化工原理 氣體

化工原理氣體2023/4/271projectsofDr.Hao第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao2第二章

氣體吸收

GasAbsorption第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao3第三節(jié)吸收塔的計算化工單元設備的計算，按給定條件、任務和要求的不同，一般可分為設計型計算和操作型（校核型）計算兩大類。設計型計算：按給定的生產任務和工藝條件來設計滿足任務要求的單元設備。操作型計算：根據已知的設備參數和工藝條件來求算所能完成的任務。兩種計算所遵循的基本原理及所用關系式都相同，只是具體的計算方法和步驟有些不同而已。本章著重討論吸收塔的設計型計算，而操作型計算則通過習題加以訓練。吸收塔的設計型計算是按給定的生產任務及條件（已知待分離氣體的處理量與組成，以及要達到的分離要求），設計出能完成此分離任務所需的吸收塔。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao4本節(jié)討論的重點是：按連續(xù)接觸原理操作的填料塔，至于板式塔則在上一章的基礎上結合吸收特點作簡單討論。填料填加在塔內形成填料層，填料層有兩個特點，一是空隙體積所占比例相當大，便于氣體在其內部迂回曲折通過并提高湍動程度，二是單位體積內有很大的固體表面積。液體沿固體壁面呈膜狀流下，因而填料塔內的氣液接觸面比空塔內大得多。塔內氣液流動方式一般呈逆流，氣體自塔底通入，液體從塔頂灑下，因此溶液從塔底流出前與剛進入塔的氣體相接觸，可使溶液的濃度盡量提高。經吸收后的氣體從塔頂排出前與剛入塔的液體接觸，又可使出塔氣體中溶質濃度盡量降低。

吸收塔的計算第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao5吸收塔的設計中，混合氣體的處理量V、進口濃度Y1和出口濃度Y2（或溶質的回收率）都是作為設計條件而規(guī)定的。設計時首先是選定溶劑（吸收劑），隨著就是決定吸收劑的用量。吸收劑用量與氣體處理量之比（液、氣比）由物料衡算與平衡關系兩者結合起來決定，具體方法將于本節(jié)討論。設計的主要內容是算出設備的基本尺寸，對填料塔來說，就是設計塔徑與填料層高度。由混合氣體的處理量（體積流率V）與合理的氣體線速度（u）可以算出塔的截面積，由此可確定塔徑（D）。塔徑確定后，填料層高度（Z）則取決于所需填料層體積，而所需的填料層體積又取決于所需的有效氣液接觸面積，這個面積主要是通過傳質速率來決定的。

吸收塔的計算第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao6設計計算的主要內容與步驟計算依據：物系的相平衡關系和傳質速率(1)吸收劑的選擇及用量的計算；(2)設備類型的選擇；(3)塔徑計算；(4)填料層高度或塔板數的計算；(5)確定塔的高度；(6)塔的流體力學計算及校核；(7)塔的附件設計。吸收塔的計算第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao72––3––1吸收塔的物料衡算與操作線方程

一、物料衡算目的：計算給定吸收任務下所需的吸收劑用量L或吸收劑出口濃度X1。混合氣體通過吸收塔的過程中，可溶組分不斷被吸收，故氣體的總量沿塔高而變，液體也因其中不斷溶入可溶組分，其量也沿塔高而變。但是，通過塔的惰性氣體量和溶劑量是不變的。

第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao8以逆流操作的填料塔為例：對穩(wěn)定吸收過程，單位時間內氣相在塔內被吸收的溶質A的量必須等于液相吸收的量。通過對全塔A物質量作物料衡算，可得：下標“1”代表塔內填料層下底截面，下標“2”代表填料層上頂截面。V——單位時間通過塔的惰性氣體量；kmol(B)/s

；L——單位時間通過吸收塔的溶劑量；kmol(S)/s

；Y——任一截面的混合氣體中溶質與惰性氣體的摩爾比；kmol(A)/kmol(B)

；

X——任一截面的溶液中溶質與溶劑的摩爾比；kmol(A)/kmol(S)

。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao9物料衡算若GA為吸收塔的傳質負荷，即氣體通過填料塔時，單位時間內溶質被吸收劑吸收的量kmol/s，則進塔氣量V和組成Y1是吸收任務規(guī)定的，進塔吸收劑溫度和組成X2一般由工藝條件所確定，出塔氣體組成Y2則由任務給定的吸收率求出V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X在填料塔內，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L、V一定，塔內具有最高氣、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、液濃度關系。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao10二、操作線方程與操作線同理，若在任一截面與塔頂端面間作溶質A的物料衡算，有V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X上兩式均稱為吸收操作線方程，代表逆流操作時塔內任一截面上的氣、液兩相組成Y和X之間的關系。（L/V）稱為吸收塔操作的液氣比。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A的物料衡算式為V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao11操作線方程與操作線當L/V一定，操作線方程在Y-X圖上為以液氣比L/V為斜率，過塔進、出口的氣、液兩相組成點(Y1，X1)和(Y2，X2)的直線，稱為吸收操作線。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P線上任一點的坐標(Y，X)代表了塔內該截面上氣、液兩相的組成。操作線上任一點P與平衡線間的垂直距離(Y-Y*)為塔內該截面上以氣相為基準的吸收傳質推動力；與平衡線的水平距離(X*-X)為該截面上以液相為基準的吸收傳質推動力。兩線間垂直距離（Y-Y*）或水平距離（X*-X）的變化顯示了吸收過程推動力沿塔高的變化規(guī)律。Y-Y*X*-X第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao12操作線方程與操作線并流操作線方程V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X對氣、液兩相并流操作的吸收塔，取塔內填料層任一截面與塔頂（濃端）構成的控制體作物料衡算，可得并流時的操作線方程，其斜率為（-L/V）。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao13三、吸收塔內流向的選擇

在Y1至Y2范圍內，兩相逆流時沿塔高均能保持較大的傳質推動力，而兩相并流時從塔頂到塔底沿塔高傳質推動力逐漸減小，進、出塔兩截面推動力相差較大。在氣、液兩相進、出塔濃度相同的情況下，逆流操作的平均推動力大于并流，從提高吸收傳質速率出發(fā)，逆流優(yōu)于并流。這與間壁式對流傳熱的并流與逆流流向選擇分析結果是一致的。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，逆流操作時上升的氣體將對借重力往下流動的液體產生一曳力，阻礙液體向下流動，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。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao142––3––2吸收劑用量的決定吸收劑用量L或液氣比L/V在吸收塔的設計計算和塔的操作調節(jié)中是一個很重要的參數。吸收塔的設計計算中，氣體處理量V，以及進、出塔組成Y1、Y2由設計任務給定，吸收劑入塔組成X2則是由工藝條件決定或設計人員選定?？芍談┏鏊舛萖1與吸收劑用量L是相互制約的。由全塔物料衡算式選取的L/V，操作線斜率，操作線與平衡線的距離，塔內傳質推動力，完成一定分離任務所需塔高；L/V，吸收劑用量，吸收劑出塔濃度X1，循環(huán)和再生費用；若L/V，吸收劑出塔濃度X1，塔內傳質推動力，完成相同任務所需塔高，設備費用。第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao15吸收劑用量的確定

不同液氣比L/V下的操作線圖直觀反映了這一關系。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY-Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC最小液氣比(L/V)min要達到規(guī)定的分離要求，或完成必需的傳質負荷量GA=V(Y1-Y2)，L/V的減小是有限的。當L/V下降到某一值時，操作線將與平衡線相交或者相切，此時對應的L/V稱為最小液氣比，用(L/V)min表示，而對應的X1則用X1,max表示。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao16最小液氣比(L/V)min隨L/V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。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max兩線在Y1處相交時，X1,max=X1*；兩線在中間某個濃度處相切時，X1,max<X1*

。最小液氣比的計算式：第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao17吸收劑用量的確定

在最小液氣比下操作時，在塔的某截面上（塔底或塔內）氣、液兩相達平衡，傳質推動力為零，完成規(guī)定傳質任務所需的塔高為無窮大。對一定高度的塔而言，在最小液氣比下操作則不能達到分離要求。實際液氣比應在大于最小液氣比的基礎上，兼顧設備費用和操作費用兩方面因素，按總費用最低的原則來選取。根據生產實踐經驗，一般取注意：以上由最小液氣比確定吸收劑用量是以熱力學平衡為出發(fā)點的。從兩相流體力學角度出發(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面積，因此所取吸收劑用量L值還應不小于所選填料的最低潤濕率，即單位塔截面上、單位時間內的液體流量不得小于某一最低允許值。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao182––3––3塔徑的計算

VS=πD2u/4D=（4VS/πu）1/2VS––––操作條件下混合氣體的體積流量，m3/s；u––––空塔氣速，m/s；計算時以塔底氣量為依據，因塔底氣量大于塔頂。第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao192––3––4填料層高度的計算

一、填料層高度的基本計算式計算填料層高度，應根據混合氣體中溶質的高低而采用不同的方法。在工業(yè)生產中有很多吸收操作是從混合氣體中把少量可溶組分洗滌下來，屬于低濃度氣體的吸收。本節(jié)重點討論低濃度吸收中填料層高度的計算。填料層高度的計算仍然離不開物料衡算，另外還與傳質速率方程和相平衡關系有關。因為填料層高度z取決于填料層體積與塔截面積（填料層體積/塔截面積），而填料層體積又取決于完成規(guī)定任務所需的總傳質面積和每立方米填料所提供的氣液有效接觸面積（填料體積=總傳質面積/有效接觸面積/每米3填料），而總傳質面積=塔吸收負荷（kmol/s）/傳質速率（kmol/m2·s）。塔的吸收負荷依據物料衡算關系，傳質速率依據吸收速率方程，而吸收速率中的推動力總是實際濃度與某種平衡濃度之差額，因此須知相平衡關系。下面具體來分析填料層高度之計算方法。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao20此傳質量也就是在dZ段內溶質A由氣相轉入液相的量。因此若dZ微元段內傳質速率為NA，填料提供的傳質面積為dF=adZ，則通過傳質面積dF溶質A的傳遞量為對填料層中高度為dZ的微分段作物料衡算可得溶質A在單位時間內由氣相轉入液相的量dGA

填料層高度的基本計算式

填料塔內氣、液組成Y、X和傳質推動力Y（或X）均隨塔高變化，故塔內各截面上的吸收速率也不相同。V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao21將以比摩爾分數表示的總的傳質速率方程代入，則有對上兩式沿塔高積分得在上述推導中，用相內傳質速率方程替代總的傳質速率方程可得形式完全相同的填料層高度Z的計算式。若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi

-X)可得：用其它組成表示法的傳質速率方程，可推得以相應相組成表示的填料層高度Z的計算式。填料層高度的基本計算式

第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao22低濃度氣體吸收填料層高度的計算

特點：低濃度氣體吸收（y1<10%）因吸收量小，由此引起的塔內溫度和流動狀況的改變相應也小，吸收過程可視為等溫過程，傳質系數kY、kX

、KY、KX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的計算式：對高濃度氣體，若在塔內吸收的量并不大（如高濃度難溶氣體吸收），吸收過程具有低濃度氣體吸收的特點，也可按低濃度吸收處理。體積傳質系數：實際應用中，常將傳質系數與比表面積a的乘積（Kya及KXa）作為一個完整的物理量看待，稱為體積傳質系數或體積吸收系數，單位為kmol/(s.m3)。體積傳質系數的物理意義：傳質推動力為一個單位時，單位時間，單位體積填料層內吸收的溶質摩爾量。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao23二、傳質單元數與傳質單元高度對氣相總傳質系數和推動力：HOG——氣相總傳質單元高度，m；NOG——氣相總傳質單元數，無因次。HOL

——液相總傳質單元高度，m；NOL——液相總傳質單元數，無因次。若令對液相總傳質系數和推動力：若令第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao24傳質單元數與傳質單元高度

定義傳質單元高度和傳質單元數來表達填料層高度Z，從計算角度而言，并無簡便之利，但卻有利于對Z的計算式進行分析和理解。下面以NOG和HOG為例給予說明。NOG中的dY表示氣體通過一微分填料段的氣相濃度變化，(Y-Y*）為該微分段的相際傳質推動力。如果用(Y-Y*)m表示在某一高度填料層內的傳質平均推動力，且氣體通過該段填料層的濃度變化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m，即有由Z=HOGNOG可知，這段填料層的高度就等于一個氣相總傳質單元高度HOG。因此，可將NOG看作所需填料層高度Z相當于多少個傳質單元高度HOG。第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao25傳質單元數與傳質單元高度

傳質單元數NOG或NOL反映吸收過程的難易程度，其大小取決于分離任務和整個填料層平均推動力大小兩個方面。NOG與氣相或液相進、出塔的濃度，液氣比以及物系的平衡關系有關，而與設備形式和設備中氣、液兩相的流動狀況等因素無關。在設備選型前可先計算出過程所需的NOG或NOL。NOG或NOL值大，分離任務艱巨，為避免塔過高應選用傳質性能優(yōu)良的填料。若NOG或NOL值過大，就應重新考慮所選溶劑或液氣比L/V是否合理。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao26傳質單元數與傳質單元高度

總傳質單元高度HOG或HOL則表示完成一個傳質單元分離任務所需的填料層高度，代表了吸收塔傳質性能的高低，主要與填料的性能和塔中氣、液兩相的流動狀況有關。HOG或HOL值小，表示設備的性能高，完成相同傳質單元數的吸收任務所需塔的高度小。用傳質單元高度HOG、HOL或傳質系數KYa、Kxa表征設備的傳質性能其實質是相同的。但隨氣、液流率改變Kya或Kxa的值變化較大，一般流率增加，KYa（或KXa）增大。HOG或HOL因分子分母同向變化的緣故，其變化幅度就較小。一般吸收設備的傳質單元高度在0.15~1.5m范圍內。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao27傳質單元數與傳質單元高度

類似地當相平衡關系可用Y*=MX或Y=MX+B表示時，利用不同基準的總傳質系數之間的換算關系，以及總傳質系數與相內傳質系數之間的關系，可導出如下關系式氣相傳質單元高度氣相傳質單元數液相傳質單元高度液相傳質單元數第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao28三、傳質單元數的計算對于低濃度的氣體吸收，用總傳質單元數計算填料層高度Z時，可避開界面組成yi和xi。若平衡線為直線或在所涉及的濃度范圍內為直線段，直接積分就可得NOG或NOL的解析式，其求解方式主要有對數平均推動力法和吸收因子法。下面以求解NOG為例。1.對數平均推動力法設平衡線段方程為逆流吸收操作線方程為上兩式相減得取微分第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao29對數平均推動力法以氣相為基準的全塔的對數平均傳質推動力上式說明了NOG的含意：對低濃度氣體吸收是以全塔的對數平均推動力Ym作為度量單位，量衡完成分離任務（Y1-Y2）所需的傳質單元高度的數目。若分離程度（Y1-Y2）大或平均推動力Ym小，NOG值就大，所需的填料層就高。第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao302.吸收因子法將操作線方程寫為代入相平衡方程令A=L/(MV)，即吸收因子代入NOG定義式并積分第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27projectsofDr.Hao31吸收因子法將NOG表示為兩個無因次數群為了計算方便，將此式繪制成以1/A為參數的曲線圖吸收因子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，傳質推動力越大，越有利于吸收過程，NOG越小。A的