化工原理第五章(吸收塔的计算)

2020/6/25第四节吸收塔的计算一、物料衡算与操作线方程二、吸收剂用量的确定三、填料层高度的计算第五章吸收2020/6/25【吸收塔的计算内容】1、设计型计算（1）吸收塔的塔径；（2）吸收塔的塔高等。2、操作型计算（1）吸收剂的用量；（2）吸收液的浓度；（3）在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产任务，核算塔设备是否合用。2020/6/25一、物料衡算和操作线方程1、物料衡算G——单位时间通过任一塔截面惰性气体的量，kmol/s；L——单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂的量，kmol/s；Y——任一截面上混合气体中溶质的摩尔比，X——任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图物料衡算示意图2020/6/25【假设】溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂（即操作过程中L、G为常数）。以单位时间为基准，在全塔范围内，对溶质A作物料衡算得：——全塔的物料衡算式（进入量＝引出量）1221LXGYLXGY或)()(2121XXLYYGG,Y2L,X2G,Y1L,X1物料衡算示意图2020/6/25【溶质的回收率】【定义】进塔气体中的溶质量被吸收的溶质量121121)(YYYGYYYG【计算公式】——塔底、塔顶组成与回收率之间的关系)1(12YY【吸收液的浓度】)(2121YYLGXX【有关计算】G,Y2L,X2G,Y1L,X1物料衡算示意图2020/6/252、吸收操作线方程与操作线逆流吸收塔内任取mn截面，在截面mn与塔顶间对溶质A进行物料衡算：GY+LX2=GY2+LX或)(22XGLYXGLYG,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图2020/6/25若在塔底与塔内任一截面mn间对溶质A作物料衡算，则得到：11LXGYLXGY或)(11XGLYXGLY【吸收操作线方程式的作用】表明了塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图2020/6/25【逆流吸收操作线方程的有关讨论的特点】（1）当定态连续吸收时，若L、G一定，Y1、X1恒定，则该吸收操作线在X～Y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。【定义】L/G称为吸收操作的液气比。)(11XGLYXGLY2020/6/25YY1YY2XXX1X2Y=f(X))(11XGLYXGLY吸收操作线G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X10塔顶塔底斜率＝L/G2020/6/25（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）吸收操作时，YY*或X*X，故吸收操作线在平衡线Y*＝f(X)的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；（4）对于解吸操作，YY*或X*X，故解吸操作线在平衡线的下方。2020/6/25YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收推动力0X*Y*)(*YYKNYA)(*XXKNXA吸收推动力Y－Y*吸收推动力X*－X2020/6/25二、吸收剂用量与最小液气比1、最小液气比【定义】对于一定的分离任务、操作条件和吸收物系，当塔内某截面吸收推动力为零时（气液两相平衡Y－Y*＝0），达到分离要求所需塔高为无穷大时的液气比称为最小液气比，以（L/G）min表示。)(*AAYYAKANFY式中FA——单位时间溶质的吸收量，mol/s；A——气液相接触面积，m2。2020/6/25【特点】操作线与平衡线相交或相切。【问题】如果进一步减小液气比，将会出现什么状况？最小液气比下的操作线Y1*Y1－Y1*=0Y－Y*=02020/6/252、操作液气比对吸收操作的影响【设备费用降低】增大吸收剂用量，操作线的斜率变大，操作线往上抬。在此情况下，操作线远离平衡线，吸收的推动力增大，若欲达到一定吸收效果，则所需的塔高将减小，设备费用会减少。【操作费用增加】吸收剂用量增加到一定程度后，塔高减小的幅度就不显著，而吸收剂消耗量却过大，造成输送及吸收剂再生等操作费用剧增。（1）增大吸收剂用量对吸收操作的影响2020/6/25【设备费用增加】减少吸收剂用量，操作线的斜率变小，操作线往下压。在此情况下，操作线靠近平衡线，吸收的推动力减小，若欲达到一定吸收效果，则所需的塔高将增大，设备费用会增加。【操作费用降低】随着吸收剂用量的减少，吸收后所获得的吸收液浓度会增大，降低了解吸工段的难度；同时吸收剂消耗量也会较少，输送及吸收剂再生等操作费用减少。（2）减少吸收剂用量对吸收操作的影响2020/6/25【确定原则】应选择适宜的液气比，使设备费和操作费之和最小。【确定方法】根据生产实践经验，通常吸收剂用量为最小用量的1.1～2.0倍，即：3、吸收剂用量的确定L适宜=（1.1～2.0）Lminmin0.2~1.1GLGL）（适宜或2020/6/25LL适宜费用总费用设备费操作费L适宜=（1.1~2.0）Lmin2020/6/254、最小液气比的确定（1）图解法【方法一】（1）在X-Y图上分别画出平衡线与操作线；（2）根据交点坐标值计算：2*121minXXYYGL斜率＝（L/G）min操作线平衡线2020/6/25（1）过点（X2，Y2）作平衡线的切线；（2）水平线Y＝Y1与切线相交于点（X1,max，Y1），则可按下式计算最小液气比：2max,121minXXYYGL【方法二】操作线与平衡线相切，则：)(*XfY1Y2Y2X1Xmax,1X2020/6/25（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：2121minXmYYYGLmYX1*1由于Y1Y2X2X1*2020/6/25【例】用清水在常压塔内吸收含SO29%(mol)的气体。温度为20℃，逆流操作，处理量为1m3/s。要求SO2的回收率为95%，吸收剂用量为最小吸收剂用量的120%。求吸收后吸收液的浓度和吸收用水量。已知操作条件下的气液平衡关系为Y*=31.13X2020/6/25099.009.0109.01111yyY2121min/)(XmYYYGL6.29013.31099.000495.0099.0)(minGL【解】已知y1＝0.09η＝95％＝0.95∴Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495据Y*＝31.13X知：m＝31.13据∴2020/6/252121XXYYGL5.35000495.0099.01X)/(85.3709.012932734.221000smolG）＝－（据∴可解得吸收液的浓度为X1=0.00265∵故吸收用水量为：L＝35.5G＝35.5×37.85＝1343(mol/s)＝1.343(kmol/s)∵L＝120％Lmin＝1.2Lmin∴5.356.292.1)(2.1min＝GLGL2020/6/25三、吸收塔填料层高度的计算1、填料塔的高度封头塔顶空间塔底空间裙座【说明】填料塔的高度主要决定于填料层高度。2020/6/25H——塔高(从A到B，不包括封头、裙座高)，m；Z——填料层高．m；Hf——装置液体再分布器的空间高，m；Hd——塔顶空间高(不包括封头部分)，m，一般取Hd=0.8～1.4m；Hb——塔底空间高(不包括封头部分)，m，一般取Hb=1.2～1.5m；n——填料层分层数H＝Hd十Z十(n—1)Hf十HbHdHfHb2020/6/25【说明】由于液体再分布器、喷淋装置、支承装置、捕沫器等的结构不同时其高度不同，当一时无法准确确定时，也可采用下式近似计算塔高：H=1.2Z+Hd+HbHd——塔顶空间高(不包括封头部分)，m；Hb——塔底空间高(不包括封头部分)，m。【填料塔高度的近似计算】2020/6/252、填料层高度的基本计算式【计算依据】（1）物料衡算式；（2）传质速率方程式。【操作特点】在填料塔内任一截面上的吸收的推动力（Y－Y*）均沿塔高连续变化，所以不同截面上的传质速率各不相同。【处理方法】不能对全塔进行计算，只可首先对一微分段计算，得到微分式，然后得到积分式运用于全塔。2020/6/25逆流吸收塔内的吸收推动力【特点】任一截面上的吸收的推动力均沿塔高连续变化。)(*AAAYYYKN)(*AAAXXXKN2020/6/25其中a——单位体积填料所具有的相际传质面积，m2/m3；称为有效比表面积。（被吸收剂湿润的填料表面积）Ω——填料塔的塔截面积，m2。微分填料层的传质面积为：dZadA【吸收塔填料层高度微分计算式】2020/6/25拉西环填料比表面积＝填料的数量×单个填料的表面积2020/6/25堆放在塔内的填料有效比表面积a——被吸收剂湿润的填料表面积2020/6/25定态吸收时，气相中溶质减少的量等于液相中溶质增加的量，即：XLYGFdddA式中FA——单位时间吸收溶质的量，kmol/s；NA——为微元填料层内溶质的传质速率，在微分层内可视为定值，kmol/m2·s；——物料衡算式微分填料层dZ段内吸收溶质的量为：)d(ddAAAZaΩNANF——传质速率计算式2020/6/25将吸收速率方程)(*AYYKNY代入上式得ZaΩYYKdZaNFYAd)(d*A与dFA＝GdY联立后可得：*ddYYYaΩKGZY——吸收塔填料层高度微分计算式GdYZaΩYYKYd)(*2020/6/25【计算前提】（1）当吸收塔定态操作时，G、L、Ω、a既不随时间而变化，也不随截面位置变化。（2）低浓度吸收，在全塔范围内气液相的物性变化都较小，通常KY、KX可视为常数，将前式积分得：1212**d)(dYYYYYYYYYaΩKGYYaΩKYGZ——低浓度定态吸收塔填料层高度积分计算式【吸收塔填料层高度积分计算式】2020/6/253、传质单元高度与传质单元数（1）传质单元高度【确定方法】分别确定各物理量的大小，通过定义式直接计算其数值的大小。——单位为m。aΩKGHYOG称为气相总传质单元高度。【定义】2020/6/25【结论】（1）体积传质系数KYa与填料性能和填料润湿情况有关。传质单元高度的数值反映了吸收设备传质效能的高低；（2）HOG愈小，吸收设备的传质阻力愈小，传质效能愈高，完成一定分离任务所需填料层高度愈小。aΩKGHYOGaKY1——传质阻力由：【传质单元高度对吸收的影响】2020/6/25【体积传质系数（KYa）——参数归并法】（1）有效比表面积（a）与填料的类型、形状、尺寸、填充情况有关，还随流体物性、流动状况而变化，其数值不易直接测定；（2）通常将a与传质系数（KY）的乘积合并为一个物理量KYa（单位kmol/m3·s），称为体积传质系数，通过实验测定其数值；（3）在低浓度吸收的情况下，体积传质系数在全塔范围内为常数，或可取平均值。2020/6/25（2）传质单元数因此，根据传质单元高度与传质单元数的定义，填料层高度可表示为：OGOGZNH称为气相总传质单元数。——无因次。12*OGdYYYYYN【定义】2020/6/25（3）填料层高度计算通式计算通式Z＝传质单元高度×传质单元数若用不同的总传质系数及气、液相传质系数对应的吸收速率方程进行推导，可得：OLOLZNHGGZNHLLZNHOGOGZNH【说明】（1）可以使用其中任何一个公式进行计算，并且结果相同；（2）根据已知条件选用计算式。2020/6/2512*XOLOLXXLdXZHNKaXX12*OLXXXXdXN——液相总传质单元数式中aΩKLHXOL——液相总传质单元高度2020/6/25（4）传质单元的物理意义以NOG为例，由积分中值定理得知：）气相平均推动力（中值变值吸收塔