1、硫磷设计与粉体工程S P BMH RELATED ENGINEERING2011 年第 6 期文丘里洗涤器的工艺计算张昌清 ， 丁德承( 中国石化集团南京工程有限公司 ， 江苏 南京 211100)摘 要 : 为贯彻国家对磷肥工业污染物排放的严格要求 ， 介绍了文丘里洗涤器的工艺计算 ， 核算了150 kt/a 过磷酸钙装置氟吸收系统的氟排放浓度 ， 认为再增加一级文丘里洗涤器即可满足要求 ， 因系统阻力增加 ， 尾气风机须作相应处理 。关键词 : 文丘里洗涤器 ; 工艺计算 ; 磷肥生产中图分类号 : TQ051. 82 文献标识码 : B 文章编号 : 1009 1904( 2011) 0
2、6 0006 051 概述从吸收机理考虑 ， 含氟气体的吸收属于易溶气体的吸收 ， 宜选用高度湍流 、传质单元数小的吸收设备 。目前广泛使用的是文丘里洗涤器 、湍球塔 ( 流化床吸收器 ) 、卧式喷淋洗涤器 、空塔 、填料塔 ( 主要用于 HF 的吸收 ) 等 。国内外磷肥生产目前广泛使用的是文丘里洗涤器 、湍球塔和卧式喷淋洗涤器 ， 填料塔或空塔主要用于尾气放空前的净化 。由于文丘里洗涤器对磷肥生产排放尾气中的尘粒 、氟化物和氨等都有较高的洗涤效率 ， 它在湿法净化设备中愈来愈被重视 。国内生产萃取磷酸的尾气洗涤 ， 重过磷酸钙干燥的尾气洗涤等多选用文丘里洗涤器 。以旋风炉生产钙镁磷肥的尾气
3、洗涤为例 : 进口尾气 尘为 15 g/m3、( F) 为 0. 5 g/m3( 标准状况计 ， 下同 ) 、温度 150 ， 文丘里洗涤器喉管气速 68 m/s、液气比0. 5 L/m3时 ， 文丘里洗涤器出口的 尘达 0. 1 g/m3、( F) 达 30 mg/m3， 洗 涤 器 阻 力 约 15 Pa ( 150mmH2O) ， 排放尾气温度约 50 ， 相应的除尘效率为 99%、除氟效率 94%。前苏联被称为 的文丘里洗涤器 ， 是一种气体自下而上 ， 且将除沫器也包括在内的吸收设备 ， 其结构如图 1 所示 ， 该产品已经系列化 ， 其结构参数见表 1， 用于处理高浓度磷复肥干燥尾
4、气卓有成效 。 喉管气速 50 70 m/s， 阻力 1 000 1 500 Pa( 100 150 mmH2O) ， 喉管直径 150 830mm， 处理气量最大可达 75 000 m3/h。以 用于重过磷酸钙干燥尾气处理为例 : 处理气量27 700 m3/h， 进口气体温度 75 ( 第二段湿法净化 ) ， 阻力 1 300 Pa( 130 mmH2O) ， 喉管气速 35 m/s，液气比 0. 7 L/m3， 进口气体 ( F) 为 2. 5 g/m3， 出 的 ( F) 为 0. 4 g/m3， 洗涤效率达 84%檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨
5、檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨。150 的场合 。当温度本身又处在高温系统 ， 材料可使用镍基合金换热管和堆焊管板 。4. 4. 2 冷热端交替布管将 U 形管的热端和冷端交替布置 ， 即把一个进气端和一个出气端毗邻安装 ， 并可在热进气管端装衬耐高温的镍基合金套管 见图 8( c) ， 整个管板的温度分布几乎能维持相等 ， 这种设计可用于进出口端介质温差大于 150 的场合 。5 结束语压力容器设计是工艺过程和安全技术相结合的产物 ， 合理设计可获得较为完美的效果 ， 上述列举解析的问题是化工行业压力容器设计中易被疏忽而时有出现的主要部分 ， 供同仁参考 ， 以求共识 。参考文献 : 1 GB 15
6、0 1998 钢制压力容器 S . 2 桑如苞 . 关于压力容器法兰标准若干问题的建议 J . 化工设备设计 ， 1997，( 5) : 24. 3 HG 20582 1998 钢制化工容器强度计算规定 S . 4 HG 20581 1998 钢制化工容器材料选用规定 S . 5 JB/T 4731 2005 钢制卧式容器 S . 6 JB/T 4710 2005 钢制塔式容器 S . 7 沈 浚 . 合成氨工学 M . 北京 : 化学工业出版社 ， 2001: 1036.作者简介 : 马炳贤 ( 1934 ) ， 男 ， 浙江嘉兴人 ， 高级工程师 ， 长期从事压力容器设计和审核工作 。(
7、收稿日期 : 2011 09 02)62011 年第 6 期 张昌清 ， 等 . 文丘里洗涤器的工艺计算图 1 结构示意2 文丘里洗涤器的工艺计算根据文丘里洗涤器的流体动力学特性 ， 可以分成高压头 、低压头和喷射洗涤器三种 。第一种用于粒径几微米和亚微米粒子的深度净化 ， 其特点是流体阻力高 ( 20 30 kPa) 。第二种用在其他除尘设备之前的气体净化上 ( 起调节作用 ) ， 其流体阻力不超过 5 kPa。第三种喷射洗涤器 ， 它把用在净化气体上的能量归并到喷淋液中 ， 通常喷洒液压力为 400 1 200 kPa， 液气比为 7 10 L/m3， 喷淋液由布置在混合室的喷嘴注入喉管
8、。因为喷射洗涤器用液体输送气体造成正压 ， 所以气体净化装置的流体阻力等于零 。因而这种设备适宜用在由于某种原因 ( 例如高温 、腐蚀 ) 装设排风机或鼓风机有困难的场合 ， 其缺点是对较细的粉尘捕集效率不高 。表 1 结构尺寸尺寸 /mmA B C D E F G H质量 /kg100 2 473 263 465 946 1815 760 1 700 315202 3 299 354 526 1 339 2005 840 2 300 450245 3 950 429 760 1 582 2 035 900 2 800 560277 4 347 520 921 1 876 2065 940 3
9、 400 750400 5 825 700 1 240 2 459 2 590 950 4 500 1 103535 7 757 936 1 658 2 928 3 211 1 110 6 100 1 983650 9 402 1 138 2 015 3 516 3 911 1 210 7 400 3 115785 10 905 1 321 2 340 4 050 3 976 1 250 8 600 4 540830 11 986 1 453 2 973 4 453 4 029 1 280 9 400 5 600文丘里洗涤器的工艺计算就是在满足对洗涤效率要求的同时 ， 确定其最佳的几何尺寸 ，
10、 选择液气比 ， 决定供液方式以及求出压力降 。2. 1 几何尺寸从流体动力学角度考虑 ， 文丘里管的几何尺寸如图 2 所示 。图 2 标准文丘里管结构示意1、收缩管收缩管与工艺系统气体管道一般是相连的 ， 其直径 d1根据管道中气体速度决定 ， 收缩角 1=2528， 收缩管长度l1=0. 5( d1 d2) /tan( 1/2) ( 1)2、喉管喉管直径 d2由喉管气速决定 ， 通常为 40 60m/s。喉管长度l2= ( 0. 15 3. 00) d2( 2)通常取 l2=0. 15d2。3、扩散管扩散管直径 d3一般等于收缩管直径 d1， 扩散角2=6 7， 扩散管长度l3=0. 5(
11、 d3 d2) /tan( 2/2) ( 3)但根据工艺要求 ， 也可以采用与上述尺寸不同7硫磷设计与粉体工程S P BMH RELATED ENGINEERING2011 年第 6 期的文丘里管 。例如 ， 在气体有深度冷却要求的时候 ，往往采用 l20. 15d2的喉管 ， 而对于小直径的文丘里管 ， 由于热 质交换的要求 ， 喉管长度不应小于2 5 cm( d2300 mm) 。2. 2 液气比 m文丘里洗涤器的液气比对洗涤效率和压降的影响很大 。一个合适的液气比除了提高洗涤效率以外 ， 还可以节省动力 。液气比可以根据下列经验数据或原则进行选择 : 对于捕集细散的粉尘 ， 在收缩管中心
12、加液时 ， 液气比 m = 0. 5 0. 7 L/m3; 对于低压头文丘里洗涤器 ( 喉管气速 35 70 m/s) ， m =0. 1 0. 2 L/m3; 对于膜状加液的文丘里洗涤器 ，其周边喷淋密度应不小于 3 m3/( hm) ; 在同时进行气体净化和冷却时 ， 知道了出口气体温度 t2以后 ， 液气比可按下列方程式确定 1:m = ( 0. 133t1 t2+35) /0. 041t1( 4)式中 : t1气体进口温度 ， ;t2气体出口温度 ， 一般可以取 t2= tM( tM为湿球温度 ) ， ;m液气比 ， L/m3。式 ( 4) 适用于喉管气速 50 150 m/s， 液气
13、比0. 6 1. 3 L/m3， 气体进口温度 100 900 的场合 。在出口气体温度未知时 ， 可以由下列两个经验公式之一进行估算 :t2= ( 0. 133 0. 009 1m) t1+35 ( 5)或者 t2=0. 07t1+43 ( 6)它们的适用范围同上 。2. 3 喉管加液方式常用的喉管加液方式见图 3。图 3 喉管加液方式示意因为淋洒液的加入方式对文丘里洗涤器的洗涤效率影响较大 ， 所以 ， 设计时需要确定喉管的加液方式 。1、中心喷淋中心喷淋的文丘里管 见图 3( a) 一般经过中心端管加入液体 ， 应当使从管孔流出的液体 ， 不以过分大的力量冲击收缩管管壁 ， 从中心端管排
14、液孔到喉管头部的距离 lx可由式 ( 7) 求出 。lx=0. 5( d2 dx) /tan( 1/2) ( 7)式中 : dx排液孔直径 ， m;d2喉管直径 ， m。排液孔前的气体压力 ， 一般不超过 200 300 Pa( 20 30 mmH2O) 。2、周边加淋晒液对于矩形截面或圆形截面周边加入淋洒液的文丘里洗涤器 ， 其注液孔布置在喉管周边 ， 为达到淋洒液的均匀分布 ， 注液孔应当错开布置 ， 周边的开孔数按下式确定 :n =3au气3槡m/( u液d0) ( 8)式中 ， a 为喉管周壁相邻两孔之间距离 ， 一般不超过0. 25 0. 35 m， 低压头文丘里管可达 0. 5 m
15、; d0为注液孔直径 ， mm。在喉管周边加淋洒液的文丘里管 ， 注液孔前的液体压力务必使液体喷舌达到的投影距离超过喉管直径的一半 ( 见图 4) 。因为 ， 只有这样才能使液体喷舌穿过气体流股中心 ， 从而使气液进行充分的82011 年第 6 期 张昌清 ， 等 . 文丘里洗涤器的工艺计算热 质交换 。从注液孔排出液体的喷舌投影长度 x与喉管中的气体速度关系如下 2:x = Ku液d2/30/( u2/3气) ( 9)式中 : x喷舌投影长度 ， mm;u液从注液孔排出的液体速度 ， m/s;u气喉管气速 ， m/s;气体密度 ， kg/m3;K系数 ， 直接喷射 K 为 87， = 30的
16、反射板 K 为 53。图 4 文丘里洗涤器喷舌投影长度与喉管气速的关系2. 4 压力降文丘里管的阻力包括干管阻力 p和湿管阻力p， p =p +p。其中 ， p = u2气气/2 ( 10)p = u2气液/2 ( 11)式中 : 干管阻力系数 ， 1;u气相当于文丘里管出口处温度和压力条件下的气体速度 ， m/s;气同样条件下的气体密度 ， kg/m3;压力降 ， Pa;湿管阻力系数 ， 1;液淋洒液密度 ， kg/m3。此外 ， 若设有旋风除沫器的还应该加上旋风除沫器的液体阻力 :p= u2g气/2 ( 12)式中 : 旋风除沫器的阻力系数 ， 1;ug以除沫器自由截面计的气体速度 ， m
17、/s。文丘里洗涤器压力降可按式 ( 13) 简化计算 ( 包括干管和湿管 ) :p = 气u2gC1/2 ( 13)式中 : p文丘里洗涤器的压力降 ， Pa;气气体密度 ， kg/m3;C1压力损失系数 ， C1=0. 2 +1. 4L/G， 1;L液体流量 ， L/h;G气体流量 ， m3/h。上式适用于 L/G 比值不大于 2， 如 L/G 2， C1约为 2. 5。2. 5 净化效率 ( 洗涤效率 )文丘里洗涤器的净化效率可以用传质单元数来表示 。Nt= ln( C1 C平) /( C2 C平) ( 13)式中 : C1进洗涤器的氟化物浓度 ， g/m3;C2出洗涤器的氟化物浓度 ，
18、g/m3;C平与洗涤器中洗涤液平衡的气相氟化物浓度 ， g/m3。传质单元数与净化效率之间的关系为 =1 e Nt( 14)文丘里洗涤器传质单元数 Nt与喉管中的气体速度 u喉以及能耗关系如下 :Ntu喉能耗1. 6 40 m/s60 105m3/( kWh)2. 0 50 m/s80 105m3/( kWh)2. 4 60 m/s60 105m3/( kWh)文丘里洗涤器本身的传质单元数大致为 2. 4 3. 6 的数量级 。美国环境保护局要求文丘里洗涤器的传质单元数 Nt在 2 4 之间 ， 压力降在 3 000 6 000 Pa( 300 600 mmH2O) 范围内 。3 计算示例现以
19、 150 kt/a 过磷酸钙装置混化工序的氟吸收系统为例 ， 原设计设有两级文丘里洗涤器 ， 可满足其尾气排放达到国家标准限值的要求 。随着环保意识加强 ， 新标准要求更为来历 ， 原装置排放尾气的浓度已远远超出排放限值要求 ， 必须进行技术改造 。笔者对其的改造措施是再增加一级文丘里洗涤器 ( 即三级洗涤 ) 。3. 1 排氟量工艺计算1、原始数据磷矿用量 12 300 kg/h尾气风机风量 G 15 000 m3/h磷矿氟含量 2. 9%混化工序氟逸出率 3. 5%9硫磷设计与粉体工程S P BMH RELATED ENGINEERING2011 年第 6 期过磷酸钙 w( P2O5) 2
20、0%尾气密度 0. 9 kg/m32、氟逸出量12 300 2. 9% 3. 5% =124. 85 kg/h3、尾气中氟浓度124. 85 1 000/15 000 =8. 32 g/m34、文丘里洗涤器洗涤率原设计选用 u喉=60 m/s， m =1 L/m3， Nt=2. 4， =1 e Nt=1 e2. 4=1 0. 090 7 =90. 93%5、洗涤器出口尾气浓度( 1) 一级出口浓度8. 32 8. 32 90. 93% =0. 754 6 g/m3( 2) 二级出口浓度0. 754 6 0. 754 6 90. 93% =0. 068 4 g/m3( 3) 三级出口浓度0. 0
21、68 4 0. 068 4 90. 93% =0. 006 2 g/m36、排入大气的氟量0. 006 2 15 000 =93 g/h7、过磷酸钙产量15 000/7 000 =21. 43 t/h8、P2O5产量21. 43 20% =4. 29 t/h9、新标准允许向大气排放氟量新标准一级 ， 允许每吨 P2O5排氟量为 150 g， 允许本装置排氟量为150 4. 29 =634. 5 g/h10、结论634. 5 g/h93 g/h增加一级文丘里洗涤器 ， 即可满足新标准的限值要求 。3. 2 文丘里洗涤器工艺计算该装置工艺系统气体管道直径 d1= 0. 6 m， 取喉管气速 u气=
22、60 m/s。1、收缩管取 1=25， d1=0. 6 m， 收缩管长度l1=0. 5 ( 0. 6 0. 3) /tg12. 5 =0. 677 m2、喉管d2= 15 000/( 3 600 0. 785 60槡)=0. 297 m0. 3 m喉管长度通常取 l2=0. 15d2l2=0. 15 0. 3 =0. 045 m3、扩散管d3= d1=0. 3 m， 取扩散角 2=7， 扩散管长度l3=0. 5 ( 0. 6 0. 3) /tan3. 5 =2. 45 m4、液气比 m取 m =1 L/m3， 即 L =15 000 L/h。5、加液方式本技改项目采用中心喷淋 ， 选用不怕堵塞
23、的具有螺旋流道用聚四氟乙烯制的喷头 。该喷头适用于G =0. 5 1. 0 L/m3， 喷布角有 90、120两种 ， 视收缩管长短 ， 长的可采用喷布角为 90的喷头 ， 反之则选用 120的 。本处选用喷布角为 90聚四氟乙烯制的螺旋流道喷头 。压力降采用简化计算 ， 如下 :C =0. 2 +1. 4L/G =0. 2 +1. 4 15 000/15 000 =1. 6p = gu2gC/2 =0. 9 6021. 6/2 =2 592 Pa三级文丘里洗涤器的总压力降为 2 592 3 =7 780 Pa。4 结束语由于磷肥生产过程中排出的气体中多为 SiF4和 HF， 这种气体在吸收过
24、程中会发生水解 ， 产生硅胶沉淀物 ( 3SiF4+ 2H2O 2H2SiF2+ SiO2) ， 这种沉积物对吸收设备产生堵塞作用 。此外 SiF4在吸收过程中会在液相表面生成硅胶膜 ， 液滴被硅胶膜包裹 ， 使液滴内部与气体隔开 ， 只有破坏这层硅胶膜 ， 才能使吸收过程继续进行 。所以氟气吸收只有用高质湍流的吸收器才能把气体中的氟除掉 。在现有气体净化设备中只有文丘里洗涤器和湍球塔 ( 湍环塔 ) 是理想的含氟气体吸收器 。卧式错流喷淋洗涤器吸收效率也比较理想 ， 但造价较高 、结构复杂 ，目前还不能大量推广 。本技改项目增加了一级文丘里洗涤器 ， 洗涤系统阻力因此增加了 2. 59 kP
25、a， 尾气风机的压头不够 ，尚需更换之 。参考文献 : 1 丁德承 . 文丘里洗涤器的实用设计 J . 化工设备设计 ， 1981，( 6) : 16 22. 2 ， 等 . - M . : ， 1979:332 336.作者简介 : 张昌清 ( 1965 ) ， 男 ， 江苏江宁人 ， 化工工艺工程师 ， 从事化工工艺专业设计工作 。( 收稿日期 : 2010 09 08)01S P BMH RELATED ENGINEERINGABSTRACTS Bimonthly Total No105， No6 2011; Published on Nov 30， 2011( Initial Issu
26、e in Dec of 1991)Discussions on Some Technical Issues Relating to Pressure Vessel DesignMA Bing-xian( SINOPEC Nanjing Engineering Construction Incorporation， Nanjing 211100， China)Abstract: In the pressure vessel design， sometimes there are design technical issues which are related to the technical
27、specifications but without accurateunderstanding， which may result in various unreasonable construction or technical requirements， causing undesired wasting of material and manhour interms of manufacturing， in some cases it is also related to safety performance of the pressure vessel Some the unders
28、tanding of some typical technical con-ditions and issues in the pressure vessel design are discussed， and simple analysis is made to help avoiding such problems in the design It is for your ref-erenceKey words: pressure vessel design; technical specification; technical issue; discussion; avoidProces
29、s Calculation for Venturi ScrubberZHANG Chang-qing， DING De-cheng( SINOPEC Nanjing Engineering Construction Incorporation， Nanjing 211100， China)Abstract: In order to implement the stringent requirements by the state for discharge of pollutants in the phosphate fertilizer industry， the process calcu
30、-lation for Venturi scrubber is introduced， and the fluorine discharge concentration by the fluorine absorption system of the 150 kt/a SSP plant is checkedIt is concluded that the requirements can be met by adding one more stage of Venturi scrubber As the system resistance is increased， correspondin
31、g treat-ment should be done for the tail-gas blower fanKey words: Venturi scrubber; process calculation; phosphate fertilizer productionDesign of Swirling Plate Type Demister in Phosphoric Acid PlantWU Xiong-biao( SINOPEC Nanjing Engineering Construction Incorporation， Nanjing 211100， China)Abstract
32、: The construction and principle of the swirling plate type demister are outlined And particularly by referring to actual practice， the value-tak-ing and calculation process for various parameters in the design of the swirling plate type demister are introducedKey words: swirling plate type demister
33、; phosphoric acid plant; tail-gas scrubbing; designDetermination of Process Parameters for Heating and Heat-removing of High-temperature and High-pressure ReactorLIU Zhi-hua( Chemical Engineering School of Sichuan University， Chengdu 610015， China)Abstract: In order to adapt to the requirements of v
34、arious product test items， the process parameters are calculated for the heating and heat-removing e-quipment of the high-temperature and high-pressure reactor， and the reaction heat effect and the area of heat exchanging and heat-removing equipment areestimated Through determination of the basic eq
35、uipment process parameters in the production， the process parameters for heating and heat-removingprocess flow are selectedKey words: reactor heat exchanging system; heating; heat-removing; process parameter; verification; determinationSulfate Type Sulfur Fertilizer and Its Agricultural ApplicationG
36、UO Ru-xin( Tianjin Soda Plant， Tianjin 300450， China)Abstract: The sulfate type sulfur fertilizer and its agricultural application are described， and recent publications on sulfur fertilizer are outlined， relatedsulfate type sulfur fertilizers such as ammonium sulfate， magnesium sulfate， magnesium-p
37、otassium sulfate， potassium sulfate， ammonium magnesium sul-fate and their applications are discussed， and an outlook of development is givenKey words: sulfur fertilizer; ammonium sulfate; magnesium-potassium sulfate; ammonium magnesium sulfate; overviewJenike Shear Tester and Its Application in Tes
38、ting the Flow Property of Particle MaterialLIAO Rong-fu， QIU Sheng-xiang， PAN Ren-hu( Fujian Longjing Environmental Protection Co， Ltd， Longyan 364000， China)Abstract: flow property test can accurately obtain relevant properties of the particle material， and provide precise and reliable basis for th
39、e design ofprocess and equipment for handling the particle material The method for describing the flow property of particle material， and the method of Jenike sharetester used to test the flow property of particle material to analyze the existing problems in the testing are introduced， and solutions are proposed， whichprovides guidance for testing of flow property of particle materialsKey words: flow property test; particle material; Jenike shear tester; internal friction angle; angle of wall friction
