用于氮氧化物處理的填料塔的設(shè)計

邸倩倩

（1.石家莊工大化工設(shè)備有限公司 2.河北省蒸發(fā)結(jié)晶及干燥工程技術(shù)研究中心)

0 前言

對于草酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氧化物，通常可采用填料塔吸收的方式來進行處理。二氧化氮氣體被水吸收生成稀硝酸，稀硝酸可重復(fù)利用。在吸收塔內(nèi)，氣體和液體的運動經(jīng)常是逆流的，即吸收劑自塔頂向下噴淋，在填料表面分散成薄膜，經(jīng)填料間的縫隙下流，亦可形成液滴落下；氣體從塔底被送入，沿填料間空隙上升，填料層的潤濕表面就成為氣液接觸的傳質(zhì)表面。填料塔的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于用耐腐蝕材料制造，氣液接觸效果較好，壓降較小。缺點是當(dāng)煙氣中含有懸浮顆粒時，填料容易堵塞，清理檢修時填料損耗大。

草酸生產(chǎn)過程中使用的填料塔其原理是用水來吸收二氧化氮，這一過程也就是二氧化氮在水中溶解并生成硝酸和亞硝酸的過程。其主要反應(yīng)如下：

亞硝酸很不穩(wěn)定，在0℃以上極易分解，生成硝酸、一氧化氮和水：

1 填料塔設(shè)計與計算

1.1 設(shè)計參數(shù)

五個反應(yīng)罐的總氣體流量為125 m3/h；每個反應(yīng)罐的間距為2 m；每個反應(yīng)罐的直徑為3 m；每個反應(yīng)罐的高度為5 m；填料塔與反應(yīng)罐的距離是25 m；反應(yīng)罐每天運行的時間是24 h；填料塔進口二氧化氮濃度為0.332 5 kg/m3；氮氧化物二級排放標(biāo)準(zhǔn)為420 mg/m3；實際鼓風(fēng)量為23.66 kmol/h；氮氧化物去除率為97.8%。

1.2 吸收液用量計算

進塔氣體在鼓風(fēng)后可全部假設(shè)為NO2，常壓20℃下干燥空氣的密度為1.205 kg/m3，常壓20℃下NO2的密度為1.91 kg/m3。鼓風(fēng)后混合氣體中NO2的含量為16%，空氣的含量為84%，則進塔混合氣體的密度為：

式中22.4——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積，L/mol。由下式

式中G——單位時間通過吸收塔任一斷面的惰性氣體的量，kmol/h；

y1，y2——分別為塔底和塔頂?shù)谋晃战M分的氣相摩爾比；

x1，x2——分別為塔底和塔頂?shù)谋晃战M分的液相摩爾比。

其中，x2=0，由y1=0.016 0查表1得xe=5.14×10-3，G=29.24 kmol/h，y2=0.000 2，則

設(shè)實際吸收液量為最小用量的1.5倍，則L=1.5Lsmin=1 363.56 kmol/h

液體的質(zhì)量流量為：GL=LMH2O=1 363.56×18=24 544 kg/h

1.3 選擇填料

填料的正確選擇，對塔的經(jīng)濟性有重要的影響。對于給定的設(shè)計條件，常有多種填料可供選用，因此需要對各種填料作綜合比較，選擇比較理想的填料。

表1 H2O-NO2在常壓20℃下的平衡數(shù)據(jù)

填料可為氣液兩相提供良好的傳質(zhì)條件。選用的填料應(yīng)滿足以下基本要求： (a）具有較大的比表面積和良好的潤濕性； （b）有較高的孔隙率 （多在 0.45～0.95）； （c）對氣流的阻力較??； （d） 尺寸適當(dāng)，通常不應(yīng)大于塔徑的1/10～1/8； （e）耐腐蝕、機械強度大、造價低、堆積密度小、穩(wěn)定性好等。

通常，填料尺寸較大，成本就較低，通過能力也較高，而效率則較低。大塔常使用?50 mm填料。若使用大于?50 mm的填料，則成本的降低和通過能力的提高往往補償不了分離效率的降低。若使用?25 mm以下的小填料，則效率的提高彌補不了由通過能力降低和成本增高帶來的缺點。一般推薦按塔徑大小選定填料尺寸，如表2所示。

表2 按塔徑大小選用填料的推薦尺寸

該系統(tǒng)不屬于難分離系統(tǒng)，可用散裝填料。系統(tǒng)中含有NO2，有一定的腐蝕性，故考慮選用塑料鮑爾環(huán)填料。由于系統(tǒng)對壓降無特殊要求，考慮到不同尺寸鮑爾環(huán)的傳質(zhì)性能，選用DN38聚丙烯鮑爾環(huán)填料。該填料的泛點填料因子φF=184 m-1，壓降填料因子φP=114 m-1，比表面積θ=155 m2/m3。

1.4 塔徑的計算

一般情況下，填料塔的內(nèi)徑是根據(jù)氣體負荷來計算的。依據(jù)體積流量公式得：

式中D——塔的內(nèi)徑，m；

Qs——氣體的體積流量，m3/s；

u——空塔速度，m/s。

由上式計算出來的塔徑，尚需根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行圓整，以便于塔設(shè)備的制造和維修。由上式知，計算塔徑的核心問題是確定空塔氣速u的值。確定u值的方法可歸納為以下兩種。

（1）通用關(guān)聯(lián)圖法

根據(jù)Eckert散堆填料泛點和壓降通用關(guān)聯(lián)圖、Kister和Gill規(guī)整填料壓降通用關(guān)聯(lián)圖及泛點壓降公式，可求出填料的液泛氣速uf。以此為據(jù)，計算空塔氣速u。

對散堆填料，

式中u——空塔氣速，m/s;

uf——填料的液泛氣速，m/s。

對于起泡物系取較低的系數(shù)0.5，對于不起泡物系取偏高的系數(shù)。若有壓降限制，則應(yīng)以具體計算來確定u值。

對規(guī)整填料，

式中umax——空塔氣速的最大值，m/s；

uf——填料的液泛氣速，m/s。

若有壓降限制，則應(yīng)根據(jù)容許的壓力降反算出u值。

（2）實驗氣體動能因子法

對于高效規(guī)整填料，一般通過實驗給出適宜的操作氣體動能因子F值。

式中F——操作氣體動能因子；

u——空塔氣速，m/s；

ρG——二氧化氮的密度，kg/m3。由此可計算出空塔氣速u。

DN38聚丙烯鮑爾環(huán)填料的泛點填料因子φF=184 m-1，壓降填料因子φP=114 m-1，比表面積θ=155 m2/m3。

氣相： ρG=1.32 kg/m3， μG=0.014 6 mPa·s。

液相：ρL=998.2 kg/m3， μL=1.0 mPa·s。

混合氣體的質(zhì)量流量：GV=947.79 kg/h；液體的質(zhì)量流量：GL=24 544 kg/h。

通過《實用環(huán)境工程手冊：大氣污染控制工程》中的填料塔液泛點與壓降的通用關(guān)系圖可得橫坐標(biāo)其中，20℃時水的黏度μL=1 mPa·s，ψ=1。由此可得：

取空塔氣速為泛點氣速的50%，u=0.926×0.5=0.463 m/s，則填料塔直徑為：

當(dāng)計算出的塔徑不是整數(shù)時，需根據(jù)加工要求及設(shè)備定型要求予以圓整。直徑在1 m以下時，塔徑的間隔為100 mm；直徑在1 m以上時，塔徑的間隔為200 mm，故取D為0.8 m。實際空塔氣速：

1.5 塔高的計算

常采用傳質(zhì)單元法計算填料塔內(nèi)填料層的總高度。

式中h——填料層總高度，m；

HOG、HOL——氣相、液相總傳質(zhì)單元高度，m；

NOG、NOL——氣相、液相總傳質(zhì)單元數(shù)。

填料層高度與傳質(zhì)單元高度的關(guān)系有如下的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：填料層高度25 mm，傳質(zhì)單元高度 0.3～0.6 m；填料層高度38 mm，傳質(zhì)單元高度0.5～0.75 m；填料層高度50 mm，傳質(zhì)單元高度0.6～1.0 m。

傳質(zhì)單元數(shù)是吸收困難程度的度量。傳質(zhì)單元數(shù)增大,則達到吸收目標(biāo)所需的塔高隨之增大。根據(jù)一些吸收塔的經(jīng)驗數(shù)據(jù)可得傳質(zhì)單元數(shù)為3.6～3.8。因此填料層的總高度為h=0.5×3.6=1.8 m。

由于計算傳質(zhì)單元數(shù)時依據(jù)的相平衡數(shù)據(jù)會有偏差，傳質(zhì)動力學(xué)參數(shù)HOG的計算會有偏差，因此實際塔內(nèi)液、氣兩相流體不可能達到實驗條件下的良好分布。此外，為適應(yīng)操作條件的波動，還應(yīng)留有調(diào)節(jié)控制的余地。因此應(yīng)對填料層總高度的理論計算值進行修正，引入1.3～1.5的安全系數(shù)，即填料層總高度h實際=1.4h=2.52 m。

對較高的填料層應(yīng)分成幾段裝填，在段間設(shè)液體收集分布器，既保證下段填料層中的液體均勻分布，又為上升氣體提供一個橫向混合的空間，從而減少放大效應(yīng)，提高填料的傳質(zhì)效率。越是高效的填料塔，合理分段越顯得重要。對于散堆填料，一般推薦的分段高度值如表3所示。

表3 散堆填料的分段高度

對于鮑爾環(huán)，h/D=2.52/0.8=2.22，由表3知，該填料塔的填料層僅一層即可。

填料塔的高度主要取決于填料層的高度，另外還要考慮塔頂空間、塔底空間及塔內(nèi)附屬裝置。填料塔的高度計算如下：

式中H——塔高，m；

h——填料層高度，m；

Hf——液體再分布器的空間高度，m；

Hd——塔頂空間高度，一般取0.8～1.4 m；

Hb——塔底空間高度，一般取1.2～1.5 m；

n——填料層分層數(shù)。

Hd（塔頂空間高）一般取0.8 m；Hb（塔底空間高）一般取1.2 m。因為填料層只有一層，所以該填料塔沒有液體再分布器，即液體再分布器空間高度為0。因此該填料塔的高度為：

2 結(jié)語

草酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氧化物對人和生物毒害很大，嚴(yán)重污染環(huán)境，危及人民的身體健康，因此應(yīng)建設(shè)尾氣處理系統(tǒng)，去除尾氣中的氮氧化物，以保證尾氣達標(biāo)排放。

用于吸收二氧化氮的填料塔設(shè)計直徑為0.8 m。該系統(tǒng)不屬于難分離系統(tǒng)，可采用散裝填料。系統(tǒng)中含有NO2，有一定的腐蝕性，故考慮選用塑料鮑爾環(huán)填料。由于系統(tǒng)對壓降無特殊要求，考慮到不同尺寸鮑爾環(huán)的傳質(zhì)性能，選用DN38聚丙烯鮑爾環(huán)填料。填料塔總高度為4.52 m，填料層的高度為2.52 m。

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