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=2952.54
②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=S N+1-S/S N+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；
③塔的有效高度Z
根据Drickanmer-Bradfood法：E T =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E T=0.17-0.616lgμ=0.169
实际板数N=N T/E T=23.66 取24
同时取板间距为450mm
故Z=(18-1)×0.45=7.65m
④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
F LV=L/V×(ρL/ ρv)0.5=1/2952.54 (1000/1.165)0.5=9.923×10-3；
取板间距H T=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，
A f/A T=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：
A T=3.14×1.62/4=2.01m2；
A f=0.0878×A T=0.176 m2；
A n= A T- A f =1.834 m2；
u n=V/A n=16534.23/3600/1.834=2.504m/s
实际泛点百分率为：u n/ U max=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h ow=2.84/1000×E×(L h/L w)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h L=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A k =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%A k=1.14 则筛板开孔数为n=n1×A k=(1158000/t2) A k=5867.2，取开孔数5868个。
⑦塔压降
a干板压降Hd
Hd=0.051×(u0/C0)2×(r g/r L) ×[1-(A0/A k)2]
u0---筛孔气速，m/s；
C0---筛孔的气体流量系数；
r g、r L---气相、液相密度；
A0、A k---筛孔面积、开孔区面积。
由于一般(A0/A k)2项很小，可简化计算
Hd=0.051×(u0/C0)2×(r g/r L)
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×(r g/r L) =0.051×（27.785/0.73）2×
(1.165/1000)=0.086m液柱
b有效液层阻力h b
堰上液上高度h ow取0.009m；
按面积（A T-2A f）计算气体速度：u=V/( A T-2A f)= 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F a间的关系
所以液层阻力h L=β(h w+h ow)=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F LV=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e v=(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
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) μl 0.2=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) μl 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
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(W g/aμg)0.7(μg/ρg D g)1/3(aD g/RT)(ad p)-2
C----关联系数取5.23；
W g----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；
D g----溶质在气相中的扩散系数。28×10-6m2/s
ad p----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：
a w=a×{1-exp[-1.45(σ1/σ)0.75(W L/ aμL) 0.1(W L2a/ρL2g)-0.05（W L2/ρL a）
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：
W g=664.22×29/(0.785×1.62×3600)=2.663kg/m2·s
W L=14.56×1000/(0.785×1.62×3600)=2.01 kg/m2·s。
a w=a×{1-exp[-1.45(σ1/σ)0.75(W L/ aμL) 0.1(W L2a/ρL2g)-0.05（W L2/ρL a）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a w =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H OG=G/Ky a=664.22/[(0.785×1.62) ×3600×
0.214]=0.429
化学吸收，所以m=0
传质单元数
N OG=ln[(1-mG/L)(Y1-mX1)/(Y2-mX1)+mG/L]/(1-mG/L)=4.61 填料层高度Z=H OG×N OG=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H G=αGβWγ(Sc G)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)=2.01 kg/m2·s。
Sc G=μ/ρd=1.86×10-5/(1.165×2.8×10-5)=0.57
所以H G=0.557×2.6630.32×2.01-0.51×0.570.5=0.4027m
因此Z= H OG×N OG=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。
④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。