濃硫酸儲罐伴熱設計的探討

葉 屹

(重慶化工設計研究院有限公司 重慶 400039)

濃硫酸儲罐伴熱設計的探討

葉 屹

(重慶化工設計研究院有限公司 重慶 400039)

介紹了濃硫酸儲罐的選材、設計規范以及基本的結構形式；分析了采用碳鋼作為濃硫酸儲罐的本體材質的可行性，探討了多種濃硫酸儲罐的伴熱方式的優缺點和相應的安全措施，提出了較為合理的伴熱結構，為在低溫區域使用的濃硫酸儲罐的保溫設計提供參考。

濃硫酸; 儲罐; 保溫 ;設計

硫酸，化學分子式H2SO4，在化學工業中的應用十分的廣泛，被稱為化學工業之母。當硫酸溶液中的硫酸質量分數大于或等于70%，就被稱作濃硫酸，它是一種具有高腐蝕性和強氧化性的強礦物酸，同時它還具有脫水性，酸性，難揮發性，吸水性等特點。因此濃硫酸的儲存設施就更加需要重視，既要考慮其安全性，同時又要考慮使用中的可行性。所以在設計的過程中需要從選材和結構選型方面進行綜合考慮。為此，本文對濃硫酸儲罐的材料的選擇和伴熱結構設計進行探討。

1 濃硫酸儲罐的選材

1.1 濃硫酸的化學性質

濃硫酸是具有強氧化性的物質，當性質活潑的金屬材料與濃硫酸接觸便發生電化學腐蝕現象，也就是說金屬在濃硫酸中發生了氧化還原反應。下面以碳鋼為例，其與硫酸的化學反應方程式如下：

Fe+H2SO4=H2+FeSO4

本文分別測試了CLIQUE算法、文獻[10]中的GP-CLIQUE算法和本文算法對不同大小、不同形狀的二維數據進行聚類的聚類效果。使用二維數據進行實驗可以更直觀的看到聚類結果，也便于比較不同算法的聚類效果。圖4為使用三種算法對同一個數據集進行聚類的效果對比圖。

碳鋼是我們在化工設備中的常用材料，根據腐蝕數據資料表明，當質量分數大于70%濃硫酸與碳鋼會發生鈍化現象，金屬表面會被氧化，形成一層致密的氧化膜，由于濃硫酸含水量非常小，所形成的氧化層就沒有了再次被氧化腐蝕的可能性。但是如果溫度在60℃以上，或者濃硫酸的流速過快，則也會加速腐蝕，需要考慮使用更高級的316L或者非金屬如四氟乙烯等。因此，常溫儲存的濃硫酸儲罐選擇碳鋼作為本體材料是可行的，而且儲罐內表面無需再做其他防腐處理，但在設計過程中需要考慮足夠的腐蝕余量。常溫下硫酸對碳鋼的腐蝕速率見表1。

1.2 濃硫酸儲罐的選材

在已經規定的國家和國際層面，以及相關行業的技術標準上，要采取針對性的措施。為達到水利信息化建設的標準要求，進行有效的針對性管理。

2Fe+6H2SO4(濃)=加熱=Fe2(SO4)3+3SO2+6H2O

表1 硫酸對碳鋼的腐蝕速率

2 濃硫酸儲罐的基本結構

在化學工業中濃硫酸儲罐有兩種結構形式：

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(1)當濃硫酸采用帶壓儲存時，則按照壓力容器規范GB150的要求，選用立式或者臥式儲罐結構形式；

(2)當濃硫酸采用常壓或者微壓儲存時，由于硫酸的蒸汽壓比較微弱，因此不必考慮內浮盤，直接采用自支撐式的固定頂儲罐的結構形式。其相關的規范有三個，其各自的設計范圍也有所不同，對應關系如表2。

(4)在濃硫酸儲罐內采用設置內盤管，通入蒸汽或熱水對儲罐內濃硫酸直接進行加熱。

表2 儲罐規范及其設計范圍

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圖1 固定頂濃硫酸儲罐的基本結構

以上幾種加熱方法的優缺點分析：

3 濃硫酸儲罐的伴熱設計

(2)對于在濃硫酸儲罐側壁設置盤管，優點是如果外盤管發生泄露，可以直接發現，并且易于修補，其缺點在于有效伴熱面積較小，不容易滿足導熱需求。

根據相關資料表明不同濃度的濃硫酸，其凝固點也存在差異，如表3。

表3 濃硫酸的凝固點

意味著在最低氣溫低于濃硫酸凝固點的地區，在常壓環境條件下，濃硫酸會存在凝固的可能。在化學工業中，為了解決儲存介質在低溫工況下凝固問題，通常采用的儲罐伴熱方式如下：

(1)對濃硫酸儲罐的基礎進行處理，在基礎施工過程中就埋入加熱盤管，通入蒸汽或熱水對罐底加熱，結構形式見圖2所示。

濃硫酸儲罐罐體上應該盡量減少位于儲罐底部的開孔，底部只設置濃硫酸出口以及清掃孔，將濃硫酸進口、人孔、放空口等其他開孔設置在罐頂，通過減少濃硫酸液面下的法蘭密封面，達到減小泄漏的可能性。同時對于固定頂的濃硫酸儲罐，在設計中一般不考慮設置操作平臺，如果為了檢修的方便，必須要設置的情況，那么操作平臺最好單獨設置。濃硫酸儲罐的基本結構見圖1所示。

圖2 儲罐基礎盤管加熱結構示意圖

(2)在濃硫酸儲罐側壁設置外盤管，通入蒸汽或熱水對罐壁進行加熱；

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(3)或者以上二者同時使用；

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為了保證濃硫酸儲罐的抗腐蝕性能，濃硫酸儲罐的罐體與濃硫酸介質接觸的焊接接頭采用對接全焊透形式，并且采用局部的RT檢測，罐底板則還需要在對接接頭的下方增加焊接墊板，在罐底板施工完成后還需要做真空箱試驗，合格后再對罐壁和罐底板內表面進行MT檢測。

(1)在儲罐基礎埋入加熱管道方式，其優點在于和儲罐底可以直接接觸，導熱效率高，缺點也同樣明顯，如果基礎中的盤管發生泄漏，不能夠及時的發現，同時對于發現泄漏后的修補也是比較困難的。

3.1 濃硫酸儲罐的伴熱方式

（2）金融機構面對企業通過技術創新走綠色化生產模式具有較強的盈利能力時，金融機構將會愿意以較低的貸款利率給企業貸款。另外，企業通過較高的科技創新和創新投入開展綠色化生產模式時，能夠吸引金融機構以優惠的貸款利率給企業貸款，幫助其進行科技創新，當企業通過投入較少的科技研發和創新投入費用開展綠色化生產模式時，金融機構以優惠的貸款利率給企業貸款的意愿將會降低，金融機構更看重的是企業通過加大科技創新和科技投入來提高未來的可持續盈利。

2018年9月3日下午，AAG中國汽車后市場店面運營綜合解決方案展最重要的同期活動之一一中國汽車后市場行業“新渠道、新零售”變革發展論壇盛大舉辦。此次論壇由廣東省道路運輸協會機動車維修檢測分會、中國機械國際合作股份有限公司、笛威歐亞汽車技術有限公司、魔方商學院、《汽車維修與保養》雜志社主辦，廣州市機動車維修行業協會、上海交通大學汽車后市場EMBA/魔方車后同學會協辦，并且得到了中國汽車保修設備行業協會與中國汽車維修行業協會的大力支持。近五百位來自行業協會、汽保企業、連鎖品牌、終端門店的行業領導及企業代表出席了本次論壇。

(3)對于盛裝普通介質儲罐時常采用的內盤管加熱方式，對于濃硫酸儲罐來講，是非常不建議使用的，加熱內盤管和濃硫酸直接接觸，碳鋼材質的盤管壁的溫度不容易控制在60℃以下，會造成腐蝕速度極快，會造成濃硫酸泄漏嚴重的后果，因此這種濃硫酸儲罐的伴熱方式一定要慎重使用。

在考慮導熱結構形式的同時，在熱源介質的選擇上也有很多必須要考慮的地方。如果熱源選用蒸汽，那么容易造成儲罐內部的濃硫酸過熱，導致儲罐容易產生腐蝕，導致濃硫酸泄漏的嚴重后果；但是如果選用熱水為熱源，在濃硫酸儲罐容積較大時又難以保證濃硫酸達到其所需要的伴熱效果。

3.2 濃硫酸儲罐伴熱設計的建議做法

(1)對于罐容積不大的濃硫酸儲罐，可以采用熱源為熱水，加熱結構為外盤管形式的保溫設計，但是需要注意的是外盤管與儲罐外壁之間至少保證間隔20mm左右的距離。同時為避免發生濃硫酸介質過熱現象，在儲罐外壁與盤管之間設置木屑、木片等隔熱材料。

(2)對于罐容積較大的濃硫酸儲罐，就可以考慮在基礎中埋入加熱盤管和在濃硫酸儲罐側壁設置外盤管兩種保溫措施同時使用，在環境溫度較低時同時在兩組盤管中通入蒸汽的方式對濃硫酸儲罐保溫，但是儲罐的材質在選用上就要盡量提高要求，或者對儲罐底部的材質進行加厚處理，同時要求土建結構專業配合在濃硫酸儲罐的基礎上設計出能供加熱管道檢修的位置。使用放置于基礎內的盤管蒸汽加熱濃硫酸也要注意過熱的問題，也需要在儲罐底板與基礎中的盤管之間設置隔熱材料。

4 結束語

濃硫酸儲罐的結構設計，既要滿足工藝要求，又需要滿足結構合理，成本經濟。工程設計人員在設計過程中應綜合考慮工況、投資、操作等相關因素，選擇最優結構方案。在此基礎上，選用正確的儲罐本體材料，在保證安全的前提下降低設備造價，延長儲罐的使用壽命，提高濃硫酸儲罐的經濟性。

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(本文文獻格式：葉 屹.濃硫酸儲罐伴熱設計的探討[J].山東化工，2017，46(12)：141-143.)

Discussion on Heat Tracing Design of Concentrated Sulfuric Acid Storage Tank

YeYi

(Chongqing Chemical Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China)

This paper introduces the selection, design standard and basic structure of concentrated sulfuric acid storage tank， analyses the feasibility of using carbon steel as the bulk material of concentrated sulfuric acid storage tank, discusses the advantages and disadvantages of heating mode of various concentrated sulfuric acid storage tanks and the corresponding safety measures, puts forward a more reasonable heating structure, provides a reference insulation design for the use of concentrated sulfuric acid storage tank in the low temperature area.

concentrated sulfuric acid ; storage tank ; insulation design

2017-04-17

葉 屹(1984—)，四川內江人，工程師，主要從事化工項目的設備設計工作。

TQ053.2;TQ111.17

A

1008-021X(2017)12-0141-03

化工設計