氨吹脱塔单元设计示例

4.4.1氨吹脱塔单元4.4.1.1设计说明设计采用循环空气吹脱，气液比可取1500-3000，取3000。4.4.1.2设计尺寸（1）吹脱塔的计算已知沼液中NH3-N约为2.5g/kg（2.5g/L），即摩尔分率为0.0026。入吹脱塔的沼液流量为5.6m3，即为311.11kmol/h，设定回收率为90%。同时在101.3kPa和30℃时，该氨水稀溶液的氨分压为0.2kPa，故亨利系数E为76.923kPa，m=(0.2/101.3)/0.0026=0.7592。30℃空气的分子量为29，密度1.165kg/m3。①实际气液比（G/L）min=(X1-X2)/(Y2e-Y1)=(0.0026×90%)/(0.0026×0.7592)=1.186（G/L）=(1.1-2)×（G/L）min=1.8×1.186=2.135(取系数为2)所以G=2.135×311.11×29/1.165=16534.23m3，即为664.22kmol/h。故实际气液比（体积比）为：（G/L）v=16534.23/5.6=2952.54②理论板数确定吸收因子A=L/mG=0.617，即脱吸因子S=A-1=1.62N理论：X1-X2/X1-0=SN+1-S/SN+1-10.0026×90%/0.0026=(1.62N+1-1.62)/(1.62N+1-1)所以N=3.09，取N=4气相中氨的摩尔分率Y2=(X1-X2)/(G/L)=1.096×10-3；③塔的有效高度Z根据Drickanmer-Bradfood法：ET=0.17-0.616lgμ30℃，进料液体的摩尔粘度μ为0.8007cp（设计应选取最恶劣的条件，故中温35℃发酵，考虑到冬季热损失，选用20℃的进料，此时进料液体的摩尔粘度为1.005cp）故ET=0.17-0.616lgμ=0.169实际板数N=NT/ET=23.66取24同时取板间距为450mm故Z=(18-1)×0.45=7.65m④塔高的确定塔顶高1m，设置进料口（40mm），人孔（500mm）；塔底高2m，（按照可以储存10min的容量测算），进气管内径40mm。⑤塔径的确定FLV=L/V×(ρL/ρv)0.5=1/2952.54(1000/1.165)0.5=9.923×10-3；取板间距HT=0.45m；图筛板塔的泛点关联图查图得C20=0.08,对数值进行修正C=C20(σ/20)0.2=0.08(71.2/20)0.2=0.103；最大空速的确定：Umax=C(ρL-ρv/ρv)0.5；=0.103{（1000-1.165）/1.165}0.5=3.016m/s;实际流速确定=Umax×0.8=2.41m/s；所以D={(4×16534.23/3600)/(3.14×2.41)}0.5=1.56m，圆整后取1.6m。实际取堰长Lw为0.7×1.6=1.12m；则下液管宽度wd=0.143D，Af/AT=0.0878。（参见化学工艺设计手册153页弓形宽度和面积）根据塔径可以算出：AT=3.14×1.62/4=2.01m2；Af=0.0878×AT=0.176m2；An=AT-Af=1.834m2；un=V/An=16534.23/3600/1.834=2.504m/s实际泛点百分率为：un/Umax=2.504/3.016=83%⑥塔板详细设计采用平顶溢流堰、单溢流管溢流，筛板结构。取堰高hw=0.05m。采用垂直弓形降液管和普通平底受液盘，堰上液上高度how=2.84/1000×E×(Lh/Lw)2/3=2.84/1000×(5.6/1.12)2/3=0.0083m取0.009m。(一般情况下，液流收缩系数取1)板式清液层高度hL=0.05+0.009=0.059m。降液管底隙高度：小塔径降液管底隙高度取25mm取筛板孔径do为6mm,孔间距t=2.5do=15mm，筛板取不锈钢塔板,厚度为3mm。下液管宽度wd=0.143D=0.229m。安全区ws=0.07m，无效区wc=0.05m。开孔区面积Ak=2[x(r2-x2)0.5+r2arcsin(x/r)]=1.426m2其中x=（D/2）－（wd+ws）=0.8-0.279=0.521r=（D/2）－wc=0.8-0.05=0.75由于考虑到塔板增设安装手柄，占据部分开孔区面积，实际取80%Ak=1.14则筛板开孔数为n=n1×Ak=(1158000/t2)Ak=5867.2，取开孔数5868个。⑦塔压降a干板压降HdHd=0.051×(u0/C0)2×(rg/rL)×[1-(A0/Ak)2]u0---筛孔气速，m/s；C0---筛孔的气体流量系数；rg、rL---气相、液相密度；A0、Ak---筛孔面积、开孔区面积。由于一般(A0/Ak)2项很小，可简化计算Hd=0.051×(u0/C0)2×(rg/rL)孔速u0=V/Aa=16534.23/3600/(1.14×0.145)=27.785m/s。由有效区的开孔率=0.9069（do/t）2=0.145和δ/d=3/6=0.5塔板的开孔率φ=开孔截面积/（塔截面积-降液区面积）=1.14×0.145/(2.01-2×0.176)=0.0997查图得出C0=0.73图干板孔流系数故Hd=0.051×(u0/C0)2×(rg/rL)=0.051×（27.785/0.73）2×(1.165/1000)=0.086m液柱b有效液层阻力hb堰上液上高度how取0.009m；按面积（AT-2Af）计算气体速度：u=V/(AT-2Af)=16534.23/3600/(2.01-2×0.176)=2.77m/s；相应的气体动能因子F=U（ρv）0.5=2.77×(1.165)0.5=2.99查图，可得液层充气系数β=0.57。图充气系数和动能因子Fa间的关系所以液层阻力hL=β(hw+how)=0.57×(0.05+0.009)=0.0336m液柱c总压降H总=（0.086+0.0336）×24=2.87m水柱，即为28.15kPa。本设计为常压操作，对板压降本身无特殊要求。⑧液沫夹带量的校核按照FLV=9.923×10-3和泛点百分率为0.83，由图可以查的ψ=0.35图液沫夹带关联线故ev=(ψ/1-ψ)×[L/V×(ρL/ρv)0.5]=0.053＜0.1(公斤液体/公斤干气体)。⑨吹脱塔进出口管径选取A、气相进出口管，取空气流速为25m/s，则D2=[（16534.23/3600）/（0.785×20）]0.5=0.484m。取DN500B、液相进料管取流速为1m/s则D3=(5.6/3600/0.785/1)0.5=0.046取DN50C、液相出料管取流速0.5m/s则D4=0.063，取DN65。4.4.1.4工艺简图4.4.2酸洗塔单元4.4.2.1设计说明已知进塔气体（含有氨，其余为空气）流量16534.23m3，即为664.22kmol/h。气体中氨的摩尔分数为1.096×10-3，要求回收率99%。吸收液采用稀硫酸溶液，控制PH值为1，即硫酸的摩尔浓度为10-1mol/L。选用不锈钢鲍尔环4.4.2.2设计尺寸①塔内吸收剂用量：填料塔回收的氨量：664.22×1.096×10-3=0.728kmol/h；有化学反应可知：2NH3+H2SO4(NH4)2SO4所以回收全部氨消耗的硫酸量为0.364kmol/h；将pH控制在1，即氢离子的浓度为10-1mol/L，即硫酸的浓度为0.5×10-2mol/L，所用最小液体量为：Lmin=0.364/0.5×10-1=7.28m3/h所以（L/V）min=（7.28×1000/18）/664.22=0.609（L/V）=2（L/V）min=1.218，即809.02kmol吸收剂用量为7.28×2=14.56m3/h。②塔径计算（L/V）(ρv/ρL)0.5=1.218×18×(1.165/1000)0.5/29=0.026。查填料的泛点压降图如下：图填料泛点及压降图可以知道纵坐标为0.21，即U2ΦΨ/g×(ρv/ρL)μl0.2=0.21已知，常温下水的粘度μl=1cP，对于水Ψ=1；填料选用不锈钢鲍尔环乱堆，尺寸25×25×0.6，比表面积a=219m2/m3，空隙率0.95m3/m3，填料因子Φ=160m-1，堆积密度393kg/m3。所以泛点气速U=2.91m/s故，实际气速取泛点气速的80%，即U1=80%×2.91=2.33m/s；因此填料塔塔径D=(V/0.785U1)0.5=(16534.23/3600/0.785U1)=1.58m，圆整取1.6m，则U1=2.286m/s；在设计的实际气速下，U2ΦΨ/g×(ρv/ρL)μl0.2=0.13。由横坐标0.026和纵坐标0.13查图得到填料层压降为100mm水柱/m填料③传质单元高度和传质单元数的确定采用恩田（Onda）等人提出的填料表面上气液相界面两侧传质膜系数的计算方法，进行计算：（可参考常用化工单元设备的设计79页进行计算，陈英男刘玉兰主编，华东理工大学出版社出版）气相传质系数：Kg=C(Wg/aμg)0.7(μg/ρgDg)1/3(aDg/RT)(adp)-2C----关联系数取5.23；Wg----气体质量流速；kg/m2sa----填料比表面。219m2；μg-----度气体粘度，Pa.s，取18.6×10-6；Dg----溶质在气相中的扩散系数。28×10-6m2/sadp----填料结构特性的形状系数，本文取219×0.025=5.225从传单单元高度关联式，输入相关的系数可以求出气相传质系数：Kg=5.23×[664.22×29/(0.785×1.62×3600)/（219×1.86×10-5）]0.7[1.86×10-5/(1.165×2.8×10-5)]1/3[219×2.8×10-5/(8.314×303)]×(219×0.025)-2=5.23×93.484×0.829×2.434×10-6×0.0334=3.295×10-5填料润湿表面积：aw=a×{1-exp[-1.45(σ1/σ)0.75(WL/aμL)0.1(WL2a/ρL2g)-0.05（WL2/ρLa）0.2]}σ1-----填料介质表面张力N/m，75dyn/cm=0.075N/m；σ----液体表面张力N/m，71.2mN/m；μL--------液体粘度，取0.801cP；表不同填料介质的表面张力计算如下：Wg=664.22×29/(0.785×1.62×3600)=2.663kg/m2·sWL=14.56×1000/(0.785×1.62×3600)=2.01kg/m2·s。aw=a×{1-exp[-1.45(σ1/σ)0.75(WL/aμL)0.1(WL2a/ρL2g)-0.05（WL2/ρLa）0.2]}=219×{1-exp[-1.45×(75/71.2)0.75×[2.01/(219×0.801×10-3)]0.1×[219×(2.01)2/10002×9.81]-0.05×[(2.01)2/(1000×219]0.2=219×{1-exp[-1.45×1.04×1.276×1.593×0.113]=219×0.293=64.113所以aw=64.113m2/m3Ky×a=PKg×aw=101.325×3.295×10-5×64.113=0.214kmol/m3s·kpa由于本反应为硫酸吸收氨的反应，化学反应。所以本吸收反应为气膜控制。K总=Ky传质单元高度HOG=G/Kya=664.22/[(0.785×1.62)×3600×0.214]=0.429化学吸收，所以m=0传质单元数NOG=ln[(1-mG/L)(Y1-mX1)/(Y2-mX1)+mG/L]/(1-mG/L)=4.61填料层高度Z=HOG×NOG=0.429×4.61=1.97m采用舍伍德系数等几个特征数对吸收关联进行计算（参见化工原理下册，天津大学出版社，第130-136页）传质单元高度HG=αGβWγ(