1、2020/6/30,.,第四節(jié) 吸收塔的計(jì)算 一、物料衡算與操作線方程 二、吸收劑用量的確定 三、填料層高度的計(jì)算,第五章 吸 收,2020/6/30,.,【吸收塔的計(jì)算內(nèi)容 】,1、設(shè)計(jì)型計(jì)算 （1）吸收塔的塔徑； （2）吸收塔的塔高等。,2、操作型計(jì)算 （1）吸收劑的用量； （2）吸收液的濃度； （3）在物系、塔設(shè)備一定的情況下，對(duì)指定的生產(chǎn)任務(wù)，核算塔設(shè)備是否合用。,2020/6/30,.,一、物料衡算和操作線方程,1、物料衡算,G單位時(shí)間通過任一塔截面惰性氣體的量，kmol/s； L單位時(shí)間通過任一塔截面的純吸收劑的量，kmol/s； Y任一截面上混合氣體中溶質(zhì)的摩爾比， X任一截面上

2、吸收劑中溶質(zhì)的摩爾比。,物料衡算示意圖,2020/6/30,.,【假設(shè)】溶劑不揮發(fā)，惰性氣體不溶于溶劑（即操作過程中L、G為常數(shù)）。以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，在全塔范圍內(nèi)，對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算得：,全塔的物料衡算式,（進(jìn)入量引出量）,或,2020/6/30,.,【溶質(zhì)的回收率】,【定義】,【計(jì)算公式】,塔底、塔頂組成與回收率之間的關(guān)系,【吸收液的濃度】,【有關(guān)計(jì)算】,2020/6/30,.,2、吸收操作線方程與操作線,逆流吸收塔內(nèi)任取mn截面，在截面mn與塔頂間對(duì)溶質(zhì)A進(jìn)行物料衡算：,GY+LX2=GY2+LX,或,2020/6/30,.,若在塔底與塔內(nèi)任一截面mn間對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算，則得到：,或,【

3、吸收操作線方程式的作用】表明了塔內(nèi)任一截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關(guān)系。,2020/6/30,.,【逆流吸收操作線方程的有關(guān)討論的特點(diǎn)】,（1）當(dāng)定態(tài)連續(xù)吸收時(shí)，若L、G一定，Y1、X1恒定，則該吸收操作線在XY直角坐標(biāo)圖上為一直線，通過塔頂A（X2，Y2）及塔底B（X1， Y1），其斜率為L/G。 【定義】L/G 稱為吸收操作的液氣比。,2020/6/30,.,Y,Y1,Y,Y2,X,X,X1,X2,Y=f(X),吸收操作線,0,塔頂,塔底,斜率L/G,2020/6/30,.,（2）吸收操作線僅與液氣比、塔底及塔頂溶質(zhì)組成有關(guān)，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、塔型及操作條件T、p無關(guān)。,（3）吸收操

4、作時(shí)，Y Y*或X* X，故吸收操作線在平衡線Y*f(X)的上方，操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大； （4）對(duì)于解吸操作，YY*或X*X，故解吸操作線在平衡線的下方。,2020/6/30,.,Y,Y1,Y,Y2,X,X,X1,X2,Y=f(X),吸收推動(dòng)力,0,X*,Y*,吸收推動(dòng)力YY*,吸收推動(dòng)力X*X,2020/6/30,.,二、吸收劑用量與最小液氣比,1、最小液氣比,【定義】對(duì)于一定的分離任務(wù)、操作條件和吸收物系，當(dāng)塔內(nèi)某截面吸收推動(dòng)力為零時(shí)（氣液兩相平衡YY*0），達(dá)到分離要求所需塔高為無窮大時(shí)的液氣比稱為最小液氣比，以（L/G）min表示。,式中 FA單位時(shí)間溶質(zhì)的吸收量，mol

5、/s； A氣液相接觸面積，m2。,2020/6/30,.,【特點(diǎn)】操作線與平衡線相交或相切。 【問題】如果進(jìn)一步減小液氣比，將會(huì)出現(xiàn)什么狀況？,最小液氣比下的操作線,Y1*,Y1Y1*=0,YY*=0,2020/6/30,.,2、操作液氣比對(duì)吸收操作的影響,【設(shè)備費(fèi)用降低 】增大吸收劑用量，操作線的斜率變大，操作線往上抬。在此情況下，操作線遠(yuǎn)離平衡線，吸收的推動(dòng)力增大，若欲達(dá)到一定吸收效果，則所需的塔高將減小，設(shè)備費(fèi)用會(huì)減少。 【操作費(fèi)用增加 】吸收劑用量增加到一定程度后，塔高減小的幅度就不顯著，而吸收劑消耗量卻過大，造成輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用劇增。,（1）增大吸收劑用量對(duì)吸收操作的影響,

6、2020/6/30,.,【設(shè)備費(fèi)用增加】減少吸收劑用量，操作線的斜率變小，操作線往下壓。在此情況下，操作線靠近平衡線，吸收的推動(dòng)力減小，若欲達(dá)到一定吸收效果，則所需的塔高將增大，設(shè)備費(fèi)用會(huì)增加。 【操作費(fèi)用降低 】隨著吸收劑用量的減少，吸收后所獲得的吸收液濃度會(huì)增大，降低了解吸工段的難度；同時(shí)吸收劑消耗量也會(huì)較少，輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用減少。,（2）減少吸收劑用量對(duì)吸收操作的影響,2020/6/30,.,【確定原則】應(yīng)選擇適宜的液氣比，使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最小。 【確定方法】根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍，即：,3、吸收劑用量的確定,L適宜=（1.12.0）Lm

7、in,或,2020/6/30,.,L適宜=（1.12.0）Lmin,2020/6/30,.,4、最小液氣比的確定,（1）圖解法,【方法一】（1）在X-Y圖上分別畫出平衡線與操作線； （2）根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算：,2020/6/30,.,（1）過點(diǎn)（X2，Y2）作平衡線的切線； （2）水平線YY1與切線相交于點(diǎn)（X1,max，Y1），則可按下式計(jì)算最小液氣比：,【方法二】操作線與平衡線相切，則：,2020/6/30,.,（2）解析法,若平衡關(guān)系符合亨利定律，則采用下列解析式計(jì)算最小液氣比 ：,由于,2020/6/30,.,【例】用清水在常壓塔內(nèi)吸收含SO2 9%(mol)的氣體。溫度為20，逆流操

8、作，處理量為1m3/s。要求SO2的回收率為95%，吸收劑用量為最小吸收劑用量的120%。求吸收后吸收液的濃度和吸收用水量。已知操作條件下的氣液平衡關(guān)系為Y*=31.13X,2020/6/30,.,【解】已知 y10.09 950.95 ,Y2(1)Y1(10.95)0.0990.00495 據(jù) Y*31.13X 知： m31.13 據(jù),2020/6/30,.,據(jù),可解得吸收液的濃度為 X1=0.00265 ,故吸收用水量為： L35.5G35.537.851343(mol/s)1.343(kmol/s), L120Lmin1.2Lmin ,2020/6/30,.,三、吸收塔填料層高度的計(jì)算,

9、1、填料塔的高度,【說明】填料塔的高度主要決定于填料層高度。,2020/6/30,.,H塔高(從A到B，不包括封頭、裙座高)，m； Z填料層高m； Hf裝置液體再分布器的空間高，m； Hd塔頂空間高(不包括封頭部分)，m，一般取Hd=0.81.4m； Hb塔底空間高(不包括封頭部分)，m，一般取Hb=1.21.5m； n填料層分層數(shù),HHd十Z十(n1)Hf十Hb,Hd,Hf,Hb,2020/6/30,.,【說明】由于液體再分布器、噴淋裝置、支承裝置、捕沫器等的結(jié)構(gòu)不同時(shí)其高度不同，當(dāng)一時(shí)無法準(zhǔn)確確定時(shí)，也可采用下式近似計(jì)算塔高：,H=1.2Z+Hd+Hb,Hd塔頂空間高(不包括封頭部分)，m

10、； Hb塔底空間高(不包括封頭部分)，m。,【填料塔高度的近似計(jì)算】,2020/6/30,.,2、填料層高度的基本計(jì)算式,【計(jì)算依據(jù)】 （1）物料衡算式； （2）傳質(zhì)速率方程式。 【操作特點(diǎn)】在填料塔內(nèi)任一截面上的吸收的推動(dòng)力（YY*）均沿塔高連續(xù)變化，所以不同截面上的傳質(zhì)速率各不相同。 【處理方法】不能對(duì)全塔進(jìn)行計(jì)算，只可首先對(duì)一微分段計(jì)算，得到微分式，然后得到積分式運(yùn)用于全塔。,2020/6/30,.,逆流吸收塔內(nèi)的吸收推動(dòng)力,【特點(diǎn)】任一截面上的吸收的推動(dòng)力均沿塔高連續(xù)變化。,2020/6/30,.,其中 a 單位體積填料所具有的相際傳質(zhì)面積，m2/m3；稱為有效比表面積。（被吸收劑濕潤

11、的填料表面積）, 填料塔的塔截面積，m2。,微分填料層的傳質(zhì)面積為：,【吸收塔填料層高度微分計(jì)算式】,2020/6/30,.,拉西環(huán)填料,比表面積填料的數(shù)量單個(gè)填料的表面積,2020/6/30,.,堆放在塔內(nèi)的填料,有效比表面積a 被吸收劑濕潤的填料表面積,2020/6/30,.,定態(tài)吸收時(shí)，氣相中溶質(zhì)減少的量等于液相中溶質(zhì)增加的量，即：,式中 FA單位時(shí)間吸收溶質(zhì)的量，kmol/s； NA為微元填料層內(nèi)溶質(zhì)的傳質(zhì)速率，在微分層內(nèi)可視為定值，kmol/m2s；,物料衡算式,2020/6/30,.,將吸收速率方程,代入上式得,與 dFAGdY 聯(lián)立后可得：,吸收塔填料層高度微分計(jì)算式,2020/

12、6/30,.,【計(jì)算前提】 （1）當(dāng)吸收塔定態(tài)操作時(shí)，G、L、a既不隨時(shí)間而變化，也不隨截面位置變化。 （2）低濃度吸收，在全塔范圍內(nèi)氣液相的物性變化都較小，通常KY、KX可視為常數(shù)，將前式積分得：,低濃度定態(tài)吸收塔填料層高度積分計(jì)算式,【吸收塔填料層高度積分計(jì)算式】,2020/6/30,.,3、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù),（1）傳質(zhì)單元高度,【確定方法】分別確定各物理量的大小，通過定義式直接計(jì)算其數(shù)值的大小。,2020/6/30,.,【結(jié)論】 （1）體積傳質(zhì)系數(shù)KYa與填料性能和填料潤濕情況有關(guān)。傳質(zhì)單元高度的數(shù)值反映了吸收設(shè)備傳質(zhì)效能的高低； （2） HOG愈小，吸收設(shè)備的傳質(zhì)阻力愈小，傳質(zhì)

13、效能愈高，完成一定分離任務(wù)所需填料層高度愈小。,【傳質(zhì)單元高度對(duì)吸收的影響】,2020/6/30,.,【體積傳質(zhì)系數(shù)（ KY a ）參數(shù)歸并法】,（1）有效比表面積（a）與填料的類型、形狀、尺寸、填充情況有關(guān)，還隨流體物性、流動(dòng)狀況而變化，其數(shù)值不易直接測定； （2）通常將a與傳質(zhì)系數(shù)（KY）的乘積合并為一個(gè)物理量KY a （ 單位kmol/m3s），稱為體積傳質(zhì)系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測定其數(shù)值； （3）在低濃度吸收的情況下，體積傳質(zhì)系數(shù)在全塔范圍內(nèi)為常數(shù)，或可取平均值。,2020/6/30,.,（2）傳質(zhì)單元數(shù),因此，根據(jù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義，填料層高度可表示為：,2020/6/30,.,

14、（3）填料層高度計(jì)算通式,計(jì)算通式 Z傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù),若用不同的總傳質(zhì)系數(shù)及氣、液相傳質(zhì)系數(shù)對(duì)應(yīng)的吸收速率方程進(jìn)行推導(dǎo)，可得：,【說明】（1）可以使用其中任何一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，并且結(jié)果相同； （2）根據(jù)已知條件選用計(jì)算式。,2020/6/30,.,2020/6/30,.,（4）傳質(zhì)單元的物理意義,以NOG為例，由積分中值定理得知：,【結(jié)論】當(dāng)氣體流經(jīng)填料塔的某一塔段，其氣相中溶質(zhì)組成變化（Ya Yb）等于該填料塔的平均吸收推動(dòng)力（中值）（YY*）m，即NOG1時(shí)，則該塔段為一個(gè)傳質(zhì)單元。,2020/6/30,.,傳質(zhì)單元的物理意義,Ya,Yb,【問題】一個(gè)吸收塔內(nèi)有多少個(gè)傳質(zhì)單元？,2

15、020/6/30,.,（5）傳質(zhì)單元數(shù)對(duì)吸收操作的影響,【決定因素】NOG的分子（Y1Y2）為氣相組成變化，即分離效果（分離要求）；分母（YY*）m為吸收過程的推動(dòng)力。其值的大小取決于被分離的物系的性質(zhì)、結(jié)果與操作條件，而與塔設(shè)備無關(guān)。 【變化趨勢】分離任務(wù)（Y1Y2）越高，吸收的平均推動(dòng)力（YY*）m愈小，傳質(zhì)單元數(shù)就愈大。 【結(jié)論】傳質(zhì)單元數(shù)反映了吸收過程的難易程度。即傳質(zhì)單元數(shù)越大，吸收過程的難度越大。,2020/6/30,.,（6）傳質(zhì)單元高度的物理意義,2020/6/30,.,3、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算,（1）傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算的方法 當(dāng)氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律時(shí)： 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法； 吸收因

16、數(shù)法。 當(dāng)氣液平衡關(guān)系不滿足亨利定律時(shí)： 圖解積分法； 數(shù)值積分法（辛普森Simpson法）。,2020/6/30,.,（2）對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法,【前提】氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律。 【方法】根據(jù)積分中值定律，先確定中值的數(shù)值，以此計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)。,式中,2020/6/30,.,Y1*mX1與X1相平衡的氣相組成； Y2*mX2與X2相平衡的氣相組成； Ym塔頂與塔底兩截面上吸收推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均值，稱為對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力。,【中值的確定】,2020/6/30,.,Y,Y1,Y2,X,X1,X2,Y=f(X),對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法,0,Ym,Y1,Y2,塔頂,塔底,2020/6/30,.,同理，液相總傳質(zhì)單

17、元數(shù)的計(jì)算式為：,X1*與Y1相平衡的液相組成； X2*與Y2相平衡的液相組成。,式中,2020/6/30,.,【兩點(diǎn)討論】,（1）當(dāng)Y1/Y22、X1/X22時(shí)，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力替代，產(chǎn)生的誤差小于4%，這是工程允許的；,2020/6/30,.,（2）吸收（解吸）因數(shù)法,【方法】由于氣液平衡關(guān)系服從亨利定律，首先建立起函數(shù)關(guān)系式f(YY*)Y，根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)的定義式直接積分，導(dǎo)出其解析式。,【說明】一般情況下，可直接用該式計(jì)算。,2020/6/30,.,【吸收（解吸）因素法關(guān)系圖簡捷計(jì)算】,2020/6/30,.,解吸因素法關(guān)系圖,【方法】（1）由m、L/G計(jì)算S： （2）由

18、m、Y1、Y2 、 X2計(jì)算： （3）由圖中查的NOG。,2020/6/30,.,圖解積分法的步驟如下： 由平衡線和操作線求出若干個(gè)點(diǎn)（Y，YY*）； 在Y2到Y(jié)1范圍內(nèi)作Y 1/（YY*）曲線； 在Y2與Y1之間，Y 1/（YY*）曲線和橫坐標(biāo)所包圍的面積為傳質(zhì)單元數(shù)。,當(dāng)平衡線為曲線時(shí)，傳質(zhì)單元數(shù)一般用圖解積分法求取。,（3）圖解積分法,2020/6/30,.,【具體方法】,1、分別作出平衡線和操作線； 2、在Y2和Y1間去若干個(gè)Y值，讀出相應(yīng)的推動(dòng)力Y-Y*； 3、計(jì)算出個(gè)對(duì)應(yīng)的1/(Y-Y*)； 4、以Y為橫坐標(biāo)，1/(Y-Y*)為縱坐標(biāo)作圖（曲線）； 5、確定由Y=Y2、Y=Y1與1/(Y-Y*)=0及曲線包圍的面積。,2020/6/30,.,Y,圖解積分法示意圖,2020/6/30,.,【例】在一塔徑為0.8m的填料塔內(nèi)，用清水逆流吸收空氣中的氨，要求氨的吸收率為99.5%。已知空