稀硫酸浓缩工艺

稀硫酸浓缩新工艺的实验研究 刘兴勇 张 　利 黄 　斌 (四川理工学院材料与化学工程系 ,四川自贡 ,643000) 摘 　　要 　　探索了运用撞击流技术浓缩稀硫酸的工艺 ,该工艺主要由硫酸雾化装置、撞击流浓缩器、硫酸 回收装置等几部分构成。实验以 20 %的稀硫酸作为待浓缩液 ,研究改变空气进口流量 (35. 1～49. 1kg/ h) 、空气进口温度 (300～360 ℃) 、稀硫酸进口流量 (5. 59～9. 79kg/ h) 等因素对稀硫酸浓缩效 果的影响 ,结果明 :该工艺具有较好的浓缩效果 (最大浓度达 70 %以上) ,浓缩后硫酸的浓度随空 气进口流量的增大、空气进口温度的升高、稀硫酸进口流量的减小而增大。 关键词 :浓缩 　撞击流浓缩器 　稀硫酸 中图分类号 : TQ 051 . 62 　　　　　文献标识码 :A 　　硫酸是应用最广的基本化工产品之一 ,硫酸在 使用过程中大体可以分为三种情况 :一是作为产品 的组成部分被固定在产品内 ;二是转变成为不希望 的副产品 ,如芒硝、石膏、硫酸亚铁等 ;三是以废硫酸 形式从产品系统中排出。硫酸的一大用户是有机化 工工业 (包括原油处理工业、印染工业等) ,其中大约 有 1/ 3 的硫酸转变成废酸[1 ] ;另一个硫酸大用户是 钛白工业 ,据统计 ,每生产 1t 钛白 ,要副产含 20 %左 右的稀硫酸 7～11t ;用于冶金工业的酸洗液也一 样。废硫酸在使用过程中被稀释和污染 ,一般不宜 在原生产系统中再次使用。如何处理和回收这些废 硫酸 ,无论从充分利用自然资源的角度 ,还是从环境 保护的角度 ,都是引人注目的问题[ 2 ] 。 迄今为止 ,废酸回收的工艺主要分为两大类 :一 类是废酸再生 ;一类是废酸浓缩。由于废酸再生的 成本和能耗都比较高 ,在实际的工业生产中很少采 用。工业生产中更多的采用浓缩废酸的方法来回收 硫酸 ,这类方法包括浸没燃烧浓缩、鼓式浓缩、真空 浓缩、锅式浓缩和喷雾浓缩[3 ]等。 撞击流是一种可显著强化相间传递过程的新技 术[4 ] 。撞击流浓缩器具有容积蒸发系数较高、没有 固定加热面、不会有垢层生成等优点。本研究探索 了运用撞击流浓缩器浓缩稀硫酸的新工艺 ,该研究 拓展了撞击流技术的应用领域 ,还为工业废硫酸的 回收提供了新的可能途径。 1 实　验 实验的主体设备为水平同轴撞击流浓缩器。两 相流的进口管是内径为 20mm 的不锈钢管 ,它们同 轴对称地安装在浓缩室的两端。雾化装置为文丘里 雾化器。工艺流程简图如图 1 所示 ,空气由鼓风机 1 送入电加热器 5 ,送风量由阀门 2 调节 ,一定量的 空气经电加热器 5 加热后 ,分成等量的两股进入文 氏管 9 ,待浓缩的稀流酸由恒流泵 7 加入文丘里雾 化器的喉管处 ,在此经文氏管处高速热空气雾化 ,形 成非常微小的雾滴 (约几微米至一百多微米) ,从而 1. 风机 ;2. 阀门 ;3. 孔板流量计 ;4. 水银温度计 ;5. 电加热器 ;6. 空 气入口温度控制仪 (配 E 型热电偶) ;7. 恒流泵 ;8. 稀硫酸贮槽 ;9. 文氏雾化器 ;10. 对撞室 ;11 ,14. 产品贮槽 ;12. 旋风分离器 ;13. 碱 洗槽 图 1 　工艺流程示意图 形成气液两相流。两相流以自由射流的方式进入浓 缩室 10 ,两股两相流在浓缩室内发生对撞 ,气液两 相在其中进行强烈的热、质交换 ,水分迅速地汽化。 浓缩后的硫酸由于重力作用一部分进入浓缩室下部 82 四川化工 　　　　　　　　　　　第 11 卷 　2008 年第 4 期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 的产品贮槽 11 ,另一部分由气流夹带进入旋风分离 器 12。在其中完成液滴的分离后 ,液体从旋风分离 器底部进入其下部的产品贮槽 14 ,从旋风分离器顶 部引出的废气经碱洗槽 13 洗涤后放空。实验中待 浓缩稀硫酸的浓度为 20 % ,浓缩后硫酸的浓度 (以 下简称“产品硫酸”)先由比重计测出其比重 ,然后代 入浓度与比重的关系式计算即得。 2 　结果与讨论 211 　空气进口温度对稀硫酸浓缩效果的影响 稀硫酸的浓缩效果随空气进口温度的变化情况 如图 2 所示。其中 (A) 图表示空气流量为 44. 6kg/ h ,不同稀硫酸进料流量时产品硫酸的浓度随空气 进口温度变化的情况 ; (B) 图表示稀硫酸进口流量 为 5. 59kg/ h ,不同空气进口流量时产品硫酸的浓度 随空气进口温度的变化关系。从图中各条曲线可以 看出 ,产品硫酸的浓度随空气进口温度的升高而增 大。这主要是因为空气进口温度升高 ,传热推动力 增大 ,液滴水分的蒸发速率加快所致[5 ] 。 图 2 　空气温度对稀硫酸浓缩效果的影响 212 　空气进口流量对稀硫酸浓缩效果的影响 稀硫酸的浓缩效果随空气流量的变化情况如图 3 所示 , (A)图表示稀硫酸进料流量一定时 (V l = 5. 59kg/ h)的情况 , (B) 图表示空气温度一定时 ( Tg = 340 ℃)的情况。图中各曲线呈现出的趋势是 :产品 硫酸的浓度随进口空气流量的增大而增大。这是由 于本工艺采用文丘里作为稀硫酸的雾化装置 ,当空 气进口流量增大时 ,一方面稀硫酸雾化后生成液滴 的平均粒径减小 ,溶液的比表面积增大 ;另一方面空 气流量增大时 ,单位体积气相中的液滴数减少 ,液滴 之间的碰撞和聚并机率减小 ,液滴在浓缩器中的平 均停留时间增大。这两者对稀硫酸水分的蒸发都是 有利的 ,故产品硫酸的浓度随空气进口流量的增大 而增大[ 5 ] 。 图 3 　空气流量对稀硫酸浓缩效果的影响 213 　稀硫酸进口流量对浓缩效果的影响 产品硫酸的浓度随稀硫酸进口流量的变化关系 如图 4 所示 , ( A) 图表示空气进口温度一定 ( Tg = 340 ℃) ,不同空气进口流量时的情况 ; (B) 图表示空 气进口流量一定 (Vg = 49. 1kg/ h) ,不同空气进口温 度时的情况。图中各条曲线呈现出产口硫酸的浓度 随稀硫酸进口流量的增大而减小的趋势。这主要是 因为稀硫酸进口流量增大时 ,经文丘里雾化器雾化 形成的硫酸液滴粒径增大 ,稀硫酸的比表面积减小 , 这对稀硫酸水分的蒸发是不利的[5 ] 。 92第 4 期　　　　　　　　　　　　稀硫酸浓缩新工艺的实验研究 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4 　稀硫酸流量对浓缩效果的影响 3 　主要结论 (1)运用撞击流浓缩工艺浓缩稀硫酸是可行的 ; (2)产品硫酸的浓度随空气进口温度的增高、空 气进口流量的增大、稀硫酸进口流量的减小而增大。 符号说明 C 　质量浓度 , % ; T 　温度 , ℃; V 　质量流量 ,kg/ h。 下标说明 g 　表示气体 ; l 　表示液体。 参考文献 [ 1 ]Bodenbenner K. Plessen H. V. Steiner R. Regeneration of spent sulfuric acid. Int . Chem. Eng. , 1980 , 20 (3) : 343～351 [ 2 ] Smit h G. M. ; Mantius E. The concent raion of sulfuric acid. Chem. Eng. Prog. , 1978 , (9) : 78～83 [ 3 ]单居正 , 陈远静. 我国硫酸浓缩技术的现状. 硫酸工业 , 1983 , (5) : 38～43 [ 4 ] Tamir A. Translated by WU Yuan (伍沅 译) . Principle and Ap2 plication of Impinging Reactor (撞击流反应器—原理和应用) . [ M ] . Beijing (北京) :Chemical Indust ry Press (化学工业出版社) ,1996. [ 5 ]刘兴勇. 同轴撞击流浓缩器的研究 [ D ] . 四川大学学位论文 (2003) . Experimental Study on the Concentrating Process of Dilute Sulfuric Acid L i u X i ng y ong , Zhang L i , H uang B i n ( M ateri al an d Chemical Engi neeri ng De pt . , S ichuan uni versi t y of science and engi neeri n g , Zi gon g 643000 , Chi na) Abstract :A new concent rating process for dilute sulf uric acid based on impinging2st ream was studied in this work . The process consist s of vent ri atomizer , impinging2st ream concent rator and t he product collecting e2 quip ment . The dilute sulf uric acid wit h 20wt . % was used as a t rial solution in experiment s. The experi2 mental result s show t he concent ration of t he concent rated sulf uric acid increases wit h t he mcrease of inlet air flux and inlet air temperat ure , and t he decrease of inlet liquid flux. Key words :concent ration ; impinging2st ream concent rator ; dilute sulf uric acid 　　声明 :本刊已入编“万方数据 - 数字化期刊群”、“中国核心期刊 (遴选) 数据库”、“中国 期刊网”和“中国学术期刊 (光盘版) ”。作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付 ,不再另 行发放。作者如不同意将文章如编 ,投稿时敬请注明。 03 四川化工 　　　　　　　　　　　第 11 卷 　2008 年第 4 期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net