吸收塔的設計

1、第4節(jié) 吸收塔的計算   吸收過程既可在板式塔內進行，也可在填料塔內進行。在板式塔中氣液逐級接觸，而在填料塔中氣液則呈連續(xù)接觸。本章對于吸收操作的分析和計算主要結合連續(xù)接觸方式進行。    填料塔內充以某種特定形狀的固體填料以構成填料層。填料層是塔實現(xiàn)氣、液接觸的主要部位。填料的主要作用是：填料層內空隙體積所占比例很大，填料間隙形成不規(guī)則的彎曲通道，氣體通過時可達到很高的湍動程度；單位體積填料層內提供很大的固體表面，液體分布于填料表面呈膜狀流下，增大了氣、液之間的接觸面積。    通常填料塔的工藝計算包括如下項目：

2、  （1）在選定吸收劑的基礎上確定吸收劑的用量；（2）計算塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔的有效高度，對填料塔，有效高度是填料層高度，而對板式塔，則是實際板層數(shù)與板間距的乘積。計算的基本依據(jù)是物料衡算，氣、液平衡關系及速率關系。下面的討論限于如下假設條件：（1）吸收為低濃度等溫物理吸收，總吸收系數(shù)為常數(shù)；（2）惰性組分B在溶劑中完全不溶解，溶劑在操作條件下完全不揮發(fā)，惰性氣體和吸收劑在整個吸收塔中均為常量；（3）吸收塔中氣、液兩相逆流流動。吸收塔的物料衡算與操作線方程式全塔物料衡算圖212所示是一個定態(tài)操作逆流接觸的吸收塔，圖中各符號的意義如下：V惰性氣體的流量，kmol（B）s；L純

3、吸收劑的流量，kmol（S）S；Y1；、Y2分別為進出吸收塔氣體中溶質物質量的比，kmol（A）kmol（B）；X1、X2分別為出塔及進塔液體中溶質物質量的比，kmol（A）kmol（S）。注意，本章中塔底截面一律以下標“l(fā)”表示，塔頂截面一律以下標“2”表示。在全塔范圍內作溶質的物料衡算，得：        VY1LX2VY2LX1或V（Y1Y2）L（X1X2）             

4、0;   （238）    一般情況下，進塔混合氣體的流量和組成是吸收任務所規(guī)定的，若吸收劑的流量與組成已被確定，則V、Y、L及X2。為已知數(shù)，再根據(jù)規(guī)定的溶質回收率，便可求得氣體出塔時的溶質含量，即：Y2Yl（1A）                          （239）式中A為溶質的吸收率

5、或回收率。   通過全塔物料衡算式238可以求得吸收液組成X1。于是，在吸收塔的底部與頂部兩個截面上，氣、液兩相的組成Y1、Xl與Y2、X2均成為已知數(shù)。2吸收塔的操作線方程式與操作線在定態(tài)逆流操作的吸收塔內，氣體自下而上，其組成由Y1逐漸降低至Y2；液相自上而下，其組成由X2逐漸增濃至Xl；而在塔內任意截面上的氣、液組成 Y與X之間的對應夫系，可由塔內某一截面與塔的一個端面之間作溶質A的物料衡算而得。例如，在圖212中的mn截面與塔底端面之間作組分A的衡算：        VYLX1VY1LX或

6、0;     YX（Y1X1）           （240）式240稱為逆流吸收塔的操作線方程式，它表明塔內任一橫截面上的氣相組成Y與液相組成X之間成直線關系。直線的斜率為LV，且此直線應通過B（X1，Y1）及T（X2，Y2）兩點，如圖213所示圖中的直線BT即為逆流吸收塔的操作線。（1）上端點B代表吸收塔底的情況，此處具有最大的氣、液組成，故稱為“濃端”；端點T代表塔頂?shù)那闆r，此處具有最小的氣、液組成，故稱之為“稀端”；操作線上任一點A，代表著塔內相應

7、截面上的液、氣組成X、Y。（2）當進行吸收操作時，在塔內任一截面上，溶質在氣相中的實際組成總是高于與其接觸的液相平衡組成，所以吸收操作線必位于平衡線上方。反之，若操作線位于平衡線下方，則進行脫吸過程。需要指出，操作線方程式及操作線都是由物料衡算得來的，與系統(tǒng)的平衡關系、操作溫度和壓強以及塔的結構類型都無任何牽連。 吸收劑用量的確定（1）液氣比由圖 214a可知，在 V、Y、Y1及X2已知的情況下，吸收操作線的一個端點T已經(jīng)固定，另一個端點B則可在YY1的水平線上移動。點B的橫坐標將取決于操作線的斜率LV。操作線的斜率LV稱為“液氣比”，是溶劑與惰性氣體物質的量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑

8、耗用量大小。（2）由于V值已經(jīng)確定，故若減少吸收劑用量L，操作線的斜率就要變小，點B便沿水平線YY1向右移動，其結果是使出塔吸收液的組成加大，吸收推動力相應減小。若吸收劑用量減小到恰使點B移至水平線YY1與平衡線的交點B*時，X1X1*：，意即塔底流出的吸收液與剛進塔的混合氣達到平衡。這是理論上吸收液所能達到的最高含量，但此時過程的推動力已變?yōu)榱?，因而需要無限大的相際傳質面積。這在實際上是辦不到的，只能用來表示一種極限狀況。此種狀況下吸收操作線（B*T）的斜率稱為最小液氣比，以（LV）min表示，相應的吸收劑用量即為最小吸收劑用量，以Lmin表示。反之，若增大吸收劑用量，則點B將沿水平線向左移

9、動，使操作線遠離平衡線，過程推動力增大；但超過一定限度后，效果便不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項操作費用急劇增大。（3）最小液氣比的求法    最小液氣比可用圖解法求出。如果平衡曲線符合圖214a所示的一般情況，則要找到水平線YY1與平衡線的交點B*，從而讀出X*的數(shù)值，然后用下式計算最小液氣比，即：                     （241）或 

10、0;                   （214a）如果平衡曲線呈現(xiàn)如圖214b中所示的形狀，則應過點T作平衡線的切線，找到水平線YY1與此切線的交點B´，從而讀出點B´的橫坐標X1´的數(shù)值，用X1´代替式241或式241a中的X1* ，便可求得最小液氣比（L/V）min或最小吸收劑用量Lmin。若平衡關系符合亨利定律，可用 X*Ym表示，則可直接用下式算出最小液氣比，即：&

11、#160;                           （242）                       

12、             （242 a）               如果用純溶劑吸收，則X20，式242及式242a可表達為                  

13、0;         （242b）或                                 （242c）       由以上分析可見，吸收劑

14、用量的大小，從設備費與操作費兩方面影響到生產過程的經(jīng)濟效果，應權衡利弊，選擇適宜的液氣比，使兩種費用之和最小。根據(jù)生產實踐經(jīng)驗，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍是比較適宜的，即：（1.12.0）          （243）或         L（1.12.0）Lmin             

15、; （243a）    必須指出，為了保證填料表面能被液體充分潤濕，還應考慮到單位塔截面積上單位時間內流下的液體量不得小于某一最低允許值。如果按式243算出的吸收劑用量不能滿足充分潤濕填料的起碼要求，則應采用更大的液氣比。 例22用清水吸收混合氣體中的可溶組分A。吸收塔內的操作壓強為1057 kPa，溫度為27，混合氣體的處理量為1280 m3h兒，其中A物質的量的分數(shù)為003，要求A的回收率為95。操作條件下的平衡關系可表示為：Y0.65X。若取溶劑用量為最小用量的1.4倍，求每小時送人吸收塔頂?shù)那逅縇及吸收液組成X1。解：（1）清水用量L平衡關系符

16、合亨利定律，清水的最小用量可由式242a計算，式中的有關參數(shù)為：V=52.62kmol/hY10.03093Y2Y1（1A）0.03093（10.995）0.00155X20m0.65將有關參數(shù)代入式242a，得到：32.5kmol/h則L1.4Lmin45.5kmol/h（2）吸收液組成X1根據(jù)全塔的物料衡算可得：X1X20.03398塔徑的計算    與精餾塔直徑的計算原則相同，吸收塔的直徑也可根據(jù)圓形管道內的流量公式計算，即：            

17、   則                         （244）式中 D 塔徑，m；      Vs 操作條件下混合氣體的體積流量，m3s；u 空塔氣速，即按空塔截面積計算的混合氣體線速度，ms。    在吸收過程中，由于吸收質不斷進人液相，故混合氣體量由

18、塔底至塔頂逐漸減小。在計算塔徑時，一般應以塔底的氣量為依據(jù)。計算塔徑的關鍵在于確定適宜的空塔氣速u。如何確定適宜的空塔氣速，是屬于氣液傳質設備內的流體力學問題，將在本冊第3章中討論。 填料層高度的計算    填料層高度計算的基本思路是：根據(jù)吸收塔的傳質負荷（單位時間內的傳質量，kmol/s）與塔內的傳質速率（單位時間內單位氣液接觸面積上的傳質量，kmol（m2·s）計算完成規(guī)定任務所需的總傳質面積；然后再由單位體積填料層所提供的氣、液接觸面積（有效比表面積）求得所需填料層的體積，該體積除以塔的橫截面積便得到所需填料層的高度。 

19、0; 計算吸收塔的負荷要依據(jù)物料衡算關系，計算傳質速率要依據(jù)吸收速率方程式，而吸收速率方程式中的推動力是實際組成與相應平衡組成的差額，因而要知道相平衡關系。所以，填料層高度的計算將要涉及物料衡算、傳質速率與相平衡這三種關系式的應用。    1填料層高度的基本計算式    在逆流操作的填料塔內，氣、液相組成沿塔高不斷變化，塔內各截面上的吸收速率各不相同。在中介紹的所有吸收速率方程式，都只適用于吸收塔的任一橫截面而不能直接用于全塔。因此，為解決填料層高度的計算問題，需從分析填料吸收塔中某一微元填料層高度dZ的傳質情況人手，如圖215所示。

20、    在微元填料層中，單位時間內從氣相轉人液相的溶質A的物質量為：dGAVdYLdX                       （245） 在微元填料層中，因氣、液組成變化很小，故可認為吸收速率NA為定值，則  dGANAdANA（adz）        

21、       （246）式中 dA微元填料層內的傳質面積，m2；a單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2m3；一塔的橫截面積，m2。微元填料層中的吸收速率方程式可寫為：NAKY（YY*）NAKX（X*X）將上二式分別代人式246，得到：    dGAKY（YY*）（adz）及  dGAKX（X*X）（adz）再將上二式與式245聯(lián)立，可得： VdYKY（YY*）（adz）及 LdXKX（X*X）（adz）整理上二式，分別得到：     

22、0;         （247）及                  （248）    對于定態(tài)操作吸收塔，L、V、a及皆不隨時間而變，且不隨塔截面位置而變。對于低濃度吸收，kY、kX通常也可視作常數(shù)。于是，在全塔范圍內分別積分式247及式248并整理，可得到低濃度氣體吸收的計算填料塔高度的基本關系式，即： 

23、                （249）及                    （250）     這里需要注意，上式中單位體積填料層內的氣、液有效接觸面積a總是小于單位體積填料層中的固體表面積（比表面積）。這是由于堆積填料表

24、面的覆蓋和潤濕的不均勻性，使一部分固體表面積不能成為氣、液接觸的有效面積。所以，a值不僅與填料本身的尺寸、形狀及充填狀況有關，而且還受流體物性及流動狀況所影響，使得a的數(shù)值難以直接測定。工程上，將有效比表面積a與吸收系數(shù)的乘積作為一個完整的物理量來看待，并將其稱為“體積吸收系數(shù)”。式中的KYa及KXa分別稱為氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)，其單位均為kmol（m3·s）。體積吸收系數(shù)的物理意義是：當推動力為一個單位時，單位時間內單位體積填料層內吸收的溶質量。    2、傳質單元高度與傳質單元數(shù)的概念 為了使填料層高度的計算更方便，通常將式249與

25、式250的右端分解為兩個部分分別處理?，F(xiàn)以式249為例進行分析。    該式右端的數(shù)群V（KYa）是過程條件所決定的數(shù)組，具有高度的單位，稱為“氣相總傳質單元高度”，以HOG表示，即：                          （251）積分項反映取得一定吸收效果的難易情況，積分號內的分子與分母具有相同的單位，

26、積分值必然是一個無因次的純數(shù)，稱為“氣相總傳質單元數(shù)”，以NOG表示，即：                    （252）于是式249可寫成如下形式：z=HOGNOG                     

27、    （249a）同理250可寫成如下形式：z=HOLNOL                        （250a）                 &#

28、160;   （253）                  （254）式中  HOL液相總傳質單元高度，m；NOL液相總傳質單元數(shù)，無因次。于是，可寫出計算填料層高度的通式，即：填料層高度傳質單元高度×傳質單元數(shù)當溶質具有中等溶解度且平衡關系不服從亨利定律時，則可用膜傳質單元高度“與”膜傳質單元數(shù)“來計算填料高度，即：      

29、; z=HGNG及     z=HLNL式中  HG、HL分別為氣相傳質單元高度與液相傳質單元高度，m；NC、NL分別為氣相傳質單元數(shù)與液相傳質單元數(shù)，無因次。今以HOG為例說明傳質單元高度的物理意義。    如果氣體經(jīng)一段填料層前后的組成變化（Y1Y2）恰好等于此段填料層內以氣相組成差表示總推動力的平均值（YY*）m時，這段填料層的高度就是一個氣相總傳質單元高度。    對于常用的填料吸收塔，傳質單元高度的數(shù)值范圍在0.15 m1.5 m之間，可根據(jù)填料類型和操作條件計算或查有關資料。在缺乏可靠資料時需通過實驗測定。3傳質單元數(shù)的求法求算傳質單元數(shù)有多種方法，可根據(jù)平衡關系的不同情況選擇使用。（1）圖解積分法或數(shù)值積分法圖解積分法是適用于各種平衡關系的求算傳質單元數(shù)的最普通的方法。以氣相總傳質單元數(shù) NOG為例，只要有平衡線和操作線圖，便可確定的數(shù)值，其步驟如下（參見圖216）：根據(jù)已知條件在YX坐標系上作出平衡線與操作線，如圖216（a）所示；  在Yl與Y2范圍內任選若干個Y值，從圖上讀出相應的YY*值（如圖中的線段AA*所示），并計算值；在與Y的坐標系中標繪Y和相應的值，如圖216b所示；算出 YY1、YY2及0三條直線與函數(shù)曲線間所包圍