2.5.吸收塔的計(jì)算

1、第五節(jié)吸收（解吸）的計(jì)算51物料衡算與操作線方程 込吸收劑用量的確定5.3填料層高度的計(jì)算5.4吸收塔的計(jì)算 遼塔徑的吸收塔的計(jì)算化工單元設(shè)備的計(jì)算，按給定條件、任務(wù)和要求的不同, 一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型（校核型）計(jì)算兩大類。設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計(jì)滿足任 務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計(jì)算：根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能 完成的任務(wù)。兩種計(jì)算所遵循的基本原理及所用關(guān)系式都相同，只是具 體的計(jì)算方法和步驟有些不同而已。本章著堇討論吸收塔 的設(shè)計(jì)型計(jì)算，而操作型計(jì)算則通過習(xí)題加以訓(xùn)練。吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算是按給定的生產(chǎn)任務(wù)及條件（已知待 分離氣體的處理量與組成，以及要達(dá)

2、到的分離要求），設(shè) 計(jì)出能完成此分離任務(wù)所需的吸收塔。吸收塔的計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容與步驟(1) 吸收刑的選擇及用量的計(jì)算；(2) 設(shè)備類型的選擇；(3) 塔徑計(jì)算；(4) 填料層高度或塔板數(shù)的計(jì)算；(5) 確定塔的高度；(6) 塔的流體力學(xué)計(jì)算及校核；(7) 塔的附件設(shè)計(jì)。計(jì)算依據(jù)：物系的相平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率 以吸收為例說明填料塔填料層高度的計(jì)算方法，但在實(shí)際 操作中，填料塔和板式塔均為最常用的塔型。51輸箱衙算與狽收操作煩才AL物料衡算目的：計(jì)算給定吸收任務(wù)下所希的吸收劑用量L或吸收刑出口濃度X)。以逆流操作的填料塔為例:VYt + IJC 2=VY2 + I.X、下標(biāo)代表塔內(nèi)填料層下底截

3、面， 下標(biāo)“2杯代表填料層上頂截面。V 情性氣體B的摩爾流率kmol/s; L吸收劑S的摩爾流率kmoVs;y溶質(zhì)A在氣相中的摩爾比濃度; X溶質(zhì)A在液相中的摩爾比濃度。對穩(wěn)定吸收過程，單位時(shí)間內(nèi)氣相在 塔內(nèi)被吸收的溶質(zhì)A的量必須等于液 相吸收的量。全塔物料衡算為：物料衡算若Ga為吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷，即 氣體通過填料塔時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)溶質(zhì)被吸 收劑吸收的量knws,則ga =v（rI-r2）=L（xI-x2）進(jìn)塔氣量V和組成嶺是吸收任務(wù)規(guī)定的, 進(jìn)塔吸收劑溫度和組成X, 般由工藝條 件所確定，出塔氣體組成則由任務(wù)給 定的吸收率帀求出在填料塔內(nèi)，對氣體流量與液體流量一定的穩(wěn)定的吸收操 作，氣、液組成

4、沿塔高連續(xù)變化；在塔的任一截面接觸的氣、液兩相組成是相互制約的； 全塔物料衡算式就代表V定，塔內(nèi)具有最高氣、液濃 度的截面“1”（濃端），或具有最低氣、液濃度的截面“2”（稀端）的氣、液濃度關(guān)系。操作線方程與操作線若取填料層任一截面與塔的塔底端面之間 的填料層為物料衡算的控制體，則所得溶 質(zhì)A的物料衡算式為VY +LXI =vy, + lxLL y = x +K-X.V同理，若在任一截面與塔頂端面間作溶質(zhì)A 的物料衡算，有上兩式均稱為吸收操作線方程，代表逆流操作時(shí)塔內(nèi)任一截 面上的氣、液兩相組成丫和x之間的關(guān)系。（稱為吸收塔操作的液氣比。操作線方程與操作線當(dāng)“V 定，操作線方程 在Y-X圖上為

5、以液氣比 5為斜率，過塔進(jìn)、出 口的氣、液兩相組成點(diǎn)（嶺, xz）和禺啲直線，稱 為吸收操作線。x2 X Xt X* X線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)（人X）代表了塔內(nèi)該截面上氣、液兩相的組成。操作線上任一點(diǎn)P與平衡線間的垂直距離（兒廠）為塔內(nèi)該 截面上以氣相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力；與平衡線的水平 距離（rX）為該戳面上以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力。兩線間垂直距離（兒廠）或水平距離（XVV）的變化顯示了.上 F wr 1 匚I JA 厶.I I I M卜 穴|J操作線方程與操作線4rf（x）并流操作線方程Y對氣、液兩相并流操作的吸收塔，取塔內(nèi)填料層任一截面 與塔頂（濃端）構(gòu)成的控制體作物料衡算，可得并流時(shí)的

6、 操作線方程，其斜率為（-A/V） o”在嶺至篤范圍內(nèi)，兩相逆流時(shí)沿塔高均能保持較大的 傳質(zhì)推動(dòng)力，而兩相并流時(shí)從塔頂?shù)剿籽厮邆髻|(zhì)推 動(dòng)力逐漸減小，進(jìn)、出塔兩截面推動(dòng)力相差較大。在氣、液兩相進(jìn)、出塔濃度相同的情況下，逆流操作的 平均推動(dòng)力大于并流，從提高吸收傳質(zhì)速率出發(fā)，逆流 優(yōu)于并流。工業(yè)吸收一般多采用逆流，本章后面的討論中如無特殊 說明，均為逆流吸收。與并流相比，逆流操作時(shí)上升的氣體將對借重力往下流 動(dòng)的液體產(chǎn)生曳力，阻礙液體向下流動(dòng)，因而限制了吸 收塔所允許的液體流率和氣體流率，這是逆流操作不利 的一面。逆流與并流操作線練習(xí)Y.X| X2 X、逆流與并流操作線練習(xí)52吸收劑用量的確定

7、吸收劑的選擇選擇良好的吸收劑對吸收過程至關(guān)重要。但受多種因 素制約，工業(yè)吸收過程吸收劑的選擇范圍也是很有限的，一 般視具體情況按下列原則選擇。（1）對溶質(zhì)有較大的溶解度。溶解度T,溶劑用量溶劑再 生費(fèi)用溶解度T,對一定的液氣比，吸收推動(dòng)力T, 吸收傳質(zhì)速率T,完成一定的傳質(zhì)任務(wù)所需設(shè)備尺寸（2）良好的選擇性，即對待吸收組分的溶解度大，其余組分 溶解度小；（3）穩(wěn)定不易揮發(fā)，以減少溶劑損失；（4粘度低，有利于氣液接觸與分散，提離吸收速率；（5）無毒、腐蝕性小、不易燃、價(jià)廉等。吸收劑用量的確定吸收劑用屋L或液氣比在吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和 塔的操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體處理量

8、V,以及進(jìn)、出 塔組成嶺、由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，吸收劑入塔組成禺 則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人員選定。由全塔物料衡算式X,=可知吸收劑出塔濃度乙與吸收劑用量L是相互制約的。選取的操作線斜率t ,操作線與平衡線的距離T ,塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力t ,完成一定分離任務(wù)所滯塔高 U7 ?,吸收劑用a?,吸收劑出塔濃度X,循環(huán)和 再生費(fèi)用T;若V J ,吸收劑出塔濃度X/T ,塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力J , 完成相同任務(wù)所需塔高T,設(shè)備費(fèi)用T。不同液氣比V下的操作線 圖直觀反映了這一關(guān)系。要達(dá)到規(guī)定的分離要求，或完成必需的傳質(zhì)負(fù)荷量 Gv（yry2）f s的減小是有限的。當(dāng) 下降到某一值時(shí)，操作線將與平衡線相交或者相切, 此時(shí)

9、對應(yīng)的“V稱為最小液氣比，用（L/V）min表示，而對應(yīng) 的乙則用/腫表示。最小液毛比（L/V）皿隨UV的減小，操作線與平衡線是相交還是相切取決于平 衡線的形狀。兩線在嶺處相交時(shí)，匕嚴(yán)產(chǎn);兩線在中間某個(gè)濃度處相切時(shí)，XhMaxX； 最小液氣比的計(jì)算式：CL芒芻；芝土A在最小液氣比下操作時(shí)，在塔的某截面上(塔底或塔內(nèi)) 氣、液兩相達(dá)平衡，傳質(zhì)推動(dòng)力為零，完成規(guī)定傳質(zhì)任務(wù) 所滯的塔高為無窮大。對一定高度的塔而言，在最小液氣 比下操作則不能達(dá)到分離要求。實(shí)際液氣比應(yīng)在大于最小液氣比的基礎(chǔ)上，兼顧設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用兩方面因素，按總費(fèi)用最低的原則來選取。 A根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般取,=(12.0mlnV

10、注意：以上由最小液氣比確定吸收劑用量是以熱力學(xué)平衡 為出發(fā)點(diǎn)的。從兩相流體力學(xué)角度出發(fā)，還必須使 填料表面能被液體充分潤濕以保證兩相均勻分散并 有足夠的傳質(zhì)面積，因此所取吸收劑用量L值還應(yīng) 不小于所選填料的最低潤濕率，即單位塔截面上、 單位時(shí)間內(nèi)的液體流量不得小于某一最低允許值。53填料層高度的計(jì)算在填料塔內(nèi)，氣、液兩相傳質(zhì)面積由填充的填料表面提供。傳質(zhì)面積：若塔的截面積為n (m2),填料層高度為Z(m),單位體積的填料所提供的表面積為a (mW), 則該塔所能提供的傳質(zhì)面積F (m?)為尸=5“為填料的有效比表面積，是填料的一個(gè)重要特性數(shù)據(jù)，填料及填料填充方式一定即為定值。塔截面積或塔徑：

11、主要由與填料的流體力學(xué)特性相關(guān)的空 塔氣速?zèng)Q定。塔截面積確定后，求傳質(zhì)面積就轉(zhuǎn)化為求所 需的填料層高度。完成一定吸收任務(wù)所需的傳質(zhì)面積，不僅與傳質(zhì)童和分離程度等由任務(wù)規(guī)定的指標(biāo)有關(guān)，還與塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)狀況、相平衡關(guān)系、填料類型以及填充方式等影響相際傳質(zhì) 速率的諸多因素緊密相關(guān)。物料衡算方程和傳質(zhì)速率方程 是計(jì)算填料層高度的基本方程。填料塔內(nèi)氣、液組成人X和傳質(zhì)推動(dòng)力 AY （或叢）均隨塔高變化，故塔內(nèi)各截 面上的吸收速率也不相同。對填料層中高度為dz的微分段作物料 衡算可得溶質(zhì)A在單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn) 入液相的量cIGadG4 = VdX = LdX若dZ微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為填料提供 的傳質(zhì)面積

12、為dFm/QdZ,則通過傳質(zhì)面 積dF溶質(zhì)A的傳遞量為= N gdZdG t = VdK = N/dclZdG4 = LdX = N taQdZ此傳質(zhì)屋也就是在dZ段內(nèi)溶質(zhì)A由氣 相轉(zhuǎn)入液相的產(chǎn)。因此K v(X - X pQdZ將以比摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入，則有 VdK = Kr（Y -y ）QdZ對上兩式沿塔高積分得在上述推導(dǎo)中，用相內(nèi)傳質(zhì)速率方程替代總的傳質(zhì)速率方 程可得形式完全相同的填料層高度Z的計(jì)算式。若采用和N尸kQX）可得：z=r丄工 2=y _ArraQ 卩一嶺JxkvaQ X廠 X用其它組成表示法的傳質(zhì)速率方程，可推得以相應(yīng)相組成 表示的填料層高度Z的計(jì)算式。的塔內(nèi)

13、溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過程可視為特點(diǎn)：低濃度氣體吸收(J/.y - y* （l-Vm/L）M-r； Y -Y9m = f 叮:炸二（yI-yIj-（；2-y；），nF77- “Vmvm y； - y ；（人 _ 叮）_ （兀 _ y；）yyi =人-人 t rt-y； y,-r:以氣相為基準(zhǔn)的全塔的對 數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力上式說明了 Ng的含意：對低濃度氣體吸收是以全塔的對數(shù)平 均推動(dòng)力/y”,作為度單位，衡完成分離任務(wù)（嶺?）所n 的傳質(zhì)單元髙度的數(shù)目.若分離程度（嶺嶺）大或平均推動(dòng)力 小，“X值就大，所需的填料層就離注意：1）平均推動(dòng)力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。2）

14、平衡線與操作線平行時(shí)，N 人-%嶺-人I d = Zr2 - y；3）當(dāng) 誥2、護(hù)v 2時(shí)，對數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平 均推動(dòng)力代替。將操作線方程寫為代入相平衡十 方程 =m代入定義式并積分斗二06 人,y_yarI l丿匚-y； l令 A-lJ（mV） f 即吸收因子-丄4吸收因子法N 0G將NOG表示為兩個(gè)無因次 數(shù)群為了計(jì)算方便，將此式繪 制成以1/A為參數(shù)的曲線圖Y1 Y2b In 1號1A Y2 Y2A 1 Al吸收因子L/（mv是操作線斜率 與平衡線斜率 的比值。A值越大，兩線相距越遠(yuǎn)，傳質(zhì)推動(dòng)力越大，越有利于吸收過程，NOG越小。A的倒數(shù)（mV/L稱為解吸因子S，其值越大，對吸收越

15、不利，由圖 可知， NOG越大。NI平衡線為直線時(shí)傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 當(dāng)用（X*-X ）作傳質(zhì)推動(dòng)力時(shí)，對平衡線 為直線的情況，用完全類似的方法可導(dǎo)出與NOG計(jì)算式并列的NOL計(jì)算式N0LXI X2 MX 1 X2X2 In 和 XXIL mV XI X1N0LXX21 Xm XmXXIX2X2*X1X11MX2X2N 0L1 LY1 Y2UIn11 LmVmVY1 YHmV1Y1 Y2*In1 AAMAY1Y15.5塔徑的計(jì)算氣體沿塔上升可視為通過一個(gè)空管，按流量公式計(jì)算塔徑VSDU 4 D-塔徑（m Vs-在操作條件下混合氣體的體積流量（m/s u-混合氣體的空塔速度（m3/s塔徑設(shè)計(jì)要做多方案比較以求經(jīng)濟(jì)上既是優(yōu)化的，操作上也是可行的。一般適宜操作氣速通常取泛點(diǎn)氣速的50%s 85%。算出的塔徑還要按