氨吹脱塔单元设计示例.docx

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氨吹脱塔单元设计示例

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。

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=2952.54

理论板数确定

吸收因子A=L/mG=0.617，即脱吸因子S=A-1=1.62

N理论：

X1-X2/X1-0=SN+1-S/SN+1-1

0.0026×90%/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；

塔的有效高度Z

根据Drickanmer-Bradfood法：

ET=0.17-0.616lgμ

30℃，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=7.65m

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。

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%

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=0.521

r=（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。

塔压降

a干板压降Hd

Hd=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。

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）。

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DN500

B、液相进料管取流速为1m/s

则D3=（5.6/3600/0.785/1）0.5=0.046取DN50

C、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

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。

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

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）-2

C----关联系数取5.23；

Wg----气体质量流速；kg/m2s

a----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/s

adp----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·s

WL=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/m3

Ky×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（ScG）0.5

直径25mm的鲍尔环的αβγ系数近似以拉西环来计算，分别为0.557、0.32、-0、51，如下表

G=664.22×29/（0.785×1.62×3600）=2.663kg/m2·s

W=14.56×1000/（0.785×1.62×3600）=2.01kg/m2·s。

ScG=μ/ρd=1.86×10-5/（1.165×2.8×10-5）=0.57

所以HG=0.557×2.6630.32×2.01-0.51×0.570.5=0.4027m

因此Z=HOG×NOG=0.4027×4.61=1.86m

考虑到工程应用的要求，设计取填料层高度为3m；

则填料压降为3×100=300mm水柱，即为2.92kPa。

塔体附件选取

A液体分布器选取槽式分布器（由于塔径1.6m）；

分布点密度计算

按Eckert建议值，D≥1400时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为1.6m时，

布液点数为：

n=0.785×1.42×60=92.316≈121点

B填料支承装置

用竖扁钢做成的栅板作为支承板，分三块，栅板条之间的距离为10mm。

C填料压紧装置采用床层限定板

D采用丝网除沫器，150mm厚。