5气体吸收计算一.doc

第五节 气体吸收计算在有害气体治理的吸收操作中，都是将混合气体中少量的可溶部分吸收下来，这些溶质即使全部吸收，进出塔的气体和液体的流量也改变很小，因此塔内的气体和液体的流量都可视为常数，这个特点使吸收的有关计算大为简化。由于气体吸收多采用塔器，因此，气体吸收计算主要讲述吸收塔的计算。一、吸收塔的物料衡算与操作线方程（一）物料衡算一个处于稳定操作状态下的逆流接触吸收塔。V、L、Y、X分别代表进出塔的气液流量（kmol/m2.s）和浓度（摩尔比），规定塔底为1端（浓端），塔顶为2端（稀端）。对单位时间内进、出塔的物料A的量作衡算，可写出下式：一般情况下，进塔气体的组成与流量是吸收任务规定了的，如果吸收剂的组成与流量已经确定，则V、Y1、L及X2皆为已知数，又根据吸收任务所规定的A的吸收率，可以得知气体出塔时应有的浓度Y2：式中 A的吸收效率。由此，通过全塔物料衡算式： (2-47) 可以求得塔底吸收液排出的浓度X1。于是，在填料层底部与顶部两个端面上的液、气组成X1、Y1及X2、Y2均成为已知数。（二）吸收塔的操作线方程与操作线在逆流操作的吸收塔内，气体自下而上，其浓度由Y1逐渐变到Y2；液体浓度自上而下逐渐由X2变到X1；设图中截面m-n处气、液浓度分别为Y与X，现对m-n截面与塔底端作A的物料衡算：或 (2-48)对m-n截面与塔顶端作A的物料衡算，又得： 式（2-48）与（2-48a）是等效的，因由式（247）可知：式（2-48）与式（2-48a）皆可称作逆流吸收塔的操作线方程，它表明塔内任一截面上气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为 (称为液气比)，且此直线通过B（X1，Y1）及T（X2，Y2）两点。标绘在图2-28中的直线BT即为逆流吸收塔的操作线，操作线BT上任何一点A，代表着塔内相应截面上的液、气浓度X、Y，端点B代表吸收塔底部端面，即塔底的情况，端点T代表吸收塔顶部端面，即塔顶的情况。操作线方程与操作线是由物料衡算得来的，无论对于并流或逆流，它与系统的平衡关系、操作温度和压强、以及塔的结构型式均无任何牵连。在吸收操作时，在塔内任一横截面上，溶质在气相中的实际分压总是高于与其相接触的液相平衡分压，所以吸收塔操作线总是位于平衡线的上方。二、吸收剂用量的确定吸收塔的设计中，所处理的气体量V、两端气体组成Y2与Y1以及液体的最初组成X2一般都已预先确定，设计中则要确定吸收剂的用量。吸附剂的用量来源于适宜的液气比。液气比的大小，直接影响着设备的尺寸与运行费用。由图2-29（a）可知，在V、Y1、Y2、X2已知的情况下，吸收操作线的一个端点T已经固定，另一个端点B则可在Y=Y1的水平线上滑动。点B的横坐标将取决于操作线的斜率L/V。L/V称为液气比，它反映单位气体处理量所用吸收剂的量。在V值已定时，若减小吸附剂的用量L，操作线的斜率就会变小，点B将沿Y=Y1的水平线向右移动，其结果可以使出塔吸收剂的浓度增大，而吸收推动力相对减小。若L减少到恰使B点移至水平线Y=Y1与平衡线或切线如图2-29(b)，若平衡线为凸线时，要从T点作平衡线的切线。交点B*时，X1=X1*，意即塔底流出的吸收液中溶质A的浓度与刚进塔的混合气体中溶质A浓度达到平衡，这是理论上吸收液可能达到的最高浓度。但此时的吸收推动力已变为零，这只有在具有无限大的传质面积和无限长的接触时间时才能实现，而这在实际上是不可能的。所以只能作为吸收的一个极限。此时操作线的斜率称为最小液气比，以（L/V）min表示；相应的吸收剂用量即为最小吸收剂用量，以Lmin表示。最小液气比可用图解法求出。若平衡线如图2-29所示，则可从B*读出X1*，用下式计算 ： 若平衡关系符合亨利定律，也可直接用下式计算： 根据生产实践，一般情况下取吸收剂用量为最小吸收剂用量的1.12.0倍： L=（1.12.0）Lmin 还应指出，为了保证填料表面能被液体充分润湿，还应考虑到单位截面上单位时内流下的液体量不得小于某一最低允许值（最小喷淋密度），如果按上式计算出来的吸收剂用量不能满足最小喷淋量，则应采用更大的液气比。例 2-5 用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔内的温度为27，压强106.7kPa，焦炉气流量为850m3/h，其中所含芳烃的摩尔分率为0.02，要求芳烃回收率不低于95%，进入吸收塔顶的洗油中所含芳烃的摩尔分率为0.005。若取溶剂用量为理论最小用量的1.5倍，求每小时送入吸收塔顶的洗油量及塔底流出的吸收液浓度。操作条件下的平衡关系可用下式表达：解：进入吸收塔惰性气体摩尔流量为：进塔气体中芳烃浓度（用摩尔比Y表示）为：出塔气体中芳烃浓度为：进塔洗油中芳烃浓度为：按照已知的平衡关系式，在YX直角坐标系中绘出平衡曲线OE，如本例题附图所示，再按X2、Y2之值在图上确定操作线端点T，通过T作平衡线OE的切线，交水平线Y=0.0204于点B，读出点B的横坐标值为：X*=0.176，则：L是每小送入塔顶的纯溶剂量，考虑到所含芳烃，则每小时送入塔顶的洗油量应为：吸收液浓度可依全塔物料衡算式求出：三、填料塔计算（一）塔径的计算吸收塔的塔径可根据园型管道内的流量公式计算，即： 式中D塔径，m；Vs操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；u空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s。在吸收过程中，由于吸收质不断进入液相，故计算塔径时，一般以塔底的气量为依据计算。计算塔径的关键在于适宜的空塔气速，如何确定适宜的空塔气速，是气液传质设备的流体力学问题。从研究填料塔的流体力学性质知道，在一定的喷淋量下，当气速增大至一定数值时，因填料层内液体不能及时下流而出现局部积液，压降急剧升高，此种现象称为“液泛”；我们把刚刚出现液泛时的气速，称为泛点气速，泛点气速是填料塔操作的极限气速，达到或超过此气速，填料塔即不能正常运行。因此，对于不同的填料，都要控制一定的操作气速或空塔气速，此气速均低于泛点气速。对于不同填料，提出如下参考数据（u表示空塔气速，uF表示泛点气速）：拉西环 u=（0.60.8）uF弧鞍形填料 u=（0.650.80）uF矩鞍形填料 u=（0.650.85）uF花环形填料 u=（0.751.0）uF这里就出现了一个泛点气速的计算问题，目前工程设计中计算泛点气速通常采用埃克特（Eckert）通用关联图（见图2-30）。此图所依据的试验数据取自较大直径的填料吸收塔，所关联的参数较全面，计算也不复杂，计算结果在一定范围内尚能符合实际情况。通用关联图的横坐标为 ，纵坐标为 。图2-30在左下方的线簇为乱堆填料层的等压降线，最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线，与泛点线相对应的纵坐标中空塔气速u应为泛点气速uF。若已知气液两相流量比及各自的密度，则可算出图中横坐标的值，由此点作垂线与泛点线相交，再由交点做平行线至纵座标，求得泛点气速uF。此图在设计中还可根据规定的压强降，求算相应的空塔气速，或根据相应的空塔气速求压强降。此图适用于各种乱堆填料，如拉西环、鲍尔环、矩鞍、弧鞍等，但需知填料的值，有关填料的值可从化工手册中查得。泛点气速还可用下面经验公式求出：(式 干填料因子，1/m，可查表。 b常数，拉西环取0.22，弧鞍形填料取0.26，其它符号同前。计算出泛点气速uF，即可以依据上述原则求取空塔气速u。然后按式（2-53）计算出塔径。这样计算的塔径还要根据压力容器公称直径标准进行园整，如园整为400、500、600、1000、1200、1400mm等。 金属阶梯环A0.106 ，金属鲍尔环A0.1 ，瓷阶梯环A0.2943在实际设计计算中，还要根据经济气速来确定操作气速。所谓经济气速，是兼顾吸收塔的造价和运转费用的气速。若气速过小，吸收塔造价高，而运转费用低；若气速大，吸收塔造价低，则运转费用高。而经济气速则兼固了二者。经济气速可用下列经验公式求出： (2-55)式中uopt经济气速，m/s； E鼓风机及电动机总效率，%； n年运转小时h/a； x动力设备的维修费用占年动力费用的分率，%； CT单位体积填料的造价（包括塔体），元/m3； CP电费，元/kWh； 填料层阻力系数，是填料尺寸与润湿率LW的函数，可查图求得； a常态下的空气重度，1.205kg/m3； G塔内的气相重度，kg/m3。计算出经济气速后，可与u比较，选定最终的操作气速，用于计算塔径。若u上限 uopt，按u下限计算D；若u上限 uopt u下限，则按uopt计算D。经济气速的值亦可由填料的传质特性表中查出。（见化学工程手册）填料塔内传质效率的高低与液体的分布及填料的润湿情况密切相关，为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度不低于某一下限值。所以在计算出塔径后，还应验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环等方法加大液体流量。或在许可范围内减小塔径，或适当增加填料层高度予以补偿，必要时须考虑采用其它塔型。填料塔的最小喷淋密度与填料的比表面积有关，其关系式为： Umin=（LW）min 式中 填料的比表面积，m2/m3；Umin最小喷淋密度，m3/（m2s）；（LW）min最小润湿速率，m3/（ms）。所谓润湿速率，即指在塔的横截面上，单位长度的填料周边上液体的体积流量。对于直径不超过75mm的拉西环及其它填料，可取最小润湿速率为0.08m3/（mh）；对于直径大于75mm的环形填料，应取0.12m3/（mh）。例2-6 某矿石焙烧炉送出的气体中SO2拟用水洗涤除去。采用填料吸收塔，入塔气体冷至20，塔内绝对压强为101.3kPa，入塔炉气体积流量为1000m3/h，炉气的平均分子量为32.16kg/kmol，洗涤水耗用量为22600kg/h，吸收塔采用25252.5mm的陶瓷拉西环以乱堆方式充填，若取空塔气速为泛点气速的73%计算塔径，并核算液体喷淋密度是否大于Umin.解：（1）求泛点气速uF：炉气的质量流量 炉气的密度清水密度：则：由图2-32中的乱堆填料泛点线可查出，横座标为0.618时，纵座标为0.035；由手册查得25252.5mm陶瓷拉西环（乱堆）的填料因子=450m-1；水的粘度L=1mNs/m2，故uF为： （2）求u已知 u=73%uF则： u=0