章吸收吸收塔的计算传质单元数

中国矿业大学化工学院化工系第三节吸收塔的计算吸收操作既可以使用板式塔，也可以使用填料塔。塔内气液两相的流动方式通常采用逆流方式。吸收的计算按给定的条件与任务的不同分为设计型和操作型两类。操作型计算分为：给定操作条件求吸收效果；按吸收效果求操作条件。这里主要讨论设计型的设计及计算。中国矿业大学化工学院化工系吸收塔设计计算的已知条件一般如下：Y1Y2X2X1X1X2Y2’Y1’(1)混合气中溶质A的组成Y1和处理气中惰性组分流量V[kmol/h]；(2)吸收剂种类，操作的T、P——平衡关系；(3)吸收剂中溶质A的组成X2；(4)分离要求，或A。中国矿业大学化工学院化工系设计计算的任务：以逆流操作的填料塔为例，在选定吸收剂后进行吸收塔的计算。⑴确定合适的吸收剂用量L[kmol/h]；或液气比L/V。⑵计算塔径D；⑶计算填料塔有效填料层高度或板式塔的板数。中国矿业大学化工学院化工系2-3-1吸收塔的物料衡算与操作线方程V,Y2V,Y1L,X2L,X1一、全塔物料衡算作溶质A的物料衡算:VY1+LX2=VY2+LX1或V(Y1－Y2)=L(X1－X2)(2-51)121YYYAY2=Y1(1–A)(2-52)（低浓时）121yyy中国矿业大学化工学院化工系二、吸收塔的操作线方程与操作线对溶质A作塔内任一截面与塔任一端的物料衡算:V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn与塔底：VY1+LX=VY+LX1与塔顶：22XVLYXVLY(2-53a)或11XVLYXVLY(2-53)Y1–(L/V)X1=Y2–(L/V)X2中国矿业大学化工学院化工系操作线方程是一条斜率为：L/V的直线，端点分别是(X1,Y1)和(X2,Y2)。Y1X1BY*=f(X)YXAY2X2T∵气相的Y＞与液相浓度X达平衡的Y*=f(X)。∴吸收操作线在平衡线的上方。反之，解吸操作线将在平衡线的下方。11XVLYXVLYY*将并流操作线画在X—Y图上？中国矿业大学化工学院化工系并流操作线方程是一条斜率为：-L/V的直线，端点分别是(X1,Y1)和(X2,Y2)。Y1X1BY*=f(X)YXAY2X211XVLYXVLY一般，逆流吸收性能优于并流V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn中国矿业大学化工学院化工系2-3-2吸收剂用量的确定由任务给定的参数可知：操作线稀端T和浓端B的Y1根据：Y1L'/VB'L/VBL↑L↓X1'X1Y*=f(X)Y2X2TX1=(V/L)(Y1–Y2)+X2则X1和L/V相互制约。X1随塔内吸收剂用量L的大小在Y=Y1线上左右位移。L↑→L/V↑→操线距离↑→推动力↓→完成分离任务需塔高↑→X1↓；反之….中国矿业大学化工学院化工系最小液气比（L/V）min要达到分离要求的液气比减小是有限的，当L/V降低到某值，操作线和平衡线相交或相切，此时L/V对应的值为最小液气比（L/V）min，而对应的是最大的X1值为X1*Y1X1*L'/VB'L↓X1'Y*=f(X)Y2X2T(Lmin/V)2121minXXYYVL中国矿业大学化工学院化工系当平衡线向下弯曲或为直线时：2121minXXYYVL，Y1Y2X2TX1’21212*121minXmYYYXXYYVL(2-55,57)当溶液组成很低时，符合拉乌尔定律则：中国矿业大学化工学院化工系经验证明，适宜的吸收剂用量：min2~1.1VLVLmin2~1.1LL或最小液气比下，塔的某一界面下的气液平衡，推动力为零，塔需要无穷高才可完成吸收任务，所以实际液气比是兼顾设备费用和操作费用，达到总费用最低。中国矿业大学化工学院化工系p113例2-8洗油吸收芳烃。t=27℃，P=106.7kPa,焦炉气流量G=850m3/h,其中芳烃y1=0.02(摩尔%,下同),回收率A≥95%。吸收剂含芳烃x2=0.005若取溶剂用量为理论最小用量的1.5倍。求：⑴吸收剂用量L'(含A)kmol/h;⑵吸收液组成X1。XXY875.01125.0*操作条件下，气液平衡关系：中国矿业大学化工学院化工系解：⑴将题中各量的单位取一致①惰性气体流量V：)3.101273273()/(4.22)/('33PtkmolmhmGV)kmol/h(372.363.1017.106272732734.22850其中有y1=0.02摩尔分率的芳烃，惰性气体量V=V'(1-y1)=36.372(1-0.02)=35.64kmol(B)/h设焦炉气为理想气体中国矿业大学化工学院化工系②各组成的摩尔分率→摩尔比0204.002.0102.01111yyY00102.0)95.01(0204.0)1(12AYY00503.0005.01005.01222xxX中国矿业大学化工学院化工系00.0050.010.0150.020.02500.050.10.150.20.25(2)求吸收剂量L’：切线求斜率：2121min'XXYYVLkmol(S)/h06.664.351134.05.15.1minVVLLXXY875.01125.0*由00503.0176.000102.00204.01134.0中国矿业大学化工学院化工系洗油量：A)/hkmol(S09.6005.0106.61'2xLL⑶吸收液浓度X1：由全塔A组分物料衡算求出：1190.0)(2121LYYVXX中国矿业大学化工学院化工系2-3-3塔径的计算对于吸收，进塔的气体量最大。VS以进塔的气体量为计算基准。uVDST4(2-58)对于蒸馏，也应以塔内最大的气体体积流量为计算基准。中国矿业大学化工学院化工系2-3-4填料层高度的计算1.理论级模型法Z=HETPNTHETP—当量高度。是关于物系物性，操作条件，填料的结构参数、表面性状等的参数。一般由实际吸收装置实测或取近似条件的经验值。2.传质速率模型法根据“吸收速率方程”求填料层高度Z=HOGNOG又称“传质单元高度”和“传质单元数”法中国矿业大学化工学院化工系一、基本关系式的导出联立物料衡算、相平衡和传质速率三个关系式前面介绍的所有传质速率方程都适用于稳定操作的吸收塔中的“某一横截面”。对于整个吸收塔，各个横截面上气、液的浓度分布和传质推动力都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要从分析填料层的某一微分段dZ内溶质的吸收过程入手。中国矿业大学化工学院化工系dZ内溶质的传质面积为：dZZX+dXLV,YY+dYVL,XL,X2V,Y1V,Y2L,X1dA=adZ有效的单位体积传质面积,m2/m3对dZ微元填料层作A组分的物料衡算：VY+L(X+dX)LdX=VdY=dGA[kmol/h](2-59)V(Y+dY)+LX=中国矿业大学化工学院化工系)*(*)(XXKYYKNXYA*YYdYaKVdZY(2-61)XXdXaKLdZX*(2-62)及dGA=KY(Y–Y*)dA=KX(X*–X)dAdGA=NAdAKYa或KXa——体积吸收系数dA=adZ代入上两式LdX=VdY=dGA对dZ微元填料层作传质速率计算：中国矿业大学化工学院化工系对(2-61/62)积分12*YYYYYdYaKVZ式中，V、L、在全塔都是常数。当A在气相中的浓度很低时，气、液相的物性变化(甚至V′、L′的变化)较小,∴各截面的“体积传质系数KYa变化不大，可取平均值。(2-63)12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ(2-64)12*/XXXXXdXaKL中国矿业大学化工学院化工系二、传质单元高度和传质单元数若将不同的传质速率方程式代入dGA=NAdA，可以得到：以不同形式的推动力表示的膜的或(两相)总的填料层高度的积分式。它们将有一个共同形式：下面以为例，分析：12*YYYYYdYaKVZ塔高Z=HN中国矿业大学化工学院化工系①——由过程条件所决定的“单元高度”。又∵其推动力为总的气相摩尔比(Y–Y*)∴被称作“气相总传质单元高度”，表示为：OGYHaKV(2-65)][]][/)][/([]/[2322mmmmsmkmolskmolaKVY的单位：中国矿业大学化工学院化工系②积分号内的分子、分母具有相同单位，整体为无因次值。可以认为：Z是HOG的“倍数”。相应该倍数称为“气相总传质单元数”。12*YYOGYYdYN(2-66)液相的计算式，请自读p108(2-67~68)。12*YYYYdY的单位：中国矿业大学化工学院化工系☆HOG的物理意义假设某吸收过程所需填料层高度恰好等于一个传质单元高度：Z=HOG，121*YYOGYYdYN此时的mYYYY*21HOGZY2Y1(Y-Y*)mY1X1Y2X2中国矿业大学化工学院化工系在填料层I段中，即(Y1-Y2)I=(Y-Y*)I,m如果说，气体流经一段填料后，气体浓度变化量△YI=(Y1-Y2)I=该I段填料层内推动力的平均值(Y-Y*)I,m，则该段填料层的高度就是一个传质单元高度——HOG的物理意义1*)(*1,2,,21,IIYYmIImIOGYYYYYYdYN总能找到一处的推动力具有该段填料的平均推动力(Y-Y*)I,m。代入积分项成:ZiZHOGI中国矿业大学化工学院化工系三、传质单元数的求解12*YYOGYYdYN鉴于气、液平衡关系呈直线（或操作范围内是直线）、弯曲程度大或不大的情况，相应地有四种求解方法。1.平衡关系为直线时的解法包括过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y*=mX+b(注：b可以＝/≠0)表示的情况。此时有两种解法。中国矿业大学化工学院化工系(1)脱吸因数S法12*YYOGYYdYN对于逆流吸收操作：22YYLVXX12*122YYYSYYSdY12YYbmXYdY1222YYOGbYYLVXmYdYN则：Y*=mX+bS=m/(L/V)中国矿业大学化工学院化工系经积分，并整理SYYYYSSNOG**1ln112221**,2221YYYYSfp119Fig.2-18给出了上式的关系图。NOG05101520253035404550110100100010000**2221YYYY**2221YYYY反映A的大小，值分离程度NOGS反映推动力的大小，值分离难度NOG。中国矿业大学化工学院化工系(2)对数平均推动力法对于都是直线的平衡线和操作线，它们的差值△Y=Y–Y*与Y将呈线性关系(类似传热时的△tm)。b2Y2X2Y~X①△Y与X呈线性关系操线表示成：Y=k1X+b1平衡线为:Y*=k2X+b2则:Y-Y*=(k1-k2)X+(b1-b2)Y1X1△Y中国矿业大学化工学院化工系②△Y与Y将操作关系X=(Y–b1)/k1代入上式，则：Y–Y*=(k1-k2)(Y–b1)/k1+(b1–b2)=[(k1–k2)/k1]Y–[(k1–k2)/k1]b1+(b1–b2)∵k1,k2都是常数,∴(k1–k2)/k1也是常数。(k1–k2)/k1=1–k2/k1=1–m/(L/V)=1–S=K△Y=Y–Y*=KY–[(K–1)b1+b2]Y-Y*=(k1-k2)X+(b1-b2)中国矿业大学化工学院化工系△Y随Y的变化率12*YYOGYYdYN=△Ym2121YYYYdYYd,则:**ln22112121YYYYYYYYYdYYYYdY212112**2121YYYYYYdYYYY(2-71)21