硫酸干吸塔填料支承装置比较

陈 芳

(中国恩菲工程技术有限公司 化工环保事业部， 北京 100038)

硫酸干吸塔填料支承装置比较

陈 芳

(中国恩菲工程技术有限公司 化工环保事业部， 北京 100038)

目前国内干吸塔经常使用的填料支承装置有两种，分别为全瓷球拱填料支承装置和高铝陶瓷条梁填料支承装置，本文通过强度计算、开孔率及安装难易分析，对这两种填料支承装置进行比较。

干吸塔； 填料支承； 开孔率

0 引言

硫酸作为生产原料，在化工、冶金、医药、石油、纺织等行业有十分广泛的应用。硫酸的生产方法大致分为冶炼烟气制酸、硫铁矿制酸和硫磺制酸三种。硫酸干吸塔是制酸生产工艺流程中的关键设备之一，其塔型为填料塔，由壳体、防腐层、填料、填料支承装置、分酸装置、除雾装置几部分组成。其中填料支撑装置不仅要满足强度要求，使塔在使用过程中，在最不利的情况下仍能保证支撑安全，同时还要考虑其应有利于塔的传质过程，减小塔的阻力，以及施工安装的难易。目前国内经常使用的填料支承装置有两种，分别为全瓷球拱填料支承装置和高铝陶瓷条梁填料支承装置，本文将就强度、开孔率及安装难易对这两种填料支承装置进行比较。

1 应力计算(以内径Φ3 500，填料高度4 500 mm为例)

填料支撑装置所承受的总载荷=填料重量+填料持液重量+分酸器重量(部分)+装置自重+其它因素≈50 000 kg。

其中：填料重量≈25 000 kg，

填料选用Φ76阶梯环，填料高度按4 500 mm考虑，

填料持液重量=液膜厚度×填料比表面积×填料体积≈6 500 kg。

1.1 全瓷球拱的应力计算

全瓷球拱由拱心砖、拱砖和拱脚砖组成，其材质与耐酸砖相同，为无釉陶瓷产品，Al2O3含量23%左右，强度较低，单块砖尺寸受到一定限制。安装方式如图1所示。

图1 全瓷球拱安装图

应力计算：

图2 球拱受力分析

全瓷球拱的受力分析如图2，根据Laplace方程，计算点的径向应力σm和环向应力σt分别为

σm=-qR/s(1+cosφ)kg/cm2

σt=qR(1-cosφ-cos2φ)/s(1+cosφ)kg/cm2

式中q—拱壳上单位面积承载(含拱自重)kg/cm2以水平投影力代入；

R—球拱的曲率半径，cm(R=(1.2～4.0)rn)rn：塔内半径cm；

s—拱壁的厚度(即拱砖的高度)，cm；

φ—计算点到中心线的夹角，°。

根据公式可知，拱脚处的径向应力和环向应力最大。

∵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—安全系数n=10

[σ]Y=1 250/n=1 25 kg/cm2

∴σm=-4.45 kg/cm2(负数表示径向受压)

σt=-3.2 kg/cm2(负数表示环向受压)

nm=8.9nt=39.安全

1.2 高铝条梁应力计算

现阶段所使用的高铝条梁有别于传统条梁，由于材料中所含Al2O3含量高达60%以上，因此使条梁的尺寸变得更薄，更长。高铝梁的安装如图3，梁的截面形式如图4。

图3 高铝条梁填料支承装置安装图

图4 梁截面

应力计算：

根据高铝条梁的安装方式，条梁的力学模型可简化为图5形式，由于陶瓷为脆性材料，因此不考虑其变形，梁的弯曲应力为

σ=Mmax/W=8.84(MPa)

式中：Mmaxx=ql2/6—梁的最大弯 (考虑条梁上载荷分布可能不均匀，因此将Mmax=ql2/8调整为此式) N·m

q—均布力，Kg/m

l—梁的长度，m

W=bh2/6—抗弯截面系数

图5 梁受力分析

根据公式可知，最长的梁受力最不利，在此对件号1的梁进行计算

∵单位面积的载荷为5 196 kg/m2，则受力最不利的梁所承受的均布载荷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值远远小于弯曲强度允许值180 MPa，安全。

如果将梁的厚度b由55 mm减小至35 mm，则σ=13.89 MPa仍可满足强度要求。目前国外干吸塔所用条梁的厚度均采用35 mm的厚度，国内由于原料成分及制作工艺限制，梁厚仍需做到50 mm以上。

2 开孔率

填料支承装置开孔率的大小直接影响干吸塔的流体阻力，开孔率越大，阻力越小，塔设备自身的压力降越低，在相同气量下，可提高气体的空塔气速，减小塔径，降低塔的建设投资。如保持塔径不变，则可减少电耗，降低运行成本。同时当气体通过小开孔率填料支承装置时，流速提高，使接近支撑装置的填料无法正常工作，因此支承装置开孔率越大气体分布越合理，越可以提高填料的工作效率，充分发挥填料的作用，提高传质效率，减少填料用量。

全瓷球拱开孔率：按拱砖最先接触气体的表面计算，开孔率为球拱下表面积﹣筋缘覆盖面积，单层球拱的开孔率随干吸塔直径增加增大，最大不超过60%。

高铝条梁支承装置开孔率：由图4可以看出，此系统开孔率为下部砖体横截面积-支撑墙面积-条梁覆盖面积，计算后开孔率可达70%。若将条梁厚度减小至35 mm，则支撑系统的开孔率可达到87%。

风机电机功率差的计算：

根据资料介绍，直径与气速相同的塔，开孔率60%的全瓷球拱流体阻力为30 Pa左右，开孔率70%的高铝条梁支承装置流体阻力为20 Pa左右。

风机电机功率计算公式为：

N=QHr/367 000n

式中N—电机功率同，kW；

Q—风机输送气量，m3/h；

H—压头，mmH2O；

r—气体密度，kg/m3n—电机效率，一般为0.6～0.8；

以内径Φ3500空气干燥塔为例：

∵Q=65 000 m3/h

H差=3-2=1 mmH2O

r=1.25 Kg/m3(空气)

n=0.7

∴N差=65 000×1×1.25/367 000×0.7=0.32 kW

按一年运行300天计算,全年可降低电耗N=0.32×24×300=2 304 kW。

3 施工安装难易

全瓷球拱砖除了承受垂直压力外，砖的各个侧面都承受一个分力，所以对砖的几何尺寸要求严格，除了参照一般耐酸砖标准外，还要求每一块砖均必须符合设计要求，倘若误差过大，会给安装带来极大困难，因此其误差应不大于±1.5%。

球拱安装时需首先在塔内安装球拱模，木模的大小要根据人孔或进气口的尺寸确定，以便安装和拆模。木模尺寸要与图纸一致，且弧面圆滑，所用材料一定要保证在球拱砌筑后的养护阶段能承受球拱自身全部重量。球拱模安装完成后要将拱砖在其上先进行预排，预排过程中要注意环向和径向两个尺寸的变化，若环向尺寸有差异，可通过增减砖的数量进行调整，若径向尺寸误差不大，可通过模具升降，利用拱脚砖的角度来改变弧长，以达到安装要求，否则，只能采取修砖或调整砖缝，使之达到要求。预排完毕后为每块砖编号，然后按序号由内向外一圈圈砌筑。塔径越大，拱砖的种类和数量就越多，出现误差的可能性就越大。木模的制作成本也更高，从而增加了施工成本。且塔径越大，为保证球拱受力良好，则球拱拱高越高，从而影响塔的高度。

高铝条梁形状简单，对几何尺寸要求相对宽松，安装容易，只要放置在墙、垛上，用标砖塞紧，防止其倾倒即可。但使用高铝条梁需要从塔底砌筑砖墙，用于支撑，从而增加了砌筑工作量和标砖用量，且如果塔底为球底，则需在球底墙垛处砌筑非标砖，用于找平。

4 结语

两种支承装置均能满足强度要求。高铝条梁支承装置开孔率略优于全瓷球拱。而安装难易程度与塔内径有关，塔内径小，拱砖的种类和数量少，出现误差的可能性小，木模制作搭建容易，不用砌筑支承砖墙，减少了耐酸砖的使用和砌筑工作量，使用全瓷球拱支承装置较好；塔内径大，拱砖的种类和数量就多，出现误差的可能性就大，修砖的工作量大，不易保证弧度，施工难度加大，木模的制作成本也更高，施工成本增加，此时使用高铝条梁支承装置更为合理。

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

陈芳(1962-)，女，北京市人，高级工程师，大学本科，主要从事化工设备设计工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)04-0015-03