氨吹脱塔单元设计示例.doc

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)=(0.002690%)/(0.00260.7592)=1.186 （G/L）=(1.1-2)（G/L）min=1.81.186=2.135 (取系数为2)所以G=2.135311.1129/1.165=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=1.62N理论：X1-X2/X1-0=SN+1-S/SN+1-10.002690%/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)=1.09610-3；塔的有效高度Z根据Drickanmer-Bradfood法：ET =0.17-0.616lg30，进料液体的摩尔粘度为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=0.17-0.616lg=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(L/ v)0.5=1/2952.54 (1000/1.165)0.5=9.92310-3；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(/20)0.2=0.08(71.2/20)0.2=0.103；最大空速的确定：Umax=C(L-v / v)0.5； =0.103（1000-1.165）/1.1650.5=3.016m/s;实际流速确定= Umax0.8=2.41m/s；所以D=(416534.23/3600)/(3.142.41)0.5=1.56m，圆整后取1.6m。实际取堰长Lw为0.71.6=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=3.141.62/4=2.01m2；Af=0.0878AT=0.176 m2；An= AT- Af =1.834 m2；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=2.84/1000E(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 =2x(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=n1Ak=(1158000/t2) Ak=5867.2，取开孔数5868个。塔压降a干板压降HdHd=0.051(u0/C0)2(rg/rL) 1-(A0/Ak)2u0-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/(1.140.145)=27.785m/s。由有效区的开孔率=0.9069（do/t）2=0.145和/d=3/6=0.5塔板的开孔率=开孔截面积/（塔截面积-降液区面积）=1.140.145/(2.01-20.176)=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/(2.01-20.176)=2.77m/s；相应的气体动能因子F=U（v）0.5=2.77(1.165)0.5=2.99查图，可得液层充气系数=0.57。图充气系数和动能因子Fa间的关系所以液层阻力hL=(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=9.92310-3和泛点百分率为0.83，由图可以查的=0.35图液沫夹带关联线故ev=(/1-) L/V(L/ v)0.5=0.0530.1(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）/（0.78520）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1.09610-3，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：664.221.09610-3=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0.510-2mol/L，所用最小液体量为：Lmin=0.364/0.510-1=7.28m3/h所以（L/V）min=（7.281000/18）/664.22=0.609（L/V）=2（L/V）min =1.218，即809.02kmol吸收剂用量为7.282=14.56m3/h。塔径计算（L/V）(v/L)0.5=1.21818(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U2/g(v/L) l 0.2=0.21已知，常温下水的粘度l=1cP，对于水=1；填料选用不锈钢鲍尔环乱堆，尺寸25250.6，比表面积a=219m2/m3，空隙率0.95m3/m3，填料因子=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，U2/g(v/L) l 0.2=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/ag)0.7(g/gDg)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；g-度气体粘度，Pa.s，取18.610-6；Dg-溶质在气相中的扩散系数。2810-6m2/sadp-填料结构特性的形状系数，本文取2190.025=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=5.23 664.2229/(0.7851.623600)/（2191.8610-5）0.71.8610-5/(1.1652.810-5)1/32192.810-5/(8.314303) (2190.025)-2=5.2393.4840.8292.43410-60.0334=3.29510-5填料润湿表面积：aw=a1-exp-1.45(1/)0.75(WL/ aL) 0.1(WL2a/L2g)-0.05（WL2/La）0.21-填料介质表面张力 N/m，75dyn/cm=0.075N/m；-液体表面张力N/m，71.2mN/m；L-液体粘度，取0.801cP；表不同填料介质的表面张力计算如下：Wg=664.2229/(0.7851.623600)=2.663kg/m2sWL=14.561000/(0.7851.623600)=2.01 kg/m2s。aw=a1-exp-1.45(1/)0.75(WL/ aL) 0.1(WL2a/L2g)-0.05（WL2/La）0.2 =2191-exp-1.45(75/71.2)0.75 2.01/(2190.80110-3) 0.1219(2.01)2/100029.81-0.05(2.01)2/(10002190.2=2191-exp-1.451.041.2761.5930.113=2190.293=64.113所以aw =64.113m2/m3Kya=PKgaw=101.3253.29510-564.113=0.214kmol/m3skpa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/Ky a=664.22/(0.7851.62) 36000.214=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=HOGNOG=0.4294.61=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=G W(ScG)0.5直径25mm的鲍尔环的系数近似以拉西环来计算，分别为0.557、0.32、-0、51，如下表G=664.2229/(0.7851.623600)=2.663kg/m2sW=14.561000/(0.7851.623600)=2.01 kg/m2s。ScG=/d=1.8610-5/(1.1652.810-5)=0.57所以HG=0.5572.6630.322.01-0.510.570.5=0.4027