吸收塔的設(shè)計(jì)

1、第4節(jié) 吸收塔的計(jì)算   吸收過(guò)程既可在板式塔內(nèi)進(jìn)行，也可在填料塔內(nèi)進(jìn)行。在板式塔中氣液逐級(jí)接觸，而在填料塔中氣液則呈連續(xù)接觸。本章對(duì)于吸收操作的分析和計(jì)算主要結(jié)合連續(xù)接觸方式進(jìn)行。    填料塔內(nèi)充以某種特定形狀的固體填料以構(gòu)成填料層。填料層是塔實(shí)現(xiàn)氣、液接觸的主要部位。填料的主要作用是：填料層內(nèi)空隙體積所占比例很大，填料間隙形成不規(guī)則的彎曲通道，氣體通過(guò)時(shí)可達(dá)到很高的湍動(dòng)程度；單位體積填料層內(nèi)提供很大的固體表面，液體分布于填料表面呈膜狀流下，增大了氣、液之間的接觸面積。    通常填料塔的工藝計(jì)算包括如下項(xiàng)目：

2、  （1）在選定吸收劑的基礎(chǔ)上確定吸收劑的用量；（2）計(jì)算塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔的有效高度，對(duì)填料塔，有效高度是填料層高度，而對(duì)板式塔，則是實(shí)際板層數(shù)與板間距的乘積。計(jì)算的基本依據(jù)是物料衡算，氣、液平衡關(guān)系及速率關(guān)系。下面的討論限于如下假設(shè)條件：（1）吸收為低濃度等溫物理吸收，總吸收系數(shù)為常數(shù)；（2）惰性組分B在溶劑中完全不溶解，溶劑在操作條件下完全不揮發(fā)，惰性氣體和吸收劑在整個(gè)吸收塔中均為常量；（3）吸收塔中氣、液兩相逆流流動(dòng)。2.4.1吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程式全塔物料衡算圖212所示是一個(gè)定態(tài)操作逆流接觸的吸收塔，圖中各符號(hào)的意義如下：V惰性氣體的流量，kmol（B

3、）s；L純吸收劑的流量，kmol（S）S；Y1；、Y2分別為進(jìn)出吸收塔氣體中溶質(zhì)物質(zhì)量的比，kmol（A）kmol（B）；X1、X2分別為出塔及進(jìn)塔液體中溶質(zhì)物質(zhì)量的比，kmol（A）kmol（S）。注意，本章中塔底截面一律以下標(biāo)“l(fā)”表示，塔頂截面一律以下標(biāo)“2”表示。在全塔范圍內(nèi)作溶質(zhì)的物料衡算，得：        VY1LX2VY2LX1或V（Y1Y2）L（X1X2）             

4、;    （238）    一般情況下，進(jìn)塔混合氣體的流量和組成是吸收任務(wù)所規(guī)定的，若吸收劑的流量與組成已被確定，則V、Y、L及X2。為已知數(shù)，再根據(jù)規(guī)定的溶質(zhì)回收率，便可求得氣體出塔時(shí)的溶質(zhì)含量，即：Y2Yl（1A）                          （239）式中A為溶

5、質(zhì)的吸收率或回收率。   通過(guò)全塔物料衡算式238可以求得吸收液組成X1。于是，在吸收塔的底部與頂部?jī)蓚€(gè)截面上，氣、液兩相的組成Y1、Xl與Y2、X2均成為已知數(shù)。2吸收塔的操作線(xiàn)方程式與操作線(xiàn)在定態(tài)逆流操作的吸收塔內(nèi)，氣體自下而上，其組成由Y1逐漸降低至Y2；液相自上而下，其組成由X2逐漸增濃至Xl；而在塔內(nèi)任意截面上的氣、液組成 Y與X之間的對(duì)應(yīng)夫系，可由塔內(nèi)某一截面與塔的一個(gè)端面之間作溶質(zhì)A的物料衡算而得。例如，在圖212中的mn截面與塔底端面之間作組分A的衡算：        VYLX1VY1LX

6、或      YX（Y1X1）           （240）式240稱(chēng)為逆流吸收塔的操作線(xiàn)方程式，它表明塔內(nèi)任一橫截面上的氣相組成Y與液相組成X之間成直線(xiàn)關(guān)系。直線(xiàn)的斜率為L(zhǎng)V，且此直線(xiàn)應(yīng)通過(guò)B（X1，Y1）及T（X2，Y2）兩點(diǎn)，如圖213所示圖中的直線(xiàn)BT即為逆流吸收塔的操作線(xiàn)。（1）上端點(diǎn)B代表吸收塔底的情況，此處具有最大的氣、液組成，故稱(chēng)為“濃端”；端點(diǎn)T代表塔頂?shù)那闆r，此處具有最小的氣、液組成，故稱(chēng)之為“稀端”；操作線(xiàn)上任一點(diǎn)A，代表

7、著塔內(nèi)相應(yīng)截面上的液、氣組成X、Y。（2）當(dāng)進(jìn)行吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際組成總是高于與其接觸的液相平衡組成，所以吸收操作線(xiàn)必位于平衡線(xiàn)上方。反之，若操作線(xiàn)位于平衡線(xiàn)下方，則進(jìn)行脫吸過(guò)程。需要指出，操作線(xiàn)方程式及操作線(xiàn)都是由物料衡算得來(lái)的，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作溫度和壓強(qiáng)以及塔的結(jié)構(gòu)類(lèi)型都無(wú)任何牽連。 2.4.2 吸收劑用量的確定（1）液氣比由圖 214a可知，在 V、Y、Y1及X2已知的情況下，吸收操作線(xiàn)的一個(gè)端點(diǎn)T已經(jīng)固定，另一個(gè)端點(diǎn)B則可在YY1的水平線(xiàn)上移動(dòng)。點(diǎn)B的橫坐標(biāo)將取決于操作線(xiàn)的斜率LV。操作線(xiàn)的斜率LV稱(chēng)為“液氣比”，是溶劑與惰性氣體物質(zhì)的量的比值。它反

8、映單位氣體處理量的溶劑耗用量大小。（2）由于V值已經(jīng)確定，故若減少吸收劑用量L，操作線(xiàn)的斜率就要變小，點(diǎn)B便沿水平線(xiàn)YY1向右移動(dòng)，其結(jié)果是使出塔吸收液的組成加大，吸收推動(dòng)力相應(yīng)減小。若吸收劑用量減小到恰使點(diǎn)B移至水平線(xiàn)YY1與平衡線(xiàn)的交點(diǎn)B*時(shí)，X1X1*：，意即塔底流出的吸收液與剛進(jìn)塔的混合氣達(dá)到平衡。這是理論上吸收液所能達(dá)到的最高含量，但此時(shí)過(guò)程的推動(dòng)力已變?yōu)榱?，因而需要無(wú)限大的相際傳質(zhì)面積。這在實(shí)際上是辦不到的，只能用來(lái)表示一種極限狀況。此種狀況下吸收操作線(xiàn)（B*T）的斜率稱(chēng)為最小液氣比，以（LV）min表示，相應(yīng)的吸收劑用量即為最小吸收劑用量，以L(fǎng)min表示。反之，若增大吸收劑用量，

9、則點(diǎn)B將沿水平線(xiàn)向左移動(dòng)，使操作線(xiàn)遠(yuǎn)離平衡線(xiàn)，過(guò)程推動(dòng)力增大；但超過(guò)一定限度后，效果便不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項(xiàng)操作費(fèi)用急劇增大。（3）最小液氣比的求法    最小液氣比可用圖解法求出。如果平衡曲線(xiàn)符合圖214a所示的一般情況，則要找到水平線(xiàn)YY1與平衡線(xiàn)的交點(diǎn)B*，從而讀出X*的數(shù)值，然后用下式計(jì)算最小液氣比，即：                     （241）

10、或                     （214a）如果平衡曲線(xiàn)呈現(xiàn)如圖214b中所示的形狀，則應(yīng)過(guò)點(diǎn)T作平衡線(xiàn)的切線(xiàn)，找到水平線(xiàn)YY1與此切線(xiàn)的交點(diǎn)B´，從而讀出點(diǎn)B´的橫坐標(biāo)X1´的數(shù)值，用X1´代替式241或式241a中的X1* ，便可求得最小液氣比（L/V）min或最小吸收劑用量Lmin。若平衡關(guān)系符合亨利定律，可用 X*Ym表示，則可直接用下式

11、算出最小液氣比，即：                            （242）                     &

12、#160;              （242 a）               如果用純?nèi)軇┪眨瑒tX20，式242及式242a可表達(dá)為                 

13、;           （242b）或                                 （242c）      

14、由以上分析可見(jiàn)，吸收劑用量的大小，從設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)兩方面影響到生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效果，應(yīng)權(quán)衡利弊，選擇適宜的液氣比，使兩種費(fèi)用之和最小。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍是比較適宜的，即：（1.12.0）          （243）或         L（1.12.0）Lmin           

15、   （243a）    必須指出，為了保證填料表面能被液體充分潤(rùn)濕，還應(yīng)考慮到單位塔截面積上單位時(shí)間內(nèi)流下的液體量不得小于某一最低允許值。如果按式243算出的吸收劑用量不能滿(mǎn)足充分潤(rùn)濕填料的起碼要求，則應(yīng)采用更大的液氣比。 例22用清水吸收混合氣體中的可溶組分A。吸收塔內(nèi)的操作壓強(qiáng)為1057 kPa，溫度為27，混合氣體的處理量為1280 m3h兒，其中A物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)為003，要求A的回收率為95。操作條件下的平衡關(guān)系可表示為：Y0.65X。若取溶劑用量為最小用量的1.4倍，求每小時(shí)送人吸收塔頂?shù)那逅縇及吸收液組成X1。解：（1

16、）清水用量L平衡關(guān)系符合亨利定律，清水的最小用量可由式242a計(jì)算，式中的有關(guān)參數(shù)為：V=52.62kmol/hY10.03093Y2Y1（1A）0.03093（10.995）0.00155X20m0.65將有關(guān)參數(shù)代入式242a，得到：32.5kmol/h則L1.4Lmin45.5kmol/h（2）吸收液組成X1根據(jù)全塔的物料衡算可得：X1X20.03398           2.4.3塔徑的計(jì)算    與精餾塔直徑的計(jì)算原則相同，吸收塔的直徑也可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式

17、計(jì)算，即：               則                         （244）式中 D 塔徑，m；      Vs 操作條件下混合氣體的體積流量，

18、m3s；u 空塔氣速，即按空塔截面積計(jì)算的混合氣體線(xiàn)速度，ms。    在吸收過(guò)程中，由于吸收質(zhì)不斷進(jìn)人液相，故混合氣體量由塔底至塔頂逐漸減小。在計(jì)算塔徑時(shí)，一般應(yīng)以塔底的氣量為依據(jù)。計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u(mài)。如何確定適宜的空塔氣速，是屬于氣液傳質(zhì)設(shè)備內(nèi)的流體力學(xué)問(wèn)題，將在本冊(cè)第3章中討論。 2.4.4 填料層高度的計(jì)算    填料層高度計(jì)算的基本思路是：根據(jù)吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷（單位時(shí)間內(nèi)的傳質(zhì)量，kmol/s）與塔內(nèi)的傳質(zhì)速率（單位時(shí)間內(nèi)單位氣液接觸面積上的傳質(zhì)量，kmol（m2·s）計(jì)算完成規(guī)定任務(wù)

19、所需的總傳質(zhì)面積；然后再由單位體積填料層所提供的氣、液接觸面積（有效比表面積）求得所需填料層的體積，該體積除以塔的橫截面積便得到所需填料層的高度。   計(jì)算吸收塔的負(fù)荷要依據(jù)物料衡算關(guān)系，計(jì)算傳質(zhì)速率要依據(jù)吸收速率方程式，而吸收速率方程式中的推動(dòng)力是實(shí)際組成與相應(yīng)平衡組成的差額，因而要知道相平衡關(guān)系。所以，填料層高度的計(jì)算將要涉及物料衡算、傳質(zhì)速率與相平衡這三種關(guān)系式的應(yīng)用。    1填料層高度的基本計(jì)算式    在逆流操作的填料塔內(nèi)，氣、液相組成沿塔高不斷變化，塔內(nèi)各截面上的吸收速率各不相同。在2.3.7中介紹的

20、所有吸收速率方程式，都只適用于吸收塔的任一橫截面而不能直接用于全塔。因此，為解決填料層高度的計(jì)算問(wèn)題，需從分析填料吸收塔中某一微元填料層高度dZ的傳質(zhì)情況人手，如圖215所示。    在微元填料層中，單位時(shí)間內(nèi)從氣相轉(zhuǎn)人液相的溶質(zhì)A的物質(zhì)量為：dGAVdYLdX                       （245） 在微元填料層中，因氣、液組成變

21、化很小，故可認(rèn)為吸收速率NA為定值，則  dGANAdANA（adz）               （246）式中 dA微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)面積，m2；a單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2m3；一塔的橫截面積，m2。微元填料層中的吸收速率方程式可寫(xiě)為：NAKY（YY*）NAKX（X*X）將上二式分別代人式246，得到：    dGAKY（YY*）（adz）及  dGAKX（X*X）（adz）再將上二式與

22、式245聯(lián)立，可得： VdYKY（YY*）（adz）及 LdXKX（X*X）（adz）整理上二式，分別得到：               （247）及                  （248）    對(duì)于定態(tài)操作吸收塔，L、V、a及皆不隨時(shí)間而變，且不隨塔

23、截面位置而變。對(duì)于低濃度吸收，kY、kX通常也可視作常數(shù)。于是，在全塔范圍內(nèi)分別積分式247及式248并整理，可得到低濃度氣體吸收的計(jì)算填料塔高度的基本關(guān)系式，即：                 （249）及                    （250）

24、     這里需要注意，上式中單位體積填料層內(nèi)的氣、液有效接觸面積a總是小于單位體積填料層中的固體表面積（比表面積）。這是由于堆積填料表面的覆蓋和潤(rùn)濕的不均勻性，使一部分固體表面積不能成為氣、液接觸的有效面積。所以，a值不僅與填料本身的尺寸、形狀及充填狀況有關(guān)，而且還受流體物性及流動(dòng)狀況所影響，使得a的數(shù)值難以直接測(cè)定。工程上，將有效比表面積a與吸收系數(shù)的乘積作為一個(gè)完整的物理量來(lái)看待，并將其稱(chēng)為“體積吸收系數(shù)”。式中的KYa及KXa分別稱(chēng)為氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)，其單位均為kmol（m3·s）。體積吸收系數(shù)的物理意義是：當(dāng)推動(dòng)

25、力為一個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。    2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念 為了使填料層高度的計(jì)算更方便，通常將式249與式250的右端分解為兩個(gè)部分分別處理?，F(xiàn)以式249為例進(jìn)行分析。    該式右端的數(shù)群V（KYa）是過(guò)程條件所決定的數(shù)組，具有高度的單位，稱(chēng)為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，以HOG表示，即：                 

26、60;        （251）積分項(xiàng)反映取得一定吸收效果的難易情況，積分號(hào)內(nèi)的分子與分母具有相同的單位，積分值必然是一個(gè)無(wú)因次的純數(shù)，稱(chēng)為“氣相總傳質(zhì)單元數(shù)”，以NOG表示，即：                    （252）于是式249可寫(xiě)成如下形式：z=HOGNOG      &#

27、160;                  （249a）同理250可寫(xiě)成如下形式：z=HOLNOL                        （250a）  

28、0;                  （253）                  （254）式中  HOL液相總傳質(zhì)單元高度，m；NOL液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次。于是，可寫(xiě)出計(jì)算填料層高度的通式，即：填料層高度傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)當(dāng)

29、溶質(zhì)具有中等溶解度且平衡關(guān)系不服從亨利定律時(shí)，則可用膜傳質(zhì)單元高度“與”膜傳質(zhì)單元數(shù)“來(lái)計(jì)算填料高度，即：       z=HGNG及     z=HLNL式中  HG、HL分別為氣相傳質(zhì)單元高度與液相傳質(zhì)單元高度，m；NC、NL分別為氣相傳質(zhì)單元數(shù)與液相傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次。今以HOG為例說(shuō)明傳質(zhì)單元高度的物理意義。    如果氣體經(jīng)一段填料層前后的組成變化（Y1Y2）恰好等于此段填料層內(nèi)以氣相組成差表示總推動(dòng)力的平均值（YY*）m時(shí)，這段填料層的高度就是

30、一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度。    對(duì)于常用的填料吸收塔，傳質(zhì)單元高度的數(shù)值范圍在0.15 m1.5 m之間，可根據(jù)填料類(lèi)型和操作條件計(jì)算或查有關(guān)資料。在缺乏可靠資料時(shí)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3傳質(zhì)單元數(shù)的求法求算傳質(zhì)單元數(shù)有多種方法，可根據(jù)平衡關(guān)系的不同情況選擇使用。（1）圖解積分法或數(shù)值積分法圖解積分法是適用于各種平衡關(guān)系的求算傳質(zhì)單元數(shù)的最普通的方法。以氣相總傳質(zhì)單元數(shù) NOG為例，只要有平衡線(xiàn)和操作線(xiàn)圖，便可確定的數(shù)值，其步驟如下（參見(jiàn)圖216）：根據(jù)已知條件在YX坐標(biāo)系上作出平衡線(xiàn)與操作線(xiàn)，如圖216（a）所示；  在Yl與Y2范圍內(nèi)任選若干個(gè)Y值，從圖上讀出相應(yīng)的YY*值（如圖中的線(xiàn)段AA*所示），并計(jì)算值；在與Y的坐標(biāo)系中標(biāo)繪Y和相應(yīng)的值，如圖216b所示；算出 YY1、YY2及0三條直線(xiàn)與函數(shù)曲