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(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)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(duì)穩(wěn)定吸收過(guò)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(guò)填料塔時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)溶質(zhì)被吸 收劑吸收的量knw"s,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(duì)氣體流量與液體流量一定的穩(wěn)定的吸收操 作

4、，氣、液組成沿塔高連續(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, + lxL'L 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

5、線方程 在Y-X圖上為以液氣比 5為斜率，過(guò)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(duì)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

6、物料衡算，可得并流時(shí)的 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(wú)特殊 說(shuō)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(duì)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

7、習(xí)52吸收劑用量的確定吸收劑的選擇選擇良好的吸收劑對(duì)吸收過(guò)程至關(guān)重要。但受多種因 素制約，工業(yè)吸收過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)待吸收組分的溶解度大，其余組分 溶解度??；（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(wú)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

8、數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體處理量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

9、。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)對(duì)應(yīng)的“V稱為最小液氣比，用（L/V）min表示，而對(duì)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)，XhMax<X； 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(wú)窮大。對(duì)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)

10、用和操作費(fèi)用兩方面因素，按總費(fèi)用最低的原則來(lái)選取。 A根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般取,=(12.0mlnV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(rùn)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(rùn)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=

11、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：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(duì)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

12、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)面積為dFm/QdZ,則通過(guò)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(duì)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 _A

13、rraQ 卩一嶺Jx»kvaQ 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)溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過(guò)程可視為特點(diǎn)：低濃度氣體吸收(J/<10%)因吸收量小，由此引起等溫過(guò)程，傳質(zhì)系數(shù)心、X、Ky、Ky沿塔高變化小，可取 塔頂和塔底條件下的平均值。填料層高度Z的計(jì)算式：r A V對(duì)高濃度氣體，若在塔內(nèi)吸收的盤并不大(如高濃度難溶 氣體吸收)，吸收過(guò)程具有低濃度氣體吸收的待點(diǎn)，也可 按低濃度吸收處理。體積傳質(zhì)系數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中，常將傳質(zhì)系數(shù)與比表面積d 的乘積及K、d)作為一個(gè)完整的物理量看待，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)或體積吸收系

14、數(shù)，單位為knwl/(s.m,) 0 體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義：傳質(zhì)推動(dòng)力為一個(gè)單位時(shí)，單 位時(shí)間，單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度對(duì)氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力:若令v%氣相總傳質(zhì)單元高度，m; % 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次。LdX對(duì)液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力：z = A L若令八 dX7兒 X - X液相總傳質(zhì)單元高度，m； 液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次。傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度定義傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)來(lái)表達(dá)填料層高度Z,從計(jì)算角 度而言，并無(wú)簡(jiǎn)便之利，但卻有利于對(duì)Z的計(jì)算式進(jìn)行分析和理 解.下面以Ng和Hg為例給予說(shuō)明% 中的dy表示氣體通過(guò)一微分填料段的氣相濃度變化，（K

15、D 為該微分段的相際傳質(zhì)推動(dòng)力當(dāng)（-廠）=人-嶺時(shí)有Ng"Ng = l的意義：氣體流經(jīng)一段填料，溶質(zhì)組成變化（滄-冷）等于該段填料平 均吸收推動(dòng)力V-Qm時(shí)，該段填料為一個(gè)傳質(zhì)單元。傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度OLdXJ心 X _ X傳質(zhì)單元數(shù) % 或Mw.反映吸收過(guò)程的難易程度，其大小取決 于分離任務(wù)和整個(gè)填料層平均推動(dòng)力大小兩個(gè)方面。Ng與氣相或液相進(jìn)、岀塔的濃度，液氣比以及物系的平衡關(guān)系 有關(guān)，而與設(shè)備形式和設(shè)備中氣、液兩相的流動(dòng)狀況等因素?zé)o關(guān)。在設(shè)備選型前可先計(jì)算出過(guò)程所裾的 %或 g N*或N°i值 大，分離任務(wù)艱巨，為避免塔過(guò)髙應(yīng)選用傳質(zhì)性能優(yōu)良的填料 若叫或N血值

16、過(guò)大,就應(yīng)重新考慮所選溶劑或液氣比 5是 否合理傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度VULij.OG -K YaQH o i KZ總傳質(zhì)單元高度“幾或"也則表示完成一個(gè)傳質(zhì)單元分U任務(wù)所 需的填料層高度，代表了吸收塔傳質(zhì)性能的高低，主要與填料的 性能和塔中氣、液兩相的流動(dòng)狀況有關(guān).“處或值小，表示設(shè)備的性能高，完成相同傳質(zhì)單元數(shù)的吸 收任務(wù)所需塔的高度小.用傳質(zhì)單元高度%、切或傳質(zhì)系數(shù)第-表征設(shè)備的傳 質(zhì)性能其實(shí)質(zhì)是相同的。但隨氣、液流率改變娥“或心4的值變 化較大，一般流率增加，Ka （或人“）增大.H皿或因分子分母同向變化的緣故，其變化幅度就較小。-般吸收設(shè)備的傳質(zhì)單元高度在（M5-1.5m

17、范圍內(nèi)。川結(jié)Ng對(duì)于低濃度的氣體吸收，用總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算填料層高度Z時(shí)， 可避開界面組成片和®.若平衡線為直線或在所涉及的濃度范圍內(nèi)為直線段，直接積分就 可得Mag或N皿的解析式，其求解方式主要有對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 和吸收因子法下面以求解 為例。設(shè)平衡線段方程為逆流吸收操作線方程為上兩式相減得dr = dX Vd（y-y*）=（Lm3 J（IXY-Y取微分J, ar 心出-廠）>.y - y* （l-Vm/L）M-r； Y -Y9m = >f 叮:炸二（yI-yIj-（；2-y；），nF7>7- “Vmvm y； - y ；（人 _ 叮）_ （兀 _ y；）yyi =

18、人-人 t rt-y； y,-r:以氣相為基準(zhǔn)的全塔的對(duì) 數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力上式說(shuō)明了 Ng的含意：對(duì)低濃度氣體吸收是以全塔的對(duì)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）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(duì)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(wú)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(hào)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(guò)程，NOG越小。A的倒數(shù)