第三章-吸收(填料塔高度的计算)

化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。吸收塔的计算设计计算的主要内容与步骤计算依据：物系的相平衡关系和传质速率(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)确定塔的高度；(6)塔的流体力学计算及校核；(7)塔的附件设计。以吸收为例说明填料塔填料层高度的计算方法，但在实际操作中，填料塔和板式塔均为最常用的塔型。吸收塔的计算以逆流操作的填料塔为例：对稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收的溶质A的量必须等于液相吸收的量。全塔物料衡算为：下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。V——惰性气体B的摩尔流率kmol/s；L——吸收剂S的摩尔流率kmol/s；Y——溶质A在气相中的摩尔比浓度；X——溶质A在液相中的摩尔比浓度。5.1物料衡算与吸收操作线方程物料衡算目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量L或吸收剂出口浓度X1。1221LXVYLXVYV,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X物料衡算若GA为吸收塔的传质负荷，即气体通过填料塔时，单位时间内溶质被吸收剂吸收的量kmol/s，则进塔气量V和组成Y1是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成X2一般由工艺条件所确定，出塔气体组成Y2则由任务给定的吸收率求出)()(2121XXLYYVGA)1(12YYV,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X在填料塔内，对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操作，气、液组成沿塔高连续变化；在塔的任一截面接触的气、液两相组成是相互制约的；全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔内具有最高气、液浓度的截面“1”（浓端），或具有最低气、液浓度的截面“2”（稀端）的气、液浓度关系。22XVLYXVLY11XVLYXVLYLXVYLXVY11操作线方程与操作线同理，若在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算，有V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成Y和X之间的关系。（L/V）称为吸收塔操作的液气比。若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体，则所得溶质A的物料衡算式为操作线方程与操作线当L/V一定，操作线方程在Y-X图上为以液气比L/V为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P线上任一点的坐标(Y，X)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离(Y-Y*)为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离(X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。Y-Y*X*-X操作线方程与操作线并流操作线方程V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）构成的控制体作物料衡算，可得并流时的操作线方程，其斜率为（-L/V）。11XVLYXVLYYXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X吸收塔内流向的选择在Y1至Y2范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流优于并流。工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊说明，均为逆流吸收。与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流动的液体产生曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。逆流与并流操作线练习Y3X2X1Y1Y2X2Y2X3CDABY1Y2Y3X1X2X3CDAB逆流与并流操作线练习Y1Y2、Y3Y4X4（X3、X2）X1X2Y2X4Y1X3Y3CDABY4X1DABCY1X2Y4X1X3Y3X4Y2ACDBY1Y4Y3Y2X2X1X3X4ACDBY1Y4Y3Y2X2X1X3X4ACDBY1Y3Y4Y2X2X1X3X4ACDB吸收剂的选择选择良好的吸收剂对吸收过程至关重要。但受多种因素制约，工业吸收过程吸收剂的选择范围也是很有限的，一般视具体情况按下列原则选择。(1)对溶质有较大的溶解度。溶解度，溶剂用量，溶剂再生费用；溶解度，对一定的液气比，吸收推动力，吸收传质速率，完成一定的传质任务所需设备尺寸；(2)良好的选择性，即对待吸收组分的溶解度大，其余组分溶解度小；(3)稳定不易挥发，以减少溶剂损失；(4)粘度低，有利于气液接触与分散，提高吸收速率；(5)无毒、腐蚀性小、不易燃、价廉等。3-3吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定吸收剂用量L或液气比L/V在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量V，以及进、出塔组成Y1、Y2由设计任务给定，吸收剂入塔组成X2则是由工艺条件决定或设计人员选定。2211XYYLVX可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量L是相互制约的。由全塔物料衡算式选取的L/V，操作线斜率，操作线与平衡线的距离，塔内传质推动力，完成一定分离任务所需塔高；L/V，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度X1，循环和再生费用；若L/V，吸收剂出塔浓度X1，塔内传质推动力，完成相同任务所需塔高，设备费用。吸收剂用量的确定不同液气比L/V下的操作线图直观反映了这一关系。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY-Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC最小液气比(L/V)min要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量GA=V(Y1-Y2)，L/V的减小是有限的。当L/V下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的L/V称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对应的X1则用X1,max表示。最小液气比(L/V)min随L/V的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max两线在Y1处相交时，X1,max=X1*；两线在中间某个浓度处相切时，X1,maxX1*。2max,121minXXYYVL2max,121minXXYYVL最小液气比的计算式：吸收剂用量的确定在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取。根据生产实践经验，一般取min0.2~1.1VLVL注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量L值还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。在填料塔内，气、液两相传质面积由填充的填料表面提供。传质面积：若塔的截面积为（m2），填料层高度为h（m），单位体积的填料所提供的表面积为a（m2/m3），则该塔所能提供的传质面积A（m2）为a为填料的有效比表面积，是填料的一个重要特性数据，填料及填料填充方式一定即为定值。塔截面积或塔径：主要由与填料的流体力学特性相关的空塔气速决定。塔截面积确定后，求传质面积就转化为求所需的填料层高度。完成一定吸收任务所需的传质面积，不仅与传质量和分离程度等由任务规定的指标有关，还与塔内气液两相流动状况、相平衡关系、填料类型以及填充方式等影响相际传质速率的诸多因素紧密相关。物料衡算方程和传质速率方程是计算填料层高度的基本方程。ZaF3-4.2填料层高度(低浓度气体)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ddAANANah若dZ微元段内传质速率为NA，填料提供的传质面积为dF=adZ，则通过传质面积dF溶质A的传递量为dddNVYLX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dN填料层高度的基本计算式填料塔内气、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。dddANVYNaZdddANLXNahV,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX填料层高度的基本计算式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-Y*)和NA=kX(X*-X)可得：*ddYVYKYYah*ddXLXKXXah12*dYYYVYhKaYY12*dXXXLXhKaXX12d*YYYVYhkaYY12d*XXXLXhkaXX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。低浓度气体吸收填料层高度的计算特点：低浓度气体吸收（y110%）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。12*dYYYVYhKaYY12*dXXXLXhKaXX3-4.3传质单元数和传质单元高度•传质单元数的意义：反映了取得一定吸收效果的难易程度。•定义：气相总传质单元数12*YYOGYYdYN平均传质推动力气相组成变化mYYYYYYdYNYYOG)(*21*12当所要求的(Y1-Y2)为一定值时，平均吸收推动力(Y-Y*)m越大，NOG就越小，所需的填料层高度就越小。传质单元数的意义：反映了取得一定吸收效果的难易程度。的意义：1OGN气体流经一段填料，溶质组成变化(Y1-Y2)等于该段填料平均吸收推动力(Y-Y*)m时，，该段填料为一个传质单元。传质单元高度•定义：aKGHyOG气相总传质单元高度，m。传质单元高度的意义:完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。传质单元高度影响因素：填料性能、流动状况体积总传质系数与传质单元高度的关系:2.0OG8.0GH,GaKGaKYY传质单元高度变化范围：0.1～1.0m。传质单元数与传质单元高度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