CN101391176A - 液幕床气液接触反应装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液幕床气液接触反应装置的设计方法，在设计气液反应装置时，已知量为：装置的液气比(F_l/F_g)，待处理烟气量(F_g)，反应装置的规模(横截面尺寸a×b)，需求解的参数为液相喷射装置均匀液幕的布置方法及装置中各参数，包括喷嘴数目(n₁×n₂)，喷嘴直径d_n，喷嘴间距s，喷射母管直径d_tube，及达到反应效率要求时反应装置采用的有效吸收高度h_j。求解方法基于本单位的实验结果，引入了三个经验公式后采用代数求解，易于实施，准确性高。

Description

液幕床气液接触反应装置的设计方法

技术领域

本发明属于气液反应器领域，具体涉及一种用于湿法烟气脱硫反应中的液幕床气液接触反应装置的设计方法。

背景技术

湿法烟气脱硫工艺的核心部分是气液反应装置，在脱硫反应装置内，烟气与循环浆液接触，从而脱去烟气中的SO₂，完成SO₂的吸收过程，因此脱硫反应装置必须有良好的气液接触面积和吸收能力。

“液幕式气液两相流”的主要特点为：(1)利用喷泉状双流程流动增加液体停留时间，浆液使用喷嘴垂直向上喷出并由重力的作用回落，大幅增加喷嘴的密度，提高截面的液体含量；(2)在气相流量变化的时候，气液两相流混合可以始终保持比较强的状态，使吸收率受负荷变化的影响减小，具有非常好的负荷调节性能；(3)喷嘴数目较多，喷射密度较高，反应装置顶部连接成致密的液幕，雾化成的液滴重新聚合，使烟气夹带液滴的可能性降低，从而减小除雾器的阻力。(4)喷嘴的布置方式灵活，可以采用顺列或者错列布置；(5)内部构件少，可防止反应装置结垢、堵塞等问题。目前对于气液吸收反应装置如喷淋和填料塔都已有成型的设计方法，但设计方法比较复杂，对于这种液相双流程的液幕式反应装置还没有成型的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计流程简单，易于实施，准确性高的液幕床气液接触反应装置的设计方法。按本发明的设计方法设计出的反应装置具备持液量大、气液相相对速度高、气液接触表面积大、液相混合剧烈的特点，可以广泛应用与能源、化工和环保等领域。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，根据已知条件，待处理的烟气量F_g，进口烟气SO₂浓度C_in和液气比F_l/F_g，得所需液相流量F_l；确定未知量：根据运行控制烟气空截面流速V_g＝2～4m/s确定反应装置横截面规模a×b＝F_g/V_g，装置横截面喷嘴数目(n₁×n₂)，有效吸收高度h_j；

2)确定有效吸收高度h_j：假定一个吸收高度h_j，给出床层高度系数k_h和液幕回落的最大流量半径系数k_r初值，计算装置内喷嘴中液体的喷射速度V_j＝h_j×2×9.8/k_h，液幕回落的最大流量半径R＝k_r×V_j/2/9.8，喷嘴个数n₁＝[a/R]，喷嘴个数n₂＝[b/R]，喷嘴直径 $d_n=\sqrt{{4F}_l/(n_1\&times;n_2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;V_j)},$ 此时计算得到的喷嘴直径d_n是一个上限值，选用时采用此解或小于此数值的喷嘴结构；更新k’_h和k’_r的值，迭代求解，直到满足误差要求(|k’_h-k_h|<10^-8，|k’_r-k_r|<10^-8)，此时确定装置喷嘴直径；

3)母管直径满足 $d_{\mathrm{tube}}^2\&GreaterEqual;{2n}_1{d}_n^2;$ 母管之间间距s≥2d_tube；检查各参数之间的匹配性，对此有效吸收高度下的设计选定喷嘴直径，母管直径，母管间距；

4)计算液体Re_l和气体Re_g，计算传质Sh和传质系数k，由传质计算公式得出口浓度为 $C_{\mathrm{out}}=\frac{F_g-k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{F_g+k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{C}_{\mathrm{in}},$ 计算装置计算吸收效率 $\mathrm{\&eta;}\%=\frac{C_{\mathrm{in}}-C_{\mathrm{out}}}{C_{\mathrm{in}}}\&times;100\%,$ 根据吸收效率的要求调整有效吸收高度，重复步骤2)、3)和4)，直到得到符合吸收效率要求的有效吸收高度即完成了液幕床气液接触反应装置的设计。

本发明的方法基于实验结果，引入了三个经验公式后采用代数求解，易于实施，准确性高，与实验误差在±10％以内。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是单个喷嘴的结构图

图3是喷嘴阵列顺列结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，在设计气液反应装置时，已知量为：装置的液气比(F_l/F_g)，待处理烟气量(F_g)和进口烟气SO₂浓度C_in，反应装置的规模(横截面尺寸a×b)，需求解的参数为液相喷射装置的布置方法，包括喷嘴数目(n₁×n₂)，喷嘴直径d_n，及喷嘴间距s，喷射母管直径d_tube，及达到要求反应效率时的有效吸收高度h_j。计算方法基于以下原理：

1、提高喷嘴中液体的喷射速度V_j，可以增加喷射液柱的高度，增加气液接触面积；增加喷嘴数目，以增加液柱的数目来增加气液接触面积。在相同的喷嘴数目下，喷嘴直径d_n越小，液体的喷射速度越大，喷射液柱高度增加越多，但喷射能量损失也越大；

2、喷嘴结构对喷射液柱的特性具有较大的影响，使用较好的雾化喷嘴，有利于液膜的撕裂，使喷射的液柱向四面散射，有利于液体充满整个反应装置，增加了气液传质的面积，提高了反应装置中气液间的传质效果；

3、喷嘴喷射段采用直型线，出口处可略带扩口(有利于雾化)，如图2所示，加工容易，同时也比较容易解决磨损的问题，且使得系统总压力损失小，系统能耗低。计算方法中经验公式中系数的确定是基于这种喷嘴结构；

4、在本单位实验范围内，根据本单位的实验结果，液柱的喷射高度h_j与喷射速度之间满足： $h_j=k_h\frac{V_j^2}{2g}---\left(1\right),$ 对图2所示的喷嘴，k_h与喷射Fr数之间的关系为： $k_h=[1+0.00456{\left(\frac{{\mathrm{Re}}_l}{{\mathrm{Re}}_g}\right)}^{-2.233568}]e^{-0.02246\mathrm{Fr}}---\left(2\right),$ 其中 $\mathrm{Fr}=\frac{V_j}{\sqrt{{\mathrm{gd}}_n}},$ ${\mathrm{Re}}_l=\frac{{\mathrm{\&rho;v}}_j{d}_n}{\mathrm{\&eta;}},$ ${\mathrm{Re}}_g=\frac{{\mathrm{\&rho;v}}_g\mathrm{De}}{\mathrm{\&eta;}}---\left(3\right),$ g为当地重力加速度，取9.8m/s²，d_n为喷嘴直径，De为吸收塔当量直径。

5、液幕回落的范围与喷射速度和喷射高度相关，液幕回落的最大流量半径与喷射速度之间满足 $R=k_r\frac{V_j^2}{2g}---\left(4\right),$ 实验结果表明k_r与k_h的关系为， $\frac{k_r}{k_h}=\frac{B}{{\mathrm{Fr}}^{0.84894}},$ 1.2<B<1.4；(5)，为充分利用液幕特性，使装置内气液充满度最好，喷嘴布置方式可采用等间距顺列布置，喷嘴间距应s≤R；(6)，使装置内各处液幕均匀，取s＝R(7)。

6、液幕式气液反应器中，以SO₂吸收为例，传质的经验关系式为 $\mathrm{Sh}=364558.49R{e}_g^{0.71718}{\mathrm{Re}}_l^{-1.94907}{\left(\frac{s}{d}\right)}^{1.699}---\left(8\right),$ 其中， $\mathrm{Sh}=\frac{k\&CenterDot;\mathrm{De}}{D},$ 其中k为反应器中的传质系数，D为吸收质(以SO₂为例)在气相中的扩散系数，m/s²。根据喷嘴喷射能量的转化，本发明中液幕式气液接触传质模型中传质面积为 $\mathrm{Area}=n_1{n}_2{\mathrm{\&pi;d}}_n\frac{v_j^2}{2g};$

为使反应装置高效使用，应使吸收塔各处气液均匀分布，反应装置采用顺列或错列等间距布置，顺列布置如图3所示，对于顺列布置，本发明的设计流程如下：

根据设计的已知条件，待处理的烟气量F_g，进口烟气SO₂浓度C_in和选择的液气比F_l/F_g，计算得所需液相流量F_l；根据运行控制烟气空截面流速V_g＝2～4m/s确定反应装置横截面规模a×b＝F_g/V_g，装置横截面喷嘴数目(n₁×n₂)，有效吸收高度h_j；

有效吸收高度h_j是气液反应的一个重要的参数，给出k_h，k_r的初值，确定装置内的其它参数，喷嘴中液体的喷射速度V_j＝h_j×2×9.8/k_h，液幕回落的最大流量半径R＝k_r×V_j/2/9.8，喷嘴个数n₁＝[a/R]，喷嘴个数n₂＝[b/R]，喷嘴直径 $d_n=\sqrt{{4F}_l/(n_1\&times;n_2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;V_j)},$ 此时计算得到的喷嘴直径d_n是一个上限值，选用时可采用此解或小于此数值的喷嘴结构；更新k_h和k_h的值，迭代求解，直到满足误差要求，此时确定装置喷嘴直径；

为了保障母管中的均匀分配特性，要求母管的横截面积至少是母管上喷嘴总面积的2倍，即 $d_{\mathrm{tube}}^2\&GreaterEqual;{2n}_1{d}_n^2;$ 为了使液幕能够顺利回落到吸收塔下部的浆液池，要求s≥2d_tube；对各种有效吸收高度下的设计方案选用喷嘴母管，检查各参数之间的匹配性，对此有效吸收高度下的设计选定喷嘴直径，母管直径，母管间距；

根据Re_l和Re_g，计算传质Sh和传质系数k，由传质计算公式得出口浓度为 $C_{\mathrm{out}}=\frac{F_g-k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{F_g+k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{C}_{\mathrm{in}},$ 计算装置计算吸收效率 $\mathrm{\&eta;}\%=\frac{C_{\mathrm{in}}-C_{\mathrm{out}}}{C_{\mathrm{in}}}\&times;100\%,$ 根据吸收效率的要求调整有效吸收高度即完成了液幕床气液接触反应装置的设计。

Claims (1)

1、液幕床气液接触反应装置的设计方法，其特征在于：

1)首先，根据已知条件，待处理的烟气量F_g，进口烟气SO₂浓度C_in和液气比F_l/F_g，得所需液相流量F_l；确定未知量：根据运行控制烟气空截面流速V_g＝2～4m/s确定反应装置横截面规模a×b＝F_g/V_g，装置横截面喷嘴数目(n₁×n₂)，有效吸收高度h_j；

2)确定有效吸收高度h_j：假定一个吸收高度h_j，给出床层高度系数k_h和液幕回落的最大流量半径系数k_r初值，计算装置内喷嘴中液体的喷射速度V_j＝h_j×2×9.8/k_h，液幕回落的最大流量半径R＝k_r×V_j/2/9.8，喷嘴个数n₁＝[a/R]，喷嘴个数n₂＝[b/R]，喷嘴直径 $d_n=\sqrt{4F_l/(n_1\&times;n_2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;V_j)},$ 此时计算得到的喷嘴直径d_n是一个上限值，选用时采用此解或小于此数值的喷嘴结构；更新k’_h和k’_r的值，迭代求解，直到满足误差要求(|k’_h-k_h|<10^-8，|k’_r-k_r|<10^-8)，此时确定装置喷嘴直径；

3)母管直径满足 $d_{\mathrm{tube}}^2\&GreaterEqual;2n_1{d}_n^2;$ 母管之间间距s≥2d_tube；检查各参数之间的匹配性，对此有效吸收高度下的设计选定喷嘴直径，母管直径，母管间距；

4)计算液体Re₁和气体Re_g，计算传质Sh和传质系数k，由传质计算公式得出口浓度为 $C_{\mathrm{out}}=\frac{F_g-k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{F_g+k\&CenterDot;\mathrm{Area}/2}{C}_{\mathrm{in}}$ ，计算装置计算吸收效率 $\mathrm{\&eta;}\%=\frac{C_{\mathrm{in}}-C_{\mathrm{out}}}{C_{\mathrm{in}}}\&times;100\%,$ 根据吸收效率的要求调整有效吸收高度，重复步骤2)、3)和4)，直到得到符合吸收效率要求的有效吸收高度即完成了液幕床气液接触反应装置的设计。

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