脫硫填料吸收塔的工藝設計研究*

李登松 宋文武 宮歷雙 王尚文

（西華大學能源與環(huán)境學院）（中國石化中原油田分公司石油化工總廠)

脫硫填料吸收塔的工藝設計研究*

李登松**宋文武 宮歷雙 王尚文

（西華大學能源與環(huán)境學院）（中國石化中原油田分公司石油化工總廠)

將礦石焙燒爐送出的氣體冷卻到25℃后送入填料吸收塔中，采用20℃清水洗滌以除去其中的SO2。吸收塔選用逆流吸收流程，以提高傳質(zhì)效率。運用國內(nèi)有關標準規(guī)范，對填料吸收塔的工藝進行設計計算。設計結果可為脫硫行業(yè)填料吸收塔的工藝設計提供參考。

填料吸收塔 二氧化硫 工藝設計 壓降 流體力學

0 前言

填料塔是化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門的重要單元操作設備，它可實現(xiàn)氣（汽）液或液液兩相之間的充分接觸，從而達到相際間傳質(zhì)及傳熱的目的。填料塔還具有結構簡單、壓力降小、傳質(zhì)效率高、便于采用耐腐蝕材料制造等基本特點。在化工、煉油等工業(yè)部門，塔設備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護、 “三廢”處理等都有較大的影響[1]。SO2是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是它對人體健康和大氣環(huán)境卻會造成破壞和污染。因此，為了避免化學工業(yè)中產(chǎn)生的大量含SO2氣體的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染，需要對工業(yè)尾氣中的SO2氣體進行吸收。

本文采用填料吸收塔凈化含SO2氣體的工業(yè)尾氣，即將礦石焙燒爐產(chǎn)生的氣體冷卻到25℃后，送入填料塔中，并采用20℃清水洗滌除去SO2氣體。本文對填料吸收塔的工藝流程等進行了詳細的設計計算，使之在滿足吸收效率的情況下，達到排放標準。

1 方案設計

1.1 設計要求

填料吸收塔的設計要求是：將礦石焙燒爐送出的氣體冷卻到25℃后，以入塔的爐氣流量為2000m3/h送入填料塔中，再用20℃清水洗滌以除去其中的SO2。同時，要求SO2的吸收率達到95﹪，吸收塔為常壓操作。年平均工作日為300 d，24 h連續(xù)運行。

1.2 設計方案的確定

吸收塔的工藝設計方案主要包括吸收劑、吸收流程、解吸方法、設備類型和操作參數(shù)的選擇等內(nèi)容[2]。

對于吸收操作，選擇適宜的吸收劑，具有十分重要的意義。吸收劑的好壞對吸收操作的經(jīng)濟性有著十分重要的影響。一般情況下，選擇吸收劑要著重考慮如下問題[2]：

（1）對溶質(zhì)的溶解度大；

（2）對溶質(zhì)有較高的選擇性；

（3）不易揮發(fā)；

（4）再生性能好。

由于水對SO2有較大的溶解度，有較好的化學穩(wěn)定性，有較低的黏度，且廉價、易得、無毒、不易燃燒，所以可選擇20℃清水作為吸收劑。該吸收過程液氣比很大，吸收溫度基本不變。

1.3 吸收工藝流程的選擇

吸收流程是指吸收過程中氣、液兩相的流向，包括塔內(nèi)氣、液兩相的流向和整個系統(tǒng)內(nèi)所需設備的布置及設備間氣液的走向。工業(yè)上使用的吸收流程多種多樣，有僅用一種吸收劑的一步吸收流程和使用兩種吸收劑的兩步吸收流程，有單塔吸收流程和多塔吸收流程，也有逆流吸收流程和并流吸收流程等。此外，還有用于特定條件下的部分溶劑循環(huán)流程[1]。

吸收塔或再生塔內(nèi)氣液相可以逆流操作，也可以并流操作。由于逆流操作具有傳質(zhì)推動力大、分離效率高（具有多個理論級的分離能力）等顯著優(yōu)點，因而被廣泛應用。工程上，一般采用逆流吸收流程。

用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，故本方案的設計中選用單塔逆流吸收流程，這樣可大大提高傳質(zhì)效率。單塔逆流吸收流程如圖1所示。

1.4 填料的選擇

填料是填料塔中的氣液相間傳質(zhì)組件，是填料塔的核心部分。其種類繁多，性能上各有差異。聚丙烯階梯環(huán)填料具有通量大、降壓小、效率高、可在低壓（13.332 Pa）狀態(tài)中使用、抗污性能好和最小噴淋密度低等優(yōu)點[3]。也就是說，塑料階梯環(huán)填料具有較好的綜合性能。由于水吸收SO2的過程，操作溫度及操作壓力較低，因此其填料塔宜選用聚丙烯階梯環(huán)填料。該填料的特性數(shù)據(jù)如表1所示[4]。

圖1 單塔逆流吸收流程

表1 聚丙烯階梯環(huán)填料特性數(shù)據(jù)

2 工藝設計

2.1 基礎物性數(shù)據(jù)

(1)液相物性數(shù)據(jù)

對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取水的物性數(shù)據(jù)。20℃時水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度為ρL=998.2 kg/m3，黏度為μL=1.005 mPa·s=3.6 kg/(m·h)，表面張力為σL=7.26×10-2N/m。SO2在水中的擴散系數(shù)為DL=1.47×10-9m2/s=5.29×10-6m2/h。

(2)氣相物性數(shù)據(jù)

混合氣體的平均摩爾質(zhì)量：

式中：M空氣=29 kg/mol，M二氧化硫=64 kg/mol。

混合氣體的平均密度：

式中：P為標準大氣壓，R為氣體平衡常數(shù)，T為溫度。

混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度， 20℃空氣的黏度為μG=0.065 kg/(m·h)。SO2在空氣中的擴散系數(shù)為DG=0.039 m2/h。

(3)氣液相平衡數(shù)據(jù)

常壓下 20℃時 SO2在水中的亨利系數(shù)為E=3.55×103kPa，則相平衡常數(shù)為溶解度系數(shù)為

2.2 物料衡算

根據(jù)設計要求得知，進口氣體的體積流量G′= 2000 m3/h，二氧化硫的摩爾分數(shù)為y1=0.05，二氧化硫吸收率η=95%。

進塔惰性氣相流量

空氣的體積流量VG=G′×（1-y1）=1900 m3/h

該吸收過程屬于低濃度吸收，平衡關系為直線，因此最小液氣比為：

式中：X2=0，L為液相流量，G為氣相流量。

一般情況下吸收劑用量為吸收劑最小用量的1.1～2.0倍，這里取操作液氣比為1.5倍最小液氣比。即 L=G×49.93= 3 880.85 kmol/h。 由G(Y1-Y2)=L(X1-X2)得

2.3 塔徑的計算及校核

2.3.1 塔徑的計算

采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速。液相質(zhì)量流量可近似按純水流量計算，即液相質(zhì)量流量為：

WL=LM=69 932.96 kg/h

氣相質(zhì)量流量為：

WG=G′ρG=2514 kmol/h

Eckert通用關聯(lián)圖的橫縱坐標值分別為：

式中：uF為泛點氣速，m/s；ρG為氣相密度，kg/m3；ρL為液相密度，kg/m3；μL為液體黏度，mPa·s；Φ為實驗填料因子，m-1；g為重力加速度，9.81 m/s2; φ為水的密度與液體密度之比，此處為1。

式中：Φ為填料因子，取值為170 m-1。

實際泛點氣速u=(0.5～0.8)uF，此處取u=0.8uF= 0.803 2 m/s。

2.3.2 塔徑的校核

（1）填料規(guī)格校核

（2）液體噴淋密度校核

最小潤濕速率是指塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體流體體積。直徑不超過75 mm的散裝填料，最小潤濕速率為：(LW)min=0.08 m3/(m·h)最小噴淋密度為:

故滿足最小噴淋密度的要求。

經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑D=1000 mm合理。

2.4 填料層高度及分段

2.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算

氣相總傳質(zhì)單元數(shù)

2.4.2 傳質(zhì)單元高度的計算

氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式[5]：

2.4.3 填料層高度的計算

填料層設計高度一般為Z′=(1.2～1.5)Z。因此取Z′=1.25Z=5.581 m，而Z=HOGNOG=4.465 m，圓整后填料層高度取Z′=6 m。

散裝填料，分段高度值見表2。由表2可知，填料層高度為6000 mm時，不需要分段。

表2 散裝填料分段高度推薦值

2.5 填料塔附屬高度的計算

塔的附屬高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分布器（包括液體收集器）所需的空間高度，塔的底部空間高度以及塔的裙座高度。

塔的上部空間高度一般取1.2～1.5 m，本設計取1.2 m（包括除沫器高度）。

安裝液體再分布器所需的塔空間高度，一般取1～1.5 m，本次設計不需要安裝液體再分布器。

塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。當塔的進料系統(tǒng)有較大的緩沖容量時，要求釜液有3～5 min的停留時間，若系統(tǒng)無太大緩沖容量，則釜液停留時間為 20～30 min。對于塔釜液流量較大的塔，釜液在塔底部空間的停留時間取1～1.5 min，則塔釜液所占空間高度按下式計算：

考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取2.5 m，所以塔的附屬空間高度可以取為1.2+ 2.5=3.7 m。

3 流體力學參數(shù)的驗證

填料塔在較高的效率下工作，塔內(nèi)的氣液兩相流動應處于良好的流體力學狀態(tài)，使氣體通過填料層的壓降及傳質(zhì)效率處于合理的范圍內(nèi)。另一方面，塔的機械結構和強度的設計，也與塔內(nèi)的一些流體力學參數(shù)和流動狀態(tài)有關[6]。

填料塔的流體力學參數(shù)主要包括氣體通過填料塔的壓力降、泛點率、氣體動能因子、床層持液量，以及塔內(nèi)液體和氣體分布狀態(tài)等。

3.1 填料塔的壓力降

氣體通過填料塔的壓力降，對填料塔的操作影響較大。若氣體通過填料塔的壓力降大，則塔操作過程的動力消耗大，特別是負壓操作時。另一方面，對于需要加熱的再生過程，氣體通過填料塔時的壓力降大，必然使塔釜液溫度升高，從而消耗更高品位的熱能。

氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進入填料塔的進口壓力降及氣體出口壓力降、液體分布器及再分布器的壓力降、填料支撐及壓緊裝置的壓力降、除沫器壓力降以及氣體通過填料層的壓力降等。

3.1.1 氣體進口和出口壓力降

氣體的進口接管管徑為?273 mm×9.5 mm，實際管內(nèi)徑為254 mm，理論質(zhì)量61.73 kg/m，則實際通過氣體進口接管的氣速為：

3.1.2 填料層壓力降

對于氣體與液體逆流接觸的填料塔，氣體通過填料層的壓力降與填料的類型、尺寸、物性、液體噴淋密度（單位時間、單位塔截面上的噴淋量）以及空塔氣速有關。在液體噴淋密度一定的情況下，隨著氣體空塔氣速的增大，氣體通過填料層的壓力降變大。

根據(jù)氣液負荷及物性數(shù)據(jù)，得橫坐標：

塑料階梯環(huán)壓降因子ΦP=116 m-1，得縱坐標：

Δp3/Z=117.72 Pa/m，則填料層壓降為Δp3= 117.72Z=706.32 Pa。

3.1.3 其他塔內(nèi)件的壓力降

氣體通過液體分布器及再分布器的壓力降較小，可忽略不計，氣體通過填料支承及壓緊裝置的壓力降也可忽略不計。

吸收塔的總壓力降為：

3.2 泛點率

泛點率是塔內(nèi)操作氣速與泛點氣速的比值，一般要求在50%～80%之間。

3.3 氣體動能因子

式中：u為氣體流速，m/s； ρG為氣體密度，kg/m3。

氣體動能因子也在常用的范圍內(nèi)。

4 結論

筆者通過對礦石焙燒爐送出的SO2氣體，用填料塔進行回收，并對填料塔進行工藝設計計算，最后采用流體力學參數(shù)進行驗證，得到所設計的填料塔滿足要求，可為脫硫行業(yè)填料吸收塔的工藝設計等提供參考。則填料塔的泛點率為

[1]晏萊，周三平.現(xiàn)代填料塔技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J].化工裝備技術，2007，28(3)：29-34.

[2]唐盛偉.填料吸收塔 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[3]化工設備設計全書編輯委員會.塔設備設計 [M].上海：上?？茖W技術出版社，1988.

[4]蔣維鈞.化工原理（上、下）[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5]賈紹義，柴誠敬.化工傳質(zhì)與分離過程 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[6]喻冬秀,程江,楊卓如.填料塔的理論研究 [J].石油化工設備，2003，32(4)：46-50.

原位涂層抑制結焦技術延長裂解爐運行周期

截至2013年9月,燕山石化公司BA1102裂解爐應用北京化工研究院原位涂層抑制結焦技術后，連續(xù)運行達到207天，大大超過了裂解爐50～100天的普遍運行周期。原位涂層抑制結焦技術是利用裂解爐管合金中錳、鉻元素與氧在高溫下反應活性大于合金中的鐵、鎳元素的原理，對裂解爐管進行原位涂層處理，讓裂解爐管內(nèi)壁表面原位形成錳鉻尖晶石結構的薄膜，屏蔽爐管中引起催化結焦的鐵鎳元素，從而抑制爐管內(nèi)的催化結焦乃至整個結焦過程。在整個運行周期，應用該項技術的爐管管壁溫度及廢鍋出口溫度均上升緩慢，裂解爐運行良好，運行周期大幅度提高，標志著原位涂層抑制結焦技術獲得初步成功。

為了進一步提高裂解爐運行周期，北化院聯(lián)合北京燕山分公司及中國石油大學（北京）承擔了中國石化科研開發(fā)項目——原位涂層抑制結焦技術工業(yè)試驗，開展裂解爐輻射段爐管原位涂層抑制結焦技術的研究。

(錢伯章)

The Process Design of Desulfurization Packed Absorption Tower

Li Dengsong Song Wenwu Gong Lishuang Wang Shangwen

The gas from ore roaster is cooled to 25℃and sent to the packed absorption tower,then the gas is washed with fresh water at 20℃ to remove the SO2.Countercurrent absorption process is adopted to improve the mass transfer efficiency.Using relevant domestic standards,the process of packed absorption tower is designed and calculated,and the results could provide reference for the process design of packed absorption tower in desulfurization industry.

Packed absorption column;Sulfur dioxide;Process design;Pressure drop;Hydrodynamics

TQ 051.8+2

2013-04-22）

西華大學研究生創(chuàng)新基金項目（YCJJ201224）。

**李登松，男，1988年生，碩士研究生。成都市，610039。