吸收塔的設(shè)計型

一、問題的提出二、設(shè)計參數(shù)的選擇1.操作方式的選擇2.入塔吸收劑濃度的選擇3.液氣比的選擇三、理論級與理論級數(shù)1.理論級概念2.理論板數(shù)的計算3.填料層的等板高度四、解吸塔的設(shè)計計算五、吸收系數(shù)第二十九講吸收過程的設(shè)計型計算2/4/20231吸收過程的設(shè)計型計算在此基礎(chǔ)上可以用填料層高度關(guān)系式計算塔內(nèi)填料層高度。關(guān)于塔徑的計算，由于涉及塔內(nèi)結(jié)構(gòu)及氣液相流動狀態(tài)，故在傳質(zhì)設(shè)備中討論。①明確工藝要求選定合理的參數(shù)及條件，如塔內(nèi)氣、液流動方式、吸收劑入塔濃度以及液氣比等，以計算傳質(zhì)單元數(shù)；②收集或測定填料的體積傳質(zhì)系數(shù)以確定傳質(zhì)單元高度。吸收塔設(shè)計計算的提法是：在給定工藝條件及分離要求下，選擇合理的設(shè)計參數(shù)，計算吸收劑用量、出口濃度及必需的塔高（填料層高度）。一、設(shè)計型問題的提出設(shè)計型計算與操作型計算的實(shí)質(zhì)是聯(lián)立求解上面方程組，只是變量組合不同，問題的提法不同。相平衡關(guān)系填料層高度基本方程操作線方程吸收計算分設(shè)計型計算與操作型計算，它們計算的依據(jù)是如下方程組2/4/20232吸收過程的設(shè)計型計算為要計算NOG，必須先確定塔內(nèi)氣、液流動方向（影響操作線方程的形式）、入塔吸收劑濃度X2及液氣比。填料塔內(nèi)氣液流動方式有逆流和并流兩種，在相同的情況下，一般來說，逆流操作的傳質(zhì)推動力總是大于并流操作。為此，吸收操作通常總是在逆流下進(jìn)行。但是，兩相的逆向流動有滯液作用，這限制了塔內(nèi)的流率（詳見“傳質(zhì)設(shè)備”）。因此，對極易溶氣體(m非常低)，且兩種傳質(zhì)推動力差不多，而滯液矛盾突出，這時可采用并流操作。3.吸收液氣比(L′/G′)的選取2.入塔吸收劑濃度X2的選擇1.流動方式的選擇（影響操作線方程的形式）二、設(shè)計參數(shù)的選擇入塔吸收劑濃度的選擇受兩種因素制約：一個是經(jīng)濟(jì)因素，—傳質(zhì)推動力—H設(shè)備投資費(fèi)用；而定得太低—吸收劑再生費(fèi)用高，可見的選取是一個經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化問題。另一個是技術(shù)上的限制，以逆流操作為例，出塔氣體組成是工藝要求，這一要求只有在入塔吸收劑低于與呈平衡的濃度時才可能實(shí)現(xiàn)，即是選取的上限。2/4/20233吸收過程的設(shè)計型計算參見圖29-1，以逆流操作為例。當(dāng)已知時，吸收塔一個端點(diǎn)（塔頂）一定，當(dāng)液流量變化時，操作線的斜率變化，則另一端點(diǎn)A將沿的水平線移動。吸收劑量—操作線斜率—點(diǎn)向左移動—任一截面推動力—為完成一定任務(wù)所需的H—設(shè)備費(fèi)用。但同時由于而濃度—溶劑再生要求高，再生費(fèi)用。反之，—。量小而高—再生費(fèi)用。可見（或）的選擇也是一個經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問題。另外，（或）的減小，在技術(shù)上受到限制，即當(dāng)降低到操作線與平衡線相交時，與呈平衡，這是理論上所能達(dá)到的最高濃度，此時由于過程推動力，為達(dá)到指定分離要求所需的傳質(zhì)面積為無窮大，即。這種情況下的值是最小極限值，用表示。由圖可知：（29-1）2/4/20234吸收過程的設(shè)計型計算可見，為保證吸收操作正常進(jìn)行，吸收劑用量（或）必須大于或，需作經(jīng)濟(jì)核算決定。合適的液氣比值一般為吸收劑再循環(huán)有兩種情況：1）吸收過程有顯著熱效應(yīng)，大量吸收劑再循環(huán)可降低吸收液出塔溫度，使平衡線向下移動，全塔平均推動力反而有所提高；2）吸收的目的在于獲得高濃度液相產(chǎn)物。當(dāng)新鮮吸收劑用量過小，以致不能保證填料良好的潤濕時，吸收劑再循環(huán)引起推動力的降低可通過傳質(zhì)系數(shù)的增加而獲得補(bǔ)償。（29-2）塔內(nèi)的返混吸收劑再循環(huán)2/4/20235吸收過程的設(shè)計型計算

1.

把板式塔內(nèi)的每塊塔板看一個“理論級(或理論板)”。理論板假設(shè)認(rèn)為氣液兩相在塔板上接觸充分，傳質(zhì)完全，當(dāng)氣、液離開該板時，兩相達(dá)到相平衡狀態(tài)，這塊塔板被稱為一個理論級（或理論板）。這使目標(biāo)集中在計算為滿足工藝要求所需的理論板數(shù)上。但在板式塔中，各層塔板上氣液混合劇烈，現(xiàn)象十分復(fù)雜，已不能用上述理論模型解決傳質(zhì)速率問題。工程上采用如下處理方法：已知進(jìn)行過程數(shù)學(xué)描述的依據(jù)是：①物料衡算方程；②相平衡關(guān)系；③過程速率方程。在填料吸收塔中，以雙膜理論為依據(jù)，推出了吸收速率方程，進(jìn)而推出了填料層高度關(guān)系式。（一）理論級概念至此已基本解決了吸收塔填料層高度的計算問題。下面介紹填料層高度的另一種計算方法—等理論板高度法。這種方法涉及到級式接觸設(shè)備（板式塔）的理論級概念與理論級數(shù)的確定。三、理論級與理論級數(shù)2/4/20236吸收過程的設(shè)計型計算—塔板效率，其中包括各種復(fù)雜的傳質(zhì)動力學(xué)因素，一般由實(shí)驗(yàn)測定，詳細(xì)情況在塔設(shè)備中討論，吸收塔板效率約在10%～50%范圍內(nèi)。下面推導(dǎo)理論板數(shù)關(guān)系式（29-5）（29-4）相平衡關(guān)系操作線方程對圖29-2所示的板式塔及規(guī)定符號，關(guān)系式如下按上面關(guān)于理論板的假設(shè)可知，理論板數(shù)的計算只需物料衡算式（操作線方程）與相平衡關(guān)系。下面討論操作線與平衡線都為直線的情況。（二）理論板數(shù)的計算（29-3）2.理論板與實(shí)際板的差別用塔板效率聯(lián)系2/4/20237吸收過程的設(shè)計型計算在2～3板間，將代入相應(yīng)的操作線方程可得：在1～2板間，將相平衡關(guān)系代入相應(yīng)的操作線方程可得：這樣可以類推到N板下面：2/4/20238吸收過程的設(shè)計型計算板式塔的理論級數(shù)計算式填料塔的傳質(zhì)單元數(shù)計算式當(dāng)即（操作線與平衡線斜率相等）時，上式右邊為0/0型不定式，采用羅必塔法則可得：（兩式相除得）此時理論板數(shù)與傳質(zhì)單元數(shù)在數(shù)值上相等，即。2/4/20239吸收過程的設(shè)計型計算達(dá)到一塊理論板分離效果所需的填料層高度，稱為填料的等板高度（或當(dāng)量高度），用表示。這樣，填料層高度可表示為：的數(shù)值大小反映了傳質(zhì)的動力學(xué)因素，它與物料性質(zhì)、操作條件、填料情況等因素有關(guān)，通常要由實(shí)驗(yàn)直接測定。對操作線與平衡線都為直線的情況，當(dāng)吸收因數(shù)時，，由式（29-11）可知，此時。解吸是吸收的反過程，其傳質(zhì)方向是由液相至氣相，這使過程推動力由變?yōu)椋蛘哂勺優(yōu)??？梢?，設(shè)法提高、降低對過程有利，這為解吸方法提供了依據(jù)。通常工業(yè)上常采用的解吸方法有：①氣提法—該法是將惰性氣體通入解吸塔內(nèi)，由于此時（即）而使溶質(zhì)從吸收劑溶液中脫吸；②提餾法—此法是向解吸塔通入直接水蒸氣，水蒸氣既起惰性氣體作用，同時又是加熱介質(zhì)。四、解吸塔的設(shè)計計算（29-11）（三）填料層的等板高度2/4/202310吸收過程的設(shè)計型計算從吸收過程原理知，提高溫度有利于解吸過程。提餾法通常在塔頂設(shè)有冷凝器，將解吸后的水蒸氣冷凝，如果溶質(zhì)為可溶性氣體，同時冷凝后又可分層，則可用傾析器將水和溶質(zhì)分離；如溶質(zhì)可凝但冷凝液不分層，則可用蒸餾等方法分離之。含有溶質(zhì)的吸收液惰氣氣提解吸液（a）（b）（c）（最小氣液比）下面以應(yīng)用較多的逆流氣提法為例，說明解吸塔的設(shè)計計算方法。參見圖29-32/4/202311吸收過程的設(shè)計型計算如圖（a）所示，仍沿用吸收操作的符號習(xí)慣，角標(biāo)“1”為塔底，角標(biāo)“2”為塔頂，但對解吸來說，塔頂為濃端，塔底為稀端。解吸塔設(shè)計計算的主要任務(wù)是：確定為完成工藝要求所需要的惰性氣體用量，以及所需要的填料層高度（以填料塔為例）。由于解吸過程只不過是吸收的逆過程，因此，類似的計算方法和塔設(shè)備在兩個過程中都適用。由于解吸塔的傳質(zhì)方向是由液相至氣相，所以在圖上操作線的位置必位于相平衡線之下，如圖（b）所示。操作線方程形式與吸收操作線方程完全一樣。由圖（b）可以看出，，而，即。此時，解吸操作線斜率達(dá)到最大值，或氣液比最小，即有：這就是為達(dá)到規(guī)定解吸要求而應(yīng)必須提供的最小氣液比。在實(shí)際解吸操作中為保證過程的正常進(jìn)行，應(yīng)采用大于的氣液比。在有些平衡線彎曲較大的情況，如圖（c）所示，應(yīng)從O點(diǎn)出發(fā)作平衡線的切線來確定值。2/4/202312吸收過程的設(shè)計型計算比較式（37-13）和（37-14）可知NOL與N

的關(guān)系為：同樣可推出理論級數(shù)方程式：通常，解吸條件要求解吸組分的溶解度比較低（這與吸收要求相反，應(yīng)權(quán)衡考慮），即要求m值要高，而且解吸因數(shù)，一般在1.4左右。在上述條件下，解吸過程的液相阻力往往占優(yōu)勢，這樣設(shè)計計算以液相體積傳質(zhì)系數(shù)為準(zhǔn)是方便的。當(dāng)常數(shù)時，解吸塔填料層高度可用液相總傳質(zhì)單元高度的方程式。上式中液相傳質(zhì)單元數(shù)的計算方法與吸收過程類似，當(dāng)物系相平衡關(guān)系服從Henry定律，即及操作線為直線，同樣可推出與吸收類似的方程式：（29-13）（29-14）（29-15）（29-12）2/4/202313吸收過程的設(shè)計型計算在一定吸收設(shè)備（如某填料塔）中，直接測取感興趣物系的體積吸收系數(shù)，并將其與操作條件（如氣、液流量）關(guān)聯(lián)成經(jīng)驗(yàn)公式。用這種方法測取的關(guān)聯(lián)式局限性大，但準(zhǔn)確性較高，是目前常采用的方法。在此有必要指出，在傳熱過程中，由于換熱器間壁的存在，兩流體的給熱系數(shù)各自獨(dú)立。因此，用直接測取的或用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計算的給熱系數(shù)組合計算傳熱系數(shù)K是有效的；在相間傳質(zhì)過程（如吸收過程）中，由于氣、液兩相直接接觸傳質(zhì)，膜傳質(zhì)系數(shù)有交互作用，很難準(zhǔn)確獨(dú)立測取。所以，用實(shí)驗(yàn)測取膜傳質(zhì)系數(shù)來組合計算吸收系數(shù)的方法很不可靠，加上傳質(zhì)影響因素復(fù)雜，通常采用直接測取實(shí)際物系的體積吸收系數(shù)。該方法是對多種物系、多種填料建立準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，所得關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍較廣，但可靠性較差。另外還有通過實(shí)驗(yàn)建立膜傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式及傳質(zhì)單元高度關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)處理方法。（二）傳質(zhì)分系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式（一）吸收系數(shù)的直接查定五、吸收系數(shù)2/4/202314吸收過程的設(shè)計型計算下面是有關(guān)傳質(zhì)分系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（恩田-Onde準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式）（3）氣相傳質(zhì)系數(shù)（2）液相傳質(zhì)系數(shù)（1）有效面積雷諾數(shù)韋伯準(zhǔn)數(shù)弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)2/4/202315吸收過程的設(shè)計型計算修正的恩田（Onde）準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式無因次，取同一單位制即可2/4/202316吸收過程的設(shè)計型計算修正的恩田準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式只適用于u≤0.5uF的情況，當(dāng)u>0.5uF時，需再按下式進(jìn)行校正：材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力56617333407520常見材質(zhì)的臨界表面張力1.451.1910.750.72開孔環(huán)弧鞍拉西環(huán)棒形球形填料類型常見填料的形狀系數(shù)2/4/202317吸收過程的設(shè)計型計算吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式一、氣膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2/4/202318吸收過程的設(shè)計型計算二、液膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2/4/202319吸收過程的設(shè)計型計算4吸收系數(shù)影響因素眾多，通常采用實(shí)驗(yàn)測定。雖然建立適用廣泛的膜傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式是一件引人入勝的工作，但由于塔設(shè)備中氣液兩相直接接觸，交互作用復(fù)雜，很難得到令人滿意的結(jié)果，這使吸收系數(shù)的直接查定仍是獲取實(shí)用數(shù)據(jù)的主要手段。3由于解吸只不過是吸收的逆過程，所以吸收所采用的塔設(shè)備及在吸收塔設(shè)備設(shè)計中所采用的方法都適用于解吸過程。但是，因?yàn)榻馕?nèi)的傳質(zhì)過程是從液相向氣相進(jìn)