化工原理第五章吸收塔的计算.ppt

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 1 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 2 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 物料衡算示意图 3 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 或 4 溶质的回收率 定义 计算公式 塔底 塔顶组成与回收率之间的关系 吸收液的浓度 有关计算 5 2 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 6 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 或 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 7 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 8 Y Y1 Y Y2 X X X1 X2 Y f X 吸收操作线 0 塔顶 塔底 斜率 L G 9 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 Y Y 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 Y Y 或X X 故解吸操作线在平衡线的下方 10 Y Y1 Y Y2 X X X1 X2 Y f X 吸收推动力 0 X Y 吸收推动力Y Y 吸收推动力X X 11 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 式中FA 单位时间溶质的吸收量 mol s A 气液相接触面积 m2 12 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 0 Y Y 0 13 2 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 14 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 15 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 Lmin 或 16 L适宜 1 1 2 0 Lmin 17 4 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 18 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 方法二 操作线与平衡线相切 则 19 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 由于 20 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 13X 21 解 已知y1 0 09 95 0 95 Y2 1 Y1 1 0 95 0 099 0 00495据Y 31 13X知 m 31 13据 22 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 23 三 吸收塔填料层高度的计算 1 填料塔的高度 说明 填料塔的高度主要决定于填料层高度 24 H 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Hb Hd Hf Hb 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 Hb Hd 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 26 2 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 27 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 28 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 填料塔的塔截面积 m2 微分填料层的传质面积为 吸收塔填料层高度微分计算式 29 拉西环填料 比表面积 填料的数量 单个填料的表面积 30 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 31 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 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 32 将吸收速率方程 代入上式得 与dFA GdY联立后可得 吸收塔填料层高度微分计算式 33 计算前提 1 当吸收塔定态操作时 G L 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 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 34 3 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 35 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 传质单元高度对吸收的影响 36 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 37 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 38 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 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 39 40 4 传质单元的物理意义 以NOG为例 由积分中值定理得知 结论 当气体流经填料塔的某一塔段 其气相中溶质组成变化 Ya Yb 等于该填料塔的平均吸收推动力 中值 Y Y m 即NOG 1时 则该塔段为一个传质单元 41 传质单元的物理意义 Ya Yb 问题 一个吸收塔内有多少个传质单元 42 5 传质单元数对吸收操作的影响 决定因素 NOG的分子 Y1 Y2 为气相组成变化 即分离效果 分离要求 分母 Y Y m为吸收过程的推动力 其值的大小取决于被分离的物系的性质 结果与操作条件 而与塔设备无关 变化趋势 分离任务 Y1 Y2 越高 吸收的平均推动力 Y Y m愈小 传质单元数就愈大 结论 传质单元数反映了吸收过程的难易程度 即传质单元数越大 吸收过程的难度越大 43 6 传质单元高度的物理意义 44 3 传质单元数的计算 1 传质单元数计算的方法当气液平衡关系满足亨利定律时 对数平均推动力法 吸收因数法 当气液平衡关系不满足亨利定律时 图解积分法 数值积分法 辛普森Simpson法 45 2 对数平均推动力法 前提 气液平衡关系满足亨利定律 方法 根据积分中值定律 先确定中值的数值 以此计算传质单元数 式中 46 Y1 mX1 与X1相平衡的气相组成 Y2 mX2 与X2相平衡的气相组成 Ym 塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均值 称为对数平均推动力 中值的确定 47 Y Y1 Y2 X X1 X2 Y f X 对数平均推动力法 0 Ym Y1 Y2 塔顶 塔底 48 同理 液相总传质单元数的计算式为 X1 与Y1相平衡的液相组成 X2 与Y2相平衡的液相组成 式中 49 两点讨论 1 当 Y1 Y2 2 X1 X2 2时 对数平均推动力可用算术平均推动力替代 产生的误差小于4 这是工程允许的 50 2 吸收 解吸 因数法 方法 由于气液平衡关系服从亨利定律 首先建立起函数关系式 f Y Y Y 根据传质单元数的定义式直接积分 导出其解析式 说明 一般情况下 可直接用该式计算 51 吸收 解吸 因素法关系图 简捷计算 52 解吸因素法关系图 方法 1 由m L G计算S 2 由m Y1 Y2 X2计算 3 由图中查的NOG 53 图解积分法的步骤如下 由平衡线和操作线求出若干个点 Y Y Y 在Y2到Y1范围内作Y 1 Y Y 曲线 在Y2与Y1之间 Y 1 Y Y 曲线和横坐标所包围的面积为传质单元数 当平衡线为曲线时 传质单元数一般用图解积分法求取 3 图解积分法 54 具体方法 1 分别作出平衡线和操作线 2 在Y2和Y1间去若干个Y值 读出相应的推动力Y Y 3 计算出个对应的1 Y Y 4 以Y为横坐标 1 Y Y 为纵坐标作图 曲线 5 确定由Y Y2 Y Y1与1 Y Y 0及曲线包围的面积 55 Y 图解积分法示意图 56 例 在一塔径为0 8m的填料塔内 用清水逆流吸收空气中的氨 要求氨的吸收率为99 5 已知空气和氨的