化工原理第五章吸收塔的计算

2020/1/24【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。2020/1/24一、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。G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图物料衡算示意图2020/1/24【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）1221LXGYLXGY或)()(2121XXLYYGG,Y2L,X2G,Y1L,X1物料衡算示意图2020/1/24（1）吸收液的浓度)(2121YYLGXX【有关计算】G,Y2L,X2G,Y1L,X1物料衡算示意图据)()(2121XXLYYG【结论】吸收液的浓度取决于混合气体进出设备的组成Y1、Y2以及吸收剂的组成X2。2020/1/24（2）溶质的回收率【定义】进塔气体中的溶质量被吸收的溶质量121121)(YYYGYYYG【计算公式】——塔底、塔顶组成与回收率之间的关系)1(12YYG,Y2L,X2G,Y1L,X1物料衡算示意图【应用】可通过控制吸收尾气的组成Y2调节溶质的回收率。2020/1/242、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)(22XGLYXGLYG,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图（进入量＝引出量）2020/1/24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：11LXGYLXGY或)(11XGLYXGLY【说明】以上两式均称为吸收操作线方程。G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图2020/1/24【逆流吸收操作线方程的有关讨论】（1）【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。)(11XGLYXGLY)(22XGLYXGLYG,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X1逆流吸收操作线推导示意图【问题】与Y*=mX有何不同？2020/1/24（2）【特点】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。)(11XGLYXGLY)(22XGLYXGLY2020/1/24变换气CO+H2O=CO2+H2（Y1含CO216~40%）净化气H2（Y2含CO2＜1.5%）1－油水分离器；2－吸收塔；3－分离器；4－溶剂泵；5－溶剂冷却器；6－闪蒸槽；7－常解再生塔；8－气提鼓风机；9－中间贮槽；10－洗涤塔；11－洗涤液泵；12－罗茨鼓风机碳酸丙烯酯脱碳常压吸收－空气气提再生工艺流程图吸收塔解吸塔GLX2X12020/1/24)(11XGLYXGLY)(22XGLYXGLYYY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收操作线G,Y2L,X2G,YmnL,XG，Y1L,X10塔顶塔底斜率＝L/GY*【说明】（1）塔内的气液相组成沿操作线连续改变；（2）操作线上的任一点代表塔内某一截面的气液两相组成。2020/1/24（3）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。（4）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；（5）对于解吸操作，YY*或X*X，故解吸操作线在平衡线的下方。)(11XGLYXGLY)(22XGLYXGLY2020/1/24YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收推动力0X*Y*)(*YYKNYA)(*XXKNXA吸收推动力Y－Y*吸收推动力X*－X2020/1/24YY1YY2XXY=f(X)吸收推动力0Y*)(*YYKNYA)(*XXKNXA吸收推动力Y－Y*Y*Y【说明】吸收推动力Y－Y*0，因此，该过程为解吸操作。2020/1/24二、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。)(*AAYYAKANFY式中FA——单位时间溶质的吸收量，mol/s；A——气液相接触面积，m2。2020/1/24【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Y-Y*0Y1－Y1*=0Y－Y*=02020/1/242、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2020/1/24增大吸收剂用量，所需的塔高将减小，设备费用会减少。增大吸收剂用量，会造成输送及吸收剂再生等操作费用增大。2020/1/24【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2020/1/24减小吸收剂用量，所需的塔高将增大，设备费用会增加。减小吸收剂用量，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。【结论】吸收过程的吸收剂用量增大或者减小，会使得设备费用或者操作费用两项中的一项增加。因此，吸收过程的吸收剂用量过大或者过小，都不利于吸收操作。2020/1/24【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）Lminmin0.2~1.1GLGL）（适宜或2020/1/24LL适宜费用总费用设备费操作费L适宜=（1.1~2.0）Lmin2020/1/244、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：2*121minXXYYGL斜率＝（L/G）min操作线平衡线2020/1/24（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：2max,121minXXYYGL【方法二】操作线与平衡线相切，则：)(*XfY1Y2Y2X1Xmax,1X2020/1/24（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：2121minXmYYYGLmYX1*1由于Y1Y2X2X1*2020/1/24【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*=31.13X2020/1/24099.009.0109.01111yyY2121min/)(XmYYYGL6.29013.31099.000495.0099.0)(minGL【解】已知y1＝0.09η＝95％＝0.95∴Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495据Y*＝31.13X知：m＝31.13据∴2020/1/242121XXYYGL5.35000495.0099.01X)/(85.3709.012932734.221000smolG）＝－（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∴5.356.292.1)(2.1min＝GLGL——全塔的物料衡算式2020/1/24三、吸收塔填料层高度的计算1、填料塔的高度封头塔顶空间塔底空间裙座【说明】填料塔的高度主要决定于填料层高度。2020/1/24H——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HbHdHfHb2020/1/24【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+HbHd——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】2020/1/242、填料层高度的基本计算式（1）填料层高度的计算依据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】①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；②然后得到积分式运用于全塔。2020/1/24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。)(*AAAYYYKN)(*AAAXXXKN2020/1/24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）Ω——填料塔的塔截面积，m2。微分填料层的传质面积为：dZadA（2）吸收塔填料层高度微分计算式2020/1/24拉西环填料比表面积＝填料的数量/m3×单个填料的表面积2020/1/24堆放在塔内的填料有效比表面积a——单位体积填料被吸收剂湿润的填料表面积2020/1/24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：XLYGFdddA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；——物料衡算式微分填料层dZ段内吸收溶质的量为：)d(ddAAAZaΩNANF——传质速率计算式2020/1/24将吸收速率方程)(*AYYKNY代入上式得ZaΩYYKdZaNFYAd)(d*A与dFA＝GdY联立后可得：*ddYYYaΩKGZY——吸收塔填料层高度微分计算式GdYZaΩYYKYd)(*（气液两相之间传递的量＝气相中减少的量）2020/1/24【计算前提】（1）当吸收塔定态操作时，G、L、Ω、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：1212**d)(dYYYYYYYYYaΩKGYYaΩKYGZ——低浓度定态吸收塔填料层高度积分计算式（3