化工原理第五章(吸收塔的计算)

2020/6/12,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,2020/6/12,【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。,2020/6/12,一、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,2020/6/12,【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,2020/6/12,【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】,2020/6/12,2、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,2020/6/12,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。,2020/6/12,【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XY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。,2020/6/12,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,2020/6/12,（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。,2020/6/12,Y,Y1,Y,Y2,X,X,X1,X2,Y=f(X),吸收推动力,0,X*,Y*,吸收推动力YY*,吸收推动力X*X,2020/6/12,二、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YY*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。,2020/6/12,【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*,Y1Y1*=0,YY*=0,2020/6/12,2、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,2020/6/12,【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,2020/6/12,【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1.12.0倍，即：,3、吸收剂用量的确定,L适宜=（1.12.0）Lmin,或,2020/6/12,L适宜=（1.12.0）Lmin,2020/6/12,4、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：,2020/6/12,（1）过点（X2，Y2）作平衡线的切线；（2）水平线YY1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：,2020/6/12,（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,2020/6/12,【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,2020/6/12,【解】已知y10.09950.95,Y2(1)Y1(10.95)0.0990.00495据Y*31.13X知：m31.13据,2020/6/12,据,可解得吸收液的浓度为X1=0.00265,故吸收用水量为：L35.5G35.537.851343(mol/s)1.343(kmol/s),L120Lmin1.2Lmin,2020/6/12,三、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。,2020/6/12,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=0.81.4m；Hb塔底空间高(不包括封头部分)，m，一般取Hb=1.21.5m；n填料层分层数,HHd十Z十(n1)Hf十Hb,Hd,Hf,Hb,2020/6/12,【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】,2020/6/12,2、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（YY*）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。,2020/6/12,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。,2020/6/12,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】,2020/6/12,拉西环填料,比表面积填料的数量单个填料的表面积,2020/6/12,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,2020/6/12,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/m2s；,物料衡算式,2020/6/12,将吸收速率方程,代入上式得,与dFAGdY联立后可得：,吸收塔填料层高度微分计算式,2020/6/12,【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】,2020/6/12,3、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。,2020/6/12,【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】,2020/6/12,【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/m3s），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。,2020/6/12,（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：,2020/6/12,（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。,2020/6/12,2020/6/12,（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（YaYb）等于该填料塔的平均吸收推动力（中值）（YY*）m，即NOG1时，则该塔段为一个传质单元。,2020/6/12,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？,2020/6/12,（5）传质单元数对吸收操作的影响,【决定因素】NOG的分子（Y1Y2）为气相组成变化，即分离效果（分离要求）；分母（YY*）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（Y1Y2）越高，吸收的平均推动力（YY*）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。,2020/6/12,（6）传质单元高度的物理意义,2020/6/12,3、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）。,2020/6/12,（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,2020/6/12,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】,2020/6/12,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,2020/6/12,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,2020/6/12,【两点讨论】,（1）当Y1/Y22、X1/X22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；,2020/6/12,（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(YY*)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。,2020/6/12,【吸收（解吸）因素法关系图简捷计算】,2020/6/12,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。,2020/6/12,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，YY*）；在Y2到Y1范围内作Y1/（YY*）曲线；在Y2与Y1之间，Y1/（YY*）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,2020/6/12,【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。,2020/6/12,Y,图解积分法示意图,2020/6/12,【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