[科普中國]-吸收塔

吸收塔是實現(xiàn)吸收操作的設(shè)備。按氣液相接觸形態(tài)分為三類。第一類是氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；第二類是液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、文氏管、噴霧塔；第三類為液體以膜狀運動與氣相進行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔內(nèi)氣液兩相的流動方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收劑以塔頂加入自上而下流動，與從下向上流動的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。

要求工業(yè)吸收塔應具備以下基本要求：

1．塔內(nèi)氣體與液體應有足夠的接觸面積和接觸時間。

2．氣液兩相應具有強烈擾動，減少傳質(zhì)阻力，提高吸收效率。

3．操作范圍寬，運行穩(wěn)定。

4．設(shè)備阻力小，能耗低。

5．具有足夠的機械強度和耐腐蝕能力。

6．結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和檢修。1

常用類型填料塔它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。

填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。

填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機械強度、密度小、價格低廉等。

常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料，20世紀80年代后開發(fā)的新型填料如QH-1型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進的填料塔設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

填料塔適用于快速和瞬間反應的吸收過程，多用于氣體的凈化。

該塔結(jié)構(gòu)簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應性強，塔阻力小，壓力損失為300～700Pa，與板式塔相比處理風量小，空塔氣速通常為0.5～1.2m/s，氣速過大會形成液泛，噴淋密度6～8m3/（m2，h）以保證填料潤濕，液氣比控制在2～10L/m3。

填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設(shè)計時應克服塔內(nèi)氣液分布不均的問題。1

湍球塔它是填料塔的一種特殊形式，運行時塔內(nèi)填料處于運動狀態(tài)，以強化吸收過程。

在塔內(nèi)柵板間放置一定數(shù)量的輕質(zhì)小球填料（直徑29～38mm），吸收劑自塔頂噴下，濕潤小球表面，氣體從塔底進入，小球被吹起湍動旋轉(zhuǎn)，由于氣、液、固三相充分接觸，小球表面液膜不斷更新，增加了吸收推動力，提高了吸收效率。

該塔制造、安裝、維修較方便，可以用大小、質(zhì)量不同的小球改變操作范圍。

該塔處理風量較大，空塔氣速1.5～6.0m/s，噴淋密度20～110m3/(m2·h），壓力損失1500～3 800Pa，而且還可處理含塵氣體。

其缺點是塑料小球不能承受高溫，小球易裂（一般0.5～1年），需經(jīng)常更換，成本高。1

板式塔板式塔是在塔內(nèi)裝有一層層的塔板，液體從塔頂進入。氣體從塔底進入，氣液的傳質(zhì)、傳熱過程是在各個塔板上進行。

板式塔種類很多。

大致可分為二類：一類是降液管式，如泡罩塔、篩孔板塔、浮閥塔、S形單向流板塔、舌形板塔、浮動噴射塔等；另一類是穿流式板塔，如穿流柵孔板塔（淋降板塔）、波紋穿流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。

（1）篩孔板塔

篩孔直徑一般取5～10mm，篩孔總面積占篩板面積的10%～18%。

為使篩板上液層厚度保持均勻，篩板上設(shè)有溢流堰，液層厚度一般為40mn左右，篩板空塔風速約為1.0～3.5m/s，篩板小孔氣速6～13m/s，每層篩板阻力300～600Pa。

篩孔板塔主要優(yōu)點是構(gòu)造簡單，處理風量大，并能處理含塵氣體。

不足之處是篩孔堵塞清理較麻煩，塔的安裝要求嚴格，塔板應保持水平；操作彈性較小。

（2）斜孔板塔

斜孔板塔是篩孔板塔的另一形式。斜孔寬10～20m，長10～15mm，高6mm?？账饬魉俣纫话闳?～3.5m/s，篩孔氣流速度取10～15m/s。

氣體從斜孔水平噴出，相鄰兩孔的孔口方向相反，交錯排列，液體經(jīng)溢流堰供至塔板（堰高30mm），與氣流方向垂直流動，造成氣液的高度湍流，使氣液表面不斷更新，氣液充分接觸，傳質(zhì)效果較好，凈化效率高，同時可以處理含塵氣體，不易堵塞，每層篩板阻力約為400～600Pa。

該塔結(jié)構(gòu)比篩孔板塔復雜，制造較困難，安裝要求嚴格，容易發(fā)生偏流。

（3）文氏管吸收器

文氏管吸收器通常由文氏管、噴霧器和旋風分離器組成，操作時將液體霧化噴射到文氏喉管的氣流中，氣流速度為60～100m/s，處理100m3/min的廢氣需液體霧化噴人量為40L/min。

文氏管吸收器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備小、占空間少、氣速高、處理量大、氣液接觸好、傳質(zhì)較容易，特別適用于捕集氣流中的微小顆粒物。

但因氣液并流，氣液接觸時間短，不適合難溶或反應速度慢的氣液吸收，而且壓力損失大（800～9000h），能耗高。1

吸收設(shè)計吸收塔(absorption tower）用以進行吸收操作的塔器。

利用氣體混合物在液體吸收劑中溶解度的不同，使易溶的組分溶于吸收劑中，并與其他組分分離的過程稱為吸收。

操作時，從塔頂噴淋的液體吸收劑與由塔底上升的氣體混合物在塔中各層填料或塔盤上密切接觸，以便進行吸收。

伴有化學反應的吸收叫化學吸收。按吸收時氣液作用方式吸收塔可分為表面式、膜式、噴淋式和鼓泡式等。2

設(shè)計步驟（1）根據(jù)設(shè)計任務和工藝要求，確定設(shè)計方案；

（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；

（3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；

（4）計算塔高、及填料層的壓降；2

硫化氫吸收塔的疲勞失效分析失效模式的判別壓力容器失效過程信息是指由內(nèi)部誘發(fā)因素推斷的物理、化學過程信息，具體包含各類規(guī)則、機制、模型等，它通過樹結(jié)構(gòu)方式，利用科學的搜索對策，采取一定的解釋程序進一步推理失效過程。3

壓力容器失效機理分析1）韌性斷裂失效機理

構(gòu)件斷裂之前出現(xiàn)的顯著宏觀塑性變形稱為韌性斷裂，它是金屬材料失效破壞的方式之一。對于韌性良好的材料而言。當材料所承受的壓力載荷大于材料自身的強度極限時，容易造成韌性斷裂。韌性斷裂的失效特點為：材料的斷口周圍出現(xiàn)了明顯的宏觀塑性變形；且拉伸斷口呈現(xiàn)杯錐狀，斷口方向與主應力垂直，錐面方向和最大切應力平行，但有時整個宏觀斷口方向和最大切應力平行，且會產(chǎn)生 45°的剪切斷口；斷口的顏色為灰暗色，表面呈纖維狀。

2）脆性斷裂失效機理

脆性斷裂失效是指構(gòu)件的裂紋在穩(wěn)定的擴展過程中，并未出現(xiàn)明顯的塑性變形而造成的斷裂失效模式。實際工程結(jié)構(gòu)中，脆性斷裂是十分危險的一種失效模式。脆性斷裂的失效特點為：在斷裂之前沒發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，但實際分析案例中發(fā)現(xiàn)，通常其斷口垂直于正應力，且斷口表面齊平；但往往其邊緣會缺少剪切唇口，或者斷口的剪切唇口較小。構(gòu)件脆性斷裂的斷口顏色呈現(xiàn)光亮或偏暗的情況。有時脆性斷裂的光亮斷口宏觀浮雕在迅速擴展裂紋過程中，產(chǎn)生了發(fā)射性的線條，當脆性斷口發(fā)生轉(zhuǎn)動時，通常會出現(xiàn)反光的小平面；而對于脆性偏暗的斷口；其宏觀狀態(tài)則形成粗糙且未定型的表面，偶爾其斷口的外形也會出現(xiàn)晶粒。

3）疲勞斷裂失效機理

在交變載荷與應變長時間作用下的金屬材料或者零件，其損傷因不斷積累而造成的斷裂形成疲勞斷裂失效。疲勞裂紋的具體過程是疲勞裂縫發(fā)生、損傷擴展為疲勞裂縫亞臨界狀態(tài)、最后擴展為疲勞裂縫失穩(wěn)。其失效特點為：在交變載荷作用下，經(jīng)過一定量的周次循環(huán)而產(chǎn)生的斷裂問題；疲勞斷裂的過程中會出現(xiàn)低應力脆斷突發(fā)特點；疲勞斷裂失效過程體現(xiàn)為局部區(qū)域性；在交變載荷作用下，金屬構(gòu)件的失效斷口周圍沒有出現(xiàn)宏觀的塑性變形特點，斷口呈現(xiàn)出明顯的貝殼紋花樣。

4）蠕變斷裂失效機理

恒溫恒應力長期作用于金屬材料而形成緩慢塑性變形即為金屬蠕變。其失效特點為：工作條件為恒溫、恒力與長期作用，緩慢的永久變形速度；宏觀斷口存在顯著的氧化色或者黑色；微觀斷口一般是沿晶斷裂，不會產(chǎn)生疲勞條痕特點。

5）均勻腐蝕失效機理

金屬整個表面均勻地出現(xiàn)腐蝕作用，其失效特點為：受腐蝕的金屬構(gòu)件化學成分均勻的以及顯微組織的表面平均，均勻地腐蝕環(huán)境不受限制的覆蓋于金屬表面；均勻腐蝕可以理解為在金屬表面出現(xiàn)的局部電解腐蝕；均勻腐蝕下的金屬有色澤偏暗且光滑的表面形貌，或因大片金屬遭遇腐蝕而使表面較為粗糙。

6）點腐蝕失效機理

點腐蝕失效指游離物質(zhì)在金屬材料和環(huán)境中發(fā)生化學作用造成的失效。其失效特點為：構(gòu)件局部區(qū)域出現(xiàn)腐蝕，有明顯的尖銳小孔，小孔進一步擴展為深孔甚至發(fā)生穿透；在潮濕的環(huán)境或者大氣中水膜凝聚于金屬表面，使得金屬表面時常發(fā)生點腐蝕；點蝕坑經(jīng)直觀放大發(fā)現(xiàn)其邊沿平滑，且由于孔底被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，坑底為深灰色；蝕坑經(jīng)過磨片垂直觀察，發(fā)現(xiàn)蝕坑大部分體現(xiàn)為圓形或者多邊形。

7）應力腐蝕失效機理

在靜載拉力和腐蝕環(huán)境共同作用下，金屬材料形成的局部腐蝕破裂稱為應力腐蝕失效。其失效特點為：敏感的腐蝕介質(zhì)和應力作用的工作環(huán)境中；腐蝕斷裂區(qū)和瞬斷區(qū)兩區(qū)域出現(xiàn)宏觀斷口。應力腐蝕斷裂區(qū)表現(xiàn)為暗灰色，斷口組織較為粗糙，同時被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋；瞬斷區(qū)出現(xiàn)的新鮮斷口大多呈現(xiàn)纖維狀且伴隨著輻射棱線；應力腐蝕裂紋呈現(xiàn)樹枝狀形貌，分叉裂紋也是腐蝕產(chǎn)物累積效應形成的結(jié)果。3

失效原因的判斷及預防措施1、失效原因判斷

失效原因的判斷應分別從是選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境、運行操作等方面實施分析。

（1）選材：材料的選擇是否合理，材料的化學成分、冶金過程質(zhì)量、表面狀態(tài)是否正常，尤其需要了解材料強度、剛度、韌性等各類因素。若無法正確選材，應用溫度明顯比材料蠕變溫度高；或材質(zhì)劣化，長期在高溫環(huán)境中應用時易造成材質(zhì)滲碳。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：構(gòu)件的幾何形狀、截面大小、圓角半徑大小、表面光潔程度等是否科學；結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的缺陷，形成了較大的殘余應力等。

（3）環(huán)境因素：金屬所處環(huán)境中擁有較高或者較低濃度的腐蝕劑；溫度的提高也會增加金屬的腐蝕速率；金屬材料和環(huán)境介質(zhì)的相容性較差，且因濕度不適應而直接破壞了材料表面的氧化膜；材料表面呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。

（4）運行操作因素：違規(guī)進行操作或安全附件失靈導致出現(xiàn)溫度突變或操作溫度比材料韌性轉(zhuǎn)變溫度低；使壓力容器內(nèi)部發(fā)生了化學異常反應；下或者交變載荷作用下，使得應力集中區(qū)域疲勞裂紋逐漸向失穩(wěn)斷裂擴展；在交變載荷與腐蝕介質(zhì)的共同作用下，最后產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂。

2、 失效預防措施

（1）科學選材，在低溫下嚴格禁止采用非低溫用鋼，選擇高抗蝕的材料。

（2）改良結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，盡量采用圓滑過度以減少構(gòu)件的應力集中；設(shè)備運行過程中，應盡可能地避免頻繁的交變載荷，避免超溫運作及局部過熱，防止出現(xiàn)水停滯，通過熱處理對殘余應力有效消除。

（3）強化材質(zhì)性能的定期檢驗，對金屬構(gòu)件或設(shè)備所處的環(huán)境的腐蝕劑濃度實行嚴格檢測，并降低環(huán)境介質(zhì)的有效溫度等。

（4）改善介質(zhì)環(huán)境，減少氧化陽離子，將適當元素添加至材料中，提升材料的抗蝕能力，采用表面防護方法。

通過相應的公式計算吸收塔內(nèi)壁所承受應力值，由所計算出的結(jié)果可知，吸收塔的周向應力值最大。但由于焊縫與噴嘴附近的應力過于集中，以及焊縫在焊接殘余應力和熱應力的共同作用下，最終使得吸收塔的內(nèi)壁形成較大的應力，這為應力腐蝕提供了十分重要的條件。通過對失效破壞的吸收塔進行深入分析發(fā)現(xiàn)，吸收塔的失效是由于集中應力與腐蝕敏感介質(zhì)的共同作用，從而產(chǎn)生了樹枝狀形貌的裂紋，在微觀斷口出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，在晶界面上有腐蝕凹坑。因此可判斷，吸收塔屬于應力腐蝕失效。吸收塔的局部區(qū)域應力集中較高，如殘余應力和熱應力，以及因 KOH 引起材料的堿脆，這些因素加劇了吸收塔的應力腐蝕失效?？茖W選材，改良條件，盡可能避免腐蝕環(huán)境；結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為避免應力過于集中，在吸收塔應力集中區(qū)域安裝環(huán)形角鋼支撐架，從而降低殘余應力。壓力容器損壞事故中由于逐漸擴展的疲勞裂紋問題大概占 40%，因此，對疲勞失效特點、原因和措施進行系統(tǒng)研究具有重要意義。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學