1、第四节 吸收塔的计算, 填料塔 板式塔（P305）,L；X2,G；Y1,一、气液相平衡,亨利定律：,E亨利常数,H溶解度系数,m相平衡常数,二、传质速率方程,第四节 吸收塔的计算, 填料塔 操作模式：含单一吸收质的混合气体与吸收液之两相连续地接触式逆流操作 惰气流量G、吸收剂流量 L为定值，选用含摩尔比的公式较简单 计算内容：吸收剂用量（物料衡算）填料层高度塔径（第五节讨论）,所用相关知识： 气液平衡m 相平衡常数 传质速率方程操作线方程,一、 物料衡算与操作线方程,（5-52）,OO面对塔顶（稀端）的物料衡算：,G,Y1 L,X1 混合气 吸收液,尾气 吸收剂 G,Y2 L,X2,G：惰气流
2、量kmol/s L：吸收剂流量kmol/s,O L,X OG,Y,（5-51）,L/G 称为液气比,线性化操作线方程：,操作关系：塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。,逆流吸收操作线方程：（5-52）称为逆流吸收操作线方程式。,图5-16 逆流吸收操作线,（1）当稳态连续吸收时，若L、G一定，Y1、X2恒定，则该吸收操作线在XY直角坐标图上为一直线，通过塔顶A（X2，Y2）及塔底B（X1， Y1），其斜率 为L/G，,称为吸收操作的液气比。,（2）吸收操作线仅与液气比、塔底及塔顶溶质组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。,（3）因吸收操作时，Y Y*或X* X，故吸
3、收操作线 在平衡线,的上方，操作线离平衡线愈远，,吸收的推动力愈大；,解吸操作时，YY*或X*X，,图5-16 逆流吸收操作线,故解吸操作线在平衡线的下方。,O,Y*,X*,（4）操作线离平衡线越远，推动力YY*（垂直距离）或X*X（水平距离）越大,X* X,Y*,Y,同理：OO面对塔底的物料衡算有,全塔的物料衡算：,（5-53）,或,分析气体和液体的进、出口组成就可以获得液气比及确定操作线,二、吸收剂的用量与最小气液比 已知量：G；Y1；X2；分离要求待求量： 合理的L（可由确定液气比L/G而定） 分离要求：,（1）回收溶质为目标：回收率；定义为：（2）除去杂质为目标：Y2由X2、Y2 可以
4、确定操作线的 A（T） 点,（5-54）,确定操作液气比的分析：操作线的斜率即为L/G。 若增大吸收剂用量，B点沿Y=Y1左移至C点。操作线远离平衡线吸收的推动力增大达到一定效果，塔高减小投资也减少,但液气比增加到一定程度后，塔高减小的幅度就 不显著，而吸收剂用量却过大，造成输送及吸收剂再 生等操作费用剧增。综合两方面应选择适宜的液气比。 减少吸收剂的用量B点右移；推动力减少；塔高增加。有极限D点，塔底Y = 0，塔高无穷大AD线的斜率称为最小液气比，以 (L/G)min表示,最小液气比：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件 和吸收物系，当塔内某截面吸收推动力为零时（一 般为塔底部），达到
5、分离程度所需塔高为无穷大时 的液气比。此时对应的吸收液组成为X1*，是与Y1平衡的液相组成，也就是吸收液组成的上限。,根据生产实践经验，通常吸收剂用量为最小用量 的1.12.0倍：,=（1.12.0）,吸收剂用量的确定： L=（1.12.0）,最小液气比的计算：,（1）图解法：读取交点D的 X*,（5-55）,若遇右图的情况(不符合亨利定律)，则读D点X1，max：,（5-56）,（2）解析法：若平衡关系符合亨利定律，则采用下列解析式计算最小液气比：,（5-57）,【例5-7】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用含SO20.0003（
6、摩尔比）的水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为20，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.3倍，试计算： （1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；（2）当用清水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa，20条件下SO2在水中的平衡数据如下表所示。,解： 按题意进行组成换算： 进塔气体中SO2的组成为,出塔气体中SO2的组成为,进吸收塔惰性气体的摩尔流量为G=,由表中XY数据，采用内差法得到与气相进口组成Y
7、1相平衡 的液相组成,= 0.0032,（1）,实际吸收剂用量L=1.3Lmin=1.31164=1514kmol/h18 27200kg/h 塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X1 = X2+G(Y1-Y2)/L = 0.0003 +,（2）吸收率不变，即出塔气体中SO2的组成Y2不变，,而X2=0 所以,实际吸收剂用量L=1.3Lmin=1.31054=1370kmol/h24600kg/h 塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得： X1 = X2+G（Y1-Y2）/L = 0 +,由该题计算结果可见，当保持溶质回收率不变，吸收剂所含溶质溶解度越低，所需溶剂量越小，塔底吸收液浓度越低
8、。,三、 填料层高度的计算,（一）填料层高度的基本计算式,dA = a dZ,a：为单位体积填料所具有的相际传质面积，m2/m3，与设备大小、填料特性、流体物性、流动状况有关,为填料塔的塔截面积，m2,稳态吸收时，单位时间之吸收量由物料衡算可知：,（5-58）,微小单元的总传质面积：,（5-59）,注：不易测得，视KY、KX kY kX为一体，称为体积传质系数体积传质系数，在全塔近似为常数,（5-60）,积分则得填料层高度的基本公式：,作业：253页， 5-15题,谢 谢,（二）传质单元高度与传质单元数,Z = 传质单元高度传质单元数,式（5-59）中,的单位为m，故将它,单元高度，以HOG表
9、示，即 ，而,设想：,称为气相总传质,量纲为1，故称它为气相总传质单元数，记为 ，即,。因此，填料层高度,同理：,传质单元数意义：,、,、,、,计算式中的分子为气相或液相组成变化，即分离效果（分离要求）；分母为吸收过程的推动力。若吸收要求愈高，而吸收的推动力愈小，传质单元数就愈大。所以传质单元数 反映了吸收过程的难易程度。当吸收要求一定时，欲减少 传质单元数，则应设法增大吸收推动力。,传质单元的意义,以,为例，由积分中值定理得知：,当气体流经一段填料，其气相中溶质组成变化（Ya Yb） 等于该段填料平均吸收推动力（YY*）m，即 该段填料为一个传质单元。,时，,传质单元高度意义：,以,为例，由
10、 可以看出，,时，,。故传质单元高度的物理意义为完成一个传质,中，,为传质阻力，体积传质系数 与填料性能和填料,润湿情况有关。故传质单元高度的数值反映了吸收设备传 质效能的高低，,愈小，吸收设备传质效能愈高，完成,作条件、及传质设备结构参数有关。为减少填料层高度， 应减少传质阻力，降低传质单元高度。一般取0.1 1.0m。,单元分离效果所需的填料层高度。因在,一定分离任务所需填料层高度愈小。,与物系性质、操,气相总传质单元高度HOG与气相总压p：（成反比） 液相总传质单元高度HOL与液相总浓度c：（成反比）, 各种传质单元高度之间的关系(利用5-50关系式),其中,为解吸因数，其倒数,为吸收因
11、数,吸收因数的意义：为吸收操作线的斜率与平衡线斜率的比,（三）传质单元数的计算 1、对数平均推动力法 条件：,当气液平衡线为直线时，Y* = mX，由塔底推动力和塔顶推动力 来计算全塔的平均推动力。,、,由P157页的讨论可知： 与 成直线关系斜率,时，对数平均推动力可用算术平均推动,2、吸收因数法 条件：,气液平衡关系在吸收过程所涉及的组成范围内 服从亨利定律,（5-76）,为解吸因数（脱吸因数）,NOG也可计算 后， 由P235页图5-23查得。,讨论： （1）,值的大小反映了溶质A吸收率的高低。,小，吸收率愈低，,就愈小，,所需填料层高度愈低。 可由如下因素引起：Y1 or Y2 or由
12、 知X2,（2）参数S反映了吸收过程推动力的大小，,线越靠近平衡线，则吸收过程的,值增大。,S越大，吸收操作,S ：L ，or G ，or m （操作线斜率增大，推动力增大） m ：降低操作温度t，（E降低，m=E/p）或增大总压p,推动力越小，,注意：当操作条件、物系一定时，S减少，通常是 靠增大吸收剂流量实现的，而吸收剂流量增大会使 吸收操作费用及再生负荷加大，所以一般情况，S 取0.70.8m（或L/mG取12）是经济合适的。,3、图解积分法当平衡线为曲线时，传质单元数一般用图解积分法求取：,图解积分法的步骤如下： 由平衡线和操作线求出若干个点（Y，Y-Y*），如图所示； 在Y2到Y1范
13、围内作Y 1/（Y-Y*）曲线，如图所示； 在Y2与Y1之间，Y 1/（Y-Y*）曲线和横坐标所包围的面积 为传质单元数，如图所示的阴影部分面积。,yb,ya,o,E,【例5-6】在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，氨的分压为1.333 kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍，操作温度(293K)下的气液相平衡关系为Y*=0.75X，气相总体积吸收系数为0.088kmol/m3s，试求（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。,解： (1),因混合
14、气中氨含量很少，故,实际吸收剂用量L=1.4Lmin=1.435.4=49.8kmol/h,(2) X1 = X2+G（Y1Y2）/L = 0+,=,=,=,=,= 14.240.30=4.27m,以上是设计型计算，主要根据设计要求求出塔高。即求出吸收剂用量；计算传质单元高度，传质单元数，填料高度等。,作业：253页， 5-16题,谢 谢,四、 吸收塔操作计算,吸收塔的操作型计算是指吸收塔塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算。例如已知塔高Z，气、液流量，混合气体中溶质进口组成 、体积传质系数,、吸收剂进口组成,KY a时，核算指定设备能否完成分离任务。又如某一操作条件 （L、G、T
15、、p、,、,）之一变化时，计算吸收效果如何变化。,一般由物料衡算（操作线方程）、气液平衡关系（如亨利定律）、传质速率方程式联立求解。,【例5-7】在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓度氨气， 若清水量适量加大，其余操作条件不变，则 如何变化？,、,（已知体积传质系数随气量变化关系为,）,解：用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程，故,因气体流量G不变，所以,近似不变。由于,，,不变，所以HOG不变。,可知,当清水量加大时，因,，故S降低，由式（5-76）或,会增大，故,根据物料衡算,可近似推出,将上升。,因塔高不变，故根据Z=,不变。,将下降。,图5-23可以看出,例5-8：在5-6的基础上，若吸
16、收剂改为含氨0.1%的水溶液，求氨的回收率？ 解： 而X2的改变不影响HOG，又Z一定，所以NOG = Z/HOG也不变，由式（5-76）可见，NOG不变，以及mG/L也没有变化，所以,回收率由99.5%降到93.9%，降了5.6%。,例5-11：高4m的填料塔，用清水吸收混合气中摩尔比为0.05的 CO2，液气比为150，吸收率为95%，操作温度为20，总压力为1.5MPa。若总压力改为2MPa，吸收率为多少？ 解： （1）用气相总传质单元数NOG计算：,20时，ECO2 = 144MPa，,总压增加，HOG将发生变化，因为有 及KY = pKG（5-64） （5-46）,由此，Y2Y2,（
17、2）用液相总传质单元数NOL计算： （见241页）,五、解析塔的计算（自学）,一、填料塔的结构及填料特性,第五节 填料塔,（一）填料塔结构及作用,1、填料层提供气液接触的场所。,2、液体分布器 均匀分布液体，以避免发生沟流现象。 3、液体再分布器避免壁流现象发生。 4、支撑板 支撑填料层，使气体均匀分布。 5、除沫器防止塔顶气体出口处夹带液体。,四、 填料塔的附件,二、 填料塔内的气液两相流动特性讨论压力降P、喷淋液量L、空塔气速u的关系,（一）气体通过填料层的压降L=0 干填料， 直线，,L，空隙率，气体流通通道减小，同一气速下，喷淋密度大，压降大，斜率增大。,A载点 B泛点,A1,A2,B
18、2,B1,气流受阻明显 填料层几乎充满 表面持液量增多 液体，压力降急 剧波动,1、恒持液量区,A点以上，u大，阻碍液体顺畅下流，持液量 增加，此为拦液现象，出现拦液现象时的气速为载点气速，超过载点气速后，Pu2.0 。,A点以下， u小，气液流动几乎与气速无关。 Pu1.82.0，且基本与干填料平行。,2、载液区,u，液体在塔内积累而发生液泛，此时的气速称泛点气速。 P u 斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。,3、液泛区,L增大,(二)泛点气速的确定（参见P248图5-29）,三、 塔径的计算,吸收塔塔径的计算可以仿照圆形管路直径的计算公式,式中 D吸收塔的塔径，m；VS混合气体通过塔的实
19、际流量，m3/s；u空塔气速，m/s。一般取泛点气速的50%80%。,（5-70）,注意： （1）在吸收过程中溶质不断进入液相，故实际混合气量因溶质的吸收沿塔高变化，混合气在进塔时气量最大，混合气在离塔时气量最小。计算时气量通常取全塔中气量最大值，即以进塔气量为设计塔径的依据。 （2）计算塔径关键是确定适宜的空塔气速，通常先确定液泛气速，然后考虑一个小于1的安全系数，计算出空塔气速。液泛气速的大小由吸收塔内气液比、气液两相物性及填料特性等方面决定。 （3）按式（5-94）计算出的塔径，还应根据国家压力容器公称直径的标准进行调整。,249页，例5-13,作业： 254页，5-20题（1）（2）不做,谢 谢,
