吸收塔的操作型計算課件

一、吸收塔的操作型計算二、高濃度氣體吸收的計算(一)操作型計算問題的提出(二)吸收塔的調節(jié)問題(一)過程特征與數(shù)學描述(二)填料層高度的計算方法第三十講吸收塔的操作型計算及高濃度氣體吸收1/3/20231操作型計算與高濃度氣體吸收一、吸收塔的操作型計算二、高濃度氣體吸收的計算(一)操作型計吸收塔操作型計算的典型提法是：（1）對一給定吸收塔，在一組工藝條件下，計算該吸收塔的氣、液相出口濃度和——核算與預測（2）或者對一給定吸收塔，尋求改善吸收效果的途徑——調節(jié)問題操作型計算屬于定解問題，原則上可通過聯(lián)立求解上面方程組得到氣、液相出塔濃度和。但往往由于變量間的非線性關系，難以直接求解，而采用試差或迭代法求解。對上述第一種提法的問題可以按下面的步驟試差或迭代求解。操作線方程：相平衡關系：填料層高度基本方程：（1）（2）（3）前一種提法是吸收結果核算或預測問題，后一種提法是吸收塔的調節(jié)問題。二者都屬于操作型計算問題。這種計算的依據(jù)仍然是上一講開始提到的方程組，即：（一）問題的提出一、吸收塔的操作型計算1/3/20232操作型計算與高濃度氣體吸收吸收塔操作型計算的典型提法是：操作型計算屬于定解問題，原則上（1）（2）（3）當然，在有些情況下，由于關系式比較簡單，可以直接求解而無需試差。1/3/20233操作型計算與高濃度氣體吸收（1）當然，在有些情況下，由于關系式比較簡單，可以直接求解而（二）吸收塔的調節(jié)吸收塔的調節(jié)是通過改變或保持某些參數(shù)，達到改變或維持吸收效果的目的。吸收效果往往以吸收率或氣相出口濃度表征。吸收操作中的氣體入塔條件由工藝要求給定，這樣為保證氣體出口質量（）要求，只能通過調節(jié)入塔吸收劑的有關參數(shù)，如流量、溫度或濃度等來達到。由于一個完整的吸收過程往往包括吸收與解吸操作，因而進入吸收塔吸收劑的各參數(shù)調節(jié)是一個需要綜合考慮的問題。從前面討論過的原理可知：降低入塔吸收劑的濃度，平衡線下移，吸收推動力增加，從而增加全塔平均推動力。這些措施都有利于改善吸收效果。而在吸收與解吸聯(lián)合操作中，上述措施都與解吸操作有關，解吸操作不正常，將直接影響吸收操作的效果。吸收劑流量對吸收效果的影響具有兩重性，增大雖能增大吸收推動力，但由于同時增加了解吸操作的負擔，如果由此引起解吸操作不正常，則會使進入吸收塔吸收劑的濃度增大，與前者效果相抵。而且在一些特殊情況下，即使單從吸收角度考慮，提高對降低也并非總是有效。為說明此問題，假設有一的填料吸收塔。這時只要，那么就會在塔底或塔頂出現(xiàn)氣-液兩相趨于平衡的情況。如圖30-1所示。1/3/20234操作型計算與高濃度氣體吸收（二）吸收塔的調節(jié)12/28/20224操作型計算與高濃度氣如——氣、液兩相在塔底趨于平衡，此時可以通過增大來達到降低的目的；而當—氣、液兩相在塔頂趨于平衡，這時，為要降低，只有降低入口吸收劑的濃度，而增大只能是徒勞無益。圖30-1吸收塔的調節(jié)（一）過程特點與數(shù)學描述（1）混合氣體流率、液體流率沿塔顯著變化；（2）平衡關系往往不符合Henry定律，即平衡線斜率隨液體濃度變化；（3）膜傳質系數(shù)與濃度有關，沿塔變化。二、高濃度氣體吸收的計算1/3/20235操作型計算與高濃度氣體吸收如——氣、液兩相在塔氣膜傳質系數(shù)為：式中為等分子反向擴散的氣膜傳質系數(shù)，在低濃度下，。液膜傳質系數(shù)也有類似關系。（4）由于上述種種原因，吸收系數(shù)及不再是常數(shù)。描述高濃度氣體吸收的依據(jù)仍然是物料衡算、相平衡關系、吸收速率方程?？梢姡趫D上該操作線為一曲線。最小液氣比可以通過將代入（30-1）式中算出。適宜的液氣比可選取的某一倍數(shù)。（30-1）在逆流操作的填料吸收塔中，對塔內任一截面至塔頂范圍作溶質的物料衡算，可得到與低濃度氣體吸收相同的操作線方程：1.物料衡算—操作線方程1/3/20236操作型計算與高濃度氣體吸收氣膜傳質系數(shù)為：式中為等分子反向擴散的氣膜傳質系數(shù)，（30-2）2.填料層高度普遍關系式在吸收塔內，任取一高度為dH的微元填料層，經(jīng)此微元填料層溶質由氣相傳遞入液相的摩爾流率為：，將、代入上式有：（30-6）（30-5）將式（30-2）和（30-3）代入式（30-4）得：（30-4）則有：另外有：（30-3）同理有：1/3/20237操作型計算與高濃度氣體吸收（30-2）2.填料層高度普遍關系式在吸收塔內，任取一高兩式積分得式（30-7）和式（30-8）在知道了相平衡關系及體積膜傳質系數(shù)的關聯(lián)式以后，就可用式（30-7）(以30-7式為例)通過數(shù)值積分計算填料層高度了。一般可按下面的步驟計算：（1）將吸收要求濃度范圍內分成n等份(n越大精度越高，計算量也越大)，根據(jù)操作線方程（30-1）計算出與各分點y值對應的x值；（2）計算與各分點組成對應的氣、液相流率：（3）計算與各分點組成對應的體積膜傳質系數(shù)值：（4）計算與各分點組成對應的界面濃度。這可聯(lián)立求解相平衡關系和傳質速率方程：同理可得式（30-9）和式（30-10）（30-7）（30-8）（30-10）（30-9）1.

數(shù)值積分法（二）填料層高度的計算式（30-7）～式（30-10）便是填料層高度的普遍關系式。1/3/20238操作型計算與高濃度氣體吸收兩式積分得式（30-7）和式（30-8）2.傳質單元法（5）計算與各分點組成對應的的值；（6）計算與各分點組成對應的的值；（7）利用上面的數(shù)據(jù)，進行數(shù)值積分求出：雖然與G

隨塔截面變化，但是，比值沿塔高變化很小，可以取塔頂、塔底的算術平均值作為常數(shù)處理。這樣，式（30-7）可寫作：這往往需采用試差法（30-12）（30-11）或氣相傳質單元數(shù)氣相傳質單元高度1/3/20239操作型計算與高濃度氣體吸收2.傳質單元法（5）計算與各分點組成對應的當混合氣體濃度不太高時，式（30-8）中的項可以用算術平均值代替：

（30-13）上式右面第一項是低濃度氣體吸收時的傳質單元數(shù)，而第二項則反映了高濃度氣體吸收中，漂流因子的影響。顯見，傳質單元法使計算得到了簡化。則1/3/202310操作型計算與高濃度氣體吸收當混合氣體濃度不太高時，式（30-8）中的用一填料塔逆流吸收SO2-空氣混合氣體中的SO2，吸收劑用清水。操作在293K、101.3kPa下進行。入塔氣體中含SO221%，出塔濃度為1%（均為摩爾分數(shù)），惰性氣體流率為kmol空氣/(m2?s)；入塔清水量為kmol水/(m2?s)。在同樣設備條件及同一溫度、壓強下用水吸收SO2-空氣混合物的實驗，得到以下傳質系數(shù)關聯(lián)式：式中、的單位是；氣體流率的單位是，在題給濃度范圍內的相平衡關系為，計算塔高。①

在氣相濃度范圍內將其分成10等份，將，代入下面的操作線方程計算各分點的值：解：（1）采用數(shù)值積分法，分步計算如下：高濃度氣體吸收的計算舉例1/3/202311操作型計算與高濃度氣體吸收用一填料塔逆流吸收SO2-空氣混合氣體中的SO2，吸收劑用清經(jīng)整理后得：將計算結果列入本題附表中的第5，6列。因本題中的液相濃度不高，可近似取。④計算各分點處的相界面濃度，這可聯(lián)立求解下面的傳質速率方程和相平衡方程：③計算各分點截面處的傳質系數(shù)：計算結果列入本題附表中的第3，4列。②計算各分點截面處的氣、液相流率G、L將各等分點的y值代入上式計算得出對應的x值，列入附表中的第1，2列。1/3/202312操作型計算與高濃度氣體吸收經(jīng)整理后得：將計算結果列入本題附表中的第5，6列。因本題中的將各分點之數(shù)值代入上述方程組解出，將計算結果列入本題附表中的第7，8列。⑤計算各分點處的及值，其中：，將計算結果列入本題附表中的第9，10列。用上表數(shù)值進行數(shù)值積分得：⑥計算下面一項數(shù)值，計算結果列入附表中的第11列。1/3/202313操作型計算與高濃度氣體吸收將各分點之分點123456789101110.0100.006600.3200.03510.6360.000290.00482193.10.99336.420.030.0004250.006730.3200.03560.6370.000960.0207107.50.97520.430.050.0008670.006870.3200.03620.6370.001580.038083.10.95615.940.070.001330.007020.3200.03670.6370.002180.056171.70.93713.850.090.001810.007180.3210.03730.6370.002770.074966.20.91812.960.110.002310.007340.3210.03790.6380.003350.094363.60.89812.470.130.002830.007510.3210.03850.6380.003920.11462.60.87812.380.150.003380.007680.3210.03910.6380.004490.13464.00.85812.790.170.003960.007870.3210.03980.6380.005060.15567.90.83713.6100.190.004560.008060.3220.04050.6390.005620.17673.00.81714.7110.210.005190.008270.3220.04120.6390.006170.19779.30.79616.11/3/202314操作型計算與高濃度氣體吸收分點123456789101110.0100.006600.若采用傳質單元高度法，則需計算在塔頂、底的平均值：塔頂塔底平均值而經(jīng)數(shù)值積分得而即所以這與上面的準確計算結果非常接近。（2）采用傳質單元法，計算步驟如下：1/3/202315操作型計算與高濃度氣體吸收若采用傳質單元高度法，則需計算在塔頂、底的平均1吸收塔操作型計算的目的是核算氣、液相出口濃度或尋求改善吸收效果的途徑，其計算依據(jù)是物料衡算方程、相平衡關系與吸收速率方程；2吸收塔的調節(jié)途徑是吸收劑的入塔參數(shù)，即流率三要素，參數(shù)的改變必須綜合考慮吸收與解吸的操作狀態(tài)；3在高濃度氣體吸收中，由于氣相濃度沿塔變化顯著，產(chǎn)生一系列不同于低濃度氣體吸收過程的特征：氣、液流率、傳質系數(shù)沿塔變化；相平衡關系往往不服從henry定律等；本講沒有考慮熔解熱的影響；4高濃度氣體吸收塔的計算方法有數(shù)值積分法及傳質單元法，前者是一般計算方法，而后者是簡化計算法，應注意它們的使用條件。本講要點作業(yè)：8-20，8-22，8-231/3/202316操作型計算與高濃度氣體吸收1吸收塔操作型計算的目的是核算氣、液相出口濃度或尋求改善吸一、吸收塔的操作型計算二、高濃度氣體吸收的計算(一)操作型計算問題的提出(二)吸收塔的調節(jié)問題(一)過程特征與數(shù)學描述(二)填料層高度的計算方法第三十講吸收塔的操作型計算及高濃度氣體吸收1/3/202317操作型計算與高濃度氣體吸收一、吸收塔的操作型計算二、高濃度氣體吸收的計算(一)操作型計吸收塔操作型計算的典型提法是：（1）對一給定吸收塔，在一組工藝條件下，計算該吸收塔的氣、液相出口濃度和——核算與預測（2）或者對一給定吸收塔，尋求改善吸收效果的途徑——調節(jié)問題操作型計算屬于定解問題，原則上可通過聯(lián)立求解上面方程組得到氣、液相出塔濃度和。但往往由于變量間的非線性關系，難以直接求解，而采用試差或迭代法求解。對上述第一種提法的問題可以按下面的步驟試差或迭代求解。操作線方程：相平衡關系：填料層高度基本方程：（1）（2）（3）前一種提法是吸收結果核算或預測問題，后一種提法是吸收塔的調節(jié)問題。二者都屬于操作型計算問題。這種計算的依據(jù)仍然是上一講開始提到的方程組，即：（一）問題的提出一、吸收塔的操作型計算1/3/202318操作型計算與高濃度氣體吸收吸收塔操作型計算的典型提法是：操作型計算屬于定解問題，原則上（1）（2）（3）當然，在有些情況下，由于關系式比較簡單，可以直接求解而無需試差。1/3/202319操作型計算與高濃度氣體吸收（1）當然，在有些情況下，由于關系式比較簡單，可以直接求解而（二）吸收塔的調節(jié)吸收塔的調節(jié)是通過改變或保持某些參數(shù)，達到改變或維持吸收效果的目的。吸收效果往往以吸收率或氣相出口濃度表征。吸收操作中的氣體入塔條件由工藝要求給定，這樣為保證氣體出口質量（）要求，只能通過調節(jié)入塔吸收劑的有關參數(shù)，如流量、溫度或濃度等來達到。由于一個完整的吸收過程往往包括吸收與解吸操作，因而進入吸收塔吸收劑的各參數(shù)調節(jié)是一個需要綜合考慮的問題。從前面討論過的原理可知：降低入塔吸收劑的濃度，平衡線下移，吸收推動力增加，從而增加全塔平均推動力。這些措施都有利于改善吸收效果。而在吸收與解吸聯(lián)合操作中，上述措施都與解吸操作有關，解吸操作不正常，將直接影響吸收操作的效果。吸收劑流量對吸收效果的影響具有兩重性，增大雖能增大吸收推動力，但由于同時增加了解吸操作的負擔，如果由此引起解吸操作不正常，則會使進入吸收塔吸收劑的濃度增大，與前者效果相抵。而且在一些特殊情況下，即使單從吸收角度考慮，提高對降低也并非總是有效。為說明此問題，假設有一的填料吸收塔。這時只要，那么就會在塔底或塔頂出現(xiàn)氣-液兩相趨于平衡的情況。如圖30-1所示。1/3/202320操作型計算與高濃度氣體吸收（二）吸收塔的調節(jié)12/28/20224操作型計算與高濃度氣如——氣、液兩相在塔底趨于平衡，此時可以通過增大來達到降低的目的；而當—氣、液兩相在塔頂趨于平衡，這時，為要降低，只有降低入口吸收劑的濃度，而增大只能是徒勞無益。圖30-1吸收塔的調節(jié)（一）過程特點與數(shù)學描述（1）混合氣體流率、液體流率沿塔顯著變化；（2）平衡關系往往不符合Henry定律，即平衡線斜率隨液體濃度變化；（3）膜傳質系數(shù)與濃度有關，沿塔變化。二、高濃度氣體吸收的計算1/3/202321操作型計算與高濃度氣體吸收如——氣、液兩相在塔氣膜傳質系數(shù)為：式中為等分子反向擴散的氣膜傳質系數(shù)，在低濃度下，。液膜傳質系數(shù)也有類似關系。（4）由于上述種種原因，吸收系數(shù)及不再是常數(shù)。描述高濃度氣體吸收的依據(jù)仍然是物料衡算、相平衡關系、吸收速率方程?？梢?，在圖上該操作線為一曲線。最小液氣比可以通過將代入（30-1）式中算出。適宜的液氣比可選取的某一倍數(shù)。（30-1）在逆流操作的填料吸收塔中，對塔內任一截面至塔頂范圍作溶質的物料衡算，可得到與低濃度氣體吸收相同的操作線方程：1.物料衡算—操作線方程1/3/202322操作型計算與高濃度氣體吸收氣膜傳質系數(shù)為：式中為等分子反向擴散的氣膜傳質系數(shù)，（30-2）2.填料層高度普遍關系式在吸收塔內，任取一高度為dH的微元填料層，經(jīng)此微元填料層溶質由氣相傳遞入液相的摩爾流率為：，將、代入上式有：（30-6）（30-5）將式（30-2）和（30-3）代入式（30-4）得：（30-4）則有：另外有：（30-3）同理有：1/3/202323操作型計算與高濃度氣體吸收（30-2）2.填料層高度普遍關系式在吸收塔內，任取一高兩式積分得式（30-7）和式（30-8）在知道了相平衡關系及體積膜傳質系數(shù)的關聯(lián)式以后，就可用式（30-7）(以30-7式為例)通過數(shù)值積分計算填料層高度了。一般可按下面的步驟計算：（1）將吸收要求濃度范圍內分成n等份(n越大精度越高，計算量也越大)，根據(jù)操作線方程（30-1）計算出與各分點y值對應的x值；（2）計算與各分點組成對應的氣、液相流率：（3）計算與各分點組成對應的體積膜傳質系數(shù)值：（4）計算與各分點組成對應的界面濃度。這可聯(lián)立求解相平衡關系和傳質速率方程：同理可得式（30-9）和式（30-10）（30-7）（30-8）（30-10）（30-9）1.

數(shù)值積分法（二）填料層高度的計算式（30-7）～式（30-10）便是填料層高度的普遍關系式。1/3/202324操作型計算與高濃度氣體吸收兩式積分得式（30-7）和式（30-8）2.傳質單元法（5）計算與各分點組成對應的的值；（6）計算與各分點組成對應的的值；（7）利用上面的數(shù)據(jù)，進行數(shù)值積分求出：雖然與G

隨塔截面變化，但是，比值沿塔高變化很小，可以取塔頂、塔底的算術平均值作為常數(shù)處理。這樣，式（30-7）可寫作：這往往需采用試差法（30-12）（30-11）或氣相傳質單元數(shù)氣相傳質單元高度1/3/202325操作型計算與高濃度氣體吸收2.傳質單元法（5）計算與各分點組成對應的當混合氣體濃度不太高時，式（30-8）中的項可以用算術平均值代替：

（30-13）上式右面第一項是低濃度氣體吸收時的傳質單元數(shù)，而第二項則反映了高濃度氣體吸收中，漂流因子的影響。顯見，傳質單元法使計算得到了簡化。則1/3/202326操作型計算與高濃度氣體吸收當混合氣體濃度不太高時，式（30-8）中的用一填料塔逆流吸收SO2-空氣混合氣體中的SO2，吸收劑用清水。操作在293K、101.3kPa下進行。入塔氣體中含SO221%，出塔濃度為1%（均為摩爾分數(shù)），惰性氣體流率為kmol空氣/(m2?s)；入塔清水量為kmol水/(m2?s)。在同樣設備條件及同一溫度、壓強下用水吸收SO2-空氣混合物的實驗，得到以下傳質系數(shù)關聯(lián)式：式中、的單位是；氣體流率的單位是，在題給濃度范圍內的相平衡關系為，計算塔高。①

在氣相濃度范圍內將其分成10等份，將，代入下面的操作線方程計算各分點的值：解：（1）采用數(shù)值積分法，分步計算如下：高濃度氣體吸收的計算舉例1/3/202327操作型計算與高濃度氣體吸收用一填料塔逆流吸收SO2-空氣混合氣體中的SO2，吸收劑用清經(jīng)整理后得：將計算結果列入本題附表中的第5，6列。因本題中的液相濃度不高，可近似取。④計算各分點處的相界面濃度，這可聯(lián)立求解下面的傳質速率方程和相平衡方程：③計算各分點截面處的傳質系數(shù)：計算結果列入本題附表中的第3，4列。②計算各分點截面處的氣、液相流率G、L將各等分點的y值代入上式計算得出對應的x值，列入附表中的第1，2列。1/3/202328操作型計算與高濃度氣體吸收經(jīng)整理后得：將計算結果列入本題附表中的第5，6列。因本題中的將各分點之數(shù)值代入上述方程組解出，將計算結果列入本題附表中的第7，8列。⑤計算各分點處的及值，其中：，將計算結果列入本題附表中的第9，10列。用上表數(shù)值進行數(shù)值積分得：⑥計算下面一項數(shù)值，計算結果列入附表中的第11列。1/3/202329操作型計算與高濃度氣體吸收將各分點之分點123456789101110.0100.006600.3200.03510.6360.000290.00482193.10.99336.420.030.0004250.006730.3200.03560.6370.000960.0207107.50.97520.430.050.0008670.006870.3200.03620.6370.001580.038083.10.95615.940.070.00