專利名稱：高溫濃硫酸稀釋器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為硫酸生產(chǎn)中對低溫位的吸收熱回收中一種裝置，特別是公開在該段中高溫濃硫酸稀釋器。
二背景技術(shù)：
硫酸行業(yè)發(fā)展至今，其生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)成熟和完善。隨著全球能源日趨緊張的形勢，充分利用生產(chǎn)過程中的余熱，是工業(yè)化生產(chǎn)中的重要部分。而硫酸生產(chǎn)過程中從單質(zhì)硫被氧化成SO2，再氧化為SO3，然后被水吸收成為硫酸，這三步主要反應(yīng)均是放熱反應(yīng)。根據(jù)反應(yīng)后的溫度分別劃為高溫位、中溫位和低溫位余熱。目前國外利用回收技術(shù)把這三部分的余熱回收已達(dá)到工業(yè)化程度，使余熱回收率達(dá)到95％以上。而國內(nèi)目前對高中溫余熱回收在技術(shù)、材料和設(shè)備上均達(dá)工業(yè)化程度，技術(shù)水平和國際同行接近，回收率約為總余熱的60～70％，但對低溫位的吸收熱的回收，國內(nèi)目前尚是空白，國內(nèi)硫酸行業(yè)對這部分余熱回收的理論和機理均有認(rèn)識，關(guān)鍵問題是材料和設(shè)備尚跟不上回收工藝技術(shù)的要求。
早在上世紀(jì)的八十年代，美國孟山都環(huán)境化學(xué)公司就已開發(fā)成功硫酸生產(chǎn)中的低溫位余熱回收技術(shù)，稱其為HRS熱量回收系統(tǒng)，并獲得這項技術(shù)的專利權(quán)。在這個系統(tǒng)中也有一臺高溫濃硫酸的稀釋器，其結(jié)構(gòu)為“”形，下面二端分別進(jìn)酸和進(jìn)水。然后混合后進(jìn)入垂直部分，進(jìn)一步混合并吸收水，使酸濃得到稀釋。眾所周知，少量的水和濃硫酸接觸，水會迅速發(fā)熱、汽化而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，已至在用美國孟山都環(huán)境化學(xué)公司的高溫濃硫酸稀釋器，在加入水的時候，會產(chǎn)生很大的振動和噪音，由于加入的水分散性不好，液滴大，汽化后不能很快和濃酸混合被吸收，而需要有一定的時間才能達(dá)到稀釋酸的均勻相，從而造成設(shè)備較大，同時為防止設(shè)備因振動、搖晃而造成設(shè)備的疲勞損壞，盡管采用很多外加的固定架和支撐來穩(wěn)固稀釋器，但只能治表不能治根，成為生產(chǎn)經(jīng)營者必須隨時關(guān)心的重點。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是針對濃硫酸稀釋裝置的結(jié)構(gòu)和材料方面作了合理的設(shè)計，以達(dá)到最小程度的設(shè)備振動，并在極短的時間內(nèi)達(dá)到最大程度的水酸混合。眾所周知，在向濃硫酸中加入水的情況下，特別是向溫度高達(dá)攝氏200℃的濃硫酸中加水，水會迅速受熱汽化，體積瞬間膨脹1500多倍，產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象(可以產(chǎn)生比向滾油鍋里加入水滴而產(chǎn)生爆濺現(xiàn)象更加激烈的情況)，同時在激烈汽化過程中，水被濃硫酸吸收，吸收水后的濃硫酸的濃度下降，這樣造成局部區(qū)域酸的濃度不均勻，為解決向200℃的濃硫酸中加水得到均相的稀硫酸，同時要避免其激烈的反應(yīng)，被加入的水能否瞬間被粉碎成微滴是關(guān)鍵的第一步。水的液滴越小，與濃酸接觸時其反應(yīng)能量越小，從而造成設(shè)備振動也越??；液滴越小，和濃酸接觸面越大，越迅速被酸吸收。第二步是吸收了水的稀酸和尚未吸收過水的濃酸一定要混合得好，并且要求在很短的時間內(nèi)完成，這是因為稀酸和濃酸對材料的腐蝕機理和性質(zhì)是完全不同的，混合不好，對設(shè)備選材會帶來很大的困難。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)中對低溫位的吸收熱回收系統(tǒng)的高溫濃硫酸稀釋器，包括進(jìn)酸結(jié)構(gòu)和加水結(jié)構(gòu)，其特征在于所述進(jìn)酸結(jié)構(gòu)為一個與高溫硫酸直接接觸的是文氏管內(nèi)件，文氏管內(nèi)件的外徑為圓直筒形。內(nèi)徑由三部分組成，分別為收縮段、喉管段和擴散段，喉管段壁上設(shè)有進(jìn)水小孔，高溫硫酸從文氏管內(nèi)徑經(jīng)過。本發(fā)明采用文氏管形式來達(dá)到粉碎水滴和使非均勻的酸混合變成均相酸的方法來達(dá)到減輕減小濃酸稀釋時的激烈反應(yīng)。同時在文氏管的結(jié)構(gòu)和造材上也具有獨特的設(shè)計構(gòu)思和合理應(yīng)用高新材料，發(fā)明內(nèi)容有以下幾點(1)高溫濃硫酸稀釋器采用文氏管形式，充分利用文氏管在粉碎、吸收和混合方面的特點。
(2)用于文氏管的材料必須要經(jīng)得住在200℃高溫的條件下，加水時產(chǎn)生的激烈反應(yīng)及耐各種濃度硫酸腐蝕。采用高等級Al2O3特種陶瓷，利用其耐溫、耐腐蝕及強度高的特點來滿足上述的特殊工況條件。
(3)在加水結(jié)構(gòu)上采用獨特的設(shè)計方法，在文氏管喉管段外側(cè)用聚四氟乙稀環(huán)形凹槽和喉管共同形成環(huán)形水腔，同時采用聚四氟乙稀密封環(huán)和填料來密封加水環(huán)形槽。
(4)高溫濃硫酸稀釋器的外殼采用特殊合金鋼和聚四氟乙稀內(nèi)襯，來保證整個稀釋器的強度和防止泄露。
本實用新型的有益效果是中國是世界產(chǎn)酸大國，硫酸產(chǎn)量目前是世界第一。硫酸生產(chǎn)有大量熱能產(chǎn)生，硫酸工業(yè)的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在工藝技術(shù)上，余熱回收率是體現(xiàn)其先進(jìn)性的另一面。當(dāng)前國際上硫酸生產(chǎn)過程中的余熱回收率可以做到95％以上，而國內(nèi)目前在硫酸生產(chǎn)的技術(shù)面上和國外基本同步，但在余熱回收技術(shù)面上只能維持在65％左右，也就是說每生產(chǎn)一噸硫酸，少回收1Mpa壓力的蒸汽0.4噸。以一個30萬噸/年規(guī)模的生產(chǎn)裝置計，每年就有12萬噸1Mpa壓力的蒸汽可回收。以每噸蒸汽100元計，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益是1200萬元。
本稀釋器是硫酸工業(yè)生產(chǎn)中低溫回收的一個關(guān)鍵設(shè)備，它能控制和調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)硫酸的濃度，否則整個生產(chǎn)工藝系統(tǒng)就不能正常運轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中有自動化的儀表控制，監(jiān)視硫酸的濃度，當(dāng)硫酸濃度上升時，相應(yīng)的會有濃度信號產(chǎn)生，由DCS系統(tǒng)發(fā)出加水稀釋濃硫酸指令。本設(shè)備就是在接受到加水信號后，打開或調(diào)節(jié)進(jìn)水閥，使水進(jìn)入到高溫濃硫酸中，達(dá)到稀釋濃硫酸，使其維持在一個工藝需要的硫酸濃度的指標(biāo)范圍內(nèi)。
四

圖為本實用新型結(jié)構(gòu)圖。
圖中1、文氏管內(nèi)件；2、環(huán)型凹槽；3、密封環(huán)；4、外管；5、防腐內(nèi)襯；6、填充料。
五具體實施方式
向溫度高達(dá)攝氏200℃的濃硫酸中加入水來稀釋濃硫酸的這個過程是一個激烈反應(yīng)的過程，其中還有一個酸濃不穩(wěn)定的過程。普通的金屬和非金屬耐腐材料是絕對經(jīng)不住攝氏200℃的濃硫酸的腐蝕的，而酸濃不穩(wěn)定使高溫硫酸腐蝕機理變得更為復(fù)雜。國內(nèi)尚未有這類設(shè)備成功用于工業(yè)化裝置中的報導(dǎo)。本發(fā)明就是根據(jù)這樣的特殊工況條件，采用有針對性的多層材料和獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計成的專門用于高溫高濃度硫酸的硫酸稀釋器。
其工作原理是高溫濃硫酸以一定的速度進(jìn)入到本稀釋器的收縮段，在這里，硫酸的流速被快速提高十幾倍，流體內(nèi)的動能也急速聚斂，當(dāng)?shù)竭_(dá)喉管處時，其流速和動能達(dá)到最高值，同時快速的流體與管壁形成負(fù)壓。按工藝要求加入的稀釋水從進(jìn)水口進(jìn)來先到環(huán)腔中，在水的原有壓力和局部負(fù)壓的雙重作用下，順利通過喉管壁上的小孔進(jìn)入到具有高動能、高速流動的濃硫酸中。由于水和酸的體積比僅為1％左右，且兩種液體流動方向正好是垂直相交，通過小孔的水會被高速流動的酸切割和粉碎，分散成直徑很微小的水滴，微顆粒的水和硫酸接觸，瞬間汽化，同時被吸收，因水量少，產(chǎn)生的爆炸力度也會減弱，從而根除造成設(shè)備在稀釋時的巨大振動，同樣因水量少，汽化、吸收的時間會變得更為迅速。經(jīng)過喉管段后，隨即進(jìn)入到擴散段，在這里，酸的流速會由快到慢，流體所攜帶的動能也由大到小，這也是一個能量釋放過程。多余的動能會使酸的流動變成相當(dāng)激烈的渦流狀態(tài)。在這種渦流狀態(tài)下，酸濃不等的非均相會被很好的混合，當(dāng)高溫濃酸和水進(jìn)入和通過本稀釋器后，也就完成了整個高溫濃硫酸稀釋的工藝過程。
為保證上述過程的實現(xiàn)，本稀釋器有下面的幾點具體的實施方法①、與高溫硫酸直接接觸的文氏管內(nèi)件1，其外面為圓直筒形，內(nèi)徑由三部分組成，分別為收縮段、喉管段和擴散段，喉管段壁上開有進(jìn)水小孔。使通過的高溫硫酸的流速有一個由慢提速到快，再減速到慢的過程。同時也使流體所攜帶的能量有一個聚斂和釋放的過程。本發(fā)明的要點就是利用酸的變速和能量變化，使加入的水被高溫濃酸切割、粉碎、吸收和非均相濃度的酸充分混合得到所要求的產(chǎn)品酸。文氏管內(nèi)件的材料選用高等級的Al2O3特種陶瓷。材料在耐溫、耐酸及強度方面是能滿足稀釋器的特殊工況要求的。但目前受加工工藝的限制，只能做成簡單的幾何形狀。
②、因在喉管壁徑向環(huán)線上開有多個進(jìn)水小孔，而總進(jìn)水管只有一個，為使水從外經(jīng)總管再通過小孔進(jìn)入到高速流動的高溫濃硫酸中，本設(shè)計采用一個特殊的加水結(jié)構(gòu)在加水管段內(nèi)設(shè)計一個環(huán)形凹槽2，并和外鋼殼4設(shè)計為一體。環(huán)形凹槽和喉管外壁共同形成環(huán)形水腔。環(huán)形凹槽由聚四氟乙烯制成，為防止?jié)B漏，設(shè)計有多道密封環(huán)3，密封環(huán)的材料采用聚四氟乙烯，膨脹空隙用耐溫耐腐蝕材料稱為填充料6填充。
③、金屬外管4需要加防腐內(nèi)襯5形成防腐層，外管材料采用特殊合金鋼制成，內(nèi)襯材料采用聚四氟乙烯。
④、整臺稀釋器有一個支架，稀釋器和支架之間有橡膠防震墊，便于防震和整體安裝。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)中對低溫位的吸收熱回收系統(tǒng)的高溫濃硫酸稀釋器，包括進(jìn)酸結(jié)構(gòu)和加水結(jié)構(gòu)，其特征在于所述進(jìn)酸結(jié)構(gòu)為一個與高溫硫酸直接接觸的是文氏管內(nèi)件，文氏管內(nèi)件的外徑為圓直筒形，內(nèi)徑由三部分組成，分別為收縮段、喉管段和擴散段，喉管段壁上設(shè)有進(jìn)水小孔，高溫硫酸從文氏管內(nèi)徑經(jīng)過。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫濃硫酸稀釋器，其特征在于所述文氏管內(nèi)件圓直筒形外圍設(shè)有內(nèi)襯防腐層的金屬外管，文氏管內(nèi)件與金屬外管間空隙設(shè)置密封環(huán)，密封環(huán)間隔內(nèi)填充耐溫耐腐蝕材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高溫濃硫酸稀釋器，其特征在于所述的文氏管內(nèi)件喉管段壁上的進(jìn)水小孔開有多個，分布在文氏管壁徑向環(huán)線上，總進(jìn)水管只有一個，總進(jìn)水管從金屬外管進(jìn)入設(shè)有特殊的進(jìn)水結(jié)構(gòu)，即在金屬外管與文氏管內(nèi)件間空隙內(nèi)有一個環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽和喉管外壁共同形成環(huán)形水腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫濃硫酸稀釋器，其特征在于所述的環(huán)形凹槽材料采用聚四氟乙稀，文氏管內(nèi)件材料采用Al2O3特種陶瓷，金屬外管采用不銹鋼，防腐層內(nèi)襯材料采用聚四氟乙稀。
專利摘要本實用新型為應(yīng)用在硫酸生產(chǎn)中對低溫位的吸收熱回收系統(tǒng)的高溫濃硫酸稀釋器，包括進(jìn)酸結(jié)構(gòu)和加水結(jié)構(gòu)，其特征在于所述進(jìn)酸結(jié)構(gòu)為一個與高溫硫酸直接接觸的是文氏管內(nèi)件，文氏管內(nèi)件的外徑為圓直筒形。內(nèi)徑由三部分組成，分別為收縮段、喉管段和擴散段，喉管段壁上設(shè)有進(jìn)水小孔，高溫硫酸從文氏管內(nèi)徑經(jīng)過。本實用新型是硫酸工業(yè)生產(chǎn)中低溫回收的一個關(guān)鍵設(shè)備，以一個30萬噸/年規(guī)模的生產(chǎn)裝置計算，每年就有12萬噸1Mpa壓力的蒸汽可回收。以每噸蒸汽100元計，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益1200萬元，推廣應(yīng)用是符合我國能源發(fā)展的方向。
文檔編號C01B17/00GK2804059SQ20052004301
公開日2006年8月9日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者洪玉麟, 崔華, 林震 申請人:上海奧格利環(huán)保工程有限公司