确定吸收装置的工艺参数

模块六

吸收技术03任务三选择与设计吸收装置03任务三选择与设计吸收装置3

吸收操作分离气体混合物时，气体混合物的性质不同，则采用的吸收方法、吸收设备亦不同，针对不同分离对象、不同的分离任务及不同的分离要求，其吸收采用的吸收塔结构亦有很多不同。在选用或计算吸收用填料塔之前，需要学习吸收过程的速率表达方式，分析影响吸收速率的因素及过程强化途径，依据一定的分离任务及分离要求，学习计算分离设备参数的方法。03任务三选择与设计吸收装置4能力目标学习要求与目标1.具有吸收速率计算能力。2.具有根据工艺条件计算吸收塔塔径的计算能力。3.具有根据工艺条件计算吸收塔填料层高度的计算能力。知识目标1.掌握吸收传质的方式、双膜理论等。2.掌握吸收速率方程及相关计算。3.掌握吸收塔塔径与填料层高度的计算。素质目标1.培养诚实守信、团结协作、爱岗敬业精神；2.培养安全、环保、健康生产意识；3.培养严谨的工作态度及质量意识，具备工程管理能力；4.培养分析问题和解决问题的能力；5.创新能力培养等。子任务2确定吸收装置的工艺参数

03任务三选择与设计吸收装置子任务2确定吸收装置的工艺参数

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一、吸收传质方式

物质在单一相(气相或液相)中的传递是扩散作用。

发生在流体中的扩散有分子扩散与涡流扩散两种,一般发生在静止或层流的流体内,凭借流体分子的热运动而进行的物质传递,即为分子扩散;

发生在湍流流体内,凭借流体质点的湍动和漩涡而进行物质传递即是涡流扩散。03任务三选择与设计吸收装置61.分子扩散

分子扩散是物质在同一相内存在浓度差的条件下，由流体分子的无规则的热运动而引起的物质传递现象。习惯上把分子扩散称为扩散。

分子扩散速率主要取决于扩散物质和流体的某些物理性质。依据菲克定律，当物质A在介质B中发生扩散时，其扩散速率与其在扩散方向上的浓度梯度成正比，如图所示。其关系表示为：式中NA——组分A的分子扩散速率，kmol/(m2·s)；CA——组分A的浓度，kmol/m3；Z——沿扩散方向的距离，m；D—分子扩散系数。表示组分A在介质B中的扩散能力，m2/s。

式中负号表示扩散方向与浓度梯度相反。03任务三选择与设计吸收装置7

扩散系数D是物质的物理性质之一，其值一般由实验测定。

D值越大，表示扩散越快。

一般情况下，对较小的分子而言。

在气相中的扩散系数为0.1~1cm2/s，

在液相中的扩散系数约为在气相中的1/(104~105)。03任务三选择与设计吸收装置8

2.涡流扩散

涡流扩散是物质在有浓度差的条件下，通过湍流流体完成物质传递的过程。涡流扩散时，物质扩散不仅要靠分子本身的扩散作用，还需借助湍流流体的携带作用而传递，且后一种作用是主要的，故涡流扩散速率比分子扩散速率大得多。因涡流扩散系数很难测定和计算，故常将分子扩散和涡流扩散综合起来考虑，即对流扩散。03任务三选择与设计吸收装置9

3.对流扩散

对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散共同作用的结果。因对流扩散过程极为复杂，影响因素众多，所以对流扩散速率一般采用类似对流传热的处理方法，将对流扩散分解为涡流扩散和分子扩散作用，其表达式为：De——涡流扩散系数，m2/s。03任务三选择与设计吸收装置10

涡流扩散系数De不是物质的物性常数，它与湍流程度有关，且随位置而不同。

实验表明：

对于多数气体，涡流扩散系数比分子扩散系数高过100倍；

对于液体，其涡流扩散系数比分子扩散系数高105倍甚至更多。03任务三选择与设计吸收装置11二、双膜理论

吸收过程是气液两相间的传质过程（即相际间传质），对这种传质过程的机理，曾有很多不同的理论，但其中应用较广泛的仍是刘易斯和惠特曼在20世纪20年代提出的双膜理论，理论模型如图所示。气相主体液相主体相界面溶解气相扩散液相扩散03任务三选择与设计吸收装置12吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：气相主体液相主体相界面溶解气相扩散液相扩散(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。03任务三选择与设计吸收装置13①在气液两流体相接触处有一稳定的相界面(即是相界面)。在相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜，这两层薄膜可近似认为由气液两流体的滞流层组成，层内吸收质以分子扩散方式进行传质，膜层的厚度随流体的流速而变，流速越大膜层厚度越小。②在两膜以外的气液两相分别为气相主体和液相主体，气液两相主体内，因流体充分湍流，溶质的浓度均匀，相内无浓度梯度，其浓度变化（阻力）主要集中在两膜内。③无论气液两相主体内溶质浓度是否达到平衡，在相界面处，溶质在气液两相中的浓度均达平衡，即界面上没有阻力。气相主体液相主体相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c03任务三选择与设计吸收装置14

三、气体吸收速率方程

由双膜理论的传质机理可知，吸收过程的相际传质是由气相主体与界面的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相主体与界面的对流传质三个过程构成，仿照间壁两侧对流传热过程传热速率的分析思路，其对流传质过程的传质速率NA的表达式及传质阻力分析如下。03任务三选择与设计吸收装置151.气相主体与界面的对流传质

NA——单位时间内组分A扩散通过单位面积的物质的量，即传质速率，kmol/(m2·s)；p,pi——溶质A在气相主体与界面处的分压，kPa；y,yi——溶质A在气相主体与界面处的摩尔分数；kG——以分压差表示传质推动力的气相传质系数，kmol/(m2·s·kPa)；ky——以摩尔分数差表示传质推动力的气相传质系数，kmol/(m2·s)。03任务三选择与设计吸收装置162.液相主体与界面的对流传质式中c,ci——溶质A在液相主体与界面处的浓度，kmol/m3；x,xi——溶质A在液相主体与界面处的摩尔分数；kL——以摩尔浓度差表示传质推动力的液相传质系数，m/s；kx——以摩尔分数差表示传质推动力的液相传质系数，kmol/(m2·s)。03任务三选择与设计吸收装置17

上述公式均为相内吸收过程的传质速率，尽管传质推动力的表达方式不同，其传质速率均正比于界面浓度与流体主体浓度差。将其他所有影响对流传质的因素均包括在气相（或液相）传质系数之中，而传质系数kG、ky、kL、kx的数据只有根据具体操作条件由实验测定，它与流体流动状态和流体物性（密度、黏度）、扩散系数、传质界面形状等因素有关。对流传质系数可依据有关经验式，查有关手册即可得到。03任务三选择与设计吸收装置183.相际传质速率方程（吸收总传质速率方程）

气相和液相传质速率方程中均涉及到相界面上的浓度（pi、yi，ci、xi），因相界面在传质过程中是变化的，这些参数很难获取。工程上常利用相际传质速率方程来表示吸收总传质速率方程，即为：03任务三选择与设计吸收装置19

气液两相相际传质总阻力等于各分阻力之和，总推动力等于各分推动力之和。03任务三选择与设计吸收装置2003任务三选择与设计吸收装置21气相：液相：相际：03任务三选择与设计吸收装置22气相：液相：相际：03任务三选择与设计吸收装置23相平衡方程吸收传质速率方程总传质系数相内或同基准的传质系数换算相际或不同基准的传质系数换算03任务三选择与设计吸收装置24

4.传质过程的控制分析（1）易溶气体对于易溶气体,H很大,1/kG>>1/kLH，则KG=kG吸收阻力主要集中在气膜中,这种吸收称为气膜控制。例如:用水吸收氨,氯化氢气体03任务三选择与设计吸收装置25对于难溶气体,H很小,H/kG<<1/kL,，则KL=kL这种吸收称为液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜。例如:用水吸收氧气,二氧化碳等。（2）难溶气体03任务三选择与设计吸收装置26（3）中等溶解度的气体

气膜阻力和液膜阻力均不可忽略。要提高吸收过程速率，必须兼顾气、液膜阻力的降低，方能得到满意的结果。03任务三选择与设计吸收装置27四、塔径的计算

填料塔的直径可依据圆管内流量方程计算，即VS––––操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；u––––空塔气速，m/s；计算时以塔底气量为依据，因塔底气量大于塔顶。03任务三选择与设计吸收装置28

在吸收操作过程中，因溶质不断被吸收，混合气体自进塔到出塔其体积流量逐渐减小，计算塔径时，一般以进塔气体量为依据进行计算，以保证一定的裕度。

要确定塔径，关键是先确定适宜的空塔气速u。常见的确定方法是泛点气速法。一般地，u应小于泛点气速，空塔气速一般取泛点气速的50%~95%，即uf——泛点气速，m/s。03任务三选择与设计吸收装置29

泛点气速uf是填料塔操作气速的上限，实际操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比，叫泛点率。

泛点率有一个经验范围。对于散装填料：

u/uf=0.5~0.85对于规整填料：

u/uf=0.6~0.9503任务三选择与设计吸收装置30

泛点率的选择考虑的因素：①物系的发泡情况，对易气泡沫的物系，泛点率取低值，反之取高值；②塔的操作压力，加压操作时，应取较高的泛点率，反之取较低的泛点率。03任务三选择与设计吸收装置31

选择气速小，则压降低，动力消耗低，操作费用低，但塔径大，设备费用高，同时低气速不利于气液两相充分接触，分离效率低；

选择气速大则塔径小，设备费用低，但压降大，操作费用较高。

若选用气速太接近泛点气速，则生产条件稍有波动，就有可能使操作失控。故适宜气速的选择需权衡总费用较低。03任务三选择与设计吸收装置32

计算出来的塔径，需要依据塔径公称标准进行圆整，同时还应验算塔内喷淋密度是否大于最小喷淋密度。因若喷淋密度过低，填料表面不能充分润湿，使气液两相有效接触面积降低，造成传质效率下降，此时可在许可范围内采用减小塔径，或利用液体部分循环以加大液体流量，或适当增加填料层高度进行补偿。03任务三选择与设计吸收装置33

喷淋密度是指单位时间内，单位塔截面上喷淋的液体体积，以U表示,单位是m3/(m2·s)。最小喷淋密度用Umin表示，且(LW)min——最小润湿速率，m3/(m·s)；δ——填料的比表面积，m2/m3。

最小润湿速率(LW)min是指在塔的截面上，单位长度填料周边的最小液体体积流量。填料层的周边长度在数值上等于单位体积填料层的比表面积，即干填料的比表面积。(LW)min通常由经验公式计算，也可采用一般的经验值。

如对于直径不超过75mm的散装填料，其(LW)min可取2.2×10-5m3/(m·s)；

对于直径大于75mm的散装填料，其(LW)min可取3.3×10-5m3/(m·s)。03任务三选择与设计吸收装置34

最后为保证填料均匀润湿，避免壁流现象的发生，需要校核塔径D/填料直径d之比。

且不同填料其值要求亦不一样，

拉西环

D/d＞20；

鲍尔环

D/d＞10；

鞍形填料

D/d＞15。03任务三选择与设计吸收装置35

五、填料层高度的计算

对于低浓度气体吸收，塔内混合气体量和液体量变化不大，还可当等温下进行，总传质系数KX、KY亦作常数处理。03任务三选择与设计吸收装置36

1.填料层高度的基本计算式

为了使混合气体离开填料塔满足分离要求，通常在塔内装填一定高度的填料以提供气、液两相充分接触的面积。若在塔径已知的条件下，填料层高度仅取决于完成规定的生产任务所需要的总吸收面积和单位体积填料层所能提供的气、液接触。即关系如下：

Z——填料层高度，m；

α——单位体积填料层所具有相际传质面积（有效比表面积）,m2/m3。03任务三选择与设计吸收装置37V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX此传质量也就是在dZ段内溶质A由气相转入液相的量。因此若dZ微元段内传质速率为NA，填料提供的传质面积为dF=adZ，则通过传质面积dF溶质A的传递量为对填料层中高度为dZ的微分段作物料衡算可得溶质A在单位时间内由气相转入液相的量dGA

填料塔内气、液组成Y、X和传质推动力Y（或X）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。03任务三选择与设计吸收装置38将以比摩尔分数表示的总的传质速率方程代入，则有对上两式沿塔高积分得在上述推导中，用相内传质速率方程替代总的传质速率方程可得形式完全相同的填料层高度Z的计算式。若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi

-X)可得：用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应相组成表示的填料层高度Z的计算式。03任务三选择与设计吸收装置39特点：低浓度气体吸收（y1<10%）因吸收量小，由此引起的塔内温度和流动状况的改变相应也小，吸收过程可视为等温过程，传质系数kY、kX、KY、KX沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条件下的平均值。填料层高度Z的计算式：对高浓度气体，若在塔内吸收的量并不大（如高浓度难溶气体吸收），吸收过程具有低浓度气体吸收的特点，也可按低浓度吸收处理。体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积a的乘积（Kya及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为kmol/(s.m3)。体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。03任务三选择与设计吸收装置40对气相总传质系数和推动力：HOG——气相总传质单元高度，m；NOG——气相总传质单元数，无因次。HOL

——液相总传质单元高度，m；NOL——液相总传质单元数，无因次。若令对液相总传质系数和推动力：若令03任务三选择与设计吸收装置41

2.传质单元数的计算

计算填料层高度的关键是计算传质单元数。

传质单元数的计算方法有：解析法、对数平均推动力法和图解法。

解析法适用于相平衡关系服从亨利定律的情况，对数平均推动力法适用于相平衡关系是直线关系的情况，图解法适用于各种相平衡关系。

下面以NOG的计算为例，介绍解析法和平均推动力法计算传质单元数的方法。03任务三选择与设计吸收装置42①解析法

由传质单元数定义及亨利定律可知逆流吸收操作线方程可整理为:为脱吸因子，它是平衡线斜率与操作线斜率之比值，无单位。03任务三选择与设计吸收装置43②对数平均推动力法

若操作线和相平衡线均为直线，则吸收塔任一截面上的推动力(Y-Y*)对Y必为直线关系，此时全塔的平均推动力可依据数学方法推理得到吸收塔填料层上下两端推动力的对数平均值。03任务三选择与设计吸收装置4403任务三选择与设计吸收装置45

当全塔平均推动力为ΔYm（或ΔXm）,而低浓度气体吸收时，每一截面上的KY、KX相差很小，即KY、KX可作常数处理，则全塔总系数速率方程变为：

且整个吸收塔填料层总吸收负荷为：03任务三选择与设计吸收装置46

用清水逆流吸收混合气体中的CO2，已知混合气体的分离任务是：流量为300m3/h（混合气，标准状态），进塔气体中CO2含量为0.06（摩尔分数），操作条件下物系的平衡关系为Y*=1200X，要求