1、8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,一、全塔物料衡算,在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。,逆流吸收塔的物料衡算,原料气：AB,吸收剂：S,尾气：B(含微量A),溶液：S+A,kmol(B) /s),Y1 kmol(A)/kmol(B),kmol(S)/s,X2 kmol(A)/kmol(S),kmol(S)/s,X1kmol
2、(A)/kmol(S),m,n,Y,X,kmol(B) /s,Y2 kmol(A)/kmol(B),填 料 塔,在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算,溶质A的吸收率,气体出塔时的组成Y2,一、全塔物料衡算,二、操作线方程与操作线,吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与X之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。,在 m-n 截面与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，可得,逆流吸收塔 操作线方程,同理，在 m-n 截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡算，得,操作线方 程为直线,斜率,B (X1，Y1),T (X2，Y2),二、操作线方程与操作线,逆流吸收塔 操作线方程,过点,塔底,塔顶,
3、逆流吸收操作线,Y*=f(X),操作线,推动力,斜率 （液气比）,思考：如何得出并流吸收操作线？位置如何？,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比 。,液气比 的常用确定方法是：先求出吸收过程的最小液气比 ，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。,一、最小液气比,最小液气比可用图解法求得 ：,一、最小液气比,最小液气比,最小溶剂用量,纯溶剂吸收,吸收塔的最小液气比 （非正常曲线）,Y*=m
4、X,二、适宜的液气比,操作费用,设备费用,填料层高度,根据生产实践经验，一般取,推动力,适宜液气比,适宜溶剂用量,处理量 一定,动力消耗,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,塔径的计算,工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算：,注意,计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。,计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u 。,吸收塔直径计算式,计算塔径时， 采用操作状态下的数据。,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2
5、 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,8.4.4 吸收塔有效高度的计算,一、传质单元数法,1. 基本计算公式,填料塔为连续接触式设备，随着吸收的进行，沿填料层高度气液两相的组成均不断变化，塔内各截面上的吸收速率并不相同。为解决填料层高度的计算问题，需要对微元填料层进行物料衡算。,微元填料层的物料衡算,在微元填料层内对组分A作物料衡算：,填料总比 表面积,填料润湿比表面积aW,填料有效比表面积a,一、传质单元数法,填料有效比表面积 m2/m3,吸收塔截面积 m2,整理可得,在全塔范围内积分,一、传质单元数法,填料层高度基 本计算公式,2. 传质单元高度与传质单元数,比较：换热器的换热管长度
6、基本计算公式,一、传质单元数法,传热单 元长度,传热单 元数,传热单 元长度,传热单 元数,一、传质单元数法,分析,令,气相总传质 单元高度,气相总传 质单元数,HOG 的物理意义,KY,NA,HOG,HOG 是反映吸收速率大小因数，HOG 越小，吸收速率越大，也可反映吸收设备的分离能力。,一、传质单元数法,NOG 是反映吸收分离难易程度的因数，NOG 越大，吸收分离的难度越大。,Z,NOG,HOG 一定,吸收分离的难度,一、传质单元数法,NOG 的物理意义,3. 传质单元数的求法,(1) 解析法, 脱吸因数法,设平衡关系为,由操作线方程，可得,一、传质单元数法,直线 关系,一、传质单元数法,
7、由,代入得,令,脱吸因数为平衡线斜率 与操作线斜率的比值 。,一、传质单元数法,脱吸因数,则,积分并化简，可得,适用条件,一、传质单元数法,同理，可导出,吸收因数,吸收因数为操作线斜率 与平衡线斜率的比值 。,平衡关系为直线,计算填料层高度,计算尾气浓度,计算吸收剂用量, 对数平均推动力法,由于,所以,一、传质单元数法,可导出,令,则,一、传质单元数法,对数平均推动力,同理，可导出,其中,一、传质单元数法,适用条件,平衡关系为近似直线,若,一、传质单元数法,或,则,或,可用算术平均值代替对数平均值,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气
8、体吸收的计算,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,吸收系数是吸收过程计算的关键。吸收系数不仅与物性、设备类型、填料形状和规格等有关，而且还与塔内流体流动状况、操作条件密切相关。,吸收系数的获取途径,实验测定,经验公式计算,准数关联式计算,获取吸收 系数途径,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,8.5.1 吸收系数的测定,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,一、实验装置与流程,实验测定是获得吸收系数的根本途径。实验测定一般在已知内径和填料层高度的中间实验设备上或生产装置上进行，用实际操作的物系，选定一定的操作条件进行实验。
9、,水吸收氨过程吸收系数的测定实验流程,二、测定方法,测定数据：,计算进塔气体组成 Y1,操作温度 t,操作压力 P,出塔气体组成 Y2,出塔液体组成 X1,空气流量,水流量,氨气流量,总体积吸收系数KY a 计算公式：,三、吸收系数的计算,8.5.1 吸收系数的测定,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,8.5.2 吸收系数的经验公式(选读),8.5.3 吸收系数的准数关联式(选读),第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,8.6 其他吸收与解吸,8.6.1 其他吸收过程(选读),8.6.2 解吸(脱吸),一、解吸的原理与应用,吸收,解吸,气相中的溶质向液相中溶解,液相中的溶质向气相中释放,低温、高
10、压,高温、低压,应用场合,溶剂昂贵或不易获得，需回收利用,溶质为目的产物,传质 方向,操作 条件,二、化工中常用的解吸方法,解吸 方法,加热解吸,加入气提气，降低溶质的分压。,吸收在加压下进行，通过减压进行解吸。,对吸收液加热，通过升温进行解吸。,加热减压联合进行，提高解吸程度。,气提解吸,减压解吸,加热减压联合解吸,脱碳系统吸收液的减压解吸工艺流程,1吸收塔 2闪蒸罐 3溶剂泵 4解吸塔,2.2 MPa,0.6 MPa,0.1 MPa,脱碳系统吸收液的减压气提解吸工艺流程,1吸收塔；2闪蒸罐；3溶剂泵；4解吸塔；5气提解吸塔,2.2 MPa,0.6 MPa,0.1 MPa,三、气提解吸的计算
11、,从原理上，气提解吸与逆流吸收是相同的，只是在解吸中传质的方向与吸收相反，吸收过程的操作线在平衡线的上方，而解吸过程的操作线在平衡线的下方。因此，吸收过程的分析方法和计算方法均适用于解吸过程。,气提解吸过程示意图,吸收与解吸操作线的比较,吸收,解吸,思 考,1.并流吸收的操作线如何导出？与逆流吸收有何差异？2.解吸有哪些方法，如何进行选择？,8.7.1 填料,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,8.6 其他吸收与解吸,8.7 填料塔,特点：生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大、 塔内持液量小。,填料塔的结构,一、填料的类型,(1) 环形填料,拉西环,勒辛环,十字隔 板环,螺旋环,鲍尔环,
12、阶梯环,扁环,改变通量，改善气液流动状况,增加填料比表面积,1.散装填料,拉西环,鲍尔环,阶梯环,扁环,(2)鞍形填料与环鞍形填料,弧鞍填料,改进矩鞍填料,矩鞍填料,与环形填 料相结合,环矩鞍填料,一、填料的类型,弧鞍填料,矩鞍填料,金属环矩鞍填料,(3)球形填料与花环填料,球形填料,多面球填料,花环填料,通常用塑料注塑而成,TRI球形填料,共轭环填料,海尔环填料,纳特环填料,花环填料,一、填料的类型,多面球形填料,TRI 球形填料,花环填料,海尔环填料,共轭环填料,纳特环填料,塑料异型环 矩鞍填料,(1)格栅填料,格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的
13、格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。,2.规整填料,一、填料的类型,木格栅填料,格里奇格栅填料,(2)波纹填料,目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类。,一、填料的类型,金属孔板波纹填料,金属丝网波纹填料,陶瓷板波纹填料,塑料板波纹填料,二、填料的性能及其评价,(1)比表面积,单
14、位体积填料层的表面积称为比表面积，以表示，其单位为 m2/m3。,传质面积,传质效率,流动阻力,生产能力,分析,1.填料的几何特性,(2)空隙率,单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以 表示，其单位为 m3/m3，或以%表示。,流动阻力,塔压降,生产能力,传质效率,流动阻力,分析,二、填料的性能及其评价,(3)填料因子,填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填料因子，以 表示，其单位为1/m。,分析,传质效率,流动阻力,生产能力,二、填料的性能及其评价,干填料因子,在操作状态下,湿填料因子,压降填料因子 P,泛点填料因子 F,二、填料的性能及其评价,P,P,操作气速 u,F,PF,泛点气速 u
15、F,吸收剂用量,湿填料因子,二、填料的性能及其评价,2.填料的性能评价,填料的性能评价指标,生产能力大,传质效率高,填料层压降低,操作弹性大,造价低,8.7.1 塔填料,第八章 气体吸收,8.7 填料塔,8.7.2 填料塔的流体力学性能与操作特性,一、填料塔的流体力学性能,填料层的持液量是指在一定操作的条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积。,持液量,总持液量 Ht,动持液量 Ho,静持液量 Hs,1.填料层的持液量,HtHo Hs,分析,Ht,填料层 压降,传质效率,生产能力,填料层的压降形成,液膜与填料表面的摩擦,液膜与上升气体的摩擦,u 一定,L,L 一定,u,填料塔的流 体力学性能
16、,分析,u,单位高度填料层压降,一、填料塔的流体力学性能,2.填料层的压降,填料层的P u关系,液泛区,载液区,恒持液量区,泛点,载点,二、填料塔的操作特性,气液两相的均匀分布是填料塔设计与操作中十分重要的问题。,气液 分布,初始分布,动态分布,1.填料塔内的气液分布,进塔的气液两相通过分布装置所进行的强制分布。,在一定的操作条件下，气液两相在填料层内，依靠自身性质与流动状态所进行的随机分布。,2.液体喷淋密度与填料表面的润湿,单位塔截面积上单位时间内喷淋的液体体积液体喷淋密度。,m3/(m2h), 液体体积流量，m3/s, 填料塔的截面积，m2,二、填料塔的操作特性,（1）液体喷淋密度,(2
17、)最小液体喷淋密度,为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值 最小液体喷淋密度。,Umin,最小液体喷淋密度，m3/(m2h),最小喷淋密 度计算式, 最小润湿速率，m3/(mh),经验值,二、填料塔的操作特性,在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被破坏，此种情况称为液泛。,液泛时的空塔气速,泛点气速 uF,二、填料塔的操作特性,3.液泛,(1)填料塔的液泛现象,uF,影响液泛 的因素,填料特性,流体物性,L,L,V,液气比,分析,uF,uF,uF,uF
18、,二、填料塔的操作特性,(2)影响液泛的因素,(3)泛点率,散装填料,规整填料,85%,95%,二、填料塔的操作特性,为保证填料塔正常操作，其操作气速应低于泛点气速，操作气速与泛点气速的比值称为泛点率。,安全系数,uF,u,(4)泛点气速的计算,二、填料塔的操作特性, 贝恩霍根关联式,A、K 关联式常数，由表 8-9 查出。, 埃克特(Eckert)通用关联图,散装填料的泛点气速可用埃克特通用关联图计算。,埃克特通用关联图,横坐标,纵坐标,泛点填料因子,二、填料塔的操作特性,a、b 关联式常数，由有关手册查出。,为了工程计算方便，将散装填料的泛点填料因子进行归纳整理，得到与液体喷淋密度无关的泛
19、点填料因子平均值，部分散装填料的泛点填料因子平均值见表 8-10。,8.7.1 塔填料,第八章 气体吸收,8.7 填料塔,8.7.2 填料塔的流体力学性能与操作特性,8.7.3 填料塔的内件,一、 填料支承装置,填料支承装置的作用是支承塔内的填料。,填料支承 装置类型,栅板型,孔管型,驼峰型,二、填料压紧装置,填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。,填料压紧 装置类型,栅板型,网板型,三、液体分布装置,液体分布装置作用是将进塔液体均匀分布，以喷洒在填料层的上方。,液体分布 装置类型,喷头式,盘式,管式,槽式,槽盘式,喷头式液体分布器,盘式液体分布器,管式液体分布器,槽式液体分布器,槽盘式液体分布器,四、液体收集及再分布装置,液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象壁流。壁流导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。,液体收集及再分布装置类型,截锥式,斜板式,槽盘式液体分布器,截锥式液体收集及再分布器,斜板式液体收集器,气体在液体中的溶解度,学 习 指 导,本章重点掌握的内容,亨利定律,学 习 指 导,吸收系数的准数关联式中常用的准数,填料塔 填料的主要类型 填料的几何特性 填料塔的流体力学性能与操作特性,
