填料吸收塔中适宜液气比的确定_张前程.pdf

内蒙古工业大学学报 JOURNAL OF INNER MONGOLIA 第20卷 第1期 POLYT ECHNIC UNIVERSIT YVol 20No 1 2001 文章编号 1001 5167 2001 01 0019 05 填料吸收塔中适宜液气比的确定 X 张前程 简 丽 内蒙古工业大学化工学院 内蒙古 呼和浩特 010062 摘要 本文探讨一种利用经济模型来确定填料吸收塔中适宜液气比的方法 分析 了影响液气比的因素 通过经济权衡以总费用最小为目标建立模型寻优求解 关键词 填料塔 吸收塔 液气比 模型 中图分类号 TQ028 13 文献标识码 A 0 引 言 在填料吸收塔的设计和操作中 液气比是一个很重要的控制参数 填料层压降 分离效率及动力消 耗等都与液气比有关 从经济上考虑 采用较小的液气比 则填料层压减小 动力消耗降低 同时吸收剂 的用量也减少 于是塔的操作费用下降 但液气比减小 塔内的传质推动力也随之减小 要完成一定的气 体处理任务就需要较高的填料层 使操作系统的设备费用增加 反之 加大液气比使得填料层压降增大 动力消耗增加 吸收剂用量增大 造成操作费用上升 但由于传质推动力变大 使得完成一定的气体处理 任务所需填料层的高度降低 又降低了设备费用 于是液气比的选择便有一个经济权衡的问题 使总费 用最小的液气比为适宜液气比 设计计算中所用的液气比是按照分离要求和系统的平衡关系先算出最小液气比 然后再依经验确 定一个系数来估取 本文尝试以总费用最小为目标 建立填料塔的经济模型 通过寻优来确定适宜的液 气比 1 模型的建立 填料塔的经济模型鲜见报道 本文将综合考虑操作费用和设备折旧费用对经济性的影响 以年总费 用最小为目标建立填料塔的经济模型 填料塔的年总费用由年操作费用和年折旧费用构成 J Fa Fb 1 1 1 1 操作费用 操作费用主要由吸收剂的消耗和气体输送的动力消耗构成 Fa fa fb 1 2 fa由吸收剂的消耗量和吸收剂的单价 包括吸收剂输送过程中的动力费用 来确定 fa wH Aw 1 3 当生产任务给定后 吸收剂消耗量取决于液气比 r r L V X收稿日期 2000 12 01 作者简介 张前程 1956 男 汉族 北京人 内蒙古工业大学化工学院副教授 硕士 由上式 w Ml 3600VsQg Mg 1 y 1 r 有 w 3600Ml Mg Vs 1 y1 Qgr 1 4 将式 1 4 代入式 1 3 有 fa 3600Ml Mg Vs 1 y1 QgrH Aw 1 5 fb主要由输送气体的风机动力消耗决定 fb NH AT 1 6 风机的风压 HT pe pc Qgu2e 2 1 7 其中 pe p 2 p 常压操作时 p2 pc 所以 HT p Qgu2e 2 1 8 依连续性方程 u0 ue D DT 2 有 ue u0 DT D 2 所以 HT p DT D 4Q gu20 2 1 9 填料层压降与填料层中的实际气速有关 随着气速的增加填料层压降也增大 为了简化计算 近似 在填料层中的实际动压头上取一个系数来估算填料层压降 p FQ gu 2 E 2 1 10 填料层中的实际气速与填料层的空隙率有关 uE u0 E 于是 式 1 10 为 p FQ gu 2 0 2E 2 1 11 将式 1 11 代入式 1 9 HT F E 2 DT D 4 Qgu20 2 1 12 生产任务确定之后气体处理量随之而定 对于给定的吸收塔 空塔气速为常数 于是风机的风压只 取决于 F和 E 而 F E的大小与液气比有关 可简单地写为 F k1U r E k2 r 有 HT kr 3 DT D 4Q gu20 2 1 13 其中 k k1U k 2 2 Q gu20 2 k 的值可以通过实验确定 其中 k1有长度的单位 和填料层高度有联系 风机的功率 N HTQ 1000G 1 14 将式 1 13 代入式 1 14 并令 Q VS 有 N VS 1000G kr 3 DT D 4Q gu20 2 1 15 20 内蒙古工业大学学报2001年 所以 fb VS 1000G kr 3 DT D 4Q gu20 2 H AT 1 16 于是操作费用确定为 Fa 3600Ml Mg VS 1 y1 QgrH Aw VS 1000G kr 3 DT D 4 Qgu20 2 H AT 1 17 1 2 折旧费用 填料塔的造价包括塔体和填料层的费用 为简化计算 将塔体造价折到填料层造价中 并且折旧采 用直线法 Fb f VTC 1 18 VT P 4 D2TZT 0 785D2TZT 于是设备折旧费用确定为 Fb 0 785f D2TZTC 1 19 1 3 年总费用 年总费用即为上面两项费用之和 J Fa Fb 1 20 将式 1 17 和式 1 19 带入式 1 20 得到吸收塔的经济模型 J 3600Ml Mg VS 1 yl QgrH Aw VS 1000G kr3 DT D 4 Qgu 2 0 2 H AT 0 785f D 2 TZTC 1 21 1 4 模型化简 上面得到的模型比较复杂 需要进一步简化 吸收剂单价 电价和填料造价随市场而定 折旧率依行业规定 这些参数在一定时期内均为定值 当 生产任务确定之后 气体处理量和气体浓度随之而定 对给定的吸收塔 塔径也就给定 于是空塔气速为 定值 此外 年工作时间和物性参数一般也为确定值 将所有的不变参数分别归结在一起 模型可简化为 J C1r C2r 3 C3ZT C4 1 22 其中 C1 3600Ml Mg VS 1 y 1 Q gH Aw C2 VSkATH 1000G C3 0 785f D 2 TC C4 VSATH 1000G DT D 4Q gu20 2 ZT为填料层的高度 它直接决定着模型中的设备费用 对于常压下的低浓气体的吸收 ZT VSQg 1 y1 KYa8Mg Y1 Y2 Ym 1 23 将式中确定量合并 令 B VSQg 1 y1 Y1 Y2 8Mg 有 ZT B KYa Ym 1 24 式中的 Ym和 KY a取决于液气比 对于低浓气体的吸收 系统的平衡关系符合亨利定律 Y mX 若吸收剂为纯溶剂 则有 Ym r m Y1 Y2 r ln r m Y1 mY2 lnrY2 K Ya为吸收过程的气相总体积吸收系数 1 KYa 1 kYa m kXa 21 第1期张前程等 填料吸收塔中适宜液气比的确定 其中的 kYa 和kXa 与系统的性质和液气比有关 所以 KYa 也与液气比有关 根据上面分析 当系统性质和生产任务给定之后 依某一个液气比按式 1 24 确定一个 ZT 再由式 1 23 进行调优 继而确定最小费用下的液气比 2 模型的求解 上面的模型虽经简化 但目标函数仍是非线形的 模型的寻优很难用解析法实现 相对简单的方法 可以采用黄金分割法 它对非线形函数的寻优很有效 寻优的搜索区间可以用液气比的上下限来确定 rmin r rmax rmin为最小液气比 按系统的生产要求和平衡关系求取 rmax原则上按液泛时确定 但这样做比较麻烦 在 实际搜索过程中我们可以令 rmax nrmin 搜索区间为 rmin r nrmin n 为足够大的正数 黄金分割法的计算需上机实现 笔者在参考文献 1 中提供的计算方法和程序可供参考 其中的参 数和函数关系需要改变 3 结 语 利用填料塔的经济模型寻优确定适宜液气比只是一种尝试 本文的目的是想与大家探讨这种想法 的可用性 填料层压降所涉及的因素较多 很难有一个能全面考虑各种影响的准确关联式可用 况且填料层压 降的关联本身就是一项复杂的工作 所以本文模型中填料层压降是一种简化的表达 有一定的误差 若 想使用更精确一些的关联式 可参考其他文献 符号说明 A T电的单价 元 kW h Aw吸收剂的单价 元 kg C填料层造价 元 m 3 D风机出口直径 m DT塔径 m f折旧率 fa吸收剂消耗费用 元 fb气体输送费用 元 Fa操作费用 元 Fb设备费用 元 HT风机的风压 N m 2 J总费用 元 kYa kXa气相和液相的体积吸收分系数 kMol m 3 s L吸收剂的摩尔流量 kMol s m平衡常数 N 风机的功率 kW p压强 Pa p填料层压降 Pa Q风机的风量 m 3 s r液气比 u气速 m s V惰性气体的摩尔流量 kMol s VS气体流量 m 3 s VT填料层体积 m 3 w吸收剂流量 kg h y气相中溶质摩尔分率 Y气相中溶质摩尔比 ZT填料层高度 m E填料层空隙率 m 3 m3 G风机效率 H工作时间 h Q密度 kg m 3 U填料因子 m 1 8塔截面积 22 内蒙古工业大学学报2001年 下标 0空塔 1塔底 2塔顶 c风机进口 e 风机出口 g气相 l液相 参考文献 1 简丽 精留塔中适宜回流比的优化选择 J 内蒙古工业大学学报 1996 15 3 59 67 2 姚玉英等 化工原理 M 天津科技出版社 1994 3 蒋维钧等 化工原理 M 清华大学出版社 1993 4 薛履中 工程最优化技术 M 天津大学出版社 1989 DETERMINATION OF AN APPROPRIATE LIQUID GAS RATIO IN PACKING TOWER ZHANG Qian cheng JIAN Li Chemical Engineering College Inner Mongolia Polytechnic University H uhhot 010062 PRC Abstract In this paper a method of determining an appropriate liquid gas ratio in the packing tower is introduced Facto