李家榮，盧 濤

（1.云南化鑄科技有限責(zé)任公司，云南昆明 652100；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

在濃硫酸生產(chǎn)過程中，分酸器是將熱濃硫酸均勻分布到干吸塔內(nèi)，使SO2氣體得到干燥，SO3得到吸收，從而獲得高濃度硫酸的關(guān)鍵設(shè)備。分酸器對提高制酸效率，降低尾氣排放都具有重要作用[1-2]。

1 傳統(tǒng)分酸器

1.1 傳統(tǒng)管槽式分酸器

傳統(tǒng)管槽式分酸器見圖1。

圖1 傳統(tǒng)管槽式分酸器

傳統(tǒng)管槽式分酸器主要有以下特點：

1）由于分酸主管下分流位的遠(yuǎn)近距離不同，湍流酸液初分入槽后，導(dǎo)致所需各槽流量偏差較大[3]。

2）酸液垂直沖入槽內(nèi)和槽體安裝時的水平差值，使遠(yuǎn)、中、近液位波動峰谷大，導(dǎo)致各分酸小管流量不均分（差值大）及酸流時大時小等。其液位波動峰谷對填料傳質(zhì)的影響見表1。

表1 管槽式液位波動對填料傳質(zhì)的影響

3）由于點流量不均分，會影響填充床中的氣液接觸效率，造成局部氣流過大或過小或酸液集中偏流使氣流與酸液剪切，增大酸沫量，使干燥后SO2氣體水分增高[4]。

4）酸液溢流進入分酸小管后即產(chǎn)生重力和速度沖擊力沖撞填料，使酸液霧沫量增加，小管提前腐蝕、磨蝕失效[5]。

5）一些制酸工況酸槽內(nèi)易快速產(chǎn)生雜質(zhì)沉淀，形成檢修時難清理的沉固物。

1.2 傳統(tǒng)管式分酸器

傳統(tǒng)管式分酸器如圖2。

圖2 傳統(tǒng)管式分酸器

管式分酸器屬于正壓劇烈湍流流動分流，流速快，布點較少，分酸點存在近區(qū)集中過流和遠(yuǎn)區(qū)邊緣弱流，點出口壓力差值較大，導(dǎo)致各分酸點流量分布不均，填充床中的氣液接觸不充分，填料裝填高，酸液霧沫多，對材料造成腐蝕等不良后果[6]。

總體而言，傳統(tǒng)分酸器存在酸流分布不均勻、酸落點沖力大（流速高）、氣液吸收效率低等問題，同時，夾帶出的霧沫多，易出現(xiàn)管路、泵體、除霧器、換熱器壽命減短及風(fēng)機帶酸等問題，甚至造成排放超標(biāo)。

針對上述系列問題，云南化鑄科技有限責(zé)任公司（以下簡稱化鑄科技）研制了基于真空負(fù)壓對酸流穩(wěn)流的機理及穩(wěn)流結(jié)構(gòu)的均壓穩(wěn)流型分酸器。其具有多級、多類預(yù)分的穩(wěn)流結(jié)構(gòu)，通過對各預(yù)分、分流位對應(yīng)的區(qū)域布點、流量平衡及等量的科學(xué)設(shè)計計算，使其在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生真空負(fù)壓，將分酸主部件及分酸支管內(nèi)的酸流狀態(tài)從無負(fù)壓時的劇烈湍流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)流（層流），穩(wěn)定了酸液的流動和降低了酸液的出口流速（緩流），使各分酸孔流量及出口壓力近乎一致，實現(xiàn)了均壓穩(wěn)流型分酸器的流量均分、出口緩流、均勻及酸流圓整延長，解決了傳統(tǒng)分酸器存在的諸多問題。

2 均壓穩(wěn)流型分酸器穩(wěn)流結(jié)構(gòu)特點及真空負(fù)壓產(chǎn)生原理

均壓穩(wěn)流型分酸器由進酸主管、預(yù)分布、分酸主部件、分酸支管及延長小管、流量均衡管、緩流及調(diào)流件或負(fù)壓均衡管等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖3（占塔截面31%～50%）。其結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)流是將分酸器的預(yù)分布和分酸主部件及支管截面加大，分別大于進酸管及分酸孔（導(dǎo)流短凸臺和延長小管構(gòu)成）的總截面積，從而使酸液進入和流出時分酸器前后都能正常滿流，而內(nèi)部為負(fù)壓空間，即液位終緩流、穩(wěn)流后的氣層暢通狀態(tài)。分酸主部件及支管穩(wěn)流（層流）見圖4，穩(wěn)流型點流量均分效果見圖5。

圖3 均壓穩(wěn)流型分酸器負(fù)壓穩(wěn)流結(jié)構(gòu)示意

圖4 分酸主部件及支管穩(wěn)流

圖5 穩(wěn)流型點流量均分效果

分酸器內(nèi)真空負(fù)壓形成的原理是：當(dāng)分酸器外進口和分酸點出口都為滿流時，整個分酸器內(nèi)就處于外密封狀態(tài)，內(nèi)部則形成了非滿流空間，經(jīng)約40 min的酸液溶解運行置換，把內(nèi)預(yù)留空間的氣體帶出，隨之酸液位逐漸升高變緩、變穩(wěn)，進而形成真空負(fù)壓狀態(tài)，最終形成一定高度的穩(wěn)流空間氣層，即連通的穩(wěn)流氣層[7]。穩(wěn)流型內(nèi)真空負(fù)壓產(chǎn)生原理見圖6（不考慮延長小管長度、分酸口成短出口，其中平面1為預(yù)分布內(nèi)液位面，平面2為分酸點出口面）。

根據(jù)實際管道中流體的伯努利方程：式(1)中，ρ、g、Z、p、v、hf分別為酸液密度、重力加速度、高程、壓力、速度和流動阻力損失。

以平面2為基準(zhǔn)面，則Z2=0，分酸口直接接觸塔內(nèi)環(huán)境氣體，p2為塔內(nèi)氣壓pt，因此式(1)變?yōu)椋?/p>

當(dāng)式(2)中右邊部分小于0時，p1-pt＜0，從而在管內(nèi)部產(chǎn)生真空負(fù)壓，真空度大小為pt-p1。

基于流體質(zhì)量守恒原理，流體連續(xù)性方程為：

式(3)中，∑A表示各級管道面積之和。如圖6所示，預(yù)分布系統(tǒng)管道只有一根，而分酸支管的分酸口較多。從結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，A1略大于∑A2，但預(yù)分布內(nèi)未滿流，實際過流面積有所減小，因此可以認(rèn)為A1接近于∑A2，因此v1接近v2，即兩個平面流速差導(dǎo)致的動能損失很小，因此分酸器內(nèi)的真空度主要由預(yù)分布管的液面高度與流動阻力共同決定，亦即真空度為：

圖6 穩(wěn)流型內(nèi)真空負(fù)壓產(chǎn)生原理

從式(4)可以看出，在酸液流量一定的情況下，流動阻力幾乎保持不變，因此分酸器的真空度隨著預(yù)分布內(nèi)液面高度的升高而增大。一方面分酸器的真空度越大越有利于酸流量的均布，但會增加分酸器在高度上的占位，因此合理設(shè)計預(yù)分布的高度，要兼顧分酸器的真空負(fù)壓具備穩(wěn)定可靠的均壓穩(wěn)流性能，又要兼顧其占位對塔體高度增加的投資及泵功率的消耗。

3 真空負(fù)壓對分酸器均壓穩(wěn)流效果的作用

在分酸支管、分酸主部件及預(yù)分布系統(tǒng)等內(nèi)部形成真空負(fù)壓環(huán)境后，酸液流動從劇烈湍流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)流，同步液位上升至氣體穩(wěn)流層面（按伯努利方程，流動速度降低，部分速度壓頭轉(zhuǎn)換為幾何壓頭），真空負(fù)壓對均壓穩(wěn)流型分酸器中的酸流影響示意見圖7。此時各位置分酸口壓力均勻，波動、流速（流量）差值減小，從而實現(xiàn)了分酸器的均壓穩(wěn)流及各點口的流量均分及出口緩流。

圖7 真空負(fù)壓對均壓穩(wěn)流型分酸器中的酸流影響示意

對于確定結(jié)構(gòu)的均壓穩(wěn)流型分酸器，當(dāng)上酸量在設(shè)計值570 m3/h和操作彈性-40%～+30%時，檢測負(fù)壓值在-4.7～-2.5 kPa，分酸孔出口的流體壓力及流量差值小幅波動。在設(shè)計值（基數(shù)值）狀態(tài)下分酸孔出口流體壓力穩(wěn)定在±100 Pa。均壓穩(wěn)流型分酸器分酸孔壓力和流量見表2。

表2 均壓穩(wěn)流型分酸器分酸孔壓力和流量

傳統(tǒng)管槽式分酸器點孔壓力波動測試在±600 Pa以上，而均壓穩(wěn)流型僅為±100 Pa，均壓穩(wěn)流僅為無負(fù)壓（劇烈湍流）時的1/6，所以，均壓穩(wěn)流型分酸器內(nèi)的負(fù)壓穩(wěn)流狀態(tài)對于布酸點的流量均分、出口緩流具有非常重要的價值。均壓穩(wěn)流型與管槽式分酸器分酸點出口壓力波動測試結(jié)果對比見圖8。

圖8 均壓穩(wěn)流型與管槽式分酸器分酸點出口壓力波動測試結(jié)果

在分酸點流量均分方面，記錄了兩種分酸器的分酸點口稱量1 min/次、3次平均的多點、多位置比較數(shù)據(jù)，在相近設(shè)計參數(shù)下，均壓穩(wěn)流型各分酸點流量差值在0.45 kg以內(nèi)，僅相當(dāng)于傳統(tǒng)管槽式分酸器2.7 kg的1/6。驗證表明，均壓穩(wěn)流型分酸器在流量分布均勻性方面效果顯著。兩種不同分酸器分流點口流量稱量結(jié)果（局部）見圖9。

圖9 兩種不同分酸器分流點口流量稱量結(jié)果（局部）

4 均壓穩(wěn)流型分酸器的其他優(yōu)勢

4.1 霧沬減少

由于真空負(fù)壓使酸液從劇烈湍流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)流，分酸點口酸流壓力（或流速）均勻、點流量均分、緩流（流速0.8～1.06 m/s），酸流圓整延長100 mm以上，因此霧沬較傳統(tǒng)分酸器減少，解決了風(fēng)機帶酸問題，干燥后SO2氣體水分較低，SO3吸收率提高，裝置壽命延長，不易產(chǎn)生排放超標(biāo)。

4.2 節(jié)能效果

均壓穩(wěn)流型分酸器的上酸管與分酸導(dǎo)流點口是一個全密封的兩端，其結(jié)構(gòu)和酸液的流動產(chǎn)生了真空負(fù)壓效應(yīng)，同時輪廓高度低于管槽式分酸器約460 mm（如圖10所示）。這些都降低了泵體電機的揚程功耗，有較好的節(jié)能效果。與管槽式分酸器相比，節(jié)約電費約5%。

圖10 均壓穩(wěn)流型與管槽式分酸器占位高度比較

4.3 配套的過濾裝置

針對不同生產(chǎn)工況，可分別選擇配套3種不同類型、多種不同耐腐蝕材質(zhì)的過濾裝置，確保穩(wěn)流型分酸器的流量均分、穩(wěn)定和無檢修清理。3種類型過濾裝置見圖11。

圖11 3種類型過濾裝置

5 均壓穩(wěn)流型分酸器應(yīng)用效果

均壓穩(wěn)流型分酸器已廣泛用于國內(nèi)外大中型硫酸制酸企業(yè)，如中鋁集團、紫金集團、銅陵集團、云天化集團、甕福集團、贊比亞CCS、塞爾維亞波爾銅業(yè)、剛果（金）TFM等，部分設(shè)備服役時間已超8年。

以A企業(yè)為例，原用干燥塔管槽式分酸器運行1年左右（2015—2016年），因腐蝕穿孔嚴(yán)重，改用均壓穩(wěn)流型分酸器運行至今已6年，生產(chǎn)中的干燥塔（φ7 200 mm）分酸器改型前后工藝參數(shù)見表3。

表3 A企業(yè)干燥塔分酸器改型前后工藝參數(shù)及成果

由表3可見：改型后干燥塔分酸點增加4個/m2，干燥塔出口ρ(H2O)下降33%，酸泵電流降低17 A，酸霧(ρ)下降52%。負(fù)壓穩(wěn)流實現(xiàn)了分酸點出口的壓力均勻及流量均分，干燥爐氣含水量減少近1/3，酸霧降低，年節(jié)電約6萬元。

B企業(yè)一吸塔（φ6 200 mm）分酸器改型前后的工藝參數(shù)對比見表4。

從表4可見：改型后干燥塔分酸點增加3個/m2，進塔酸溫度下降1 ℃，酸泵電流降低12 A，總吸收率增加0.04個百分點，塔壓下降27%。改型后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，年節(jié)電約4.3萬元。

表4 B企業(yè)一吸塔分酸器改型前后工藝參數(shù)

6 結(jié)語

1）基于流體力學(xué)原理，均壓穩(wěn)流型分酸器進行了科學(xué)的穩(wěn)流結(jié)構(gòu)設(shè)計，在分酸器內(nèi)形成真空負(fù)壓，已達到了均壓穩(wěn)流的點流量均分、出口酸液緩流且均勻、節(jié)能等效果。

2）真空負(fù)壓穩(wěn)流技術(shù)和研發(fā)的5類耐腐蝕合金材料、實時在線的均分監(jiān)測及過濾裝置等22項專利成果和大量工況數(shù)據(jù)表明，其應(yīng)用已具有顯著提高制酸行業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)能減排的示范效應(yīng)。