氯氣吸收塔的工藝計(jì)算

屠民海，吳立飛，姜云珍

（浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311600）

氯氣吸收塔的工藝計(jì)算

屠民海，吳立飛，姜云珍

（浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311600）

計(jì)算了氯氣吸收塔在填料階梯環(huán)、鮑爾環(huán)、多面球和不同進(jìn)氣量下的系統(tǒng)壓降，并設(shè)計(jì)了相關(guān)塔內(nèi)件，為氯氣吸收塔操作參數(shù)的選取提供依據(jù)。

氯氣吸收；填料；壓降

氯氣，化學(xué)式Cl2，常溫常壓下是一種黃綠色帶有刺激性氣味的氣體，易溶于水，水溶液具有強(qiáng)氧化性，早期作為造紙、紡織工業(yè)的漂白劑[1]。氯氣在精細(xì)化工中的地位十分重要，是浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司用于合成三氯化磷產(chǎn)品的重要原材料之一，其合成尾氣中含有未反應(yīng)完全的氯氣，需經(jīng)過吸收塔處理達(dá)標(biāo)后方可排放。

本文計(jì)算了不同填料（階梯環(huán)、鮑爾環(huán)、多面球）和進(jìn)氣量條件下吸收塔的壓降，并對(duì)部分塔內(nèi)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為吸收塔操作參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。

1 工況條件

氯氣吸收塔，塔徑DN=1 m，填料高度H=4 m，氣相流量GV=3 000 Nm3/h（5%氯氣，體積分?jǐn)?shù)），液相流量GL=10 m3/h（5%液堿，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），操作溫度T=20℃。

鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量4 000 m3/h，全風(fēng)壓降2 000 Pa，管路系統(tǒng)壓力損失1 000 Pa，吸收塔最大允許壓降1 000 Pa。

2 吸收塔工藝計(jì)算

2.1 填料選擇

填料的合理選擇，對(duì)塔的吸收效果有著重要影響。在給定的設(shè)計(jì)條件下，常有多種填料可供選用，故需對(duì)各類填料作綜合比較，以便選擇比較理想的填料。

鮑爾環(huán)：鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。和拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，而且分離效率較高，溝流現(xiàn)象少。

階梯環(huán)：該填料是在鮑爾環(huán)填料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)的，填料層內(nèi)填料間多呈點(diǎn)接觸。既增大了空隙率、減少了壓降，而且又構(gòu)成了液體沿填料表面流動(dòng)的匯集或分散點(diǎn)，促進(jìn)液膜表面更新和液體混合作用，從而提高了效率。階梯環(huán)填料在能量、壓降、效率、彈性等方面都優(yōu)于鮑爾環(huán)填料。

多面球填料：由2個(gè)半球組成。每個(gè)半球上開有12個(gè)扇形葉片，2個(gè)半球的扇形葉片相互錯(cuò)開。該填料特點(diǎn)是比表面積大，空隙率較高。但是由于葉片數(shù)偏多，彼此間有遮蔽效應(yīng)，不利于液體分布和潤(rùn)濕；液體大多在球體空心柱處聚集，阻礙氣體暢通，因此阻力較大。此種填料多用于水處理工程。

針對(duì)氯氣吸收系統(tǒng)，操作條件溫和，填料材質(zhì)可選用塑料，填料類型可選階梯環(huán)或鮑爾環(huán)，不建議使用多面球填料。

2.2 塔壓降計(jì)算

填料的壓降決定填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，其范圍一般在8～65 mmH2O/m?？紤]氯氣吸收的嚴(yán)格性，采用?38塑料階梯環(huán)，根據(jù)現(xiàn)有工況條件、填料特性參數(shù)、系統(tǒng)物性進(jìn)出量及液氣比值等數(shù)據(jù)，依據(jù)Eckert泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖計(jì)算壓降[2]。

式中：氣相密度 ρV=1.278 7 kg/m3；液相密度 ρL=1.05×103kg/m3；液相質(zhì)量流速WL=10 500 kg/h；氣相質(zhì)量流速WV=4 164.29 kg/h。

式中：空塔氣速u=1.151 8 m/s；液堿密度校正系數(shù)φ=0.952 4；濕填料因子 φ=130 m-1；黏度 μL=1.1 mPa·s；氣相密度 ρV=1.278 7 kg/m3；液相密度 ρL=1.05×103kg/m3。

查Eckert泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖，得ΔP/z=13 mmH2O/m，該設(shè)計(jì)塔壓降符合起泡系統(tǒng)要求。

2.3 采用不同型號(hào)填料塔壓降校核

分別調(diào)整氣相風(fēng)量為3 000 m3/h，4 000 m3/h，液相流量為10 m3/h，采用不同型號(hào)填料，分別計(jì)算系統(tǒng)塔壓降，結(jié)果見表1和表2。

表1 風(fēng)量3 000 m3/h條件下塔系統(tǒng)壓降

表2 風(fēng)量4 000 m3/h條件下塔系統(tǒng)壓降

從表1和表2分析可知：（1）多面球塔的壓降明顯比其他填料大，容易造成液泛，因此不建議使用；（2）?38階梯環(huán)、?50階梯環(huán)及 ?50鮑爾環(huán)壓降小于1 000 Pa，滿足運(yùn)行需要；（3）如選用?38鮑爾環(huán)則風(fēng)量應(yīng)調(diào)至3 200 m3/h以下，避免塔壓降超過1 000 Pa，產(chǎn)生液泛；（4）由于風(fēng)量、風(fēng)壓與系統(tǒng)阻力降有所關(guān)聯(lián)，當(dāng)實(shí)際風(fēng)量下降時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓會(huì)有所上升，但上升比例不大，建議采用?38階梯環(huán)或?50階梯環(huán)，以保證塔的操作余量。

2.4 塔液體分布器

2.4.1 計(jì)算噴淋點(diǎn)數(shù)N

根據(jù)Eckert建議常用填料的噴淋點(diǎn)密度，DN1000填料的噴淋點(diǎn)密度SP=100/m2，則該塔的噴淋點(diǎn)數(shù) N=AT×SP=79 個(gè)。

2.4.2 確定孔間距t

噴淋點(diǎn)孔間距[3]:t=C×

等邊三角形布置C取1.075，正方形排列C取1。為方便排支管，采用正方形排管，故t=100 mm。因采用環(huán)型、新型、高比表面積階梯環(huán)且低噴淋，考慮適當(dāng)增加噴淋點(diǎn)，取 t=90 mm（SP=123），N=82 個(gè)，布點(diǎn)見圖 1。

2.4.3 噴淋總管直徑計(jì)算

式中：液體流量 Q=10 m3/h，液體黏度 μ=1.2 mPa·s。

2.5 液體再分布器

由于填料層高度為4 m，其小于6 m，故不考慮設(shè)液體再分布器。

圖1 塔分布器布點(diǎn)圖

2.6 填料層頂部壓板

填料層是否需要設(shè)置壓板的必要條件為

ρV（um）2/g＞（ρd/N）/（dP）2[4]。

式中：ρV，氣體密度（kg/m3）；um，最大氣速（m/s）；g，重力加速度，取 9.8（m/s2）；ρd，填料堆積密度（kg/m3）；N，堆積個(gè)數(shù)（個(gè)/m3）；dP，填料直徑（m）。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算不同填料工況下是否需要頂部壓板，具體見表3。

表3 頂部壓板設(shè)計(jì)計(jì)算表格

從是否需要設(shè)置壓板的必要條件計(jì)算來看，該塔不需安裝壓板，但從實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，有部分填料從出氣口逃出，可能是由于物系屬易起泡體系，氣流夾帶較嚴(yán)重造成的。故建議安裝柵板，空隙率要求接近0.91，縫隙必須小于填料的高度，以免沖走填料。

3 結(jié)語

通過以上計(jì)算分析，該氯氣吸收塔系統(tǒng)建議選用?38、?50階梯環(huán)，進(jìn)氣量可從3 000調(diào)至4 000 m3/h，系統(tǒng)壓力降均符合設(shè)計(jì)要求，操作彈性大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取?38階梯環(huán)后，該吸收塔已實(shí)際運(yùn)行5年，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，吸收效果良好，符合相關(guān)規(guī)定。

[1] 周莉菊，馮家滿，趙由才.二噁英的毒性及環(huán)境來源[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32（11）：49-51.

[2] 陳敏恒，叢德滋，方圖南.化工原理：上、下冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3] 時(shí)鈞，汪家鼎，余國(guó)琮，等.化學(xué)工程手冊(cè)：上卷（2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

[4] 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（3版）[M].北京：化工工業(yè)出版社，2003.

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.04.011

2017-09-18