Установка для выпаривания серного ангидрида из олеума и блок выпаривания серного ангидрида из олеума этой установки
PLANT FOR EVAPORATING SULFURIC ANHYDRIDE FROM OLEUM AND A UNIT FOR EVAPORATING SULFURIC ANHYDRIDE FROM OLEUM OF THIS PLANT

Группа изобретений относится к устройствам для получения серной кислоты и может быть использована в химической отрасли промышленности.
В качестве прототипа выбрана установка для выпаривания серного ангидрида из олеума, которая состоит из последовательно соединенных трубопроводом блока предварительного нагрева олеума и блока выпаривания серного ангидрида из олеума [US 8580224, дата публикации: 12.11.2013 г., МПК: С01В 17/88].
Недостатком прототипа является высокий риск выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида из олеума из-за высокой коррозионной активности разогретого олеума в зоне кипения, которая периодически смещается из блока выпаривания серного ангидрида из олеума в блок предварительного нагрева олеума, вследствие чего испарение серного ангидрида происходит в блоке предварительного нагрева олеума или в трубопроводе соединяющим его с блоком выпаривания серного ангидрида из олеума, а не в блоке выпаривания, что ввиду воздействия горячих паров серного ангидрида приводит к снижению долговечности блока предварительного нагрева олеума и трубопровода, а также снижению надежности установки для выпаривания серного ангидрида в целом, в результате чего требуется разработка решения, которое позволило бы исключить указанный недостаток и обеспечить стабильность кипения олеума именно в блоке выпаривания серного ангидрида из олеума, а не в других частях этого устройства.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости повышения надежности установки для выпаривания серного ангидрида из олеума.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в снижении риска выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида из олеума.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Установка для выпаривания серного ангидрида из олеума содержит последовательно соединенные трубопроводом блок предварительного нагрева олеума, насос и блок выпаривания серного ангидрида из олеума. В отличие от прототипа блок выпаривания серного ангидрида из олеума состоит из последовательно соединенных трубопроводом узла перегрева олеума и узла расширения перегретого олеума, при этом трубопровод, соединяющий их, выполнен с возможностью повышения давления олеума в узле перегрева олеума.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Блок выпаривания серного ангидрида из олеума установки для выпаривания серного ангидрида из олеума содержит подключенный к нему трубопроводом насос. В отличие от прототипа блок выпаривания серного ангидрида из олеума установки для выпаривания серного ангидрида из олеума содержит последовательно соединенные трубопроводом узел перегрева олеума и узел расширения перегретого олеума, при этом трубопровод, соединяющий их, содержит дросселирующее устройство, обеспечивающее возможность повышения давления олеума в узле перегрева олеума.
Блок предварительного нагрева олеума обеспечивает возможность подогрева олеума, поступающего на вход установки. Блок предварительного нагрева олеума может быть представлен емкостью с погружным или наружным нагревательным элементом и входом, и выходом олеума. В наиболее предпочтительном варианте блок предварительного нагрева олеума может быть представлен рекуператором, обеспечивающим возможность передачи тепловой энергии от циркулирующего в установке теплоносителя в виде олеума к свежим его порциям через теплообменник, имеющий входы и выходы для циркулирующего олеума.
3
Блок выпаривания серного ангидрида из олеума обеспечивает возможность перегрева олеума с последующей выпарки из него серного ангидрида. Блок выпаривания серного ангидрида из олеума состоит из последовательно соединенных узла перегрева олеума и узла расширения олеума. Узел перегрева олеума работает под большим давлением, чем узел расширения, за счет чего узел перегрева обеспечивает возможность повышения температуры поступающего из блока предварительного нагрева олеума выше значения его температуры кипения в узле расширения, которая может изменяться в зависимости от содержания в нем серного ангидрида SO.
Узел перегрева олеума может быть представлен емкостью с погружным или наружным нагревательным элементом, и входом и выходом олеума. При этом вход олеума может быть подключен к выходу олеума блока предварительного нагрева олеума. В наиболее предпочтительном варианте узел перегрева представлен кожухотрубным теплообменным аппаратом с теплообменными трубками, обеспечивающими циркуляцию и нагрев олеума и подключенными к входу и выходу кожухотрубного теплообменного аппарата. При этом для турбулизации потока олеума, снижения риска его закипания внутри теплообменных трубок и снижения риска выхода их из строя, трубки могут иметь накатку, образующую на их внутренней поверхности кольцевые выступы.
Кольцевые выступы на внутренней поверхности трубок обеспечивают возможность повышения степени турбулизации потока олеума в пристеночном слое за счет циклического изменения давления во всем потоке олеума, движущегося через зоны трубки с кольцевыми выступами и через зоны трубки со впадинами между кольцевыми выступами, благодаря чему снижается риск закипания олеума в пристеночном слое. Высота кольцевых выступов может составлять от 0,01 до 0,08 наружного диаметра трубки, что обеспечивает снижение риска образования застойных зон потока олеума во впадинах между кольцевыми выступами. Выступы высотой менее 0,01 наружного диаметра трубки не оказывают существенного влияния на поток олеума, вследствие чего процесс его течения не отличается от процесса течения в гладкой трубе. Выступы высотой более 0,08 наружного диаметра трубки приводят к значительному росту гидравлического сопротивления и повышают риск закипания олеума внутри трубок.
Шаг кольцевых выступов может составлять от 0,1 до 10 наружных диаметров трубки, за счет чего в широком диапазоне режимов работы может быть обеспечено оптимальное соотношение высоты выступов к ширине впадин, что положительно сказывается на степени турбулизации потока олеума, позволяя дополнительно снизить риск его закипания в пристеночном слое. В случае, если шаг кольцевых выступов будет составлять менее 0,1 или более 10 наружных диаметров трубки, то, ввиду либо слишком малого, либо слишком большого расстояния между кольцевыми выступами по отношению к их высоте, степень турбулизации потока в пристеночном слое будет недостаточной, а характер движения потока будет ламинарным, вследствие чего увеличивается риск закипания олеума и коррозии стенки трубки.
При этом трубки и корпус теплообменного аппарата могут быть выполнены из кислотостойкого металла, либо изнутри покрыты кислотостойким материалом. Для обеспечения перегрева олеума кожухотрубный теплообменный аппарат может содержать вход и выход теплоносителя межтрубного пространства. Теплоносителем межтрубного пространства может быть пар, в том числе водяной пар. При этом для обеспечения возможности поддержания заданной температуры олеума на выходе теплоносителя межтрубного пространства может быть установлен регулирующий клапан. При этом для дополнительного повышения точности регулирования температуры олеума на выходе, снижения риска его закипания внутри теплообменных трубок и снижения риска выхода их из строя, на выходе олеума может быть установлен датчик температуры олеума, а регулирующий клапан может быть снабжен контроллером, к которому подключен датчик температуры олеума на выходе. Вышеупомянутый контроллер может обеспечивать возможность открытия клапана в случае, если необходимо повысить температуру олеума на выходе и закрытия клапана в случае, если необходимо частично затопить межтрубное пространство и снизить температуру олеума на выходе. При этом для дополнительного повышения точности регулирования температуры олеума на выходе кожухотрубный теплообменный аппарат может содержать датчик температуры теплоносителя межтрубного пространства, подключенный к контроллеру регулирующего клапана.
3
Узел расширения перегретого олеума обеспечивает возможность снижения давления перегретого олеума и его закипания с целью отделения от него серного ангидрида. Узел расширения может быть представлен емкостью с входом для олеума и выходом для серного ангидрида SO. Емкость может быть выполнена из кислотостойкого металла, либо изнутри может быть покрыта или футерована кислотостойким материалом.
3
Узлы перегрева и расширения последовательно соединены посредством трубопровода. При этом вышеупомянутый трубопровод выполнен с возможностью повышения давления олеума в узле перегрева олеума. Для этого он имеет сужение и/или содержит дросселирующее устройство, которое может быть представлено дроссельной заслонкой, краном, или клапаном. При этом для снижения риска выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида SO из олеума за счет упрощения ее конструкции дросселирующее устройство может быть представлено дроссельной шайбой.
3
Дополнительно для снижения риска выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида SO. из олеума за счет повышения эффективности контроля производительности установки трубопровод, соединяющий блок предварительного нагрева и узел перегрева олеума, содержит насос, который может быть снабжен контроллером, а на выходе серного ангидрида из узла расширения могут быть установлены датчики температуры и давления, подключенные к контроллеру. Вышеупомянутый контроллер может обеспечивать возможность регулирования мощности насоса в зависимости от температуры и давления серного ангидрида на выходе узла расширения.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что блок выпаривания серной кислоты из олеума состоит из последовательно соединенных трубопроводом узла перегрева олеума и узла расширения перегретого олеума, что позволяет путем регулирования потока теплоносителя регулирующим клапаном и повышения давления олеума в трубопроводе, повысить температуру олеума до точки выше его температуры кипения и за счет резкого снижения его давления в узле расширения перенести зону его закипания из блока предварительного нагрева и трубопровода, соединяющего его с блоком выпаривания серного ангидрида из олеума, непосредственно в предназначенный для этого узел расширения, благодаря чему снизить риск возникновения локальных очагов закипания олеума в пространстве этих элементов и снизить негативное коррозионное влияние на них.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида из олеума, тем самым повышается ее надежность.
Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не известна установка для выпаривания серного ангидрида из олеума, имеющая представленную компоновку узлов в блоке выпаривания серного ангидрида из олеума. Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что блок выпаривания серного ангидрида из олеума является частью установки для выпаривания серного ангидрида из олеума, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - Схема установки для выпаривания серного ангидрида из олеума.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом, а все параметры температуры и давления могут быть изменены в зависимости от компонентного состава олеума и концентрации в нем серного ангидрида.
Установка для выпаривания серного ангидрида из олеума состоит из блока предварительного нагрева олеума, представленного рекуператором 1 и блока выпаривания, представленного подогревателем 2 в виде теплообменного аппарата, содержащего теплообменные трубки (не показаны на фигурах) с углублениями и выступами на внутренней поверхности, электрический клапан 3 регулирования уровня конденсата и датчик температуры 4, и расширительным баком 5. Рекуператор 1 и подогреватель 2 соединены трубопроводом 6, а подогреватель 2 и расширительный бак 5 соединены трубопроводом 7. Трубопровод 6 содержит циркуляционный насос 8, а трубопровод 7 содержит последовательно установленные датчик 9 температуры и дроссельную шайбу 10. Расширительный бак 5 соединен трубопроводом 11 с рекуператором 1 и трубопроводом 6 с подогревателем 2, а на выходе расширительного бака 5 установлены датчики 12 и 13 температуры и давления полученного серного ангидрида, которые подключены к циркуляционному насосу 8, а датчики температуры 4 и 9 подключены к электрическому клапану 3.
Изобретение работает следующим образом.
3
Олеум подается на вход рекуператора 1 и подогревается в нем до температуры 100°С за счет части отведенного по трубопроводу 11 олеума из расширительного бака 5. Подогретый олеум направляется по трубопроводу 6 в точку смешивания, в которой происходит объединение потока свежего олеума и олеума, циркулирующего по трубопроводу 11. Смешанный поток олеума с температурой 104,7°С циркуляционным насосом 8 под давлением 0,53 МПа подается в подогреватель 2, в частности во внутреннее пространство теплообменных трубок, где происходит нагрев и турбулизация потока олеума в пристеночном слое за счет кольцевых выступов и углублений трубок. При этом за счет изменения уровня конденсата греющего пара в межтрубном пространстве теплообменного аппарата с помощью клапана 4 регулирования уровня конденсата осуществляется изменение температуры олеума за подогревателем 2. При снижении температуры олеума, зарегистрированной датчиком 9, электрический клапан 3 открывается, а при увеличении температуры олеума клапан 3 закрывается и межтрубное пространство теплообменного аппарата заполняется конденсатом пара, за счет чего нагрев олеума происходит менее интенсивно. Подогретый до температуры 112,3°С олеум пропускается через дроссельную шайбу 10, что обеспечивает снижение давления олеума до 0,28 МПа, вследствие чего происходит его вскипание в расширительном баке 5 и разделение серного ангидрида SO и олеума. Производительность установки обеспечивается степенью перегрева олеума и скоростью циркуляции за счет управляющих сигналов, получаемых от датчиков 12 и 13 контроллером циркуляционного насоса 8. При этом за счет переноса зоны кипения олеума в расширительный бак 5 снижается его негативное коррозионное влияние на компоненты установки, в том числе на теплообменные трубки теплообменного аппарата и элементы трубопровода установки.
Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска выхода из строя компонентов установки для выпаривания серного ангидрида из олеума, тем самым повышается ее надежность.