石墨填料塔的結(jié)構(gòu)特性及塔徑計(jì)算

錢海洋，王俊飛

（南通星球石墨設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226011）

在化工、醫(yī)藥、石油化工、冶金、輕工、食品、紡織以及國(guó)防、電子、三廢治理等國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域，由于介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性，要求制作設(shè)備的材料，既要能防腐蝕，又要有良好的傳熱性能。石墨材料就成為理想的設(shè)備結(jié)構(gòu)材料，設(shè)備形式由原有的換熱器、三合一合成爐，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的填料塔、精餾塔、石墨攪拌釜、急冷塔等。

1 石墨填料塔的工作原理

填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流。

氣液兩相連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，通過密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。

當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì)，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器2部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。

2 石墨填料塔的結(jié)構(gòu)特性

石墨填料塔由塔體、噴淋裝置、填料及其支撐板、再分布器、進(jìn)出口等部件組成。

該填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用上下金屬蓋板作連接法蘭，用長(zhǎng)螺栓上下將所有塔節(jié)緊固為一體，相鄰兩塔節(jié)用活套法蘭連接，塔節(jié)間的密封形式為凹凸面，墊片材料采用四氟密封帶。

塔的頂部裝設(shè)的噴淋裝置，主要分為管式、盤式、蓮蓬式和槽式4種，以便液體分布均勻，充分濕潤(rùn)填料的表面，用以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。而塔中部設(shè)置的再分布裝置，是為了避免頂部噴淋下來的液體向塔體內(nèi)側(cè)偏流，從而影響塔效率。

填料作為氣液接觸的主要構(gòu)件，必須滿足比表面積大、自由體積小、機(jī)構(gòu)強(qiáng)度足夠等要求，通常情況下采用石墨拉西環(huán)。填料支撐件大部分由浸漬石墨板加工成多孔板形式。

3 石墨填料塔液泛現(xiàn)象

液泛是塔內(nèi)流體流動(dòng)的一種現(xiàn)象。當(dāng)氣液兩相在填料塔內(nèi)作逆流流動(dòng)，兩相之間的相對(duì)速度超過某一限值后，氣體壓力降極具上升，液體不能暢通的向下流動(dòng)，填料頂部有液體積存，這時(shí)氣體只能鼓泡通過液層，因霧沫夾帶嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生氣液迸發(fā)現(xiàn)象，傳質(zhì)效果惡化，不能維持塔的正常生產(chǎn)。

控制進(jìn)料量以及回流量，穩(wěn)定塔釜加熱蒸汽壓力，維持塔釜液位于一定波動(dòng)范圍，做好塔頂、塔底壓力檢測(cè)記錄等方法都是有效的預(yù)防石墨填料塔液泛的措施。

4 石墨填料塔塔徑估算

石墨填料塔塔徑估算已知條件見表1。

表1 石墨填料塔塔徑估算已知條件

采用埃克特（Eckert）通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速。

氣相質(zhì)量流量為WV=4 122 kg/h

液相質(zhì)量流量為WL=24 676 kg/h

Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為

通過查Eckert關(guān)聯(lián)圖得

查填料因子表得：φF=252（φ50陶瓷階梯環(huán)填料）；μL≈0.76cp=0.000 76 Pa·s

g=9.81 m/s2

則泛點(diǎn)氣速為：

空塔氣速：取u=0.85uF=0.941 m/s

≈1.1（m）

圓整塔徑，取D=1.1 m（按泛點(diǎn)氣速校核及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)整取值）。泛點(diǎn)速率校核：

液體噴淋密度校核：

取最小濕潤(rùn)率：（LW）min=0.08 m3/m2·h

查相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)得：

α1=124 m2/m3

Umin=α1·（LW）min=124×0.08=9.92（m3/m2·h）

式中：α1—填料比表面積。

經(jīng)上述校核可知，填料塔直徑選用D=1 100 mm。

5 結(jié)論

（1）本文簡(jiǎn)單的介紹石墨填料塔的一些基本原理以及初步的塔徑估算，在實(shí)際的設(shè)備選型計(jì)算中還需要綜合考慮塔體的壓力降、填料層高度、填料規(guī)格、設(shè)備強(qiáng)度等因素。

（2）石墨填料塔通過幾年的實(shí)際運(yùn)行，對(duì)鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)的吸收、解析、濃縮等單元操作具有可操作性。

（3）石墨填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于處理粘性、熱敏性小的腐蝕性物料或傳質(zhì)速率由氣相控制的物料，應(yīng)用廣泛。

［1］許志遠(yuǎn)，等編.《石墨制化工設(shè)備》.化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］汪鎮(zhèn)安，主編.《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版.上冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］管國(guó)鋒，趙汝博，主編.《化工原理》第二版.化學(xué)工業(yè)出版社，2003.