硫酸干吸塔填料支承裝置比較

陳 芳

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 化工環(huán)保事業(yè)部， 北京 100038)

硫酸干吸塔填料支承裝置比較

陳 芳

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 化工環(huán)保事業(yè)部， 北京 100038)

目前國內(nèi)干吸塔經(jīng)常使用的填料支承裝置有兩種，分別為全瓷球拱填料支承裝置和高鋁陶瓷條梁填料支承裝置，本文通過強(qiáng)度計(jì)算、開孔率及安裝難易分析，對這兩種填料支承裝置進(jìn)行比較。

干吸塔； 填料支承； 開孔率

0 引言

硫酸作為生產(chǎn)原料，在化工、冶金、醫(yī)藥、石油、紡織等行業(yè)有十分廣泛的應(yīng)用。硫酸的生產(chǎn)方法大致分為冶煉煙氣制酸、硫鐵礦制酸和硫磺制酸三種。硫酸干吸塔是制酸生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其塔型為填料塔，由殼體、防腐層、填料、填料支承裝置、分酸裝置、除霧裝置幾部分組成。其中填料支撐裝置不僅要滿足強(qiáng)度要求，使塔在使用過程中，在最不利的情況下仍能保證支撐安全，同時(shí)還要考慮其應(yīng)有利于塔的傳質(zhì)過程，減小塔的阻力，以及施工安裝的難易。目前國內(nèi)經(jīng)常使用的填料支承裝置有兩種，分別為全瓷球拱填料支承裝置和高鋁陶瓷條梁填料支承裝置，本文將就強(qiáng)度、開孔率及安裝難易對這兩種填料支承裝置進(jìn)行比較。

1 應(yīng)力計(jì)算(以內(nèi)徑Φ3 500，填料高度4 500 mm為例)

填料支撐裝置所承受的總載荷=填料重量+填料持液重量+分酸器重量(部分)+裝置自重+其它因素≈50 000 kg。

其中：填料重量≈25 000 kg，

填料選用Φ76階梯環(huán)，填料高度按4 500 mm考慮，

填料持液重量=液膜厚度×填料比表面積×填料體積≈6 500 kg。

1.1 全瓷球拱的應(yīng)力計(jì)算

全瓷球拱由拱心磚、拱磚和拱腳磚組成，其材質(zhì)與耐酸磚相同，為無釉陶瓷產(chǎn)品，Al2O3含量23%左右，強(qiáng)度較低，單塊磚尺寸受到一定限制。安裝方式如圖1所示。

圖1 全瓷球拱安裝圖

應(yīng)力計(jì)算：

圖2 球拱受力分析

全瓷球拱的受力分析如圖2，根據(jù)Laplace方程，計(jì)算點(diǎn)的徑向應(yīng)力σm和環(huán)向應(yīng)力σt分別為

σm=-qR/s(1+cosφ)kg/cm2

σt=qR(1-cosφ-cos2φ)/s(1+cosφ)kg/cm2

式中q—拱殼上單位面積承載(含拱自重)kg/cm2以水平投影力代入；

R—球拱的曲率半徑，cm(R=(1.2～4.0)rn)rn：塔內(nèi)半徑cm；

s—拱壁的厚度(即拱磚的高度)，cm；

φ—計(jì)算點(diǎn)到中心線的夾角，°。

根據(jù)公式可知，拱腳處的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力最大。

∵q=50 000/[(350/2)2×π]=0.52 kg/cm2

R=359.1 cm

S=22 cm

φ=25°

[σ]L= 400/n=40 kg/cm2n—安全系數(shù)n=10

[σ]Y=1 250/n=1 25 kg/cm2

∴σm=-4.45 kg/cm2(負(fù)數(shù)表示徑向受壓)

σt=-3.2 kg/cm2(負(fù)數(shù)表示環(huán)向受壓)

nm=8.9nt=39.安全

1.2 高鋁條梁應(yīng)力計(jì)算

現(xiàn)階段所使用的高鋁條梁有別于傳統(tǒng)條梁，由于材料中所含Al2O3含量高達(dá)60%以上，因此使條梁的尺寸變得更薄，更長。高鋁梁的安裝如圖3，梁的截面形式如圖4。

圖3 高鋁條梁填料支承裝置安裝圖

圖4 梁截面

應(yīng)力計(jì)算：

根據(jù)高鋁條梁的安裝方式，條梁的力學(xué)模型可簡化為圖5形式，由于陶瓷為脆性材料，因此不考慮其變形，梁的彎曲應(yīng)力為

σ=Mmax/W=8.84(MPa)

式中：Mmaxx=ql2/6—梁的最大彎 (考慮條梁上載荷分布可能不均勻，因此將Mmax=ql2/8調(diào)整為此式) N·m

q—均布力，Kg/m

l—梁的長度，m

W=bh2/6—抗彎截面系數(shù)

圖5 梁受力分析

根據(jù)公式可知，最長的梁受力最不利，在此對件號(hào)1的梁進(jìn)行計(jì)算

∵單位面積的載荷為5 196 kg/m2，則受力最不利的梁所承受的均布載荷q=1 039.38 kg/m

l= 1.71 m

W=5.729×10-4

∴Mmaxx=5 065 N·m

σ=8.84 MPa

σ值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彎曲強(qiáng)度允許值180 MPa，安全。

如果將梁的厚度b由55 mm減小至35 mm，則σ=13.89 MPa仍可滿足強(qiáng)度要求。目前國外干吸塔所用條梁的厚度均采用35 mm的厚度，國內(nèi)由于原料成分及制作工藝限制，梁厚仍需做到50 mm以上。

2 開孔率

填料支承裝置開孔率的大小直接影響干吸塔的流體阻力，開孔率越大，阻力越小，塔設(shè)備自身的壓力降越低，在相同氣量下，可提高氣體的空塔氣速，減小塔徑，降低塔的建設(shè)投資。如保持塔徑不變，則可減少電耗，降低運(yùn)行成本。同時(shí)當(dāng)氣體通過小開孔率填料支承裝置時(shí)，流速提高，使接近支撐裝置的填料無法正常工作，因此支承裝置開孔率越大氣體分布越合理，越可以提高填料的工作效率，充分發(fā)揮填料的作用，提高傳質(zhì)效率，減少填料用量。

全瓷球拱開孔率：按拱磚最先接觸氣體的表面計(jì)算，開孔率為球拱下表面積﹣筋緣覆蓋面積，單層球拱的開孔率隨干吸塔直徑增加增大，最大不超過60%。

高鋁條梁支承裝置開孔率：由圖4可以看出，此系統(tǒng)開孔率為下部磚體橫截面積-支撐墻面積-條梁覆蓋面積，計(jì)算后開孔率可達(dá)70%。若將條梁厚度減小至35 mm，則支撐系統(tǒng)的開孔率可達(dá)到87%。

風(fēng)機(jī)電機(jī)功率差的計(jì)算：

根據(jù)資料介紹，直徑與氣速相同的塔，開孔率60%的全瓷球拱流體阻力為30 Pa左右，開孔率70%的高鋁條梁支承裝置流體阻力為20 Pa左右。

風(fēng)機(jī)電機(jī)功率計(jì)算公式為：

N=QHr/367 000n

式中N—電機(jī)功率同，kW；

Q—風(fēng)機(jī)輸送氣量，m3/h；

H—壓頭，mmH2O；

r—?dú)怏w密度，kg/m3n—電機(jī)效率，一般為0.6～0.8；

以內(nèi)徑Φ3500空氣干燥塔為例：

∵Q=65 000 m3/h

H差=3-2=1 mmH2O

r=1.25 Kg/m3(空氣)

n=0.7

∴N差=65 000×1×1.25/367 000×0.7=0.32 kW

按一年運(yùn)行300天計(jì)算,全年可降低電耗N=0.32×24×300=2 304 kW。

3 施工安裝難易

全瓷球拱磚除了承受垂直壓力外，磚的各個(gè)側(cè)面都承受一個(gè)分力，所以對磚的幾何尺寸要求嚴(yán)格，除了參照一般耐酸磚標(biāo)準(zhǔn)外，還要求每一塊磚均必須符合設(shè)計(jì)要求，倘若誤差過大，會(huì)給安裝帶來極大困難，因此其誤差應(yīng)不大于±1.5%。

球拱安裝時(shí)需首先在塔內(nèi)安裝球拱模，木模的大小要根據(jù)人孔或進(jìn)氣口的尺寸確定，以便安裝和拆模。木模尺寸要與圖紙一致，且弧面圓滑，所用材料一定要保證在球拱砌筑后的養(yǎng)護(hù)階段能承受球拱自身全部重量。球拱模安裝完成后要將拱磚在其上先進(jìn)行預(yù)排，預(yù)排過程中要注意環(huán)向和徑向兩個(gè)尺寸的變化，若環(huán)向尺寸有差異，可通過增減磚的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，若徑向尺寸誤差不大，可通過模具升降，利用拱腳磚的角度來改變弧長，以達(dá)到安裝要求，否則，只能采取修磚或調(diào)整磚縫，使之達(dá)到要求。預(yù)排完畢后為每塊磚編號(hào)，然后按序號(hào)由內(nèi)向外一圈圈砌筑。塔徑越大，拱磚的種類和數(shù)量就越多，出現(xiàn)誤差的可能性就越大。木模的制作成本也更高，從而增加了施工成本。且塔徑越大，為保證球拱受力良好，則球拱拱高越高，從而影響塔的高度。

高鋁條梁形狀簡單，對幾何尺寸要求相對寬松，安裝容易，只要放置在墻、垛上，用標(biāo)磚塞緊，防止其傾倒即可。但使用高鋁條梁需要從塔底砌筑磚墻，用于支撐，從而增加了砌筑工作量和標(biāo)磚用量，且如果塔底為球底，則需在球底墻垛處砌筑非標(biāo)磚，用于找平。

4 結(jié)語

兩種支承裝置均能滿足強(qiáng)度要求。高鋁條梁支承裝置開孔率略優(yōu)于全瓷球拱。而安裝難易程度與塔內(nèi)徑有關(guān)，塔內(nèi)徑小，拱磚的種類和數(shù)量少，出現(xiàn)誤差的可能性小，木模制作搭建容易，不用砌筑支承磚墻，減少了耐酸磚的使用和砌筑工作量，使用全瓷球拱支承裝置較好；塔內(nèi)徑大，拱磚的種類和數(shù)量就多，出現(xiàn)誤差的可能性就大，修磚的工作量大，不易保證弧度，施工難度加大，木模的制作成本也更高，施工成本增加，此時(shí)使用高鋁條梁支承裝置更為合理。

Comparison of Different Packing Support Means of Drying and Absorbing Tower in Sulfur Acid Process

CHEN Fang

There are two kinds of packing support means, the whole filler balls arch support means and alumina ceramic filler strips beams supporting device, used currently in drying and absorbing tower in sulfur acid process. The paper takes strength calculations, opening rate analysis, and installation difficulty analysis, compares this two packing support means.

drying and absorbing tower； packing support； opening rate

2015-01-19

陳芳(1962-)，女，北京市人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)04-0015-03