濕式氧化法脫硫填料塔主要元件設計選型應注意的問題摘

要：通過對各類填料的特性數據和使用情況的分析，給出各類填料在濕式氧化法脫硫裝置中的選型意見；結合工程設計經驗，給出了液體分布器選型設計中應注意的問題。關鍵詞：脫硫塔

填料選型

內件設計填料塔是連續接觸式氣液傳質設備，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、塔內件及筒體構成。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元件，其性能的優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計的重要環節。1.1

填料的類型填料的種類很多，根據裝填方式的不同，可分為散裝填料和規整填料兩大類。(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，一般以隨機的方式堆積在塔內，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點不同，又可分為環形填料、鞍形填、環鞍形填料及球形填料等?，F介紹幾種較典型的散裝填料。

a.拉西環填料拉西環填料是早提出的工業填料，其結構為外徑與高度相等的圓環，可用陶瓷、塑料、金屬等材質制造。拉西環填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業上已很少應用。

b.鮑爾環填料鮑爾環是在拉西環的基礎上改進而得。其結構為在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質制造。鮑爾環由于環壁開孔，大大提高了環內空間及環內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環相比，其通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環是目前應用較廣的填料之一。

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材料制成，其性能優于拉西環。目前，國內絕大多數應用瓷拉西環的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。d.階梯環填料階梯環是對鮑爾環的改進。與鮑爾環相比，階梯環高度減少了一半，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械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，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，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。階梯環的綜合性能優于鮑爾環，成為目前所使用的環形填料中為優良的一種。與鮑爾環填料、鞍形填料等相比，階梯環具有以下優點

:①通量大壓降小

由于填料結構及裝填的特點，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

階梯環填料屬于開孔環類型填料，并具有環高低及增加翻邊等形狀結構的特點，可促進液體的分散與匯聚，減少了填料層內液體的不良分布及干區，使填料表面能充分潤濕甚至可達到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，不存在鮑爾環填料或矩鞍環填料的呆滯表面或干表面。所以，階梯環填料的傳質效率較上述兩種填料要高。③操作彈性大

階梯環填料大大地改善了填料層內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范圍內操作。這種填料很適合在濕式氧化法脫硫等大液體負荷的工藝條件下應用。④抗污性好

階梯環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，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)規整填料

規整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。規整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、蜂窩填料等。濕式氧化法脫硫裝置中應用的規整填料絕大部分為蜂窩填料。金屬絲網波紋填料是阿波紋填料的主要形式，是由金屬絲網制成的。其特點是壓降低。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，但因性能優良仍得到了廣泛的應用。

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。加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋，可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高，耐腐蝕性強，特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。

波紋填料的優點是結構緊湊，阻力小，傳質效率高，處理能力大，比表面積大。其缺點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整填料，材質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構的傳質元件。蜂窩填料具有優異的抗污性能，整砌填裝后，其流體力學性能與格柵填料相似，適用于氣體雜質多，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、規格及材質等。所選填料既要滿足生產工藝的要求，又要使設備投資和操作費用較低。

（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傳質效率傳質效率即分離效率，它有兩種表示方法：一是以理論級進行計算的表示方法，以每個理論級當量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質速率進行計算的表示方法，以每個傳質單元相當的填料層高度表示，即HTU值。在滿足工藝要求的前提下，應選用傳質效率高，即HETP(或HTU值)低的填料。對于常用的工業填料，其HETP(或HTU)值可由有關手冊或文獻中查到，也可通過一些經驗公式來估算。

②通量在相同的液體負荷下，填料的泛點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效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。對于大多數常用填料，其泛點氣速或氣相動能因子可由有關手冊或文獻中查到，也可通過一些經驗公式來估算。

③填料層的壓降填料層的壓降是填料的主要應用性能，填料層的壓降愈低，動力消耗越低，操作費用愈小。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效率的比壓降△P/NT。填料層的壓降可用經驗公式計算，亦可從有關圖表中查出。

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。所選填料應具有較大的操作彈性，以保證塔內氣液負荷發生波動時維持操作穩定。同時，還應具有一定的抗污堵、抗熱敏能力，以適應物料的變化及塔內溫度的變化。

此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。

（2）填料規格的選擇

通常，散裝填料與規整填料的規格表示方法不同，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整填料，因此這里只介紹散裝填料。

散裝填料的規格通常是指填料的公稱直徑。工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，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、同一規格的填料，也可選用同種類型、不同規格的填料；可以選用同種類型的填料，也可以選用不同類型的填料；有的塔段可選用規整填料，而有的塔段可選用散裝填料。設計時應靈活掌握，根據技術經濟統一的原則來選擇填料的規格，但應該注意的是原則是不允許在同一個填料段中使用不同規格或類型的填料。1.3

填料設計計算中應注意的問題(1)

液體噴淋密度的驗算

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，塔內液體噴淋量應不低于某一極限值，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。其值可由經驗公式計算(見有關填料手冊)，也可采用一些經驗值。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)。

對于規整填料，其小噴淋密度可從有關填料手冊中查得，設計中，通常取Umin=0.2。實際操作時采用的液體噴淋密度應大于小噴淋密度。若液體噴淋密度小于小噴淋密度，則需進行調整，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。壁流效應造成填料層氣液分布不均勻，使傳質效率降低。因此，設計中，每隔一定的填料層高度，需要設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

填料塔內件的類型與設計2.1

塔內件的類型填料塔的內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。合理地選擇和設計塔內件，對保證填料塔的正常操作及優良的傳質性能十分重要。

這里只對前三種內件進行介紹。(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料。設計氣體分布器的目的是達到入塔氣體的均勻穩定。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構要相對簡單，也經常被忽視。目前，氣體分布器有多種形式，主要取決于氣體狀態、氣相負荷、操作壓力、允許壓降、塔徑等工藝條件和技術要求。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計應予以足夠的重視。

(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構形式的開孔管制成。其突出的特點是結構簡單，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荷的填料塔中。當液體（初始）分布器下使用液體再分布器進行二次分布時，設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)上設有孔道域導管)，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。這種分布器的缺點是占用的空間較大，分布點密度較小，在濕式氧化法脫硫中已經很少使用。

槽盤式分布器是近年來開發的新型液體分布器，它兼有集液、分液及分氣三種作用，結構緊湊，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。這種分布器的缺點是結構復雜，易堵塞。

(3)液體（氣液）再分布器

為減小壁流現象，當填料層較高時需進行分段，故需設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致傳質效率急劇下降。實踐證明，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）的場合尤其嚴重。b.不良液體分布難以達到填料層的自然流分布。液體在填料層中達到自然流分布后的傳質效率高。不良分布，需要經歷一段很長流動距離，再慢慢轉化為自然流分布，這段距離甚至可能達到一半床層高度。c.高效填料（如階梯環、矩鞍環）一般具有較小的徑向分散系數。徑向分散系數越大，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減小。因此將不良分布轉化為自然流分布更困難。這也正是現代填料塔技術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.槽式分布器結構比較簡單、易于支撐，造價較低。但是這種分布器的淋降點均勻布置較盤式困難，所能達到的淋降點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，操作彈性大等優點。不過由于受結構上的限制，氣流通道、支撐環、支撐梁等占據一定空間，影響了液體的均勻分布，故應精心設計才能保持其優良的均布性能。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計、開發生產的一種盤式液體（氣液）再分布器。這種液體（氣液）再分布器在設計時根據濕式氧化法脫硫的工藝特點和脫硫液性質，確定了合理的降液孔徑、淋降點分布、降液速度、升氣管分布等參數。

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：a.有足夠的淋降點密度，大可達100點/m2，淋降點幾何分布、淋降點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。液體大與小負荷之比在3.0以上。d.結構簡單緊湊，所占空間較小且易于支撐。e.操作十分可靠，很少出現排液口被硫堵現象，因此分布質量十分穩定。它不僅操作彈性大，而且流量范圍廣。大噴淋密度可達120m3/m2.h。2.2

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

(1)液體分布器設計的基本要求

性能優良的液體（氣液）再分布器設計時必須滿足以下幾點：

①液體分布均勻。評價液體分布均勻的標準是：足夠的分布點密度；分布點的幾何均勻性；降液點間流量的均勻性。

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