浓硫酸储罐伴热设计的探讨

叶 屹

(重庆化工设计研究院有限公司 重庆 400039)

浓硫酸储罐伴热设计的探讨

叶 屹

(重庆化工设计研究院有限公司 重庆 400039)

介绍了浓硫酸储罐的选材、设计规范以及基本的结构形式；分析了采用碳钢作为浓硫酸储罐的本体材质的可行性，探讨了多种浓硫酸储罐的伴热方式的优缺点和相应的安全措施，提出了较为合理的伴热结构，为在低温区域使用的浓硫酸储罐的保温设计提供参考。

浓硫酸; 储罐; 保温 ;设计

硫酸，化学分子式H2SO4，在化学工业中的应用十分的广泛，被称为化学工业之母。当硫酸溶液中的硫酸质量分数大于或等于70%，就被称作浓硫酸，它是一种具有高腐蚀性和强氧化性的强矿物酸，同时它还具有脱水性，酸性，难挥发性，吸水性等特点。因此浓硫酸的储存设施就更加需要重视，既要考虑其安全性，同时又要考虑使用中的可行性。所以在设计的过程中需要从选材和结构选型方面进行综合考虑。为此，本文对浓硫酸储罐的材料的选择和伴热结构设计进行探讨。

1 浓硫酸储罐的选材

1.1 浓硫酸的化学性质

浓硫酸是具有强氧化性的物质，当性质活泼的金属材料与浓硫酸接触便发生电化学腐蚀现象，也就是说金属在浓硫酸中发生了氧化还原反应。下面以碳钢为例，其与硫酸的化学反应方程式如下：

Fe+H2SO4=H2+FeSO4

本文分别测试了CLIQUE算法、文献[10]中的GP-CLIQUE算法和本文算法对不同大小、不同形状的二维数据进行聚类的聚类效果。使用二维数据进行实验可以更直观的看到聚类结果，也便于比较不同算法的聚类效果。图4为使用三种算法对同一个数据集进行聚类的效果对比图。

碳钢是我们在化工设备中的常用材料，根据腐蚀数据资料表明，当质量分数大于70%浓硫酸与碳钢会发生钝化现象，金属表面会被氧化，形成一层致密的氧化膜，由于浓硫酸含水量非常小，所形成的氧化层就没有了再次被氧化腐蚀的可能性。但是如果温度在60℃以上，或者浓硫酸的流速过快，则也会加速腐蚀，需要考虑使用更高级的316L或者非金属如四氟乙烯等。因此，常温储存的浓硫酸储罐选择碳钢作为本体材料是可行的，而且储罐内表面无需再做其他防腐处理，但在设计过程中需要考虑足够的腐蚀余量。常温下硫酸对碳钢的腐蚀速率见表1。

1.2 浓硫酸储罐的选材

在已经规定的国家和国际层面，以及相关行业的技术标准上，要采取针对性的措施。为达到水利信息化建设的标准要求，进行有效的针对性管理。

2Fe+6H2SO4(浓)=加热=Fe2(SO4)3+3SO2+6H2O

表1 硫酸对碳钢的腐蚀速率

2 浓硫酸储罐的基本结构

在化学工业中浓硫酸储罐有两种结构形式：

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(1)当浓硫酸采用带压储存时，则按照压力容器规范GB150的要求，选用立式或者卧式储罐结构形式；

(2)当浓硫酸采用常压或者微压储存时，由于硫酸的蒸汽压比较微弱，因此不必考虑内浮盘，直接采用自支撑式的固定顶储罐的结构形式。其相关的规范有三个，其各自的设计范围也有所不同，对应关系如表2。

(4)在浓硫酸储罐内采用设置内盘管，通入蒸汽或热水对储罐内浓硫酸直接进行加热。

表2 储罐规范及其设计范围

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图1 固定顶浓硫酸储罐的基本结构

以上几种加热方法的优缺点分析：

3 浓硫酸储罐的伴热设计

(2)对于在浓硫酸储罐侧壁设置盘管，优点是如果外盘管发生泄露，可以直接发现，并且易于修补，其缺点在于有效伴热面积较小，不容易满足导热需求。

根据相关资料表明不同浓度的浓硫酸，其凝固点也存在差异，如表3。

表3 浓硫酸的凝固点

意味着在最低气温低于浓硫酸凝固点的地区，在常压环境条件下，浓硫酸会存在凝固的可能。在化学工业中，为了解决储存介质在低温工况下凝固问题，通常采用的储罐伴热方式如下：

(1)对浓硫酸储罐的基础进行处理，在基础施工过程中就埋入加热盘管，通入蒸汽或热水对罐底加热，结构形式见图2所示。

浓硫酸储罐罐体上应该尽量减少位于储罐底部的开孔，底部只设置浓硫酸出口以及清扫孔，将浓硫酸进口、人孔、放空口等其他开孔设置在罐顶，通过减少浓硫酸液面下的法兰密封面，达到减小泄漏的可能性。同时对于固定顶的浓硫酸储罐，在设计中一般不考虑设置操作平台，如果为了检修的方便，必须要设置的情况，那么操作平台最好单独设置。浓硫酸储罐的基本结构见图1所示。

图2 储罐基础盘管加热结构示意图

(2)在浓硫酸储罐侧壁设置外盘管，通入蒸汽或热水对罐壁进行加热；

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(3)或者以上二者同时使用；

1/1-1d淹水处理的产量较对照显著增加，可能的原因一是分蘖期水稻耐淹能力最强，经过短历时(1 d)全淹处理后水稻植株体内抗氧化酶含量增加，使水稻表现出一定的抵抗淹水逆境的能力[14]，二是淹水胁迫去除后，稻株出现超补偿效应[15]。具体表现为水稻叶片的光合功能和活力提高，促进光合作用的进行及光合产物的生产和积累，1/1-1d处理的净光合速率(Pn值)较对照增加可以说明这一点。

为了保证浓硫酸储罐的抗腐蚀性能，浓硫酸储罐的罐体与浓硫酸介质接触的焊接接头采用对接全焊透形式，并且采用局部的RT检测，罐底板则还需要在对接接头的下方增加焊接垫板，在罐底板施工完成后还需要做真空箱试验，合格后再对罐壁和罐底板内表面进行MT检测。

(1)在储罐基础埋入加热管道方式，其优点在于和储罐底可以直接接触，导热效率高，缺点也同样明显，如果基础中的盘管发生泄漏，不能够及时的发现，同时对于发现泄漏后的修补也是比较困难的。

3.1 浓硫酸储罐的伴热方式

（2）金融机构面对企业通过技术创新走绿色化生产模式具有较强的盈利能力时，金融机构将会愿意以较低的贷款利率给企业贷款。另外，企业通过较高的科技创新和创新投入开展绿色化生产模式时，能够吸引金融机构以优惠的贷款利率给企业贷款，帮助其进行科技创新，当企业通过投入较少的科技研发和创新投入费用开展绿色化生产模式时，金融机构以优惠的贷款利率给企业贷款的意愿将会降低，金融机构更看重的是企业通过加大科技创新和科技投入来提高未来的可持续盈利。

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(3)对于盛装普通介质储罐时常采用的内盘管加热方式，对于浓硫酸储罐来讲，是非常不建议使用的，加热内盘管和浓硫酸直接接触，碳钢材质的盘管壁的温度不容易控制在60℃以下，会造成腐蚀速度极快，会造成浓硫酸泄漏严重的后果，因此这种浓硫酸储罐的伴热方式一定要慎重使用。

在考虑导热结构形式的同时，在热源介质的选择上也有很多必须要考虑的地方。如果热源选用蒸汽，那么容易造成储罐内部的浓硫酸过热，导致储罐容易产生腐蚀，导致浓硫酸泄漏的严重后果；但是如果选用热水为热源，在浓硫酸储罐容积较大时又难以保证浓硫酸达到其所需要的伴热效果。

3.2 浓硫酸储罐伴热设计的建议做法

(1)对于罐容积不大的浓硫酸储罐，可以采用热源为热水，加热结构为外盘管形式的保温设计，但是需要注意的是外盘管与储罐外壁之间至少保证间隔20mm左右的距离。同时为避免发生浓硫酸介质过热现象，在储罐外壁与盘管之间设置木屑、木片等隔热材料。

(2)对于罐容积较大的浓硫酸储罐，就可以考虑在基础中埋入加热盘管和在浓硫酸储罐侧壁设置外盘管两种保温措施同时使用，在环境温度较低时同时在两组盘管中通入蒸汽的方式对浓硫酸储罐保温，但是储罐的材质在选用上就要尽量提高要求，或者对储罐底部的材质进行加厚处理，同时要求土建结构专业配合在浓硫酸储罐的基础上设计出能供加热管道检修的位置。使用放置于基础内的盘管蒸汽加热浓硫酸也要注意过热的问题，也需要在储罐底板与基础中的盘管之间设置隔热材料。

4 结束语

浓硫酸储罐的结构设计，既要满足工艺要求，又需要满足结构合理，成本经济。工程设计人员在设计过程中应综合考虑工况、投资、操作等相关因素，选择最优结构方案。在此基础上，选用正确的储罐本体材料，在保证安全的前提下降低设备造价，延长储罐的使用寿命，提高浓硫酸储罐的经济性。

[1] Stanley S Grossel. Safe,efficient handling of acids[J].Chemical Engineering,1998: 88-98.

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[3] 元少昀. 硫酸储罐的选材、设计和防腐[J].化工设备与管道，2005, 42(3):52-54.

[4] 谢静祥.由浓硫酸引起的碳钢腐蚀[J].冶金动力，1987(3):74.

(本文文献格式：叶 屹.浓硫酸储罐伴热设计的探讨[J].山东化工，2017，46(12)：141-143.)

Discussion on Heat Tracing Design of Concentrated Sulfuric Acid Storage Tank

YeYi

(Chongqing Chemical Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China)

This paper introduces the selection, design standard and basic structure of concentrated sulfuric acid storage tank， analyses the feasibility of using carbon steel as the bulk material of concentrated sulfuric acid storage tank, discusses the advantages and disadvantages of heating mode of various concentrated sulfuric acid storage tanks and the corresponding safety measures, puts forward a more reasonable heating structure, provides a reference insulation design for the use of concentrated sulfuric acid storage tank in the low temperature area.

concentrated sulfuric acid ; storage tank ; insulation design

2017-04-17

叶 屹(1984—)，四川内江人，工程师，主要从事化工项目的设备设计工作。

TQ053.2;TQ111.17

A

1008-021X(2017)12-0141-03

化工设计