專利名稱：用于硫酸冷凝的高流動能力冷凝器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于硫酸的具有增加的氣體流動能力的冷凝器。
背景技術(shù)：
該冷凝器對于凈化含硫的煙道氣體和排出氣體來說是尤其有用的，其中所述硫作為三氧化硫存在并且作為硫酸被去除，所述硫酸借助三氧化硫/含水氣體的冷凝而形成。該工藝被稱為濕氣硫酸工藝，即WSA。WSA工藝已經(jīng)證明了其在工業(yè)中的價值，例如煉油、冶金、石化生產(chǎn)、煉焦、煤氣化、非鐵培燒爐和熔煉爐、發(fā)電廠、以及粘膠纖維的生產(chǎn)。已知的是，通過下述方式從煙氣體或排出氣體中去除硫:將硫化物氧化為三氧化硫，并接著在氣體中存在水的情況下冷卻所述三氧化硫以形成硫酸，隨后對所形成的硫酸進行冷凝和濃縮。可以從與三氧化硫相比缺乏水(不足每摩爾三氧化硫I摩爾水)的氣體來生產(chǎn)發(fā)煙硫酸，或者可以通過在所產(chǎn)生的硫酸中隨后吸收三氧化硫來生產(chǎn)發(fā)煙硫酸。在專利US 5，198，206中，公開了一種通過向生產(chǎn)氣體添加顆粒來實現(xiàn)的脫硫工藝，并且在US 5，108，731中，公開了一種在對硫酸霧進行冷凝的冷凝管中使用的除霧器。在所示出的實驗數(shù)據(jù)中，這些管長達6 m，并且構(gòu)造用于評估在4.05 m、4.45 m、4.95 m和5.4 m的冷卻區(qū)域長度的效應(yīng)。在冷卻區(qū)域的長度是5.4 m的情況下，發(fā)現(xiàn)可在管后獲得低于10 ppm的范圍內(nèi)的令人滿意的H2SO4水平。此外，除霧器的使用也被發(fā)現(xiàn)能夠從流出口有效地去除酸霧。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的工藝中，冷凝器的生產(chǎn)能力被認為是冷凝器中所提供的管的數(shù)量的函數(shù)。在兩倍的管數(shù)量的情況下，通流面積將加倍，并且因此相關(guān)聯(lián)的流動能力也加倍。向WSA設(shè)備提供額外的管當然是昂貴的，并且也是占用空間的，因此需要確定的是，能夠提供增加的生產(chǎn)能力而幾乎不需要增加所需空間或者根本不增加所需空間的裝置。玻璃管冷凝器的生產(chǎn)能力的限制因素是熱交換能力，即多少氣體能夠在冷凝器中被有效地冷卻。在現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)是否充分地去除三氧化硫和硫酸來估計管長度。管長度還能夠被用于增加管的流動能力(或通流能力)，這是因為管長度的增加也將增加管的表面面積，并且因此增加了熱傳遞面積。因此，在較高的流率的情況下，能夠獲得相同的熱傳遞接觸時間，并且因此預(yù)期的是，每管增加生產(chǎn)氣體的能力與管長度成比例。然而，在增加玻璃管的長度的情況下，也會增加與玻璃管的生產(chǎn)和處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且因此，用于硫酸冷凝器的玻璃管僅被生產(chǎn)成具有與5.45 m或6.45 m的有效冷卻區(qū)域?qū)?yīng)的
6m和7 m的長度。

實用新型內(nèi)容
對用于增加氣體流動能力(或通流能力)同時確保與該氣體有充足熱交換的可用裝置的分析現(xiàn)在已經(jīng)令人驚奇地揭示了:對于熱交換而言，增加冷凝器玻璃管長度的效果要明顯強于通過單獨増加管的表面面積所預(yù)期的效果。増加的面積允許管內(nèi)的増加的流率，從而需要在管外側(cè)上的増加的流率以提供足夠的冷卻空氣。這些因素的組合效應(yīng)令人驚奇地在于:當管長度例如從7 m增加至8.25 m (增加18%)并且對應(yīng)地有效冷卻區(qū)域從6.45 m增加至7.7 m (增加19%)的情況下，熱氣體的流動能力增加了 32_58%，這比預(yù)期的按比例增加要增加得多得多。增加長度所具有的該超比例效應(yīng)的效果在于，能夠減少用于WSA設(shè)備(例如，用于從粘膠生產(chǎn)中去除H2S的WSA設(shè)備)的管的數(shù)量，而不會對脫硫具有負面影響。這允許減少冷凝器的占地面積，并且還可以與更低的生產(chǎn)成本相關(guān)。如本文所使用的那樣，冷凝器管的氣體流動能力(或通流能力)應(yīng)當被理解為管中的生產(chǎn)氣體的質(zhì)量流率，其允許充分地冷卻生產(chǎn)氣體。如本文所使用的那樣，生產(chǎn)氣體應(yīng)被理解為包括了三氧化硫和水的氣體。如本文所使用的那樣，冷卻介質(zhì)應(yīng)被理解為用于熱傳遞而不存在明顯化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，例如空氣。在該エ藝的不同位置中，冷卻介質(zhì)也可涉及到化學(xué)反應(yīng)。如本文所使用的那樣，冷卻區(qū)域應(yīng)被理解為管的被構(gòu)造成用于在操作期間使其外表面與冷卻介質(zhì)接觸的部段。如本文所使用的那樣，以氣體形式的三氧化硫的濃度被表述為在假定了所有六價硫都作為三氧化硫存在的情況下的摩爾百分比，并且因此其包括三氧化硫以及水合成氣態(tài)硫酸的三氧化硫。本實用新型提供了一種用于冷凝被包含在生產(chǎn)氣體中的硫酸蒸汽的冷凝器，所述冷凝器包括耐酸材料的管，該管構(gòu)造成具有靠近一端的生產(chǎn)氣體入口、靠近另一端的生產(chǎn)氣體出口、以及靠近底端的酸出口，所述管構(gòu)造成延伸穿過冷卻區(qū)域，并且所述冷卻區(qū)域構(gòu)造成具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口，以便使氣態(tài)冷卻介質(zhì)相對于該生產(chǎn)氣體對流地經(jīng)過，其特征在于，所述管的長度為7.5 m至12 m，耐酸材料的管構(gòu)造成具有靠近一端的生產(chǎn)氣體入ロ、靠近另一端的生產(chǎn)氣體出ロ、以及靠近底端的酸出ロ，所述管構(gòu)造成延伸穿過冷卻區(qū)域，并且所述冷卻區(qū)域構(gòu)造成具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口，以便使氣態(tài)冷卻介質(zhì)與該生產(chǎn)氣體對流地穿過，其特征在于，所述管的長度為7.5 m至12 m、優(yōu)選地為8 m至11 m、甚至更優(yōu)選地長度為8 m至9 m，具有的相關(guān)益處包括由于增加長度而増加了熱交換，從而使得能夠增加氣體流量，同時避免了應(yīng)對過大長度的挑戰(zhàn)。在本實用新型的實施方式中，還包括高速氣溶膠過濾器，所述高速氣溶膠過濾器安裝成在冷卻區(qū)域的靠近生產(chǎn)氣體出口的一端中與冷凝器管大致緊密連接，所述過濾器包括直徑為0.05 mm至0.5 mm的纖維或細絲，所述纖維或細絲具有的量、層厚和構(gòu)造達到這樣的程度，即:確保在1-7米/秒的氣體速度的情況下通過該過濾器的壓降將在2 mbar和20 mbar之間，相關(guān)益處在于，酸霧通過與氣溶膠過濾器接觸而冷凝為微滴。在又ー實施方式中，本實用新型還包括在所述管內(nèi)的紊流發(fā)生裝置，例如，螺旋件、玻璃凹陷部或玻璃凸起部，相關(guān)益處在于，増加的紊流增加了在管的內(nèi)表面處的熱傳遞。在又ー實施方式中，本實用新型還構(gòu)造成具有靠近生產(chǎn)氣體出口的再加熱區(qū)域，相關(guān)益處在于，在冷凝器下游提供了溫度高于硫酸露點的生產(chǎn)氣體，并且因此基本不存在腐蝕性的液態(tài)硫酸。[0022]在又一實施方式中，本實用新型還構(gòu)造成:通過將生產(chǎn)氣體入口構(gòu)造成靠近管的底端，從而使得在冷凝器中，冷凝的硫酸相對于生產(chǎn)氣體對流地流動，相關(guān)益處在于，由于對流的流動從而具有高的硫酸濃度。在又一實施方式中，本實用新型構(gòu)造成:通過將生產(chǎn)氣體入口構(gòu)造成靠近管的頂端，從而使得在冷凝器中，冷凝的硫酸相對于生產(chǎn)氣體同向地流動，相關(guān)益處在于，降低了在冷凝器管和除霧器中溢流的風(fēng)險。在本實用新型的又一實施方式中，冷凝器包括多個冷凝器管，這些冷凝器管在它們之間具有的距離為管直徑的至少1/3，相關(guān)益處在于，在冷凝器的冷卻介質(zhì)側(cè)上具有較低的壓降。在又一實施方式中，本實用新型涉及一種利用了串聯(lián)的兩個硫酸冷凝器并且具有中間的二氧化硫氧化步驟的工藝設(shè)備，相關(guān)益處在于，處理具有超高濃度的三氧化硫的生產(chǎn)氣體，或者具有超低的二氧化硫排放。在又一實施方式中，本實用新型涉及一種利用了串聯(lián)的兩個硫酸冷凝器的工藝設(shè)備，其中，第一冷凝器在與三氧化硫相比缺水(小于每摩爾三氧化硫I摩爾水)的情況下操作，下游的第二冷凝器在與三氧化硫相比水過盈(每摩爾三氧化硫I摩爾水以上)的情況下操作，相關(guān)益處在于，能夠在上游的第一冷凝器中產(chǎn)生發(fā)煙硫酸。在一個實施方式中，冷凝器管的直徑能夠從20 mm至70 mm變化、優(yōu)選地在25 mm和60 mm之間、甚至更優(yōu)選地在30 mm和50 mm之間。采用窄管的情況下,優(yōu)勢與每截面面積上增加的熱交換表面相關(guān)，而較寬的管則提供了較低的壓降。在一個實施方式中，生產(chǎn)氣體包含小于2.0%的三氧化硫、且優(yōu)選地小于1.0%的三氧化硫，相關(guān)優(yōu)勢在于，在低濃度的三氧化硫的情況下，甚至更增加了管長度的超比例效應(yīng)。

圖1示出了根據(jù)本實用新型的冷凝器。
具體實施方式
本實用新型涉及冷凝器2，其中生產(chǎn)氣體20在管4內(nèi)流動并且冷卻介質(zhì)22在管4外流動。冷凝器管4的內(nèi)部可以裝備有螺旋件8或其它紊流加強元件。管4能夠由玻璃(例如，硼硅酸鹽玻璃)制成，并且借助底板10被連接到冷凝器的生產(chǎn)氣體入口，底板10與管4的外部具有大致氣密性接觸，并且這些管4的位置借助在冷卻介質(zhì)側(cè)上穿過冷凝器的擋板12來穩(wěn)定。在冷凝器的生產(chǎn)氣體出口 16處，這些管4被固定到頂板14并且相對于頂板14被密封。冷卻介質(zhì)22 (通?？梢允强諝?因此將大致以交叉流動的方式流經(jīng)這些管
4。冷卻介質(zhì)能夠具有比生產(chǎn)氣體稍微更高的壓力，以避免腐蝕性的生產(chǎn)氣體泄漏到冷卻介質(zhì)側(cè)。在這些管的端部還可以具有可任選的氣溶膠過濾器30。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，管的冷卻部段的典型長度是4 m至6.5 m，對應(yīng)的管長度是5 m至
7m。根據(jù)本實用新型，管是7.5 m或更長。當冷凝器管的長度增加時，可以增加管內(nèi)的流率，同時在生產(chǎn)氣體與管壁之間具有相同的接觸時間。在管中的氣體流率增加的情況下，對于相同體積流量而言可以減少管的數(shù)量。借助本實用新型，還發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的增加的體積流量的效應(yīng)還増加了從生產(chǎn)氣體到管壁的熱傳遞，因此有助于增加的管長度的超比例效應(yīng)。為了能夠冷卻生產(chǎn)氣體,還需要提供增加的冷卻介質(zhì)流量。增加的冷卻介質(zhì)流率還增加了在管的外側(cè)上的熱傳遞，并且因此進一歩有助于有關(guān)管長度的超比例效應(yīng)，同時保持了生產(chǎn)氣體和冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量之間的比率。因此，在増加了管長度的情況下，觀測到了由生產(chǎn)氣體和冷卻介質(zhì)的增加的流率所引起的令人驚訝的熱傳遞的超比例増加。在增加SO3含量的情況下，增加了來自冷凝熱量的對熱傳遞的影響。因此，增加的流率的相對效應(yīng)對于高SO3水平來說較低。在另一方面，對于其中生產(chǎn)氣體豎直向上流動并且具有低SO3水平的管來說，除霧器或這些管中的溢流成為了限制，即生產(chǎn)氣體將冷凝的硫酸朝向冷凝器的氣體出ロ驅(qū)動，并且流率可能不再增加。然而，在溢流變成限制因素的エ藝中，可以選擇的是，操作冷凝器使得生產(chǎn)氣體向下流動。這克服了溢流的問題，但是可能導(dǎo)致較低的硫酸濃度。另選地，在向上的氣流的情況下，通過增加除霧器的直徑或者通過利用具有較高空隙率的更開放的除霧器材料能夠增加除霧器中的溢流極限。還優(yōu)選的是，平衡流率、除霧器部段的管直徑、和除霧器的空隙率，使得線性流率在1-7米每秒的范圍內(nèi)，且相關(guān)除霧器的壓降小于20 mbar。由于冷凝器管中的潛在溢流(S卩，在増加的氣體流率的情況下冷凝的硫酸可能借助氣流被向上抽吸并且被抽吸到玻璃管之外的效應(yīng))，因此存在管內(nèi)的増加流率的上限。能夠通過增加管直徑或改變安裝在管內(nèi)的任何紊流產(chǎn)生裝置的形狀或尺寸來增加管內(nèi)的溢流極限。由于冷卻介質(zhì)的流率増加，因此在冷卻介質(zhì)側(cè)上的冷凝器上的壓降也將增加。為了減少或避免這種壓降，冷凝器管之間的距離可以増加。在又ー實施方式中，可任選的除霧器能夠設(shè)置在冷凝器管的冷卻部段的出口處，以防止酸霧離開冷凝器。該除霧器能夠優(yōu)選地設(shè)置在冷凝器管的具有較大直徑的區(qū)域中，以提供具有最小壓降的除霧器區(qū)域，否則隨著氣體流率的増加其可能會越來越成為問題。又ー實施方式包括這樣的冷凝器，在該冷凝器中，生產(chǎn)氣體在冷凝器的最后部分被再加熱，使得未在冷凝器中被捕獲的腐蝕性液態(tài)硫酸蒸發(fā)，從而降低了在下游設(shè)備中的腐蝕風(fēng)險。示例在本實用新型的性能驗證中，已經(jīng)針對不同的氣體成分評估了不同的管式冷凝器的熱傳遞。用于將管緊固在冷凝器中的區(qū)域是必需的，從而使得對于6 m的管來說，有效的冷卻長度被減少了大約0.55 m，成為5.45 m, 7 m的管具有6.45 m的有效冷卻區(qū)域長度，
8.25 m的管則具有7.7 m的有效冷卻區(qū)域長度，等等。對熱交換性能的研究是針對從5.45m到11.45 m的范圍內(nèi)的7種有效冷卻區(qū)域長度來進行的。關(guān)于具有12%的O2,2%的CO2,7-10%的H20、1.0%_5.5%的SO3以及作為余量的N2
的這些成分來評估熱交換。對于每個SO3濃度所用的全部的管長度，流量被調(diào)節(jié)成獲得相同的冷卻介質(zhì)出口溫度。冷卻介質(zhì)出口溫度在三種被研究的SO3濃度之間輕微地變化。從表I清楚地看出，在増加了管長度的情況下，與從比例假定所預(yù)期的情況相比，流量能夠增加到更大的程度。在増加流率的情況下，還要在生產(chǎn)氣體側(cè)和冷卻介質(zhì)側(cè)上増加冷凝器上的壓降。在冷卻介質(zhì)側(cè)上,壓降是16-200 mbar,并且假定低于100 mbar的壓降是可接受的；因而對于較高的壓降，可能需要通過增加間距(即，冷凝器中的管之間的距離)來抵消該壓降。在管中生產(chǎn)氣體側(cè)上的壓降在從5 mbar至200 mbar的范圍內(nèi)。在這里，該壓降可能在從大約60 mbar附近的值開始就已經(jīng)是有問題的了，并且因此管直徑可能不得不增カロ，其中流量是每管 30 NmVh。對于配置有除霧器的管,觀測到在除霧器上的從4 mbar至347 mbar變化的附加壓降。同樣，這主要是操作成本的問題，并且在一定程度上該問題可被忽略，但是抵消該增加的壓降可能有益的。這能夠通過在除霧器的部段中増加管面積或者提供具有更高空隙率的更開放的除霧器材料來實現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種用于硫酸冷凝的高流動能力冷凝器，其用于冷凝被包含在生產(chǎn)氣體中的硫酸蒸汽，包括: 耐酸材料的管，所述管構(gòu)造成具有靠近一端的生產(chǎn)氣體入口、靠近另一端的生產(chǎn)氣體出口、以及靠近底端的酸出口 ； 所述管構(gòu)造成延伸穿過冷卻區(qū)域；以及 所述冷卻區(qū)域構(gòu)造成具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口，以便使氣態(tài)冷卻介質(zhì)相對于所述生產(chǎn)氣體對流地經(jīng)過； 其特征在干， 所述管的長度為7.5 m至12 m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述管的長度為8m至11 m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述管的長度為8m至9 m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，還包括高速氣溶膠過濾器，所述高速氣溶膠過濾器安裝成在所述冷卻區(qū)域的靠近所述生產(chǎn)氣體出口的一端中與所述管大致緊密連接； 所述過濾器包括直徑為0.05 mm至0.5 mm的纖維或細絲，所述纖維或細絲具有的量、層厚和構(gòu)造達到這樣的程度，即:確保在1-7米/秒的氣體速度的情況下通過所述過濾器的壓降將在2 mbar和20 mbar之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的冷凝器，還包括在所述管內(nèi)的紊流發(fā)生裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器還構(gòu)造成具有靠近所述生產(chǎn)氣體出口的再加熱區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器還構(gòu)造成:通過將所述生產(chǎn)氣體入ロ構(gòu)造成靠近所述管的底端，從而使得在所述冷凝器中，冷凝的硫酸相對于所述生產(chǎn)氣體對流地流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器還構(gòu)造成:通過將所述生產(chǎn)氣體入ロ構(gòu)造成靠近所述管的頂端，從而使得在所述冷凝器中，冷凝的硫酸相對于所述生產(chǎn)氣體同向地流動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器管的直徑在20_和70 _之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器管的直徑在25_和60 _之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器管的直徑在30mm和50 mm之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器包括多個冷凝器管，這些冷凝器管在它們之間具有的距離為管直徑的至少1/3。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器從包含了小于2.0%的三氧化硫的生產(chǎn)氣體來冷凝硫酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，所述冷凝器從包含了小于1.0%的三氧化硫的生產(chǎn)氣體來冷凝硫酸。
15.一種用于生產(chǎn)發(fā)煙硫酸的設(shè)備，所述設(shè)備包括串聯(lián)的兩個根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凝器，其中，第一冷凝器構(gòu)造成在小于每摩爾三氧化硫I摩爾水的情況下操作，并且下游的第二冷凝器構(gòu)造成在每摩爾三氧化硫I摩爾水以上的情況下操作。
專利摘要本實用新型涉及用于硫酸冷凝的高流動能力冷凝器管。具體地，提供了一種用于冷凝被包含在生產(chǎn)氣體中的硫酸蒸汽的冷凝器，包括耐酸材料的管，所述管構(gòu)造成具有靠近一端的生產(chǎn)氣體入口、靠近另一端的生產(chǎn)氣體出口、以及靠近底端的酸出口；所述管構(gòu)造成延伸穿過冷卻區(qū)域；以及，所述冷卻區(qū)域構(gòu)造成具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口，以便使得氣態(tài)冷卻介質(zhì)相對于該生產(chǎn)氣體對流地經(jīng)過；其特征在于，所述管的長度為7.5m至12m。
文檔編號C01B17/74GK202945060SQ20122028261
公開日2013年5月22日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者P.莫辛, K.A.克里斯滕森, L.H.洛 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司