吸收或解吸塔的计算

第四节吸收（或解吸)塔的计算一、概述二、物料衡算和操作线方程三、吸收剂用量的决定和最小液气比四、低浓度气体吸收塔填料层高度的计算五、理论板数的计算六、解吸一、概述1.吸收塔的计算吸收塔的计算设计型计算操作型（校核型）计算第四节吸收（或解吸)塔的计算2.设计计算的主要内容与步骤(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)确定塔的高度；(6)塔的流体力学计算及校核；(7)塔的附件设计。第四节吸收（或解吸)塔的计算3.校核计算的主要内容与步骤(1)吸收率的计算(2)吸收剂用量、组成及操作温度对吸收塔的影响4.计算依据物系的物料衡算、相平衡关系和传质速率方程式第四节吸收（或解吸)塔的计算对稳定吸收过程，全塔物料衡算为：下标“a”代表填料层上顶截面；下标“b”代表塔内填料层下底截面。V——惰性气体B的摩尔流率kmol/s；L——吸收剂S的摩尔流率kmol/s；Y——溶质A在气相中的摩尔比浓度；X——溶质A在液相中的摩尔比浓度。二、物料衡算与吸收操作线方程全塔物料衡算目的：计算吸收剂出口浓度。baabLXVYLXVYV,YaV,YbL,XbL,Xa1.全塔物料衡算第四节吸收（或解吸)塔的计算进塔惰性气体流量V和组成Yb由吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成Xa一般由工艺条件确定，吸收剂用量由设计者给出，出塔气体组成Ya则由任务给定或由给定的吸收率求出，由上式可求算出吸收剂出口浓度Xb。bababAYYYYY1)1(AbaYY2.吸收率的定义：混合气中溶质A被吸收的量占总量的百分率，称为溶质的吸收率或回收率，以φ表示，即：V,YaV,YbL,XbL,Xa已知进料中A的组成为50%（mol%）,要求气体吸收率为90%，则塔顶尾气中A的组成：A:9%B:7%C:5%D:3%第四节吸收（或解吸)塔的计算aaXVLYXVLY3.操作线方程与操作线在任一截面与塔顶间作溶质A的物料衡算，有V,YaV,YbL,XbL,XaV,YL,X)()(aaXXLYYV第四节吸收（或解吸)塔的计算操作线方程YXoBYbXbXaYaAYXXeYeP第四节吸收（或解吸)塔的计算aaXVLYXVLY并流操作线方程V,YaV,YbL,XbL,XaV,YL,X对并流操作的吸收塔，其操作线方程可取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）作物料衡算得到。aaXVLYXVLYYXoAYaXaXbYbBYXXeYeP第四节吸收（或解吸)塔的计算4.吸收塔内流向的选择逆流操作时，传质推动力变化较小；并流操作时，传质推动力变化较大；逆流操作的平均推动力大于并流；工业吸收一般多采用逆流。第四节吸收（或解吸)塔的计算三、吸收剂用量的确定aabbXYYLVX可知吸收剂出塔浓度Xb与吸收剂用量L是相互制约的，吸收剂用量L对出塔浓度Xb及吸收过程的影响可通过Y-X坐标图分析。由全塔物料衡算式第四节吸收（或解吸)塔的计算YXoYe=f(X)AYbXb’XaYaA(L/V)‘BXb(L/V)Xbe(L/V)minC1.最小液气比(L/V)min第四节吸收（或解吸)塔的计算若吸收剂用量L/V吸收剂出塔浓度Xb，循环和再生费用；吸收剂出塔浓度Xb，设备费用。若吸收剂用量，L/VabeabXXYYVLminabeabXXYYVLmin若相平衡线的形状不规则YXoYe=f(X)YbXaYaBXbe(L/V)minCXb,maxababXXYYVLmax,minababXXYYVLmax,min第四节吸收（或解吸)塔的计算2.吸收剂用量的确定L↑,操作费用↑，L↑,设备费用↓；按总费用最低的原则来选取；根据生产实践经验，一般取：min0.2~1.1VLVL兼顾填料润湿率。VVLLmin0.2~1.1第四节吸收（或解吸)塔的计算在20℃，1atm下，用清水分离氨-空气的混合气体，混合气体中氨的分压为1330Pa，经吸收后氨的分压降为7Pa，混合气体的处理量为1020kg/h，操作条件下平衡关系为Ye=0.755X。若适宜的吸收剂用量为最小用量的2倍，求所需吸收剂用量及离塔氨水的浓度。吸收塔V,ybV,yaxa,L=?xb=?例题：第四节吸收（或解吸)塔的计算四、低浓度气体吸收填料层高度的计算1.填料层高度的计算式第四节吸收（或解吸)塔的计算V,YaV,YbL,XbL,Xah填料塔的不同截面，Y,X不同；→传质推动力不同；→传质速率不同；要确定整个填料塔的传质量，需采用微积分方法。所以haNANAAdd从物质传递过程角度分析，若dh微元段内传质速率为NA，则通过该微元填料层的溶质A的传递量为XLYVGAddd任取填料层中高度为dh的微分段haNLdXYVGAAdddV,YaV,YbL,XbL,XaYXhY+dYdhX+dX第四节吸收（或解吸)塔的计算由物平可知通过该微元层物质的传递量为：将以气相摩尔比分数表示的总的传质速率方程代入，则有：分离变量，对上式沿塔高积分得haYYKYVeYdddYaYYKVhbaYYeY)(第四节吸收（或解吸)塔的计算dYaYYKVdhbaYYeYh)(0同理，将以液相摩尔比分数表示的总的传质速率方程代入，则有分离变量，对上式沿塔高积分得haXXKXLeXdd第四节吸收（或解吸)塔的计算dXaXXKLdhbaXXeXh)(0dXaXXKLhbaXXeX)(若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi-X)可得：baYYiYYYYakVhdbaXXiXXXXakLhd用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应相组成表示的填料层高度h的计算式。第四节吸收（或解吸)塔的计算对低浓度气体吸收(yb10%)，传质系数kY、kX、KY、KX沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条件下的平均值，作为常数提到积分号外面。体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积a的乘积（KYa及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为kmol/(m3.s)。体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。baYYeYYYYaKVhdbaXXeXXXXaKLhd第四节吸收（或解吸)塔的计算2.传质单元数与传质单元高度对气相总传质系数和推动力：HOG——气相总传质单元高度，m；NOG——气相总传质单元数，无因次。HOL——液相总传质单元高度，m；NOL——液相总传质单元数，无因次。aKVHYGObaeYYGOYYYNdOGOGNHhaKLHXLObaXXeLOXXXNdOLOLNHhbaYYeYYYYaKVhd若令对液相总传质系数和推动力：baeXXXXXXaKLhd若令第四节吸收（或解吸)塔的计算类似地GGNHhakVHYGbaYYiGYYdYNLLNHhakLHXLbaXXiLXXdXN气相传质单元高度气相传质单元数液相传质单元高度液相传质单元数第四节吸收（或解吸)塔的计算由此可见，如果气体流经一段填料层所产生的浓度变化(Yb-Ya)恰等于此段填料层内气相总推动力的平均值时，那么这段填料层就可视为一个气相总传质单元，其高度就等于一个气相总传质单元高度。1meabYYeOGYYYYYYdYNba第四节吸收（或解吸)塔的计算讨论baYYeGOYYYNd由此可见，如果液体流经一段填料层所产生的浓度变化(Xb-Xa)恰等于此段填料层内液相总推动力的平均值时，那么这段填料层就可视为一个液相总传质单元，其高度就等于一个液相总传质单元高度。1meabXXeOLXXXXXXdXNba第四节吸收（或解吸)塔的计算讨论baXXeLOXXXNd传质单元数NOG或NOL反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面。Yb不变，Ya↓,NOG↑；Xa不变，Xb↑,NOL↑。L/V↑，填料层平均推动力↑，NOG↓,NOL↓。baYYeGOYYYNdbaXXeLOXXXNd第四节吸收（或解吸)塔的计算总传质单元高度HOG或HOL则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，单位为m。代表了吸收塔传质性能的高低，主要与气液相流量，填料的性能和两相的流动状况有关。HOG或HOL值小，表示设备的性能高一般吸收设备的传质单元高度在0.15-1.5m范围内。aKVHYGOaKLHXLO第四节吸收（或解吸)塔的计算(一)平衡线为直线时传质单元数的计算(以求解NOG为例)1.对数平均推动力法设平衡线段方程为逆流吸收操作线方程为BmXYeaaXVLYXVLY)(YdYYYYdYabab第四节吸收（或解吸)塔的计算(Y-Ye)与Y必成直线关系，其斜率可用两点间的坐标表示：ababeYYYYdYYddYYY)(dbabaYYababYYeOGYYdYYYYYYYN)(d第四节吸收（或解吸)塔的计算令baYYababYYdYYYY)(ababmYYYYYlnababababababYYYYYYYYYYYYlnln第四节吸收（或解吸)塔的计算mabYYeOGYYYYYdYNbaaeaabebbababmYYYYYYYYYYYln其中所以2.解析法（相平衡关系可用Y=mX表示）aaXYYLVX)(将操作线方程写为代入相平衡方程令S=mV/L，即脱吸因子babaYYaeaYYeOGYYLmVYLmVYYYYN1ddaeaaaeYYLmVYLmVXYYLVmY)(第四节吸收（或解吸)塔的计算baYYaeaOGYSYYSYN1d第四节吸收（或解吸)塔的计算aeaabOGYYYYNS=1时S≠1时SYYYYSSNaeaaebOG1ln11SmXYmXYSSNaaabOG1ln11或第四节吸收（或解吸)塔的计算的值的意义aaabmXYmXY第四节吸收（或解吸)塔的计算脱吸因子S=(mV/L)是相平衡线斜率与操作线斜率的比值。m值越小，L/V越大，两线相距越远，传质推动力越大，越有利于吸收过程，当吸收要求一定时，NOG越小。S值的倒数L/(mV)称为吸收因子A，其值越小，对吸收越不利，由图可知，当吸收要求一定时，NOG越大。当用（Xe-X）作传质推动力时，对平衡线为直线的情况，用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式aaeabbebababmXXXXXXXXXXXlnAYYYYAANbebaebOL1ln11mabXXeOLXXXXXXNbad3.平衡线为直线时液相传质单元数的计算第四节吸收（或解吸)塔的计算在填料吸收塔中，用清水吸收甲醇-空气混合气体中的甲醇蒸汽，在1atm，27℃下进行操作，混合气体流量为1200m3/h，塔底处空塔气速为0.4m/s，混合气体中甲醇的浓度为66.67g甲醇/m3空气，甲醇回收率为95%，水的用量为1215kg/h，体积吸收总系数KY·α=100kmol/(m3·h)，操作条件下气液平衡关系为Y=1.1X。试计算所需的填料层高度。例：V,y1V,y2x2,Lx1吸收塔第四节吸收（或解吸)塔的计算二、平衡线为曲线时传质单元数的计算近似梯级图解法图解积分法第四节吸收（或解吸)塔的计算YXoYe=f(X)AYBXB