CN2804059Y - 高温浓硫酸稀释器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为应用在硫酸生产中对低温位的吸收热回收系统的高温浓硫酸稀释器，包括进酸结构和加水结构，其特征在于：所述进酸结构为一个与高温硫酸直接接触的是文氏管内件，文氏管内件的外径为圆直筒形。内径由三部分组成，分别为收缩段、喉管段和扩散段，喉管段壁上设有进水小孔，高温硫酸从文氏管内径经过。本实用新型是硫酸工业生产中低温回收的一个关键设备，以一个30万吨/年规模的生产装置计算，每年就有12万吨1Mpa压力的蒸汽可回收。以每吨蒸汽100元计，每年可产生经济效益1200万元，推广应用是符合我国能源发展的方向。

Description

高温浓硫酸稀释器

一、技术领域：

本实用新型为硫酸生产中对低温位的吸收热回收中一种装置，特别是公开在该段中高温浓硫酸稀释器。

二、背景技术：

硫酸行业发展至今，其生产工艺、生产技术已达成熟和完善。随着全球能源日趋紧张的形势，充分利用生产过程中的余热，是工业化生产中的重要部分。而硫酸生产过程中从单质硫被氧化成SO₂，再氧化为SO₃，然后被水吸收成为硫酸，这三步主要反应均是放热反应。根据反应后的温度分别划为高温位、中温位和低温位余热。目前国外利用回收技术把这三部分的余热回收已达到工业化程度，使余热回收率达到95％以上。而国内目前对高中温余热回收在技术、材料和设备上均达工业化程度，技术水平和国际同行接近，回收率约为总余热的60～70％，但对低温位的吸收热的回收，国内目前尚是空白，国内硫酸行业对这部分余热回收的理论和机理均有认识，关键问题是材料和设备尚跟不上回收工艺技术的要求。

早在上世纪的八十年代，美国孟山都环境化学公司就已开发成功硫酸生产中的低温位余热回收技术，称其为HRS热量回收系统，并获得这项技术的专利权。在这个系统中也有一台高温浓硫酸的稀释器，其结构为“”形，下面二端分别进酸和进水。然后混合后进入垂直部分，进一步混合并吸收水，使酸浓得到稀释。众所周知，少量的水和浓硫酸接触，水会迅速发热、汽化而产生爆炸现象，受到设备结构的限制，已至在用美国孟山都环境化学公司的高温浓硫酸稀释器，在加入水的时候，会产生很大的振动和噪音，由于加入的水分散性不好，液滴大，汽化后不能很快和浓酸混合被吸收，而需要有一定的时间才能达到稀释酸的均匀相，从而造成设备较大，同时为防止设备因振动、摇晃而造成设备的疲劳损坏，尽管采用很多外加的固定架和支撑来稳固稀释器，但只能治表不能治根，成为生产经营者必须随时关心的重点。

三、发明内容：

本发明主要是针对浓硫酸稀释装置的结构和材料方面作了合理的设计，以达到最小程度的设备振动，并在极短的时间内达到最大程度的水酸混合。众所周知，在向浓硫酸中加入水的情况下，特别是向温度高达摄氏200℃的浓硫酸中加水，水会迅速受热汽化，体积瞬间膨胀1500多倍，产生爆炸现象(可以产生比向滚油锅里加入水滴而产生爆溅现象更加激烈的情况)，同时在激烈汽化过程中，水被浓硫酸吸收，吸收水后的浓硫酸的浓度下降，这样造成局部区域酸的浓度不均匀，为解决向200℃的浓硫酸中加水得到均相的稀硫酸，同时要避免其激烈的反应，被加入的水能否瞬间被粉碎成微滴是关键的第一步。水的液滴越小，与浓酸接触时其反应能量越小，从而造成设备振动也越小；液滴越小，和浓酸接触面越大，越迅速被酸吸收。第二步是吸收了水的稀酸和尚未吸收过水的浓酸一定要混合得好，并且要求在很短的时间内完成，这是因为稀酸和浓酸对材料的腐蚀机理和性质是完全不同的，混合不好，对设备选材会带来很大的困难。本发明是这样实现的：一种应用于硫酸生产中对低温位的吸收热回收系统的高温浓硫酸稀释器，包括进酸结构和加水结构，其特征在于：所述进酸结构为一个与高温硫酸直接接触的是文氏管内件，文氏管内件的外径为圆直筒形。内径由三部分组成，分别为收缩段、喉管段和扩散段，喉管段壁上设有进水小孔，高温硫酸从文氏管内径经过。本发明采用文氏管形式来达到粉碎水滴和使非均匀的酸混合变成均相酸的方法来达到减轻减小浓酸稀释时的激烈反应。同时在文氏管的结构和造材上也具有独特的设计构思和合理应用高新材料，发明内容有以下几点：

(1)高温浓硫酸稀释器采用文氏管形式，充分利用文氏管在粉碎、吸收和混合方面的特点。

(2)用于文氏管的材料必须要经得住在200℃高温的条件下，加水时产生的激烈反应及耐各种浓度硫酸腐蚀。采用高等级Al₂O₃特种陶瓷，利用其耐温、耐腐蚀及强度高的特点来满足上述的特殊工况条件。

(3)在加水结构上采用独特的设计方法，在文氏管喉管段外侧用聚四氟乙稀环形凹槽和喉管共同形成环形水腔，同时采用聚四氟乙稀密封环和填料来密封加水环形槽。

(4)高温浓硫酸稀释器的外壳采用特殊合金钢和聚四氟乙稀内衬，来保证整个稀释器的强度和防止泄露。

本实用新型的有益效果是：

中国是世界产酸大国，硫酸产量目前是世界第一。硫酸生产有大量热能产生，硫酸工业的先进性不仅体现在工艺技术上，余热回收率是体现其先进性的另一面。当前国际上硫酸生产过程中的余热回收率可以做到95％以上，而国内目前在硫酸生产的技术面上和国外基本同步，但在余热回收技术面上只能维持在65％左右，也就是说每生产一吨硫酸，少回收1Mpa压力的蒸汽0.4吨。以一个30万吨/年规模的生产装置计，每年就有12万吨1Mpa压力的蒸汽可回收。以每吨蒸汽100元计，每年可产生经济效益是1200万元。

本稀释器是硫酸工业生产中低温回收的一个关键设备，它能控制和调节整个系统硫酸的浓度，否则整个生产工艺系统就不能正常运转，在生产工艺系统中有自动化的仪表控制，监视硫酸的浓度，当硫酸浓度上升时，相应的会有浓度信号产生，由DCS系统发出加水稀释浓硫酸指令。本设备就是在接受到加水信号后，打开或调节进水阀，使水进入到高温浓硫酸中，达到稀释浓硫酸，使其维持在一个工艺需要的硫酸浓度的指标范围内。

四、附图说明：

图为本实用新型结构图。

图中：1、文氏管内件；2、环型凹槽；3、密封环；4、外管；5、防腐内衬；6、填充料。

五、具体实施方式：

向温度高达摄氏200℃的浓硫酸中加入水来稀释浓硫酸的这个过程是一个激烈反应的过程，其中还有一个酸浓不稳定的过程。普通的金属和非金属耐腐材料是绝对经不住摄氏200℃的浓硫酸的腐蚀的，而酸浓不稳定使高温硫酸腐蚀机理变得更为复杂。国内尚未有这类设备成功用于工业化装置中的报导。本发明就是根据这样的特殊工况条件，采用有针对性的多层材料和独特的结构设计成的专门用于高温高浓度硫酸的硫酸稀释器。

其工作原理是：高温浓硫酸以一定的速度进入到本稀释器的收缩段，在这里，硫酸的流速被快速提高十几倍，流体内的动能也急速聚敛，当到达喉管处时，其流速和动能达到最高值，同时快速的流体与管壁形成负压。按工艺要求加入的稀释水从进水口进来先到环腔中，在水的原有压力和局部负压的双重作用下，顺利通过喉管壁上的小孔进入到具有高动能、高速流动的浓硫酸中。由于水和酸的体积比仅为1％左右，且两种液体流动方向正好是垂直相交，通过小孔的水会被高速流动的酸切割和粉碎，分散成直径很微小的水滴，微颗粒的水和硫酸接触，瞬间汽化，同时被吸收，因水量少，产生的爆炸力度也会减弱，从而根除造成设备在稀释时的巨大振动，同样因水量少，汽化、吸收的时间会变得更为迅速。经过喉管段后，随即进入到扩散段，在这里，酸的流速会由快到慢，流体所携带的动能也由大到小，这也是一个能量释放过程。多余的动能会使酸的流动变成相当激烈的涡流状态。在这种涡流状态下，酸浓不等的非均相会被很好的混合，当高温浓酸和水进入和通过本稀释器后，也就完成了整个高温浓硫酸稀释的工艺过程。

为保证上述过程的实现，本稀释器有下面的几点具体的实施方法：

①、与高温硫酸直接接触的文氏管内件1，其外面为圆直筒形，内径由三部分组成，分别为收缩段、喉管段和扩散段，喉管段壁上开有进水小孔。使通过的高温硫酸的流速有一个由慢提速到快，再减速到慢的过程。同时也使流体所携带的能量有一个聚敛和释放的过程。本发明的要点就是利用酸的变速和能量变化，使加入的水被高温浓酸切割、粉碎、吸收和非均相浓度的酸充分混合得到所要求的产品酸。文氏管内件的材料选用高等级的Al₂O₃特种陶瓷。材料在耐温、耐酸及强度方面是能满足稀释器的特殊工况要求的。但目前受加工工艺的限制，只能做成简单的几何形状。

②、因在喉管壁径向环线上开有多个进水小孔，而总进水管只有一个，为使水从外经总管再通过小孔进入到高速流动的高温浓硫酸中，本设计采用一个特殊的加水结构：在加水管段内设计一个环形凹槽2，并和外钢壳4设计为一体。环形凹槽和喉管外壁共同形成环形水腔。环形凹槽由聚四氟乙烯制成，为防止渗漏，设计有多道密封环3，密封环的材料采用聚四氟乙烯，膨胀空隙用耐温耐腐蚀材料称为填充料6填充。

③、金属外管4需要加防腐内衬5形成防腐层，外管材料采用特殊合金钢制成，内衬材料采用聚四氟乙烯。

④、整台稀释器有一个支架，稀释器和支架之间有橡胶防震垫，便于防震和整体安装。

Claims (4)

1、一种应用于硫酸生产中对低温位的吸收热回收系统的高温浓硫酸稀释器，包括进酸结构和加水结构，其特征在于：所述进酸结构为一个与高温硫酸直接接触的是文氏管内件，文氏管内件的外径为圆直筒形，内径由三部分组成，分别为收缩段、喉管段和扩散段，喉管段壁上设有进水小孔，高温硫酸从文氏管内径经过。

2、根据权利要求1所述的高温浓硫酸稀释器，其特征在于：所述文氏管内件圆直筒形外围设有内衬防腐层的金属外管，文氏管内件与金属外管间空隙设置密封环，密封环间隔内填充耐温耐腐蚀材料。

3、根据权利要求1或2所述的高温浓硫酸稀释器，其特征在于：所述的文氏管内件喉管段壁上的进水小孔开有多个，分布在文氏管壁径向环线上，总进水管只有一个，总进水管从金属外管进入设有特殊的进水结构，即在金属外管与文氏管内件间空隙内有一个环形凹槽，环形凹槽和喉管外壁共同形成环形水腔。

4、根据权利要求3所述的高温浓硫酸稀释器，其特征在于：所述的环形凹槽材料采用聚四氟乙稀，文氏管内件材料采用Al₂O₃特种陶瓷，金属外管采用不锈钢，防腐层内衬材料采用聚四氟乙稀。