高效浓硫酸管式分酸器的研发及应用

李家荣， 芮争家， 代金生

(1.昆明市宜良化工设备铸造厂， 云南 昆明 652100； 2.清华大学， 北京 100084)

高效浓硫酸管式分酸器的研发及应用

李家荣1， 芮争家2， 代金生1

(1.昆明市宜良化工设备铸造厂， 云南 昆明 652100； 2.清华大学， 北京 100084)

分酸器是浓硫酸生产设备干吸塔的重要组件，其使用效果直接影响气液的接触效率。传统管式和部分不锈钢槽管式分酸器由于材质、结构、制造等方面的不足，已造成对生产功效的制约和影响。本着适配、高效、节能、耐用和节省投资的原则，研制开发了铁素体单相耐蚀合金材质，并进行了产品结构的精细化设计。其结构先进合理，使用寿命长，应用中取得了良好的效果和好评。

高效分酸器；铁素体单相耐蚀合金；吸收塔；工艺创新

1 前言

1.1 浓硫酸分酸器的工况介绍

浓酸分酸器在硫酸生产过程中用于干燥塔和吸收塔内。在干燥塔内是将浓度为93%的硫酸均匀分布吸收烟气中的水分，要求出口处气体含水量<0.09 g/m3。在吸收塔内是将浓度为98%的硫酸均匀分布吸收烟气中的SO3，吸收率应达99%以上。工况条件酸温从40～120 ℃，设备内外均受腐蚀、冲刷和温度变化等影响，工作条件较为恶劣，使用寿命一般要求15年以上。

1.2 目前各类分酸装置存在的问题

1.2.1 传统管式分酸器

分酸点少，仅为20～32个/m2，塔内酸分布很不均匀；分酸主、支管混用，未设明显预分布系统，从而导致管内压力分布不均，中心区与边区点流量差别偏大，长期使用后边缘区域易出现部分弱流速和堵孔现象，气液接触减少，不能达到生产指标。

图1 传统管式分酸器

1.2.2 不锈钢槽管式分酸器

不锈钢槽管式分酸器是现今较为流行的设备，但其也存在着许多缺陷。

(1)槽管式分酸器占塔截面积约50%以上，比管式分酸器多10%。分酸槽底较宽容易形成涡流，溢流管外伸阻挡塔内气体流通面积，这些原因导致塔内气速加大，带出酸雾、酸沫量大大增加。夹带出酸雾会腐蚀管路、设备减短其寿命。

(2)由于采用溢流分酸，要求所有分酸管的溢流口在同一平面，这就对设备的生产和安装提出了很高的要求。若不能达到这一要求，则会造成液体不满管甚至空管，这二种情况均会造成酸沫增加或加剧溢流管的腐蚀。某年产量300 kt/a硫磺制酸企业，管槽式分酸仅仅使用2年后，分酸管下端就全部腐蚀。

(3)上酸量过大时，冲击力使槽内液浪翻滚，导致溢流管部分满流、部分不满流，甚至酸液直接从槽内溢出，国内某大型铜冶炼企业就出现过此类问题。

(4)溢流分酸流速较慢，容易在溢流管小处生成结酸垢阻孔。若烟气中杂质多或循环槽沉淀过滤差时，杂物会进入酸槽内沉积，不及时清理会造成堵孔，影响分酸的均匀性。

(5)大塔径装置中管槽式分酸器存在分酸盲区，见图2。

图2 传统分酸器存在分酸盲区

(6)由耐酸合金制成的管槽式分酸器价格昂贵，造价高出铁素体单相耐蚀合金管式的3倍以上，而是用寿命只是其一半左右。

(7)带有阳极保护的，需要稳定的酸液高度酸才能得到保护；由于结构较为复杂，保护电位控制困难，易发生腐蚀。

2 高效浓硫酸分酸器研发

根据对以前的分酸器存在的问题进行分析，遵循高耐蚀、高性价比的原则，昆明宜良化工设备铸造厂多年来在材料使用、结构设计、制造技术和工艺水平提高等方面不断创新，研制了优质、耐用、性价比高的高效浓硫酸管式分酸器。

2.1 材料创新

针对分酸器的使用工况，昆明宜良化工设备铸造厂与清华大学、上海材料研究所等科研机构合作，通过对大量材料常规元素和球化、强化孕育元素的作用进行分析，经过多年实验，最终研发了铁素体单相耐蚀合金(材料牌号FD)。由试验测得，FD材料在100 ℃浓度93%H2SO4中腐蚀率仅为0.0079 mm/a左右，远远低于不锈钢、多种耐酸合金、多元合金和低铬铸铁等材料，结合设计厚度，使用FD材料制作的分酸器寿命可达20年以上，而其造价仅为不锈钢的1/2左右。

2.2 高效浓硫酸管式分酸器结构设计

针对现有分酸器使用中存在的问题，昆明宜良化工设备铸造厂与清华大学、昆明理工大学及国内权威设计部门等多家单位合作对高效新型浓硫酸管式分酸装置的结构进行了各种优化设计，取得了突破性的进展，见图3。

图3 高效浓硫酸管式分酸器

高效浓硫酸分酸器是严格地依照干吸塔的运行参数，采用流体力学方法对其预分布管、分酸主管、支管的数量和位置、以及分酸点直径和数量等进行模拟，取得模拟数据后再经过厂内的实验平台进行验证，使其在结构上体现了最优的流动状态，从而得到了酸液均匀分布的最佳效果。与常见的分酸器相比，高效浓硫酸管式分酸器增加了三大类共计22项工艺优化设计，使其在生产中取得更好的效果。其具体优点是：

(1)设计了预分布、均衡管，限制了分酸小管长度，均衡了点的流速、流量，解决了分酸点边区因弱流速而造成的阻孔。

(2)空隙率60%左右，管底无涡流阻力，烟气增速少，减少了酸雾夹带，使吸收率提得更高，节约能源。

(3)分酸出口采用非金属材料精细内衬，不受冲刷腐蚀、不脱落、不结垢、不堵塞。

(4)分酸点多，一般为36～46个/m2，分酸点向下呈35°～55°，分酸均匀，无盲区，消除了分酸死角和气液接触不良现象，有效降低了塔体高度减少工程造价。

(5)带压上酸保证满流，分酸平稳均匀，杜绝了带出酸沫及稀酸气泡，提高了设备和管路的使用寿命。

(6)操作弹性大，运行气量为设计值的80～120%。

(7)占用空间小，分酸器高度仅为0.7～1.2 m，安装较方便。

3 高效浓硫酸管式分酸器应用

高效浓硫酸管式分酸器自研发以来，已成功用于三环化工、云铜楚雄铜业、广东金泰化工等国内许多大中型硫酸生产企业，使用时间最长的已超8年。现列举某铜冶炼企业制酸系统在使用昆明宜良化工设备铸造厂高效管式分酸器前和用后的干燥塔和吸收塔的工艺参数变化，见表2、表3。

表2 改造前用槽管式分酸器的干吸塔工艺参数

表3 改造后用高效管式分酸器的干吸塔工艺参数

由表2、表3可知，通过更换高效浓硫酸管式分酸器后，分酸点增到42个/m2，出口气体含水量小于0.06 mg/m3，SO3吸收率达到99.99%以上。在塔体直径不变的情况下，烟气量从原来的126000 m3/h提高到140000 m3/h，浓酸产量从30万t增加到33万t，仅硫酸一项就为该厂每年增加经济效益300万元。

昆明宜良化工设备铸造厂多年来研发的高效浓硫酸管式分酸器，选用最耐热浓硫酸腐蚀的铁素体单相耐蚀合金，它的高韧性解决了脆性破坏风险，改善了焊接性能；再与精细的结构设计相结合，打造了性价比高的完美产品。该产品共获7项国家专利，迄今为止在许多国内大中型硫酸生产企业使用，共计数百套。在对用户进行回访时，获得一致好评。

4 结束语

昆明宜良化工设备铸造厂研发的高效浓硫酸管式分酸器因其高耐蚀性和超低成本，缓解了我国大量靠高价进口不锈钢板材制造分酸器的状况，从而节省了生产投入，提高企业的经济效益。优良的材料、精细的设计、完美的制造相结合，生产出的高效浓硫酸管式分酸器在减少维修增加寿命的同时保证了生产的正常运行，这种高效、低成本的产品应广泛应用。

[1] 芮争家.铸铁合金及其熔炼技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 杨平安.耐高温浓硫酸腐蚀合金材料[J].磷酸设计，1994，(2).

[3] 程子明.WSA制酸装置设备腐蚀原因及改进措施[J].硫酸工业，2012，(5).

[4] 化工设备设计全书篇委会.塔设备设计[M].上海：上海科学出版社，1988.

[5] 钟国英.槽管式分酸器在硫酸装置中的应用[J].有色冶金设计与研究，2006，(6).

[6] 兰州石油机械研究所.现代塔器技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

Development and Application of High Efficiency Tube Acid Distributor

LI Jia-rong1， RUI Zheng-jia2， DAI Jin-sheng1

(1.Yiliang Chemical Engineering Equipment Iron Factory Kunming, Kunming 652100, China；2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Tube acid distributor is an important part of absorption tower in sulfuric acid production, its effectiveness directly impacts contact efficiency of gas and liquid. The traditional acid distributors have disadvantages of material, structure, and other aspects of manufacturing, has resulted in constraints on the production effectiveness and impact. The paper has developed ferrite single-phase corrosion resistant alloy material, and the fine design of product structure based on principles of high efficient, energy-saving, durable and save the investment. This new distributor has advanced structure, long service life, the application has achieved good results and praise.

high efficiency tube acid distributor； ferrite single-phase corrosion resistant alloy； absorption tower； process innovation

2013-10-16

李家荣(1964-)，男，云南昆明人，铸造工程师，硕士研究生，主要从事特种适用材料研发及管理工作。

芮争家(1944-)，男，上海市人，清华大学教授，工学硕士，主要从事金属材料的研发工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2014)01-0042-03

代金生(1956-)，男，云南昆明人，工程师，大学学历，主要从事硫酸工艺设计及生产管理。