管具有在喉部部分的向下出口和装置的最大值之间的理想距离L_d,ideal，其定义为

因此，使用的参数限定如下：

D_t：喉部部分的直径

L_d：在喉部的下端和装置的上部开始处之间的长度

α：在喉部部分和发散部分之间的角度

v_t：在喉部部分的下端处的气流速度

os：装置的开口面积比率

优选是距离L_d在0.8L_d,ideal和1.2L_d,ideal的范围内，特别优选是在0.9L_d,ideal和1.1L_d,ideal的范围内。

将装置安装在发散部分内的限定位置处的优点是，速度分布完全在典型操作参数下发展，且由装置引起的附加湍流具有最大效果。因此优化了安装效率。

因此，安装装置的直径D_d,ideal能够限定为

优选是距离D_d在0.8D_d,ideal和1.2D_d,ideal的范围内，特别优选是在0.9D_d,ideal和1.1D_d,ideal的范围内。

作为安装装置的制造材料，最优选陶瓷材料，因为它提供了对于主要条件(酸浓度、高温)的很高抵抗力。

本发明还覆盖一种具有至少两个串联吸收级的吸收单元，优选是在用于生产硫酸的设备内。权利要求6的特征限定了这种吸收单元。重要的是，第一吸收级是文氏管吸收器管，它具有权利要求1-5中任意一项的特征，如上所述。将文氏管包含至该系统中能够有非常好的三氧化硫吸收率，特别是在较大生产能力的设备中。

在本文中，优选是，在文氏管下游的第二级是填充床。最优选是，气体通过该床向上流动，从而与在该第二级的顶部附近引入的硫酸逆流地流动。结果是实现了完全吸收。

本发明还包括一种具有权利要求8的特征的、用于吸收三氧化硫的方法。该方法使用如权利要求1至6中任意一项所述的文氏管。

为了最佳地使用修改的几何形状和它对速度分布的影响，在文氏管喉部(在它的端部处测量)和在发散部分中在长度L_D处的气体速度之间的比率在1.0与3.0之间，优选是在1.5和2.5之间，更优选是在1.7与2.3之间。这导致在通过安装装置后速度分布具有附加的湍流，而不会产生液滴或者至少不会产生太大的液滴。

从下面对示例实施例的说明以及附图将得出本发明的附加特征、优点和可能的应用。这里所述和/或以图形表示的所有特征都单独或者以任何合适组合地形成本发明的主题，而不管它们怎样在权利要求中组合或在它们引用的先前权利要求中组合。

附图示意表示了：

图1表示了在文氏管效率和喉部直径之间的相关性；

图2表示了根据本发明的文氏管设计；以及

图3表示了根据本发明的硫酸设备中的吸收系统。

如上所述。图1表示了文氏管的相对效率基于它的标准化喉部直径的下降过程。它清楚表示了效率随文氏管尺寸的增加而降低。

图2表示了根据本发明的文氏管10。其中，三氧化硫优选是在顶部上面通过管道21而添加至文氏管10的收敛部分20中。在该收敛部分中，还预计了用于引入硫酸22的装置，优选是喷射，其中，酸通过管道23来供给。根据本发明，所谓的收敛部分20并不完全收敛，而是只在它的下部部分中收敛，它在该下部部分处导入喉部部分20中。

喉部部分30的特征在于包括(基本)竖直向下的壁，并有宽度D_t。

发散部分40具有总长度L_b，且该发散部分40开口成与喉部部分30的角度为α。在它的最大宽度处，它具有宽度D_b，该宽度D_b也是储槽50的宽度。，通过管道51而从储槽50抽取气体部分，而液体部分通过管道51而取出。

本发明的基本思想是一个附加的内部装置60安装在发散部分内或发散部分的下面，它的特征是具有凸形形状，其形式为：在边界区域处至贮槽的距离比从所述装置60的中间至贮槽的距离更小。该装置可以设计为筛盘、多文氏管阵列、自支承圆顶等。它可以由陶瓷材料制成，或者由适合热浓硫酸条件和耐腐蚀的合金材料制成。

图3表示了用于硫酸的吸收器系统，该吸收器系统有根据本发明的第一吸收级105，特别是具有装置60。气体部分通过管道51而从那里导入第二吸收级70中。

优选是，该第二吸收级表示为填充床74，通过管道72和装置73而引入的硫酸滴通过该填充床74。通过用于引入酸的装置22和73而供给系统10的液体部分也可以组合或分开地抽取，优选是在第二吸收级70的下端处组合、通过管道71组合、或者通过管道52组合，而气体部分通过管道75排出。

第一吸收级10在升高的酸供给温度下操作，通常在180至230℃之间。产生的热量通常用于生成通常为4至12bar的饱和蒸汽。用于除去残留SO₃(由于预吸收装置的有限吸收效率而导致的蒸气压和滑移)的第二吸收级在大约80℃的较低酸供给温度下操作。

参考标号列表

10 文氏管，第一吸收级

20 收敛部分

21 管道

22 用于引入硫酸的装置

23 管道

30 喉部部分

40 发散部分

50 储槽

51 管道

52 管道

60 内部装置

70 第二吸收级

71、72 管道

73 用于引入硫酸的装置

74 填充床

75 管道

α 在喉部部分与发散部分之间的角度

D_t 喉部部分的直径

D_a 内部装置的直径

D_b 储槽的直径

L_d 在喉部的下端和装置的上部开始处之间的长度

L_b 发散部分的长度。

Claims (9)

1.一种用于在硫酸中吸收三氧化硫的文氏管吸收器管，其中，所述文氏管的特征是具有：收敛部分(20)、喉部部分(30)和发散部分(40)；在所述文氏管的顶部处的第一管道(21)，包含三氧化硫的热处理气体通过该第一管道(21)而被引入；用于通过与三氧化硫气流并流地喷射硫酸而引入硫酸的装置(22)；用于抽取液体部分的管道(52)；用于抽取气体部分的管道(51)；以及内部装置(60)，该内部装置(60)位于所述发散部分(40)中或所述发散部分(40)的下面；其特征在于，该内部装置(60)是筛盘、多文氏管阵列或自支承圆顶，所述自支承圆顶具有凸形形状。

2.根据权利要求1所述的文氏管吸收器管，其特征在于：内部装置(60)的有效开口空间比率在40％和80％之间，即比例为0.40至0.80，优选是在0.50和0.70之间。

3.根据权利要求1或2所述的文氏管吸收器管，其特征在于：在喉部部分(30)和发散部分(40)之间的角度α在5°和20°之间，优选是在7°和15°之间，和/或在喉部部分(30)和收敛部分(20)之间的角度β在15°和45°之间。

4.根据前述任意一项权利要求所述的文氏管吸收器管，其特征在于：在喉部部分(30)和内部装置(60)之间的距离L_d设定在0.8L_d,ideal和1.2L_d,ideal的范围内，其中，L_d,ideal限定为

其中，D_t：喉部部分(30)的直径

L_d：在喉部(30)和内部装置(60)之间的长度

α：在喉部部分(30)和发散部分(40)之间的角度α

v_t：在喉部部分(30)处的气流速度

os：内部装置(60)的开口空间比率。

5.根据前述任意一项权利要求所述的文氏管吸收器管，其特征在于：内部装置(60)由陶瓷材料制成。

6.用于生产硫酸的设备，其中，在至少两个吸收级(10、70)中吸收气体三氧化硫，其特征在于，第一吸收级(10)是具有权利要求1至5中任意一项的特征的文氏管吸收器管。

7.根据权利要求6所述的用于生产硫酸的设备，其特征在于：第二吸收级(70)是填充床。

8.一种用于生产硫酸的方法，其特征在于：在根据权利要求1至5中任意一项的文氏管吸收器管中吸收气体三氧化硫。

9.根据权利要求6所述的用于生产硫酸的方法，其特征在于：在文氏管喉部部分中的气体速度和在装置(5)下面的速度之间的比率在0.5和1.5之间。

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