湿式氧化法脱硫填料塔主要元件设计选型应注意的问题
摘 要：通过对各类填料的特性数据和使用情况的分析，给出各类填料在湿式氧化法脱硫装置中的选型意见；结合工程设计经验，给出了液体分布器选型设计中应注意的问题。
关键词：脱硫塔 填料选型 内件设计
填料塔是连续接触式气液传质设备，是目前在湿式氧化法脱硫装置中使用最广的一种吸收装置。填料塔主要由填料、塔内件及筒体构成。
1 填料的类型与选择
塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基础元件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。
1.1 填料的类型
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
(1) 散装填料
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较典型的散装填料。
a.拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。
b.鲍尔环填料 鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。
c. 矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
d.阶梯环填料 阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
与鲍尔环填料、鞍形填料等相比，阶梯环具有以下优点 :
①通量大压降小 由于填料结构及装填的特点，使填料层中的气体通道更为均匀，折返路径变短，所以在增加填料层气体通量的同时并未加大填料层的压降。
②效率高 阶梯环填料属于开孔环类型填料，并具有环高低及增加翻边等形状结构的特点，可促进液体的分散与汇聚，减少了填料层内液体的不良分布及干区，使填料表面能充分润湿甚至可达到100%有效。填料的翻边可以增加填料层的空隙并使空隙均匀，均匀的空隙有利于液体在填料的表面形成均匀有效的液膜，不存在鲍尔环填料或矩鞍环填料的呆滞表面或干表面。所以，阶梯环填料的传质效率较上述两种填料要高。
③操作弹性大 阶梯环填料大大地改善了填料层内部的液体均匀分布和气液接触状况，使其操作范围有了较大的增长，其L/G可在0.05～50范围内操作。这种填料很适合在湿式氧化法脱硫等大液体负荷的工艺条件下应用。
④抗污性好 阶梯环填料层特有的空间排列，使气液呈喘流接触，且很少有集中的空洞，这有利于形成均匀的气体剪力冲刷填料。同时，形成的液膜可以均匀覆盖在填料表面，消除了液体死区，使污垢均匀随液流而下，不容易沉积在填料的表面上，提高了填料的抗污、堵性能。
(2) 规整填料
规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、蜂窝填料等。湿式氧化法脱硫装置中应用的规整填料绝大部分为蜂窝填料。
金属丝网波纹填料是阿波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。其特点是压降低。分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。
金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多φ4 mm~φ6 mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体。加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。
波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。
蜂窝填料是一种整砌型规整填料，材质大多采用轻瓷或全瓷，由6-7个圆形或多边形的筒状填料颗粒组合成蜂窝结构的传质元件。蜂窝填料具有优异的抗污性能，整砌填装后，其流体力学性能与格栅填料相似，适用于气体杂质多，脱硫精度要求不高的场合。
1.2 填料的选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低。
（1）填料种类的选择
填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。
①传质效率 传质效率即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP(或HTU值)低的填料。对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。
②通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。
③填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗越低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降△P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降△P/NT。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出。
④填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。
此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。
（2）填料规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同。在湿式氧化法脱硫装置中较少使用规整填料，因此这里只介绍散装填料。
散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于表1。
表1 塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值
一台填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格，但应该注意的是原则是不允许在同一个填料段中使用不同规格或类型的填料。
1.3 填料设计计算中应注意的问题
(1) 液体喷淋密度的验算
填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为
为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。
对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算，即
Umin=(LW) minA (1-2)
式中 Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h)；
(LW) min——最小润湿速率，m3/(m·h)；
A——填料的总比表面积，m2/m3。
最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算(见有关填料手册)，也可采用一些经验值。对于直径不超过75 mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW) min为0.08 m3/(m·h)；对于直径大于75 mm的散装填料，取(LW) min=0.12 m3/(m·h)。
对于规整填料，其最小喷淋密度可从有关填料手册中查得，设计中，通常取Umin=0.2。
实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。
(2) 填料层的分段
液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应造成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。因此，设计中，每隔一定的填料层高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。
对于散装填料，一般推荐的分段高度值见表2，表中h/D为分段高度与塔径之比，hmax为允许的最大填料层高度。
表2 散装填料分段高度推荐值
2 填料塔内件的类型与设计
2.1 塔内件的类型
填料塔的内件主要包括气体分布器、液体（初始）分布器、液体（气液）再分布器及填料支撑和填料压紧装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。 这里只对前三种内件进行介绍。
(1)气体分布器
在湿式氧化法脱硫中，填料塔气体一般采用塔下部进料。设计气体分布器的目的是达到入塔气体的均匀稳定。相对液体来说，气体比较容易分布均匀，因此气体分布器的结构要相对简单，也经常被忽视。目前，气体分布器有多种形式，主要取决于气体状态、气相负荷、操作压力、允许压降、塔径等工艺条件和技术要求。特别是对于低阻力的填料或大直径塔器，气体分布器显得更为重要，因此在湿法脱硫中用高效填料改造旧塔，对于气体分布器的设计应予以足够的重视。
(2) 液体（初始）分布器
液体（初始）分布器的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。在湿式氧化法脱硫以管式、槽式及槽盘式为主。
管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，操作弹性一般较小。管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的填料塔中。当液体（初始）分布器下使用液体再分布器进行二次分布时，设计中通常用管式液体（初始）分布器。
槽式液体分布器是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或二级槽)构成的。
一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加人其下方的液体分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上设有孔道域导管)，将液体均匀分布于填料层上。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分布。这种分布器的缺点是占用的空间较大，分布点密度较小， 在湿式氧化法脱硫中已经很少使用。
槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高，适用于各种液体喷淋量。这种分布器的缺点是结构复杂，易堵塞。
(3) 液体（气液）再分布器
为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。
在通常情况下，一般将液体收集器及液体再分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体再分布器进行液体再分布。
①液体（气液）再分布器的重要性
a.液体的不良分布会导致传质效率急剧下降。实践证明，没有良好的液体分布器，填料塔甚至不能正常操作。不良分布对传质效率的影响，在塔径与填料直径比较大（＞40）和特小（＜10）的场合尤其严重。
b.不良液体分布难以达到填料层的自然流分布。液体在填料层中达到自然流分布后的传质效率最高。不良分布，需要经历一段很长流动距离，再慢慢转化为自然流分布，这段距离甚至可能达到一半床层高度。
c.高效填料（如阶梯环、矩鞍环）一般具有较小的径向分散系数。径向分散系数越大，液体分布越容易趋近于自然流分布。填料塔的大型化和高效填料的应用，意味着塔径与填料直径比将增大和填料层的径向分散系数减小。因此将不良分布转化为自然流分布更困难。这也正是现代填料塔技术更依赖于良好的液体分布和再分布器的一个重要原有。
②槽式和盘式分布器的比较
a.槽式分布器结构比较简单、易于支撑，造价较低。但是这种分布器的淋降点均匀布置较盘式困难，所能达到的淋降点密度也低于盘式分布器。
b.盘式分布器是所有分布器中均布性能最好的一类分布器，具有气液分流，互不干扰，操作弹性大等优点。不过由于受结构上的限制，气流通道、支撑环、支撑梁等占据一定空间，影响了液体的均匀分布，故应精心设计才能保持其优良的均布性能。
③DSF型脱硫塔专用液体再分布器
DSF型脱硫塔专用液体再分布器是长春东狮公司自行研究设计、开发生产的一种盘式液体（气液）再分布器。这种液体（气液）再分布器在设计时根据湿式氧化法脱硫的工艺特点和脱硫液性质，确定了合理的降液孔径、淋降点分布、降液速度、升气管分布等参数。 DSF型脱硫塔专用液体再分布器兼有集液和分液的功能，是优良的液体收集及再分布装置。
DSF型脱硫塔专用液体再分布器具有以下特点：
a.有足够的淋降点密度，最大可达100点/m2，淋降点几何分布、淋降点间流量等均匀性十分良好。
b.具有足够的气流通道，占整个截面积55%以上。
c.操作弹性较大。液体最大与最小负荷之比在3.0以上。
d.结构简单紧凑，所占空间较小且易于支撑。
e.操作十分可靠，很少出现排液口被硫堵现象，因此分布质量十分稳定。它不仅操作弹性大，而且流量范围广。最大喷淋密度可达120m3/m2.h。
2.2 液体（气液）再分布器设计中应注意的问题
填料塔操作性能的好坏、传质效率的高低在很大程度上与塔内件的设计有关。在塔内件设计中，最关键的是液体（气液）再分布器的设计，在设计时应注意以下几个问题。
(1) 液体分布器设计的基本要求
性能优良的液体（气液）再分布器设计时必须满足以下几点：
①液体分布均匀。 评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。
a.分布点密度。液体（气液）再分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差很大。大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小；对于规整填料，比表面积越大，分布点密度越大。
b.分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。
c.降液点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均匀，需要分布器总体的合理设计。精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求各分布点与平均流量的偏差小于6%。
②操作弹性大。 液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计中，一般要求液体分布器的操作弹性为2－4，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。
③其他。 液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。
(2) 液体分布器布液能力的计算
液体分布器布液能力的计算是液体分布器设计的重要内容。设计时，按其布液作用原理不同和具体结构特性，选用不同的公式计算。以下是在湿式氧化法脱硫中，使用最多的重力型液体分布器布液能力计算方法。
重力型液体分布器有多孔型和溢流型两种型式，湿式氧化法脱硫中以多孔型应用为主，其布液工作的动力为开孔上方的液位高度。多孔型分布器布液能力的计算公式为
3 结语
综上所述，选用合适的塔填料是填料塔设计的第一步。对于湿式氧化法脱硫，一般推荐选用中等比表面积的填料，DN76和DN50的阶梯环是最常用的两种填料；所有塔内件设计时都要考虑气液接触问题，以发挥填料塔的脱硫效率和生产能力。填料支撑结构的合理性对填料塔的空间使用和生产能力有一定影响，而如果填料压紧装置设计或安装不当时，会使填料层发生变化甚至填料流失。因此，除了气体和液体分布装置外，其他内件的设计也不能忽视。
参考文献
[1]兰州石油机械研究所《现代塔器技术》
[2]中国石化集团上海工程有限公司《化工工艺设计手册》
[3]王祥光等《脱硫技术》
