濕式氧化法脫硫填料塔主要元件設(shè)計選型應(yīng)注意的問題

濕式氧化法脫硫填料塔主要元件設(shè)計選型應(yīng)注意的問題摘

要：通過對各類填料的特性數(shù)據(jù)和使用情況的分析，給出各類填料在濕式氧化法脫硫裝置中的選型意見；結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，給出了液體分布器選型設(shè)計中應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞：脫硫塔

填料選型

內(nèi)件設(shè)計填料塔是連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，是目前在濕式氧化法脫硫裝置中使用廣的一種吸收裝置。填料塔主要由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。1

填料的類型與選擇塔填料(簡稱為填料)是填料塔中氣液接觸的基礎(chǔ)元件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。1.1

填料的類型填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。(1)

散裝填料

散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填、環(huán)鞍形填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種較典型的散裝填料。

a.拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料是早提出的工業(yè)填料，其結(jié)構(gòu)為外徑與高度相等的圓環(huán)，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已很少應(yīng)用。

b.鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，其通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一。

c.矩鞍填料將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。d.階梯環(huán)填料階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中為優(yōu)良的一種。與鮑爾環(huán)填料、鞍形填料等相比，階梯環(huán)具有以下優(yōu)點(diǎn)

:①通量大壓降小

由于填料結(jié)構(gòu)及裝填的特點(diǎn)，使填料層中的氣體通道更為均勻，折返路徑變短，所以在增加填料層氣體通量的同時并未加大填料層的壓降。②效率高

階梯環(huán)填料屬于開孔環(huán)類型填料，并具有環(huán)高低及增加翻邊等形狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可促進(jìn)液體的分散與匯聚，減少了填料層內(nèi)液體的不良分布及干區(qū)，使填料表面能充分潤濕甚至可達(dá)到100%有效。填料的翻邊可以增加填料層的空隙并使空隙均勻，均勻的空隙有利于液體在填料的表面形成均勻有效的液膜，不存在鮑爾環(huán)填料或矩鞍環(huán)填料的呆滯表面或干表面。所以，階梯環(huán)填料的傳質(zhì)效率較上述兩種填料要高。③操作彈性大

階梯環(huán)填料大大地改善了填料層內(nèi)部的液體均勻分布和氣液接觸狀況，使其操作范圍有了較大的增長，其L/G可在0.05～50范圍內(nèi)操作。這種填料很適合在濕式氧化法脫硫等大液體負(fù)荷的工藝條件下應(yīng)用。④抗污性好

階梯環(huán)填料層特有的空間排列，使氣液呈喘流接觸，且很少有集中的空洞，這有利于形成均勻的氣體剪力沖刷填料。同時，形成的液膜可以均勻覆蓋在填料表面，消除了液體死區(qū)，使污垢均勻隨液流而下，不容易沉積在填料的表面上，提高了填料的抗污、堵性能。

(2)規(guī)整填料

規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、蜂窩填料等。濕式氧化法脫硫裝置中應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為蜂窩填料。金屬絲網(wǎng)波紋填料是阿波紋填料的主要形式，是由金屬絲網(wǎng)制成的。其特點(diǎn)是壓降低。分離效率高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但因性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。

金屬板波紋填料是板波紋填料的主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多φ4mm~φ6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液體。加強(qiáng)橫向混合的作用。波紋板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)分配板片上的液體、增強(qiáng)表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場合。

波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理能力大，比表面積大。其缺點(diǎn)是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。蜂窩填料是一種整砌型規(guī)整填料，材質(zhì)大多采用輕瓷或全瓷，由6-7個圓形或多邊形的筒狀填料顆粒組合成蜂窩結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)元件。蜂窩填料具有優(yōu)異的抗污性能，整砌填裝后，其流體力學(xué)性能與格柵填料相似，適用于氣體雜質(zhì)多，脫硫精度要求不高的場合。1.2

填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用較低。

（1）填料種類的選擇

填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]以下幾個方面。

①傳質(zhì)效率傳質(zhì)效率即分離效率，它有兩種表示方法：一是以理論級進(jìn)行計算的表示方法，以每個理論級當(dāng)量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質(zhì)速率進(jìn)行計算的表示方法，以每個傳質(zhì)單元相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨缺硎?，即HTU值。在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)選用傳質(zhì)效率高，即HETP(或HTU值)低的填料。對于常用的工業(yè)填料，其HETP(或HTU)值可由有關(guān)手冊或文獻(xiàn)中查到，也可通過一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算。

②通量在相同的液體負(fù)荷下，填料的泛點(diǎn)氣速愈高或氣相動能因子愈大，則通量愈大，塔的處理能力亦越大。因此，在選擇填料種類時，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動能因子的填料。對于大多數(shù)常用填料，其泛點(diǎn)氣速或氣相動能因子可由有關(guān)手冊或文獻(xiàn)中查到，也可通過一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算。

③填料層的壓降填料層的壓降是填料的主要應(yīng)用性能，填料層的壓降愈低，動力消耗越低，操作費(fèi)用愈小。選擇低壓降的填料對熱敏性物系的分離尤為重要。比較填料的壓降有兩種方法，一是比較填料層單位高度的壓降△P/Z；另一是比較填料層單位傳質(zhì)效率的比壓降△P/NT。填料層的壓降可用經(jīng)驗(yàn)公式計算，亦可從有關(guān)圖表中查出。

④填料的操作性能填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應(yīng)具有較大的操作彈性，以保證塔內(nèi)氣液負(fù)荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定。同時，還應(yīng)具有一定的抗污堵、抗熱敏能力，以適應(yīng)物料的變化及塔內(nèi)溫度的變化。

此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。

（2）填料規(guī)格的選擇

通常，散裝填料與規(guī)整填料的規(guī)格表示方法不同，選擇的方法亦不盡相同。在濕式氧化法脫硫裝置中較少使用規(guī)整填料，因此這里只介紹散裝填料。

散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公稱直徑。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于表1。

表1

塔徑與填料公稱直徑的比值D/d的推薦值一臺填料塔可以選用同種類型、同一規(guī)格的填料，也可選用同種類型、不同規(guī)格的填料；可以選用同種類型的填料，也可以選用不同類型的填料；有的塔段可選用規(guī)整填料，而有的塔段可選用散裝填料。設(shè)計時應(yīng)靈活掌握，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一的原則來選擇填料的規(guī)格，但應(yīng)該注意的是原則是不允許在同一個填料段中使用不同規(guī)格或類型的填料。1.3

填料設(shè)計計算中應(yīng)注意的問題(1)

液體噴淋密度的驗(yàn)算

填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量，其計算式為

為使填料能獲得良好的潤濕，塔內(nèi)液體噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱為小噴淋密度，以Umin表示。

對于散裝填料，其小噴淋密度通常采用下式計算，即

Umin=(LW)

minA(1-2)式中

Umin——小噴淋密度，m3/(m2·h)；

(LW)

min——小潤濕速率，m3/(m·h)；

A——填料的總比表面積，m2/m3。

小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗(yàn)公式計算(見有關(guān)填料手冊)，也可采用一些經(jīng)驗(yàn)值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取小潤濕速率(LW)

min為0.08m3/(m·h)；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)

min=0.12m3/(m·h)。

對于規(guī)整填料，其小噴淋密度可從有關(guān)填料手冊中查得，設(shè)計中，通常取Umin=0.2。實(shí)際操作時采用的液體噴淋密度應(yīng)大于小噴淋密度。若液體噴淋密度小于小噴淋密度，則需進(jìn)行調(diào)整，重新計算塔徑。(2)

填料層的分段液體沿填料層下流時，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢，形成壁流效應(yīng)。壁流效應(yīng)造成填料層氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。因此，設(shè)計中，每隔一定的填料層高度，需要設(shè)置液體收集再分布裝置，即將填料層分段。

對于散裝填料，一般推薦的分段高度值見表2，表中h/D為分段高度與塔徑之比，hmax為允許的大填料層高度。表2

散裝填料分段高度推薦值2

填料塔內(nèi)件的類型與設(shè)計2.1

塔內(nèi)件的類型填料塔的內(nèi)件主要包括氣體分布器、液體（初始）分布器、液體（氣液）再分布器及填料支撐和填料壓緊裝置等。合理地選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。

這里只對前三種內(nèi)件進(jìn)行介紹。(1)氣體分布器在濕式氧化法脫硫中，填料塔氣體一般采用塔下部進(jìn)料。設(shè)計氣體分布器的目的是達(dá)到入塔氣體的均勻穩(wěn)定。相對液體來說，氣體比較容易分布均勻，因此氣體分布器的結(jié)構(gòu)要相對簡單，也經(jīng)常被忽視。目前，氣體分布器有多種形式，主要取決于氣體狀態(tài)、氣相負(fù)荷、操作壓力、允許壓降、塔徑等工藝條件和技術(shù)要求。特別是對于低阻力的填料或大直徑塔器，氣體分布器顯得更為重要，因此在濕法脫硫中用高效填料改造舊塔，對于氣體分布器的設(shè)計應(yīng)予以足夠的重視。

(2)

液體（初始）分布器

液體（初始）分布器的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。在濕式氧化法脫硫以管式、槽式及槽盤式為主。

管式分布器由不同結(jié)構(gòu)形式的開孔管制成。其突出的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，供氣體流過的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，操作彈性一般較小。管式液體分布器多用于中等以下液體負(fù)荷的填料塔中。當(dāng)液體（初始）分布器下使用液體再分布器進(jìn)行二次分布時，設(shè)計中通常用管式液體（初始）分布器。

槽式液體分布器是由分流槽(又稱主槽或一級槽)、分布槽(又稱副槽或二級槽)構(gòu)成的。

一級槽通過槽底開孔將液體初分成若干流股，分別加人其下方的液體分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上設(shè)有孔道域?qū)Ч?，將液體均勻分布于填料層上。槽式液體分布器具有較大的操作彈性和極好的抗污堵性，特別適合于大氣液負(fù)荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的分布。這種分布器的缺點(diǎn)是占用的空間較大，分布點(diǎn)密度較小，在濕式氧化法脫硫中已經(jīng)很少使用。

槽盤式分布器是近年來開發(fā)的新型液體分布器，它兼有集液、分液及分氣三種作用，結(jié)構(gòu)緊湊，氣液分布均勻，阻力較小，操作彈性高，適用于各種液體噴淋量。這種分布器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易堵塞。

(3)液體（氣液）再分布器

為減小壁流現(xiàn)象，當(dāng)填料層較高時需進(jìn)行分段，故需設(shè)置液體收集及再分布裝置。

在通常情況下，一般將液體收集器及液體再分布器同時使用，構(gòu)成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體再分布器進(jìn)行液體再分布。①液體（氣液）再分布器的重要性a.液體的不良分布會導(dǎo)致傳質(zhì)效率急劇下降。實(shí)踐證明，沒有良好的液體分布器，填料塔甚至不能正常操作。不良分布對傳質(zhì)效率的影響，在塔徑與填料直徑比較大（＞40）和特小（＜10）的場合尤其嚴(yán)重。b.不良液體分布難以達(dá)到填料層的自然流分布。液體在填料層中達(dá)到自然流分布后的傳質(zhì)效率高。不良分布，需要經(jīng)歷一段很長流動距離，再慢慢轉(zhuǎn)化為自然流分布，這段距離甚至可能達(dá)到一半床層高度。c.高效填料（如階梯環(huán)、矩鞍環(huán)）一般具有較小的徑向分散系數(shù)。徑向分散系數(shù)越大，液體分布越容易趨近于自然流分布。填料塔的大型化和高效填料的應(yīng)用，意味著塔徑與填料直徑比將增大和填料層的徑向分散系數(shù)減小。因此將不良分布轉(zhuǎn)化為自然流分布更困難。這也正是現(xiàn)代填料塔技術(shù)更依賴于良好的液體分布和再分布器的一個重要原有。②槽式和盤式分布器的比較a.槽式分布器結(jié)構(gòu)比較簡單、易于支撐，造價較低。但是這種分布器的淋降點(diǎn)均勻布置較盤式困難，所能達(dá)到的淋降點(diǎn)密度也低于盤式分布器。b.盤式分布器是所有分布器中均布性能好的一類分布器，具有氣液分流，互不干擾，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。不過由于受結(jié)構(gòu)上的限制，氣流通道、支撐環(huán)、支撐梁等占據(jù)一定空間，影響了液體的均勻分布，故應(yīng)精心設(shè)計才能保持其優(yōu)良的均布性能。③DSF型脫硫塔專用液體再分布器DSF型脫硫塔專用液體再分布器是長春東獅公司自行研究設(shè)計、開發(fā)生產(chǎn)的一種盤式液體（氣液）再分布器。這種液體（氣液）再分布器在設(shè)計時根據(jù)濕式氧化法脫硫的工藝特點(diǎn)和脫硫液性質(zhì)，確定了合理的降液孔徑、淋降點(diǎn)分布、降液速度、升氣管分布等參數(shù)。

DSF型脫硫塔專用液體再分布器兼有集液和分液的功能，是優(yōu)良的液體收集及再分布裝置。DSF型脫硫塔專用液體再分布器具有以下特點(diǎn)：a.有足夠的淋降點(diǎn)密度，大可達(dá)100點(diǎn)/m2，淋降點(diǎn)幾何分布、淋降點(diǎn)間流量等均勻性十分良好。b.具有足夠的氣流通道，占整個截面積55%以上。c.操作彈性較大。液體大與小負(fù)荷之比在3.0以上。d.結(jié)構(gòu)簡單緊湊，所占空間較小且易于支撐。e.操作十分可靠，很少出現(xiàn)排液口被硫堵現(xiàn)象，因此分布質(zhì)量十分穩(wěn)定。它不僅操作彈性大，而且流量范圍廣。大噴淋密度可達(dá)120m3/m2.h。2.2

液體（氣液）再分布器設(shè)計中應(yīng)注意的問題填料塔操作性能的好壞、傳質(zhì)效率的高低在很大程度上與塔內(nèi)件的設(shè)計有關(guān)。在塔內(nèi)件設(shè)計中，關(guān)鍵的是液體（氣液）再分布器的設(shè)計，在設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個問題。

(1)液體分布器設(shè)計的基本要求

性能優(yōu)良的液體（氣液）再分布器設(shè)計時必須滿足以下幾點(diǎn)：

①液體分布均勻。評價液體分布均勻的標(biāo)準(zhǔn)是：足夠的分布點(diǎn)密度；分布點(diǎn)的幾何均勻性；降液點(diǎn)間流量的均勻性。

a.分布點(diǎn)密度。液體（氣液）再分布器分布點(diǎn)密度的選取與填料類型及規(guī)格、塔徑大小、操作條件等密切相關(guān)，各種文獻(xiàn)推薦的值也相差很大。大致規(guī)律是：塔徑越大，分布點(diǎn)密度越??；液體噴淋密度越小，分布點(diǎn)密度越大。對于散裝填料，填料尺寸越大，分布點(diǎn)密度越??；對于規(guī)整填料，比表面積越大，分布點(diǎn)密度越大。b.分布點(diǎn)的幾何均勻性。分布點(diǎn)在塔截面上的幾何均勻分布是較之分布點(diǎn)密度更為重要的問題。設(shè)計中，一般需通過反復(fù)計算和繪圖排列，進(jìn)行比較，選擇較佳方案。分布點(diǎn)