用于氮氧化物处理的填料塔的设计

2014-07-09邸倩倩

化工装备技术 2014年3期

邸倩倩

（1.石家庄工大化工设备有限公司 2.河北省蒸发结晶及干燥工程技术研究中心)

0 前言

对于草酸生产过程中产生的氮氧化物，通常可采用填料塔吸收的方式来进行处理。二氧化氮气体被水吸收生成稀硝酸，稀硝酸可重复利用。在吸收塔内，气体和液体的运动经常是逆流的，即吸收剂自塔顶向下喷淋，在填料表面分散成薄膜，经填料间的缝隙下流，亦可形成液滴落下；气体从塔底被送入，沿填料间空隙上升，填料层的润湿表面就成为气液接触的传质表面。填料塔的优点是结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，气液接触效果较好，压降较小。缺点是当烟气中含有悬浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填料损耗大。

草酸生产过程中使用的填料塔其原理是用水来吸收二氧化氮，这一过程也就是二氧化氮在水中溶解并生成硝酸和亚硝酸的过程。其主要反应如下：

亚硝酸很不稳定，在0℃以上极易分解，生成硝酸、一氧化氮和水：

1 填料塔设计与计算

1.1 设计参数

五个反应罐的总气体流量为125 m3/h；每个反应罐的间距为2 m；每个反应罐的直径为3 m；每个反应罐的高度为5 m；填料塔与反应罐的距离是25 m；反应罐每天运行的时间是24 h；填料塔进口二氧化氮浓度为0.332 5 kg/m3；氮氧化物二级排放标准为420 mg/m3；实际鼓风量为23.66 kmol/h；氮氧化物去除率为97.8%。

1.2 吸收液用量计算

进塔气体在鼓风后可全部假设为NO2，常压20℃下干燥空气的密度为1.205 kg/m3，常压20℃下NO2的密度为1.91 kg/m3。鼓风后混合气体中NO2的含量为16%，空气的含量为84%，则进塔混合气体的密度为：

式中22.4——标准状况下气体摩尔体积，L/mol。由下式

式中G——单位时间通过吸收塔任一断面的惰性气体的量，kmol/h；

y1，y2——分别为塔底和塔顶的被吸收组分的气相摩尔比；

x1，x2——分别为塔底和塔顶的被吸收组分的液相摩尔比。

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，则

设实际吸收液量为最小用量的1.5倍，则L=1.5Lsmin=1 363.56 kmol/h

液体的质量流量为：GL=LMH2O=1 363.56×18=24 544 kg/h

1.3 选择填料

填料的正确选择，对塔的经济性有重要的影响。对于给定的设计条件，常有多种填料可供选用，因此需要对各种填料作综合比较，选择比较理想的填料。

表1 H2O-NO2在常压20℃下的平衡数据

填料可为气液两相提供良好的传质条件。选用的填料应满足以下基本要求： (a）具有较大的比表面积和良好的润湿性；（b）有较高的孔隙率（多在 0.45～0.95）；（c）对气流的阻力较小；（d）尺寸适当，通常不应大于塔径的1/10～1/8；（e）耐腐蚀、机械强度大、造价低、堆积密度小、稳定性好等。

通常，填料尺寸较大，成本就较低，通过能力也较高，而效率则较低。大塔常使用Ø50 mm填料。若使用大于Ø50 mm的填料，则成本的降低和通过能力的提高往往补偿不了分离效率的降低。若使用Ø25 mm以下的小填料，则效率的提高弥补不了由通过能力降低和成本增高带来的缺点。一般推荐按塔径大小选定填料尺寸，如表2所示。

表2 按塔径大小选用填料的推荐尺寸

该系统不属于难分离系统，可用散装填料。系统中含有NO2，有一定的腐蚀性，故考虑选用塑料鲍尔环填料。由于系统对压降无特殊要求，考虑到不同尺寸鲍尔环的传质性能，选用DN38聚丙烯鲍尔环填料。该填料的泛点填料因子φF=184 m-1，压降填料因子φP=114 m-1，比表面积θ=155 m2/m3。

1.4 塔径的计算

一般情况下，填料塔的内径是根据气体负荷来计算的。依据体积流量公式得：

式中D——塔的内径，m；

Qs——气体的体积流量，m3/s；

u——空塔速度，m/s。

由上式计算出来的塔径，尚需根据有关标准规定进行圆整，以便于塔设备的制造和维修。由上式知，计算塔径的核心问题是确定空塔气速u的值。确定u值的方法可归纳为以下两种。

（1）通用关联图法

根据Eckert散堆填料泛点和压降通用关联图、Kister和Gill规整填料压降通用关联图及泛点压降公式，可求出填料的液泛气速uf。以此为据，计算空塔气速u。

对散堆填料，

式中u——空塔气速，m/s;

uf——填料的液泛气速，m/s。

对于起泡物系取较低的系数0.5，对于不起泡物系取偏高的系数。若有压降限制，则应以具体计算来确定u值。

对规整填料，

式中umax——空塔气速的最大值，m/s；

uf——填料的液泛气速，m/s。

若有压降限制，则应根据容许的压力降反算出u值。

（2）实验气体动能因子法

对于高效规整填料，一般通过实验给出适宜的操作气体动能因子F值。

式中F——操作气体动能因子；

u——空塔气速，m/s；

ρG——二氧化氮的密度，kg/m3。由此可计算出空塔气速u。

DN38聚丙烯鲍尔环填料的泛点填料因子φF=184 m-1，压降填料因子φP=114 m-1，比表面积θ=155 m2/m3。

气相： ρG=1.32 kg/m3， μG=0.014 6 mPa·s。

液相：ρL=998.2 kg/m3， μL=1.0 mPa·s。

混合气体的质量流量：GV=947.79 kg/h；液体的质量流量：GL=24 544 kg/h。

通过《实用环境工程手册：大气污染控制工程》中的填料塔液泛点与压降的通用关系图可得横坐标其中，20℃时水的黏度μL=1 mPa·s，ψ=1。由此可得：

取空塔气速为泛点气速的50%，u=0.926×0.5=0.463 m/s，则填料塔直径为：

当计算出的塔径不是整数时，需根据加工要求及设备定型要求予以圆整。直径在1 m以下时，塔径的间隔为100 mm；直径在1 m以上时，塔径的间隔为200 mm，故取D为0.8 m。实际空塔气速：

1.5 塔高的计算

常采用传质单元法计算填料塔内填料层的总高度。

式中h——填料层总高度，m；

HOG、HOL——气相、液相总传质单元高度，m；

NOG、NOL——气相、液相总传质单元数。

填料层高度与传质单元高度的关系有如下的经验数据：填料层高度25 mm，传质单元高度 0.3～0.6 m；填料层高度38 mm，传质单元高度0.5～0.75 m；填料层高度50 mm，传质单元高度0.6～1.0 m。

传质单元数是吸收困难程度的度量。传质单元数增大,则达到吸收目标所需的塔高随之增大。根据一些吸收塔的经验数据可得传质单元数为3.6～3.8。因此填料层的总高度为h=0.5×3.6=1.8 m。

由于计算传质单元数时依据的相平衡数据会有偏差，传质动力学参数HOG的计算会有偏差，因此实际塔内液、气两相流体不可能达到实验条件下的良好分布。此外，为适应操作条件的波动，还应留有调节控制的余地。因此应对填料层总高度的理论计算值进行修正，引入1.3～1.5的安全系数，即填料层总高度h实际=1.4h=2.52 m。

对较高的填料层应分成几段装填，在段间设液体收集分布器，既保证下段填料层中的液体均匀分布，又为上升气体提供一个横向混合的空间，从而减少放大效应，提高填料的传质效率。越是高效的填料塔，合理分段越显得重要。对于散堆填料，一般推荐的分段高度值如表3所示。