CN113339770A - 用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，包括三氧化硫转化塔出口和三氧化硫热回收装置，所述的三氧化硫热回收装置由第一级换热器和第二级换热器依次串联而成，所述的第一级换热器和第二级换热器可以合并为一台换热设备，三氧化硫由所述的三氧化硫转化塔出口通过三氧化硫热回收装置后连接到后续磺化工段，去离子水通过补水泵连接三氧化硫热回收装置的管程进口，所述的第一级换热器的管程出口连接蒸汽分汽缸，第二级换热器的管程出口连接到热水罐。同时还进一步的设计热回收装置的结构以及整个冷却***的冷却方法，在保证安全和操作稳定的前提下，精简工艺流程，减少设备、管道的投资并减少空气作为热载体而产生的动力消耗。

Description

用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***及其冷却 方法

技术领域

本发明涉及一种阴离子表面活性剂磺（硫酸）化生产过程热回收方法及其装置。本发明属于化工、轻工、制药、节能环保等化工生产领域，凡存在以燃硫法的三氧化硫气体发生过程，均可应用此发明进行反应热回收。

背景技术

传热过程，是指物料之间热量传递的过程，在化工、轻工、制药、节能环保等生产领域有着广泛的应用。其中气体的换热，相较液体换热，存在流速快、压力变化大、体积流量变化大等特点。

在三氧化硫气相磺化生产中，硫磺在燃硫炉中与空气经过燃烧反应生成二氧化硫气体，反应生成的二氧化硫气体温度高达680~700℃，高温的二氧化硫气体需要冷却到440~450℃左右进入转化塔进行氧化反应，反应的过程又是一个放热过程，参加反应的气体需要将反应热移去，在多级固定床催化剂（通常分三段或四段催化剂）的作用下，使反应向生成三氧化硫的方向发展。在催化剂床层之间，反应温度增加多的前一段，通常需要在转化塔床层之间增加级间冷却器，将反应热移走。使反应气能在催化剂作用下继续转化为三氧化硫，产生的三氧化硫气体离开转化塔时的温度400~450℃。转化完成后的三氧化硫气体，需要冷却到50~60℃，用于后段的磺化反应。早期30~40年前的三氧化硫磺化装置，三氧化硫气体的冷却采用了蛇管喷淋水冷的方式，这种型式的冷却器节省了设备造价，但是造成了反应热的废弃，同时加大了冷却循环水的消耗。现在这种方式已经弃之不用了。目前行业内普遍采用的方法的是以冷空气为冷载体，用多级换热的方式将三氧化硫气体冷却至60℃以下。被加热后的空气通过风管进入余热回收设备，再通过间接换热的方式制得低压蒸汽和热水，以供车间内其他工段使用。这种工艺目前在行业内广泛使用，其优点在于操作弹性大、设备成熟，存在的问题是过程环节多，气-气换热的传热阻力大、设备管道数量多、尺寸大，增加了设备投资，更重要的是，使用空气作为中间热载体的间接换热，换热效率低，多了空气这个中间环节，使热回收的效果大打折扣。

因为三氧化硫气体是强酸性气体，其与水接触即转化为强腐蚀性的硫酸，极易造成设备腐蚀并危及操作人员安全。因此，对于三氧化硫气体冷却工艺操作，避免使用水作为冷却介质最主要的原因首先是在安全性方面，其次由于在高温下水的饱和蒸汽压上升比较快，可能造成设备超压的情况。上述原因限制了工艺路线的选择性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种操作安全、工艺精简、设备管道使用量少、热量回收率高、操作稳定性高，同时减少空气作为热载体而产生的动力消耗。

为了到达上述目的，本发明设计的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，包括三氧化硫转化塔出口和三氧化硫热回收装置，所述的三氧化硫热回收装置由第一级换热器和第二级换热器依次串联而成，所述的三氧化硫转化塔出口通过三氧化硫热回收装置后连接到后续磺化工段，去离子水总管通过补水泵连接三氧化硫热回收装置的管程进口，所述的第一级换热器的管程出口连接蒸汽分汽缸，第二级换热器的管程出口连接到热水罐。

进一步的方案是，所述的三氧化硫转化塔出口与第一级换热器壳程的入口连接，第一级换热器壳程的出口与第二级换热器壳程的入口连接，第二级换热器壳程出口与后续磺化工段连接，第一级换热器管程出口与蒸汽分汽缸连接，第二级换热器管程出口与热水罐连接，热水罐出水口连接热水泵。这种结构的特点是采用二级换热器，两段换热从而将形成蒸汽和热水的热媒输出。

进一步的方案是，所述的三氧化硫热回收装置是热回收器，所述的热回收器是中心线与水平面夹角为1°～5°倾斜设置结构，其包括第一级管箱、第一级管程出口、外侧管板、第一级积液腔、内侧管板、第二级积液腔、壳程入口、筒体、第一级换热管、壳程出口、第二级管程出口、第二级管箱、分程隔板、第二级管程入口、第二级积液腔排净口、壳程排净口、第二级换热管、折流板、鞍式支座、第一级积液腔排净口和第一级管程入口，筒体的两端对称设置第一级管箱和第二级管箱，且第一级管箱和筒体之间依次设有外侧管板、第一级积液腔和内侧管板，筒体和第二级管箱之间一次设有内侧管板、第二级积液腔和外侧管板，第一级管箱上设有第一级管程入口和第一级管程出口，第一级管箱的中部设有分程隔板，第二级管箱上设有第二级管程入口和第二级管程出口，第二级管箱的中部设有分程隔板，第一级管箱的水平位置高于第二级管箱，筒体上靠近第一级管箱的位置设有壳程入口，筒体上靠近第二级管箱的位置设有壳程出口，筒体上靠近第二级管箱的底部设有壳程排净口，筒体内设有折流板、第一级换热管和第二级换热管，所述的第一级换热管的长度长于第二级换热管的长度，第一级积液腔底部设有第一级积液腔排净口，第二级积液腔的底部设有第二级积液腔排净口。通过特殊设计的热回收器，放置三氧化硫气体与热媒直接接触，保证换热的可靠性，从而有效延长设备的在线时间和使用寿命。

进一步的方案是，所述的三氧化硫热回收装置由分开的两个热回收器构成。通过分开的两个热回收器组成整套三氧化硫热回收装置，能有效的保证换热的安全性和可靠性，必要时还可通过管路切换形成旁路***，方便维护保养。

进一步的方案是，所述的换热管采用无缝钢管、槽管、翅片管中的一种，换热管与外侧管板采用胀接和焊接并用的方式连接，材料为碳钢、低合金钢、不锈钢、钛材、碳化硅中的一种；所述的热水泵和补水泵选用离心泵、转子泵、往复泵之一或它们的组合；所述的蒸汽分汽缸前通过蒸汽减温减压装置连接高压蒸汽总管；所述的蒸汽减温减压装置包括调节阀和前后切断阀，同时设置装有切断阀的旁路，调节阀选用自力式调节阀、电动调节阀和气动调节阀之一，切断阀的选用闸阀和截止阀之一，并根据来自总管蒸汽与换热器产生蒸汽的压力差设置补水口。通过对热回收器进一步的结构细化，保证热回收的效率，并适配各种不同的生产环境的需要。

一种使用上述冷却***的三氧化硫气体冷却方法，包括以下步骤：

a、温度在370～520℃的高温三氧化硫气体由三氧化硫转化塔进入第一级换热器的壳程，进气量为2500～4500Nm³/h，经过第一级换热将三氧化硫气体的温度降至100～250℃；

b、温度在100～250℃的三氧化硫气体由第一级换热器壳程出口进入第二级换热器的壳程，经过第二级换热将三氧化硫气体的温度降至40～90℃；

c、温度在15～95℃的去离子水进入第一级换热器的管程，经过第一级换热将去离子水升温气化，产生蒸汽，蒸汽压力在0.2～1.2MPa；

d、压力在0.2～1.2MPa的蒸汽由第一级换热器管程出口进入蒸汽分汽缸，在蒸汽分汽缸内与来自蒸汽总管的高压蒸汽进行调压，蒸汽总管的蒸汽压力为0.4～1.5MPa，调压后接入生产环境内的各用汽点；

e、温度在15～35℃的去离子水进入第二级换热器的管程，经过第二级换热将去离子水升温，产生热水，出口热水温度在32～95℃；

f、温度在32～95℃的去离子水由第二级换热器管程出口进入热水罐，热水罐中热水经过热水泵接入生产环境内热水总管。

进一步的方案是，将第二级换热器产生的热水用于第一级换热器的补水。

进一步的方案是，所述去离子水水质要求达到GB/T1576—2018《工业锅炉水质》并满足硬度≤2.0μmol/L，溶解氧≤15μg/L，铁≤50μg/L，铜≤10μg/L，二氧化硅≤20μg/L。

本发明所设计的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***及其冷却方法，与现有技术相比具有以下特点：

1、使用稳定可靠的换热设备，尤其是采用如双管板换热器等，降低了三氧化硫气体与水（包括空气中所含水分）接触可能，从而使三氧化硫冷却工段故障率降低，对提高了操作安全性；

2、使用水作为冷却介质替代空气，水的比热容远大于空气，因而可以选用体积流量小、功率低的水泵替代大功率空气风机，节能率30～75%；

3、使用“三氧化硫—水”这种直接换热的换热方式替代“三氧化硫—空气—水”间接换热方式，在提高20～45%热效率的同时，减少了余热锅炉、热水换热器及其附属设备、管道、仪表，三氧化硫工段设备投资减少15～30%；

4、由于热效率的提高使得回收热量所能产生的蒸汽品位提高，稳定连续生成的饱和蒸汽最高压力从0.6MPa提升到1.0～1.2MPa。

附图说明

图1 是本发明实施例1的***流程简图。

图2 是本发明实施例2***流程简图。

图3 本发明三氧化硫热回收器结构简图。

附图标记说明：

1—三氧化硫转化塔出口；2—三氧化硫热回收装置；3—蒸汽减温减压装置；4—蒸汽分汽缸；5—热水罐；6—热水泵；7—第一级补水泵；8—第二级补水泵；21—第一级换热器；22—第二级换热器；201—第一级管箱；202—第一级管程出口；203—外侧管板；204—积液腔；205—内侧管板；206—壳程入口；207—筒体；208—第一级换热管；209—壳程出口；210—第二级管程出口；211—第二级管箱；212—分程隔板；213—第二级管程入口；214—第二级积液腔排净口；215—壳程排净口；216—第二级换热管；217—折流板；218—鞍式支座；219—第一级积液腔排净口；220—第一级管程入口。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1。

本实施例描述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，包括三氧化硫转化塔出口1和三氧化硫热回收装置2，所述的三氧化硫热回收装置2由第一级换热器21和第二级换热器22依次串联而成的热回收器，所述的热回收器是中心线与水平面夹角为1°～5°倾斜设置结构，其包括第一级管箱201、第一级管程出口202、外侧管板203、第一级积液腔、内侧管板205、第二级积液腔、壳程入口206、筒体207、第一级换热管208、壳程出口209、第二级管程出口210、第二级管箱211、分程隔板212、第二级管程入口213、第二级积液腔排净口214、壳程排净口215、第二级换热管216、折流板217、鞍式支座218、第一级积液腔排净口219和第一级管程入口220，筒体207的两端对称设置第一级管箱201和第二级管箱211，且第一级管箱201和筒体207之间依次设有外侧管板203、第一级积液腔和内侧管板205，筒体207和第二级管箱211之间一次设有内侧管板205、第二级积液腔和外侧管板203，第一级管箱201上设有第一级管程入口220和第一级管程出口202，第一级管箱201的中部设有分程隔板212，第二级管箱211上设有第二级管程入口213和第二级管程出口210，第二级管箱211的中部设有分程隔板212，第一级管箱201的水平位置高于第二级管箱211，筒体207上靠近第一级管箱201的位置设有壳程入口206，筒体207上靠近第二级管箱211的位置设有壳程出口209，筒体207上靠近第二级管箱211的底部设有壳程排净口215，筒体207内设有折流板217、第一级换热管208和第二级换热管216，所述的第一级换热管208的长度长于第二级换热管216的长度，第一级积液腔底部设有第一级积液腔排净口219，第二级积液腔的底部设有第二级积液腔排净口214。所述的三氧化硫转化塔出口1与热回收器的壳程入口连接，三氧化硫气体通过壳程入口206进入到筒体207内，与第一换热管208换热，并经过部分的折流板217后进入到筒体207的后半部分，从而与第二级换热管216换热，最后经热回收器的壳程出口209与后续磺化工段连接，第一级管程出口202与蒸汽分汽缸4连接，第二级管程出口210与热水罐5连接，热水罐5出水口连接热水泵6。

其中所述的换热管采用无缝钢管、槽管、翅片管中的一种，换热管与外侧管板203采用胀接和焊接并用的方式连接，材料为碳钢、低合金钢、不锈钢、钛材、碳化硅中的一种；所述的热水泵6和补水泵选用离心泵、转子泵、往复泵之一或它们的组合；所述的蒸汽分汽缸4前通过蒸汽减温减压装置3连接高压蒸汽总管；所述的蒸汽减温减压装置3包括调节阀和前后切断阀，同时设置装有切断阀的旁路，调节阀选用自力式调节阀、电动调节阀和气动调节阀之一，切断阀的选用闸阀和截止阀之一，并根据来自总管蒸汽与换热器产生蒸汽的压力差设置补水口。

本实施例描述的所述的三氧化硫气体冷却工艺包括如下步骤：

（1）、温度在370℃～425℃的高温三氧化硫气体由三氧化硫转化塔进入三氧化硫热回收装置的壳程入口，进气量为2500～3340Nm³/h，经过第一级换热将三氧化硫气体的温度降至100℃～180℃；

（2）、温度在100℃～180℃的三氧化硫气体在三氧化硫热回收装置的壳程内由第一级换热进入第二级换热，经过第二级换热将三氧化硫气体的温度降至40℃～55℃；

（3）、温度在15℃～50℃的去离子水由三氧化硫热回收装置的第二级管程出口直接进入第一级管程入口，经过第一级换热将去离子水升温气化，产生蒸汽，蒸汽压力在0.2MPa～0.7MPa；

（4）、压力在0.2MPa～0.7MPa的蒸汽由三氧化硫热回收装置的第一级管程出口入蒸汽分汽缸，在蒸汽分汽缸内与来自蒸汽总管的高压蒸汽进行调压，总管的蒸汽压力为0.4MPa～0.8MPa，调压后接入车间内的各用汽点；

（5）、温度在15℃～30℃的去离子水进入三氧化硫热回收装置的第二级管程入口，经过第二级换热将去离子水升温，产生热水，出口热水温度在32℃～50℃。

实施例2。

本实施例描述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，其所述的三氧化硫热回收装置由分开的两个热回收器构成。其热回收器的结构与实施例1的相同。第一级热回收器的壳程入口与三氧化硫转化塔的出口相连，第一级热回收器的壳程出口与第二级热回收器的壳程出口相连。所述的两个热回收器的两个管程进口均可以连接补水泵，第一级热回收器的两个管程出口至少有一个连接蒸汽分汽缸，第二级热回收器的第一级管程出口与第一级热回收期的第二级管程入口相连。

本发明所述的三氧化硫气体冷却工艺包括如下步骤：

（1）、温度在430℃～520℃的高温三氧化硫气体由三氧化硫转化塔进入第一级热回收器的壳程，进气量为3500～4500Nm³/h，经过第一级换热将三氧化硫气体的温度降至170℃～250℃；

（2）、温度在170℃～250℃的三氧化硫气体由第一级热回收器的壳程出口进入第二级热回收器的壳程，经过第二级换热将三氧化硫气体的温度降至42℃～90℃；

（3）、温度在32℃～95℃的去离子水进入第一级热回收器的管程入口，经过第一级换热将去离子水升温气化，产生蒸汽，蒸汽压力在0.6～1.2MPa；

（4）、压力在0.6～1.2MPa的蒸汽由第一级热回收器进入蒸汽分汽缸，在蒸汽分汽缸内与来自蒸汽总管的高压蒸汽进行调压，总管的蒸汽压力为0.6～1.5MPa，调压后接入车间内的各用汽点；

（5）、温度在32℃～35℃的去离子水进入第二级热回收器的管程进口，经过第二级换热将去离子水升温，产生热水，出口热水温度在40℃～95℃；

（6）、温度在40℃～95℃的去离子水由第二级热回收器的管程出口进入热水罐或进入到第一级热回收器的管程进口，热水罐中热水经过热水泵接入车间内热水总管。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，包括三氧化硫转化塔出口和三氧化硫热回收装置，其特征是所述的三氧化硫热回收装置由第一级换热器和第二级换热器依次串联而成，所述的三氧化硫转化塔出口通过三氧化硫热回收装置后连接到后续磺化工段，去离子水总管通过补水泵连接三氧化硫热回收装置的管程进口，所述的第一级换热器的管程出口连接蒸汽分汽缸，第二级换热器的管程出口连接到热水罐。

2.根据权利要求1所述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，其特征是所述的三氧化硫转化塔出口与第一级换热器壳程的入口连接，第一级换热器壳程的出口与第二级换热器壳程的入口连接，第二级换热器壳程出口与后续磺化工段连接，第一级换热器管程出口与蒸汽分汽缸连接，第二级换热器管程出口与热水罐连接，热水罐出水口连接热水泵。

3.根据权利要求3所述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，其特征是所述的三氧化硫热回收装置是热回收器，所述的热回收器是中心线与水平面夹角为1°～5°倾斜设置结构，其包括第一级管箱、第一级管程出口、外侧管板、第一级积液腔、内侧管板、第二级积液腔、壳程入口、筒体、第一级换热管、壳程出口、第二级管程出口、第二级管箱、分程隔板、第二级管程入口、第二级积液腔排净口、壳程排净口、第二级换热管、折流板、鞍式支座、第一级积液腔排净口和第一级管程入口，筒体的两端对称设置第一级管箱和第二级管箱，且第一级管箱和筒体之间依次设有外侧管板、第一级积液腔和内侧管板，筒体和第二级管箱之间一次设有内侧管板、第二级积液腔和外侧管板，第一级管箱上设有第一级管程入口和第一级管程出口，第一级管箱的中部设有分程隔板，第二级管箱上设有第二级管程入口和第二级管程出口，第二级管箱的中部设有分程隔板，第一级管箱的水平位置高于第二级管箱，筒体上靠近第一级管箱的位置设有壳程入口，筒体上靠近第二级管箱的位置设有壳程出口，筒体上靠近第二级管箱的底部设有壳程排净口，筒体内设有折流板、第一级换热管和第二级换热管，所述的第一级换热管的长度长于第二级换热管的长度，第一级积液腔底部设有第一级积液腔排净口，第二级积液腔的底部设有第二级积液腔排净口。

4.根据权利要求3所述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，其特征是所述的三氧化硫热回收装置由分开的两个热回收器构成。

5.根据权利要求4所述的用于磺化过程的集约节能型三氧化硫气体冷却***，其特征是所述的换热管采用无缝钢管、槽管、翅片管中的一种，换热管与外侧管板采用胀接和焊接并用的方式连接，材料为碳钢、低合金钢、不锈钢、钛材、碳化硅中的一种；所述的热水泵和补水泵选用离心泵、转子泵、往复泵之一或它们的组合；所述的蒸汽分汽缸前通过蒸汽减温减压装置连接高压蒸汽总管；所述的蒸汽减温减压装置包括调节阀和前后切断阀，同时设置装有切断阀的旁路，调节阀选用自力式调节阀、电动调节阀和气动调节阀之一，切断阀的选用闸阀和截止阀之一，并根据来自总管蒸汽与换热器产生蒸汽的压力差设置补水口。

6.一种使用如权利要求1-5所述冷却***的三氧化硫气体冷却方法，其特征是包括以下步骤：a、温度在370～520℃的高温三氧化硫气体由三氧化硫转化塔进入第一级换热器的壳程，进气量为2500～4500Nm³/h，经过第一级换热将三氧化硫气体的温度降至100～250℃； b、温度在100～250℃的三氧化硫气体由第一级换热器壳程出口进入第二级换热器的壳程，经过第二级换热将三氧化硫气体的温度降至40～90℃； c、温度在15～95℃的去离子水进入第一级换热器的管程，经过第一级换热将去离子水升温气化，产生蒸汽，蒸汽压力在0.2～1.2MPa； d、压力在0.2～1.2MPa的蒸汽由第一级换热器管程出口进入蒸汽分汽缸，在蒸汽分汽缸内与来自蒸汽总管的高压蒸汽进行调压，蒸汽总管的蒸汽压力为0.4～1.5MPa，调压后接入生产环境内的各用汽点； e、温度在15～35℃的去离子水进入第二级换热器的管程，经过第二级换热将去离子水升温，产生热水，出口热水温度在32～95℃； f、温度在32～95℃的去离子水由第二级换热器管程出口进入热水罐，热水罐中热水经过热水泵接入生产环境内热水总管。

7.根据权利要求6所述的三氧化硫气体冷却方法，其特征是将第二级换热器产生的热水用于第一级换热器的补水。

8.根据权利要求6所述的三氧化硫气体冷却方法，其特征是所述去离子水水质要求达到GB/T1576—2018《工业锅炉水质》并满足硬度≤2.0μmol/L，溶解氧≤15μg/L，铁≤50μg/L，铜≤10μg/L，二氧化硅≤20μg/L。

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