化工原理-吸收5.

5.5.吸收塔的计算5.5.5.吸收塔塔径的计算5.5.2.吸收剂用量与最小液气比5.5.3.吸收塔填料层高度的计算5.5.4.吸收塔理论级数的计算5.5.6.吸收塔的设计型计算5.5.7.吸收塔的操作型计算5.5.8.强化吸收过程的措施5.5.1.物料衡算与操作线方程本节教学要求吸收剂用量的确定、传质单元数的计算（平均推动力、吸收因数法）；1、重点掌握的内容：传质单元数的计算（图解法）、理论级的计算；2、了解的内容：吸收操作线、吸收操作线的特点、、传质推动力、最小液气比及计算、体积传质系数、传质单元数的定义及物理意义、传质单元高度的定义及物理意义、吸收因数及物理意义、解吸因数、吸收过程的设计（吸收条件的确定）及计算（吸收剂用量、填料层高度的计算、塔径的计算、塔核算）、吸收过程的强化措施；解吸的特点、解吸的计算；3、熟悉的内容：4、难点：吸收过程的操作分析与计算。工业上通常在塔设备中实现气液传质。塔设备一般分为逐级接触式连续接触式本章以连续接触操作的填料塔为例，介绍吸收塔的设计型和操作型计算。吸收塔的计算内容：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高和塔径的设计计算；1、设计型：2、操作型：（1）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）操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题。设计型和操作型计算的依据：物料恒算吸收速率方程气液平衡关系5．5．1.物料衡算和操作线方程1．物料衡算V,Y2L,X2V,Y1L,X1图5-19物料衡算示意图定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图5-19所示，图中符号定义如下：V——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。在定态条件下，假设溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂。以单位时间为基准，在全塔范围内，对溶质A作物料衡算得：VY1+LX2=VY2+LX1或（5-78）溶质回收率定义为：的量混合气体中溶质的量吸收溶质AA)()(2121XXLYYV——A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。所以21(1)YY由式（5-78）可求出塔底排出液中溶质的浓度X1=X2＋V（Y1－Y2）/L（5-80）121YYY（5-79）2．操作线方程式及操作线V,Y2L,X2V,YmnL,XV,Y1L,X1图5-20逆流吸收操作线推导示意图逆流吸收塔内任取mn截面，在截面mn与塔顶间对溶质A进行物料衡算：VY+LX2=VY2+LX或)(22XVLYXVLY（5-81）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11LXVYLXVY或)(11XVLYXVLY（5-82）由全塔物料衡算知，方程（5-81）与（5-82）等价。塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。方程（5-81）与（5-82）称为逆流吸收操作线方程式。逆流吸收操作线方程：操作关系：逆流吸收操作线具有如下特点：图5-21逆流吸收操作线图5-22吸收操作线推动力示意图)(22XVLYXVLY11()LLYXYXVV（1）当定态连续吸收时，若L、V一定，Y1、X2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/V，见图5-21。L/V称为吸收操作的液气比；（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）因吸收操作时，YY*或X*X，故吸收操作线在平衡线的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；解吸操作时，YY*或X*X，故解吸操作线在平衡线的下方。3、并流吸收操作线V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XY2Y1X2X1ABXY22()LYYXXV图5-23并流吸收操作线斜率=-L/V4、逆流与并流的比较：1）逆流推动力均匀，且mmYY逆流并流2）Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相迂有利于提高X1；X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相迂有利于降低Y2。1．最小液气比:针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系，当塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。表示为：5．5．2.吸收剂用量与最小液气比minVL2、确定操作液气比的分析：若增大吸收剂用量，操作线的B点将沿水平线Y=Y1向左移动，如图5-24所示的B、C点。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，设备投资也减少。液气比增加到一定程度后，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。考虑吸收剂用量对设备费和操作费两方面的综合影响。应选择适宜的液气比，使设备费和操作费之和最小。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：min(1.12.0)LLVV3、吸收剂用量的确定：min(1.12.0)LL注意：L值必须保证操作时，填料表面被液体充分润湿，即保证单位塔截面上单位时间内流下的液体量不得小于某一最低允许值。4、最小液气比的计算：（1）图解法：最小液气比可根据物料衡算采用图解法求得，当平衡曲线符合图5-24所示的情况时，2*121minXXYYVL（5-83）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（2）解析法：2121minXmYYYVL（5-84）如果平衡线出现如图5-25所示的形状，则过点A作平衡线的切线，水平线Y=Y1与切线相交于点D（X1,max，Y1），则可按下式计算最小液气比注意：2max,121minXXYYVL（5-85）YX图5-24逆流吸收最小回流比XY图5-25最小回流比计算示意图例、某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；2）当用含SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据：与Y1相平衡的液相组成=0.0032低浓度吸收的特点：SBLLGGxXyY近似为常数、GLkkSO2溶液浓度X气相中SO2平衡浓度YSO2溶液浓度X气相中SO2平衡浓度Y0.00005620.000660.000840.0190.000140.001580.00140.0350.000280.00420.001970.0540.000420.00770.00280.0840.000560.01130.00420.138表5-1SO2气液平衡组成表按题意进行组成换算：解：进塔气体中SO2的组成为：099.009.0109.01111yyY出塔气体中SO2的组成为：0099.0)09.01(099.0)1(12YY进吸收塔惰性气体的摩尔流量为1000273(10.09)37.8kmol/h22.427320V由表5-8中X～Y数据，采用内差法得到与气相进口组成Y1相平衡的液相组成*10.0032X（1）kmol/h10520032.0)0099.0099.0(8.372*121minXXYYVL实际吸收剂用量minL=1.2L=1.21052=1263kmol/h塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：1212()/37.8(0.0990.0099)00.002671263XXVYYL（2）吸收率不变，即出塔气体中SO2的组成Y2不变，0099.02Y20.0003X所以kmol/h11610003.00032.0)0099.0099.0(8.372*121minXXYYVL实际吸收剂用量minL=1.2L=1.21161=1394kmol/h塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：1212()/37.8(0.0990.0099)0.00030.00271394XXVYYL由该题计算结果可见，当保持溶质回收率不变，吸收剂所含溶质溶解度越低，所需溶剂量越小，塔底吸收液浓度越低。5.5.3.填料层高度的计算填料层高度的计算通常采用传质单元数法，它又称传质速率模型法，该法依据传质速率、物料衡算和相平衡关系来计算填料层高度。1、塔高计算基本关系式在填料塔内任一截面上的气液两相组成和吸收的推动力均沿塔高连续变化，所以不同截面上的传质速率各不相同。进行填料层高度的计算时，传质速率方程和物料衡算式应对填料层的微分高度列出，然后积分得到填料层总高度。Ω——填料塔的塔截面积，m2。在图5-26所示的填料层内，厚度为dZ微元的传质面积为：dZadA其中：a——单位体积填料所具有的相际传质面积，m2/m3；图5-26填料层高度计算定态吸收时，由物料衡算可知，气相中溶质减少的量等于液相中溶质增加的量，即单位时间由气相转移到液相溶质A的量可用下式表达：XLYVGdddA（5-86）根据吸收速率定义，dZ段内吸收溶质的量为：)d(ddAAAZaΩNANG（5-87）式中：GA——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，kmol/m2·s；将吸收速率方程)(*AYYKNY代入式（5-87）得：ZaΩYYKGYd)(d*A（5-88）将式(5-86)与(5-88)联立得：（5-89）当吸收塔定态操作时，V、L、Ω、a皆不随时间而变化，也不随截面位置变化。对于低浓度吸收，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，将式(5-89)积分得：*ddYYYaΩKVZY1212**d()dYYYYYYVYZKaΩYYVYKaΩYY（5-90）——低浓度定态吸收填料层高度计算基本公式体积传质系数：a值与填料的类型、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，通常将它与传质系数的乘积作为一个物理量，称为体积传质系数。如KYa为气相总体积传质系数，单位为kmol/（m3·s）。体积传质系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。注意：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，可取平均值。2、传质单元数与传质单元高度（1）气相总传质单元高度定义：aΩKVYaΩKVY式（5-90）中的单位为m，故将称为气相总传质单元高度，以HOG表示，即aΩKVHYOG（5-91）（2）气相总传质单元数定义：式（5-90）中定积分是一无因次的数值，工程上以NOG表示，称为气相总传质单元数。即12*OGdYYYYYN（5-92）因此，填料层高度OGOGHNZ（5-93）12*dYYYYY（3）填料层高度计算通式：Z=传质单元高度×传质单元数若式（5-87）用液相总传质系数及气、液相传质系数对应的吸收速率方程计算，可得：OLOLHNZ（5-94）GGHNZ（5-96）（5-95）LLHNZ式中：aΩKLHXOLaΩkVHYGaΩkLHXL——分别为液相总传质单元高度及气相、液相传质单元高度，m；12*OLXXXXdXN12GdYYiYYYN12dLXXiXXXN——分别为液相总传质单元数及气相、液相传质单元数。（4）传质单元数意义传质单元数反映了吸收过程的难易程度。当吸收要求一定时，欲减少传质单元数，则应设法增大吸收推动力。NOG、NOL、NG、NL计算式中的分子为气相或液相组成变化，即分离效果（分离要求）；分母为吸收过程的