嚴(yán)與輝，張智博，崔彥龍，楊積海，馬 云

(宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江永嘉 325105)

XDS新型防渦流裝置在硫酸裝置中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

嚴(yán)與輝，張智博，崔彥龍，楊積海，馬 云

(宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江永嘉 325105)

介紹了硫酸系統(tǒng)干吸塔出酸口防渦流裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和特點(diǎn)。XDS新型防渦流裝置有套筒式和組合式兩種結(jié)構(gòu)，由XDS特種合金板材焊接制作而成，性能優(yōu)良、使用壽命長，能有效適應(yīng)塔底出酸口處的苛刻工況。防渦流裝置的設(shè)計(jì)、選型和選材對(duì)穩(wěn)定硫酸生產(chǎn)有重要作用。

硫酸生產(chǎn) 防渦流裝置 應(yīng)用 設(shè)計(jì) 特點(diǎn)

接觸法硫酸生產(chǎn)中干燥塔和吸收塔是重要設(shè)備，干燥塔和吸收塔塔底結(jié)構(gòu)一般有平底型和碟形封頭型2種設(shè)計(jì)。平底結(jié)構(gòu)塔底設(shè)計(jì)基本應(yīng)用在早期設(shè)計(jì)和小規(guī)模制酸系統(tǒng)中，由于塔底是完全平底的結(jié)構(gòu)，塔填料中沖刷下來的碎瓷環(huán)極易平鋪在塔底部，造成塔出酸口阻塞；另外，塔出酸口沒有明顯的酸聚集作用，最終會(huì)造成出酸不順?，F(xiàn)在干燥塔和吸收塔塔底基本采用碟形封頭設(shè)計(jì)，這一結(jié)構(gòu)有明顯的酸聚集作用，易于硫酸流出。碟形封頭塔底設(shè)計(jì)也存在問題，出酸口硫酸流速很高并帶有旋流，出酸易夾帶碎瓷環(huán)，這給后續(xù)設(shè)備運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。例如，帶有一定流速的碎瓷環(huán)進(jìn)入管道，會(huì)沖擊管道內(nèi)壁，時(shí)間久了還會(huì)堆積堵塞管道；碎瓷環(huán)進(jìn)入管路閥門和泵設(shè)備中，將會(huì)損壞泵、閥；流速很高并帶有旋流的硫酸會(huì)加大對(duì)管道和設(shè)備的沖刷腐蝕。

出酸口帶有碎瓷環(huán)硫酸高速旋流沖刷的惡劣工況，對(duì)設(shè)備材質(zhì)提出了耐磨、耐高溫和耐腐蝕的嚴(yán)苛要求，在出酸口設(shè)置防渦流裝置可以顯著改善這種危險(xiǎn)狀況，對(duì)硫酸裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

1 防渦流裝置結(jié)構(gòu)及分類

按工藝結(jié)構(gòu)來分，防渦流裝置由過濾構(gòu)件、防渦流構(gòu)件、出酸管構(gòu)件三部分組成；按材質(zhì)來分主要有鑄鐵防渦流裝置、新型鋼骨架噴涂ETFE防渦流裝置、純PTFE防渦流裝置、耐酸合金防渦流裝置四類。

1.1 鑄鐵防渦流裝置

鑄鐵防渦流裝置由耐酸鑄鐵制造，一般鑄鐵鑄造的過濾筒打大孔，外面包一層316L不銹鋼材質(zhì)絲網(wǎng)以達(dá)到過濾效果；防渦流板和出酸管全部是鑄鐵鑄造。由于鑄鐵的特性和鑄造工藝的限制，鑄鐵結(jié)構(gòu)笨重安裝困難，緊固件材質(zhì)很難選擇，整體強(qiáng)度不夠，打孔時(shí)候往往得考慮強(qiáng)度問題不能打小孔。316L絲網(wǎng)和鑄鐵在這種苛刻工況環(huán)境下使用壽命不長，并且316L絲網(wǎng)易被酸泥堵塞而影響硫酸的通過性。另外，鑄鐵的耐腐蝕性能有限，故鑄鐵過濾裝置會(huì)做得很厚，造成安裝及檢修非常麻煩[1]。鑄鐵防渦流裝置屬于淘汰類型，硫酸裝置已較少使用，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。

1.2 新型鋼骨架噴涂ETFE防渦流裝置

新型鋼骨噴涂ETFE防渦流裝置中的骨架是由鋼件制作而成，常見的有碳鋼、304不銹鋼、316不銹鋼等材質(zhì)。骨架制作完成后，再按靜電噴涂ETFE工藝來噴涂ETFE。ETFE為粉末狀氟塑料，在保持了PTFE良好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕性能和電絕緣性能的同時(shí)，耐腐蝕和機(jī)械性能有很大程度的改善，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到50 MPa，接近聚四氟乙烯的2倍。更主要的是其加工性能得以大大提高，特別是它和金屬表面的附著力表現(xiàn)突出，使氟塑料和鋼殼的復(fù)合工藝真正得以實(shí)現(xiàn)。ETFE具有PTFE的耐腐蝕特性，同時(shí)又有對(duì)金屬特有的較強(qiáng)黏著特性，克服了PTFE對(duì)金屬的不黏合性缺陷，加之其平均線膨脹系數(shù)接近碳鋼的線膨脹系數(shù)，使ETFE成為和金屬的理想復(fù)合材料，具有極優(yōu)良的耐負(fù)壓特性。用ETFE作為噴涂材料，能真正實(shí)現(xiàn)氟塑料與鋼件的完美復(fù)合。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度、耐腐蝕性能和耐溫性能足夠，但因ETFE的噴涂特性，噴涂厚度一般1.0～1.5 mm，應(yīng)用在防渦流裝置中不耐磨，并且價(jià)格也偏高，所以很難大規(guī)模推廣應(yīng)用[2]。

1.3 純PTFE防渦流裝置

純PTFE防渦流裝置由整體純PTFE制作而成，一般由過濾筒和防渦流筒兩部分組成，過濾筒均勻打孔，防渦流筒內(nèi)有十字交叉防渦流板。整體焊接制作，采用TFM氟塑料當(dāng)焊條來焊接PTFE。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠，不耐磨，易彎曲或斷裂，使用時(shí)間一般不會(huì)很長[3]。

1.4 耐酸合金防渦流裝置

耐酸合金(如Lumit合金、K合金、SS920合金、XDS合金等)對(duì)濃硫酸都有著良好的耐腐蝕性能，符合防渦流裝置對(duì)選材提出的耐磨、耐高溫和耐腐蝕的要求，是制作防渦流裝置最優(yōu)良的選擇。耐酸合金雖然價(jià)格稍微昂貴，但從使用壽命超長和結(jié)構(gòu)特征不受材質(zhì)限制等方面來說，耐酸合金防渦流裝置具有極高的性價(jià)比[4]。

宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司(以下簡稱宣達(dá)集團(tuán))借鑒和國內(nèi)外多種防渦流裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究開發(fā)了XDS新型防渦流裝置，性能優(yōu)良、使用壽命長，能有效適應(yīng)塔底出酸口處的苛刻工況，具有極高的產(chǎn)品性價(jià)比。

2 XDS新型防渦流裝置結(jié)構(gòu)

目前宣達(dá)集團(tuán)XDS新型防渦流裝置有套筒式和組合式兩種結(jié)構(gòu)。套筒式防渦流裝置的優(yōu)點(diǎn)在于更換安裝更簡單。組合式防渦流裝置的防渦流性能優(yōu)于套筒式防渦流裝置，且完全杜絕了酸液對(duì)防渦流裝置造成的沖擊，整體穩(wěn)定性更優(yōu)。

2.1 套筒式防渦流裝置

套筒式防渦流裝置由防渦流裝置和出酸管兩部件組成。防渦流裝置由吊耳、蓋板、濾筒、套筒、十字防旋板組成；出酸管由襯板法蘭和筒體組成。

套筒式防渦流裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、安裝更換方便的優(yōu)點(diǎn)，特別是十字防旋板是直接焊接在套筒內(nèi)，與插入式十字防旋板相比有不易掉落的優(yōu)點(diǎn)。防渦流裝置中的吊耳零件用來吊裝，蓋板打孔時(shí)吊耳處不打孔，蓋板打孔方式一般和濾筒相同。濾筒上打一定組合方式排列的小孔用來過濾碎瓷環(huán)，套筒內(nèi)焊互相垂直的十字防旋板，作用是將套筒出液分成4個(gè)相等的空間，以此來破壞渦流的生成。部件間均采用焊接，制作方便快捷。出酸管中的法蘭皆是襯板法蘭，一般是由304法蘭和XDS板材組合焊接制作而成；筒體由XDS板材薄板(一般壁厚為6～10 mm)卷制焊接而成，整體結(jié)構(gòu)簡單輕便，制作方便。

套筒式防渦流裝置的防渦流裝置安裝在塔內(nèi)(見圖1)，通過防渦流裝置的套筒直插入出酸管管內(nèi)來定位安裝(一般套筒外壁與出酸管內(nèi)壁留有少許間隙)。出酸管通過襯板法蘭與塔底設(shè)備法蘭的相連來安裝，因XDS新型防渦流裝置的出酸管為輕型化設(shè)計(jì)，整體質(zhì)量小，2片法蘭采用螺栓螺母的連接方式就能保證強(qiáng)度。

2.2 組合式防渦流裝置

組合式防渦流裝置由過濾器、出酸管、防旋板三部件組成。過濾器由吊耳、蓋板、過濾筒體、卡槽組成；出酸管由襯板法蘭和筒體組成，筒體上部開槽，方便防旋板插入。防旋板有2塊，分為上防旋板和下防旋板。

圖1 套筒式防渦流裝置安裝示意

組合式防渦流裝置采用插入式十字防旋板的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在過濾筒上設(shè)有卡槽，能牢牢卡住十字防旋板，避免使用時(shí)候酸液沖擊對(duì)其造成的輕微搖晃以及杜絕掉落的可能性，增強(qiáng)穩(wěn)定性。十字防旋板高出出酸管的設(shè)計(jì)能提高其破壞渦流的性能，與套筒式防渦流裝置相比，因其高于最低溢流口的特性，十字防旋板能更早的工作。過濾器上的蓋板在濾筒內(nèi)徑范圍內(nèi)打孔，卡槽用來卡十字防旋板，出酸口筒體上部開槽與過濾器配合來卡十字防旋板，開槽數(shù)目一般為4或者4的倍數(shù)，同時(shí)開槽口也做排污之用。其余結(jié)構(gòu)與套筒式防渦流裝置相似。

組合式防渦流裝置是塔外先安裝出酸管(見圖2)，也是通過襯板法蘭與塔底設(shè)備法蘭相連，2片法蘭采用螺栓螺母的方式連接。塔內(nèi)壁與進(jìn)酸管筒體間采用填充石棉繩和注入耐酸膠泥的方式來防腐。十字防旋板、過濾器塔內(nèi)安裝，十字防旋板插入出酸管筒體上部開槽，過濾器通過卡槽卡住十字防旋板來固定安裝。

圖2 組合式防渦流裝置安裝示意

3 防渦流裝置材質(zhì)

2種防渦流裝置均選用耐高溫濃硫酸的XDS特種合金板材焊接制作而成。XDS特種合金板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1，耐腐蝕性能數(shù)據(jù)表2。

XDS特種合金板材具有良好的力學(xué)性能和耐高溫硫酸腐蝕性，是制作防渦流裝置優(yōu)良材料。

表1 耐高溫濃硫酸XDS特種合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)

表2 耐高溫濃硫酸XDS特種合金耐腐蝕性能數(shù)據(jù)

4 防渦流裝置設(shè)計(jì)

4.1 布孔方式確定

由于防渦流裝置中過濾器的特性，通俗來講過濾器是在板材上按一定方式排列開孔以來達(dá)到高效過濾的目的?？酌芏却笮『途鶆蛐詻Q定過濾性能，與過濾性能有關(guān)的2個(gè)參數(shù)：布孔方式和板面利用率。一般常用的布孔方式有3種：正三角形排列、正方形排列、正方形錯(cuò)列，3種布孔方式都能滿足均勻性要求，本著能最大利用板料面積(即板面利用率)和均勻性打孔的原則，選擇其中一種布孔方式。

與正方形布孔和正方形錯(cuò)列布孔相比，在孔間距離相等的情況下，板料正三角形布孔可以多開孔15.5%左右；由于孔數(shù)的增多，過濾效果較好。同時(shí)，在開孔數(shù)目相同的情況下，板料正三角形布孔的孔間距減小13.4%，較小的孔間間距，也有利于過濾性能的提升。因此，防渦流裝置中過濾器采用正三角形布孔方式

4.2 計(jì)算軟件應(yīng)用

從設(shè)計(jì)來說，需確定孔徑、孔間距、過濾器濾筒口徑、板料展開寬度和高度、打孔數(shù)量等參數(shù)?？讖胶涂组g距要按物料密度和板料特性來確認(rèn)，一般選取直徑5～10 mm的孔，這一范圍的孔徑既能滿足過濾碎瓷環(huán)的要求，也不易被酸泥堵塞以影響硫酸的通過性。過濾器濾筒口徑的選取，可通過濾筒內(nèi)的流速來確定，流速的選取范圍為0.5～1.0 m/s。流速過高，沖刷力太大，易形成渦流；流速過低，濾筒規(guī)格大，投資高。另外，過濾器濾筒口徑也可按出酸口口徑加上DN100這一經(jīng)驗(yàn)來選取。舉個(gè)例子，出酸口口徑為DN600，過濾器濾筒口徑就為DN700。板料展開寬度和高度、打孔數(shù)量參數(shù)的選取相對(duì)簡單，在計(jì)算出有效過濾面積的情況下，便可確定板料展開寬度和高度和打孔數(shù)量。宣達(dá)集團(tuán)開發(fā)出一套快速設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件，大大提高了設(shè)計(jì)工作效率。防渦流裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 防渦流裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)語

防渦流裝置雖然只是硫酸系統(tǒng)干吸工序中很小的一環(huán)，但也不能忽視。一臺(tái)好的防渦流裝置能夠確保硫酸系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)，提高硫酸的品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，防渦流裝置的設(shè)計(jì)、選型和選材就顯得尤為重要。

[1] 譚天恩，竇梅，周明華，等.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006: 203.

[2] 劉煥安，葉際宣. 高溫濃硫酸用XDS不銹鋼板材的研究[J].硫酸工業(yè)，2004(1): 21-27.

[2] 嚴(yán)與輝，史慶泰. 混酸器在硫酸裝置中的工藝性能及結(jié)構(gòu)探討[J].硫酸工業(yè)，2016(6): 26-29.

[4] 張碩德.防渦流器的設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，1983(1):43-44.

Application and design features of a new type XDS eddy current devicein sulphuric acid plant

YANYuhui,ZHANGZhibo,CUIYanlong,YANGJihai,MAYun

(Xuanda Industrial Group Co.,Ltd., Yongjia, Zhejiang, 325105, China)

The structure, material and characteristics of the eddy current device for the acid outlet of the dry tower and absorption tower in the sulphuric acid system are introduced. A new type XDS eddy current device is provided with two types of sleeve type and combination type, it is made of XDS special alloy plate, which has good performance and long service life, and can adapt to the harsh working conditions at the bottom of the tower. The design, selection and material selection of the anti swirl device have an important role in stabilizing the production of sulphuric acid.

sulphuric acid production; eddy current device; application; design; characteristic

2017-02-25。

嚴(yán)與輝，男，宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司設(shè)備研發(fā)部部長、高級(jí)工程師，現(xiàn)從事化工機(jī)械非標(biāo)設(shè)備以及硫酸系統(tǒng)特種設(shè)備的研究設(shè)計(jì)工作。電話：13587970405；E-mail：ffsb@xuanda.com。

TQ111.16；TQ053.5

B

1002-1507(2017)05-0053-04