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    湍球塔吸收低浓度尾气N H3的传质系数研究.pdf

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    湍球塔吸收低浓度尾气N H3的传质系数研究.pdf

    王文辉等湍球塔吸收低浓度尾气NH,的传质系数研究 43 湍球塔吸收低浓度尾气NH3的 传质系数研究 王文辉 豆瑞刚 夏素兰 张趁华程远贵 四川大学化学工程学院成都610065 摘要 脱除尾气低浓度氨是氨法烟气碳减排不可缺少的环节。采用湍球塔TCA进行实验研究,测定总 体积传质系数K a,考查化学吸收和流化数等因素的影响。结果表明化学吸收比物理吸收K a增大63%。 随流化数增大成比例增大,但流化数不能过大,否则会因气体在塔内停留时间太短而降低脱除效率。 关键词 传质系数湍球塔低浓度NH, 尾气化学吸收 燃烧化石能源导致大气层中CO含量急剧增 加,工业烟气碳减排任务越来越急迫。目前氨法 脱碳被认为是一种捕集CO的经济可行办法 ,但 控制尾气氨含量的技术措施例如冷冻氨法等尚在 研发之中口】,此外捕集封存cO 的CCS碳减排路 线尚有争议 J。本学院提出了“低浓度烟气CO 直接矿化磷石膏联产硫基复肥”的循环利用路 线 】,该工艺以NH 为辅助原料促使磷石膏溶解, 钙离子与CO矿化生成碳酸钙的同时硫酸根与氨结 合生成硫酸铵,尾气不可避免也含微量氨2000 5000 ppm。我国现行环保标准 控制工业尾气 排放氨含量小于20mg,/m ,欧美标准 则更严格, 要求小于10ppm。而烟气碳减排的工艺特点之一是 气体流量大、余压低,因此脱除烟气碳减排尾气 微量氨的技术不仅要高效而且要低阻。根据气液 吸收的双膜理论,在吸收液氨浓度很低或溶液中 有强酸性离子的条件下,气相微量氨的吸收应是 气膜控制过程。通过提高液体比表面积和气液界 面湍动的途径可以有效强化过程同时避免增加气 体流动阻力,为此本文利用湍球塔具有这两方面 性质的优势,设计了易于操作的湍球塔脱除尾气 微量氨的实验装置,验证湍球塔的脱氨效果,获 得了总体积传质系数随操作参数的变化规律,可 供工业过程设计参考。 1总体积传质系数计算 根据双膜理论,在气液接触的拟稳态过程中, 水溶液吸收NH,的传质速率N 可以表示为传质系 数Ks和气相平均推动力的乘积 I9 P --Pl‘ PYY‘ 1 设湍球塔的单元静止床层高度为dZ,dz微元 段内传质速率为N ,填料提供的传质面积dF aldZ,则通过传质面积dF的溶质A的传质量与在 dZ段内溶质A由气相转入液相的量Vdy相等 ⅣaOdZVdy 2 将式1带人式2得 aPYY’』 Vdy 3 对上式在湍球塔静止床层高度方向上积分得 z南 ㈩ 则 。 ln 5 K 二__ J Y‘mat 6 可根据下式计算相平衡常数m m ncm 7 m L 本体系中NH,的浓度很小,溶液的总浓 度C P, 可用下式计算亨利常数H n 日 唧”丁ni心 山 Ei 8 _王文辉化学工程在读硕士研究生。研究方向传质与分离。Emailwang.w 2007163.com。 夏素兰教授,硕士生导师,通讯联系人。Emailslxia8CH.edu.en。 基金项目国家科技支撑计划课题2013BAC12B01。 CI皿MICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,243 其中,Ai3.932,Bi一1879.02,Ci0, Di0,Ei一355134.1。 2实验部分 2.1实验装置及流程 实验装置流程见图1。 出口气相检测口\ 在线 兰 液体喷淋器/ \ l I/琨 \ 气 鎏.『一 . ]厂]l储液槽 高位槽 , 截 止 阀 泵 泵 主体设备为湍球塔,塔内径为100 mnl,塔高 为300mm,填料为聚丙烯塑料小球。空气由气体 鼓风机经流量计进入混合管路,NH,与CO气体均 由钢瓶经减压阀、流量计后进人混合管路,气体 经充分混合后进人塔底与吸收液逆流接触反应后 由塔顶排出,吸收液由恒流泵经流量计进入塔顶, 由塔底流出。塔体在塔顶与塔底均有气体取样口, 在取样口处连接POT一400型NH3与CO 在线分析 仪,可以实时检测塔体内进口与出口处的NH。与 CO 的浓度,在塔底设有液体取样口,检测经由逆 流洗涤后的液相中氨的含量。通过改变NH,进口浓 度、气体流量、水流量、床层高度等条件,得到 各组实验数据,利用式5计算得到不同操作条 件下的总体积传质系数K a。 2.2实验条件 实验中TCA人El气体温度为20℃,操作压力 为101.3kPa,其他条件见表l。 2.3实验误差分析 为了测定实验系统的精度每组实验通过3次重 复实验操作,测得NH,的出口浓度标准偏差为 1%,说明实验系统具有很好的重复性。在整个实验 表1 湍球塔参数及实验条件 参量 条件 塔高。ITI 塔径。ITI 填料直径,in 吸收剂 气体摩尔流量,kmol/h 液体摩尔流量,kmol/h NH3体积分数,ppm CO2体积分数,ppm 过程中,主要的测量误差来源于气体流量计、液 体流量计和POT一400型NH,在线分析仪,其中气 体与液体流量计的精度分别为2.5%与 1.5%;进、出口NH 在线分析仪的精度为3% F.S.量程分别为07000 ppm、0100ppm。 3结果与讨论 3.1混合气中有无CO时的K a比较 为考察化学吸收与物理吸收对K a的影响,保 持实验过程中操作条件为气体流量0.25kmol/h, 摩尔液气比16,NH,进口浓度3500ppm。不同液 气比时化学吸收与物理吸收的K a比较见图2。 11O 105 10O 95 生90 85 n二 80 75 2 70 毫65 6 0 50 45 40 暇气kmol/kmo1 图2化学吸收与物理吸收K a比较 在相同液气比时,化学吸收比物理吸收时的 K a增大了63%,这是由于cO 存在时有如下 反应 -13] CO22NH32NH2 COO一NH; 9 减少了液相中游离氨的浓度增大吸收氨的推 动力,加速了气相氨的吸收速率 ,化学吸收过 程主要受气膜控制。 3.2液气比与填料高度对K a影响 实验中保持气体流量为0.89kmol/h,NH 进口 一水~一一 王文辉等湍球塔吸收低浓度尾气NH3的传质系数研究 45 浓度为3500ppm不变。在液气比为16,填料高 更新,气膜阻力减小而传质性能逐渐提高,但不 度为0.04m、0.06m、0.08m、0.10m时,液气比 能过大,由于气体流速增大后气体在塔中的停留 与填料高度对K a的影响见图3。 时间减小而影响NH。的脱除效率。 115 110 05 O0 n一95 90 三85 u 80 75 70 65 i硬气Ikmol/kmo1 图3液气比与床层高度对K a影响 当液气比在2.8以下时,随着液速增加K a呈 增大趋势,这是由于随着液气比增大,气液相间 的有效接触面积a增大,单位时间内液相吸收的氨 分子增多。当液气比大于2.8时K a趋于平缓,继 续增加液气比对吸收过程几乎不再有贡献,是由 于此时吸收过程已基本为气膜控制。由此,在工 业生产中应当确定最佳液气比。 在其他条件相同时,随着床层高度的增加K a 逐渐增大,但填料高度不宜超过塔高的1/3,床层 越高塔顶部越容易发生液泛,因而在工业生产中 需选择合适的填料高度。 3.3流化数对K a影响 流化数对总传质系数的影响见图4。 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 u0/u r 图4流化数对K a影响 保持液体流量分别为1.33kmol/h和1.77 kmoh,进口NH,浓度为2600ppm,填料高度为 0.08m不变。流化数从1增加到3时,总传质系数 的值增大1倍。这是由于吸收低浓度尾气氨时受到 气膜阻力的影响,气速增加使气液接触表面不断 4结语 通过实验测定了不同条件下湍球塔中吸收低 浓度尾气氨的K a,结果表明 1通过实验验证得到湍球塔吸收低浓度尾 气氨的传质过程主要由气膜控制。 2化学吸收比物理吸收过程的K a值增大 近63%。 3K a随着液气比的增大先逐渐增大然后趋 于平缓,在工业生产中应确定最佳的液气比。 4K a随着流化数增加而逐渐增大,但不宜 过大,由于气速增加NH 在吸收塔内停留时间减小 而降低脱除效率。 5随填料层高度增加而增大,但不宜过大, 这是由于床层越高床层顶部越容易发生液泛,因 而在工业生产中需选择合适的填料高度。 C F H Kg Kga L M。 N pi pi‘ P T U0 UIⅡf V X v木 Z 希腊字母 P。 pi Q 符号说明 填料比表面积,nl /m 溶液浓度,mol/L 传质面积,m 亨利系数,kPam /kmol 气相总传质系数,kmoVm2hkPa 气相总体积传质系数,kmol/m hkPa 液体流率,kmol/h 相平衡常数 溶剂摩尔质量, mol 溶质A的传质通量,kmoL/m h 溶质分压,kPa 溶质平衡分压,kPa 总压,kPa 热力学温度,K 气体空塔速度,m/s l临界流化速度,m/s 气体流率,kmol/h 液相中的摩尔分数 气相中的摩尔分数 气相中的平衡摩尔分数 填料层高度,m 溶剂密度。kg/m。 氨气密度,ks/m 塔截面积,m 46 , CIⅢMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,243 上接第42页 3全柔性排水系统柔性软管应选用有 实际使用经验厂家的产品。业主若考虑价格等因 素而选择缺少实际使用经验的生产厂家,柔性软 管可能在试验过程中空间运动轨迹不确定,导致 软管褶皱,造成时间和费用的浪费。因此,建议 选择有长期成功实际使用经验厂家的产品。 4浮顶支柱布置应均匀,浮顶支柱之间的 距离不宜超过6m,设计时根据柔性软管厂家的安 装要求调整软管附近的支柱位置。 5要求安装、施工单位严格按照设计要求, 对高强度钢材的力学性能、化学性能进行材料 复验。 5结语 材料是决定储罐大型化发展的关键因素。十 万立方米浮顶油罐罐体材料采用国产高强度钢板 12MnNiVR或08MnNiVR,避免了底圈罐壁过厚带 来的整体热处理问题和焊接问题。 就十万立方米浮顶油罐调研、设计、制造和 安装过程中发现的问题进行的深人探讨及提出的 合理建议,为今后设计提供指导。 参考文献 1徐英,杨一凡,朱萍等.球形和大型储罐[M].北 京化学工业出版社,20o5. 2傅伟庆,武铜柱,许莉.大型浮顶油罐技术发展[J]. 化工设备与管道,2013,50415. 3 API 650,钢制焊接油罐[s]. 4 GB 5073720l1,石油储备库设计规范[s]. 5 GB 503412003,立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范 [S]. 收稿日期20140401

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