设计示例：优化聚丙烯鲍尔环尺寸性能及液体分布器设备设计

设计一座填料吸收塔,用于脱除空气中的氨气。空气处理量为4 000 m3/h,其中含氨为4%(体积分数),要求塔顶排出的空气中含氨低于0.02%(体积分数)。采用常压20℃清水逆流吸收,吸收剂用量为最小用量的2倍。

解:1.塔设计的主要依据和条件

(1)气相物性数据

查得空气和氨气的物性数据,如表3-10所示。

表3-10　常压下20℃时空气和氨气的物性数据

混合气体的平均摩尔质量为:

MG=∑yiMi=0.04×17+0.96×29=28.52(g/mol)

混合气体的平均密度为:

ρG=∑yiρi=0.04×0.708+0.96×1.2=1.18(kg/m3)

混合气体的平均黏度为:

查得氨在空气中的扩散系数为:DG=0.198 cm2/s=0.071 3 m2/h

(2)液相物性数据

对于低浓度吸收过程,溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。查得20℃时水的物性数据如下:

密度ρL=998.2 kg/m3

黏度μL=1 mPa·s=3.6 kg/(m·h)

表面张力σL=72.6 dyn/cm=940 896 kg/h2

氨在水中的扩散系数DL=2.04×10-5 cm2/s=7.34×10-6 m2/h

(3)气-液平衡数据

查得常压下20℃时,氨在水中的亨利系数为H-1=0.725 kmol/(m3·kPa)

2.物料衡算

该过程为低浓度气体吸收,平衡关系为直线,y=0.754x,y进≈0.04,y出≈0.000 2,

进塔气体流量为:

对于纯溶剂吸收,x进=0,最小液气比为:

L=1.5×166.4=249.6 kmol/h

3.填料塔的工艺尺寸计算

(1)塔径计算

对于水吸收氨的过程,操作温度及操作压力较低,可选塑料散装填料。由于鲍尔环大大提高了表面利用率,气流阻力小,液体分布均匀,通量大,传质效率高,目前工业上应用广泛。故选用DN50鲍尔环为塔填料,其尺寸性能见表3-11。

表3-11　聚丙烯DN50鲍尔环尺寸性能表

气体质量流量为GV=1.18×4 000=4 720(kg/h)

液体质量流量近似按纯水计算　GL=249.6×18.02=4 497.8(kg/h)

埃克特关联图的横坐标为

查图3-8得纵坐标

查表3-2得DN50鲍尔环的泛点填料因子φ=140。ψ==1。

取u=0.7uf=0.7×3.53=2.47(m/s)

由D==0.76(m)

圆整塔径,取D=0.8 m

填料规格校核

D/d=800/50=16＞10～15

泛点率校核

在允许范围50%～85%内。

液体喷淋密度校核:

取最小润湿率Lwmin=0.08 m3/(m·h)

查表3-11得　at=102

最小液体喷淋密度　Wmin=Lwminat=0.08×102=8.16[m3/(m2·h)]

实际喷淋密度为

(www.xing528.com)

大于最小喷淋密度,塔径选800 mm合理。

(2)填料层高度计算

气相传质单元高度采用修正的恩田关联式计算。

查表3-4得σc=54 dyn/cm=699 840 kg/h2

查表3-11得　a=102

液体质量流速

由aw=a

得

aw=0.466×102=47.5

气体质量流速

气相传质系数

液相传质系数

查表3-5得,ψ=1.45

则kGa=kGawψ1.1=0.104 7×47.5×1.451.1=7.49[kmol/(m3·h·kPa)]

kLa=kLawψ0.4=0.462×47.5×1.450.4=25.48(L/h)

又u/uf=62.6%＞50%

实际填料层高度为:4.23×1.2=5.08(m),取5.2 m。

(3)填料层压降计算

埃克特关联图的横坐标为:

查表3-3得DN50鲍尔环的压降填料因子φ=125。

查图3-8得　Δp/z=18 mm H2O/m=176.6 Pa/m

填料层压降　Δp=176.6×5.2=918 Pa

4.附属设备简要设计

(1)液体分布器

该塔塔径800 mm,故选用盘式分布器。分布盘直径一般为塔径的0.6～0.8,这里取0.6 m,盘上液体高度一般为塔径的1/6～1/7,取120 mm,盘上开φ5 mm的筛孔,开孔数为:

所以开42个孔。

(2)液体再分布器

填料层高度为5.2 m,已大于塔径5倍(5×0.8=4 m),为避免气液接触有效面积减少,可考虑设置再分布器。这里可在填料层中段设置再分布器,即2.6 m填料为一段,选图3-14(c)的液体再分布器。

(3)除沫器

除沫器用于分离塔顶出口气体中所夹带的液滴,以降低吸收剂损失,避免管道堵塞。这里选用应用广泛的丝网除沫器,高度150 mm。

(4)填料支撑装置的选择

本次设计选用分块式栅板作为填料支持板,整个支持板分成2块,每块宽度不超过400 mm,以便拆装。栅板条之间距离约为填料环外径的0.6～0.7,取30 mm。

5.塔体总高和接管尺寸

(1)填料塔高度计算

塔底设计,液体停留时间取6 min,装料系数取0.5。

塔底液体量　VW=6×4 497.8/60/998.2=0.45(m3)

塔底体积　V=2VW=2×0.45=0.9(m3)

塔底高度　HB=V/(0.785×D2)=0.9/(0.785×0.82)=1.8(m)

塔顶部空间:为了减少塔顶出口气体中夹带液体的量,顶部空间一般取1.2～1.5 m,本设计取1.5 m(包括丝网除沫器、塔顶接管及液体分布器)。

再分布器高度取500 mm,填料层高度为5.2 m。

塔体总高度为1.8+5.2+0.5+1.5=9(m)

(2)接管尺寸

求液体接管dL,取液体流速uL=1.0 m/s,

故选无缝钢管φ51×4。

求气体接管dG,取气体流速uG=15m/s,

故选无缝钢管φ325×8。