確定吸收裝置的工藝參數(shù)

模塊六

吸收技術(shù)03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置3

吸收操作分離氣體混合物時，氣體混合物的性質(zhì)不同，則采用的吸收方法、吸收設(shè)備亦不同，針對不同分離對象、不同的分離任務(wù)及不同的分離要求，其吸收采用的吸收塔結(jié)構(gòu)亦有很多不同。在選用或計(jì)算吸收用填料塔之前，需要學(xué)習(xí)吸收過程的速率表達(dá)方式，分析影響吸收速率的因素及過程強(qiáng)化途徑，依據(jù)一定的分離任務(wù)及分離要求，學(xué)習(xí)計(jì)算分離設(shè)備參數(shù)的方法。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置4能力目標(biāo)學(xué)習(xí)要求與目標(biāo)1.具有吸收速率計(jì)算能力。2.具有根據(jù)工藝條件計(jì)算吸收塔塔徑的計(jì)算能力。3.具有根據(jù)工藝條件計(jì)算吸收塔填料層高度的計(jì)算能力。知識目標(biāo)1.掌握吸收傳質(zhì)的方式、雙膜理論等。2.掌握吸收速率方程及相關(guān)計(jì)算。3.掌握吸收塔塔徑與填料層高度的計(jì)算。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)誠實(shí)守信、團(tuán)結(jié)協(xié)作、愛崗敬業(yè)精神；2.培養(yǎng)安全、環(huán)保、健康生產(chǎn)意識；3.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度及質(zhì)量意識，具備工程管理能力；4.培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力；5.創(chuàng)新能力培養(yǎng)等。子任務(wù)2確定吸收裝置的工藝參數(shù)

03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置子任務(wù)2確定吸收裝置的工藝參數(shù)

5

一、吸收傳質(zhì)方式

物質(zhì)在單一相(氣相或液相)中的傳遞是擴(kuò)散作用。

發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種,一般發(fā)生在靜止或?qū)恿鞯牧黧w內(nèi),憑借流體分子的熱運(yùn)動而進(jìn)行的物質(zhì)傳遞,即為分子擴(kuò)散;

發(fā)生在湍流流體內(nèi),憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和漩渦而進(jìn)行物質(zhì)傳遞即是渦流擴(kuò)散。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置61.分子擴(kuò)散

分子擴(kuò)散是物質(zhì)在同一相內(nèi)存在濃度差的條件下，由流體分子的無規(guī)則的熱運(yùn)動而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。習(xí)慣上把分子擴(kuò)散稱為擴(kuò)散。

分子擴(kuò)散速率主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和流體的某些物理性質(zhì)。依據(jù)菲克定律，當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴(kuò)散時，其擴(kuò)散速率與其在擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比，如圖所示。其關(guān)系表示為：式中NA——組分A的分子擴(kuò)散速率，kmol/(m2·s)；CA——組分A的濃度，kmol/m3；Z——沿?cái)U(kuò)散方向的距離，m；D—分子擴(kuò)散系數(shù)。表示組分A在介質(zhì)B中的擴(kuò)散能力，m2/s。

式中負(fù)號表示擴(kuò)散方向與濃度梯度相反。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置7

擴(kuò)散系數(shù)D是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值一般由實(shí)驗(yàn)測定。

D值越大，表示擴(kuò)散越快。

一般情況下，對較小的分子而言。

在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)為0.1~1cm2/s，

在液相中的擴(kuò)散系數(shù)約為在氣相中的1/(104~105)。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置8

2.渦流擴(kuò)散

渦流擴(kuò)散是物質(zhì)在有濃度差的條件下，通過湍流流體完成物質(zhì)傳遞的過程。渦流擴(kuò)散時，物質(zhì)擴(kuò)散不僅要靠分子本身的擴(kuò)散作用，還需借助湍流流體的攜帶作用而傳遞，且后一種作用是主要的，故渦流擴(kuò)散速率比分子擴(kuò)散速率大得多。因渦流擴(kuò)散系數(shù)很難測定和計(jì)算，故常將分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散綜合起來考慮，即對流擴(kuò)散。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置9

3.對流擴(kuò)散

對流擴(kuò)散是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。因?qū)α鲾U(kuò)散過程極為復(fù)雜，影響因素眾多，所以對流擴(kuò)散速率一般采用類似對流傳熱的處理方法，將對流擴(kuò)散分解為渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散作用，其表達(dá)式為：De——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置10

渦流擴(kuò)散系數(shù)De不是物質(zhì)的物性常數(shù)，它與湍流程度有關(guān)，且隨位置而不同。

實(shí)驗(yàn)表明：

對于多數(shù)氣體，渦流擴(kuò)散系數(shù)比分子擴(kuò)散系數(shù)高過100倍；

對于液體，其渦流擴(kuò)散系數(shù)比分子擴(kuò)散系數(shù)高105倍甚至更多。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置11二、雙膜理論

吸收過程是氣液兩相間的傳質(zhì)過程（即相際間傳質(zhì)），對這種傳質(zhì)過程的機(jī)理，曾有很多不同的理論，但其中應(yīng)用較廣泛的仍是劉易斯和惠特曼在20世紀(jì)20年代提出的雙膜理論，理論模型如圖所示。氣相主體液相主體相界面溶解氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置12吸收過程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過程，可分為三個步驟：氣相主體液相主體相界面溶解氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散(1)溶質(zhì)由氣相主體擴(kuò)散至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))；(2)溶質(zhì)在界面上溶解(通過界面的傳質(zhì))；(3)溶質(zhì)由相界面液相側(cè)擴(kuò)散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置13①在氣液兩流體相接觸處有一穩(wěn)定的相界面(即是相界面)。在相界面兩側(cè)附近各有一層穩(wěn)定的氣膜和液膜，這兩層薄膜可近似認(rèn)為由氣液兩流體的滯流層組成，層內(nèi)吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行傳質(zhì)，膜層的厚度隨流體的流速而變，流速越大膜層厚度越小。②在兩膜以外的氣液兩相分別為氣相主體和液相主體，氣液兩相主體內(nèi)，因流體充分湍流，溶質(zhì)的濃度均勻，相內(nèi)無濃度梯度，其濃度變化（阻力）主要集中在兩膜內(nèi)。③無論氣液兩相主體內(nèi)溶質(zhì)濃度是否達(dá)到平衡，在相界面處，溶質(zhì)在氣液兩相中的濃度均達(dá)平衡，即界面上沒有阻力。氣相主體液相主體相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置14

三、氣體吸收速率方程

由雙膜理論的傳質(zhì)機(jī)理可知，吸收過程的相際傳質(zhì)是由氣相主體與界面的對流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相主體與界面的對流傳質(zhì)三個過程構(gòu)成，仿照間壁兩側(cè)對流傳熱過程傳熱速率的分析思路，其對流傳質(zhì)過程的傳質(zhì)速率NA的表達(dá)式及傳質(zhì)阻力分析如下。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置151.氣相主體與界面的對流傳質(zhì)

NA——單位時間內(nèi)組分A擴(kuò)散通過單位面積的物質(zhì)的量，即傳質(zhì)速率，kmol/(m2·s)；p,pi——溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的分壓，kPa；y,yi——溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)；kG——以分壓差表示傳質(zhì)推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)；ky——以摩爾分?jǐn)?shù)差表示傳質(zhì)推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s)。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置162.液相主體與界面的對流傳質(zhì)式中c,ci——溶質(zhì)A在液相主體與界面處的濃度，kmol/m3；x,xi——溶質(zhì)A在液相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)；kL——以摩爾濃度差表示傳質(zhì)推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；kx——以摩爾分?jǐn)?shù)差表示傳質(zhì)推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s)。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置17

上述公式均為相內(nèi)吸收過程的傳質(zhì)速率，盡管傳質(zhì)推動力的表達(dá)方式不同，其傳質(zhì)速率均正比于界面濃度與流體主體濃度差。將其他所有影響對流傳質(zhì)的因素均包括在氣相（或液相）傳質(zhì)系數(shù)之中，而傳質(zhì)系數(shù)kG、ky、kL、kx的數(shù)據(jù)只有根據(jù)具體操作條件由實(shí)驗(yàn)測定，它與流體流動狀態(tài)和流體物性（密度、黏度）、擴(kuò)散系數(shù)、傳質(zhì)界面形狀等因素有關(guān)。對流傳質(zhì)系數(shù)可依據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)式，查有關(guān)手冊即可得到。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置183.相際傳質(zhì)速率方程（吸收總傳質(zhì)速率方程）

氣相和液相傳質(zhì)速率方程中均涉及到相界面上的濃度（pi、yi，ci、xi），因相界面在傳質(zhì)過程中是變化的，這些參數(shù)很難獲取。工程上常利用相際傳質(zhì)速率方程來表示吸收總傳質(zhì)速率方程，即為：03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置19

氣液兩相相際傳質(zhì)總阻力等于各分阻力之和，總推動力等于各分推動力之和。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置2003任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置21氣相：液相：相際：03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置22氣相：液相：相際：03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置23相平衡方程吸收傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)系數(shù)相內(nèi)或同基準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)換算相際或不同基準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)換算03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置24

4.傳質(zhì)過程的控制分析（1）易溶氣體對于易溶氣體,H很大,1/kG>>1/kLH，則KG=kG吸收阻力主要集中在氣膜中,這種吸收稱為氣膜控制。例如:用水吸收氨,氯化氫氣體03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置25對于難溶氣體,H很小,H/kG<<1/kL,，則KL=kL這種吸收稱為液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜。例如:用水吸收氧氣,二氧化碳等。（2）難溶氣體03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置26（3）中等溶解度的氣體

氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略。要提高吸收過程速率，必須兼顧氣、液膜阻力的降低，方能得到滿意的結(jié)果。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置27四、塔徑的計(jì)算

填料塔的直徑可依據(jù)圓管內(nèi)流量方程計(jì)算，即VS––––操作條件下混合氣體的體積流量，m3/s；u––––空塔氣速，m/s；計(jì)算時以塔底氣量為依據(jù)，因塔底氣量大于塔頂。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置28

在吸收操作過程中，因溶質(zhì)不斷被吸收，混合氣體自進(jìn)塔到出塔其體積流量逐漸減小，計(jì)算塔徑時，一般以進(jìn)塔氣體量為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以保證一定的裕度。

要確定塔徑，關(guān)鍵是先確定適宜的空塔氣速u。常見的確定方法是泛點(diǎn)氣速法。一般地，u應(yīng)小于泛點(diǎn)氣速，空塔氣速一般取泛點(diǎn)氣速的50%~95%，即uf——泛點(diǎn)氣速，m/s。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置29

泛點(diǎn)氣速uf是填料塔操作氣速的上限，實(shí)際操作氣速必須小于泛點(diǎn)氣速，操作空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比，叫泛點(diǎn)率。

泛點(diǎn)率有一個經(jīng)驗(yàn)范圍。對于散裝填料：

u/uf=0.5~0.85對于規(guī)整填料：

u/uf=0.6~0.9503任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置30

泛點(diǎn)率的選擇考慮的因素：①物系的發(fā)泡情況，對易氣泡沫的物系，泛點(diǎn)率取低值，反之取高值；②塔的操作壓力，加壓操作時，應(yīng)取較高的泛點(diǎn)率，反之取較低的泛點(diǎn)率。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置31

選擇氣速小，則壓降低，動力消耗低，操作費(fèi)用低，但塔徑大，設(shè)備費(fèi)用高，同時低氣速不利于氣液兩相充分接觸，分離效率低；

選擇氣速大則塔徑小，設(shè)備費(fèi)用低，但壓降大，操作費(fèi)用較高。

若選用氣速太接近泛點(diǎn)氣速，則生產(chǎn)條件稍有波動，就有可能使操作失控。故適宜氣速的選擇需權(quán)衡總費(fèi)用較低。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置32

計(jì)算出來的塔徑，需要依據(jù)塔徑公稱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，同時還應(yīng)驗(yàn)算塔內(nèi)噴淋密度是否大于最小噴淋密度。因若噴淋密度過低，填料表面不能充分潤濕，使氣液兩相有效接觸面積降低，造成傳質(zhì)效率下降，此時可在許可范圍內(nèi)采用減小塔徑，或利用液體部分循環(huán)以加大液體流量，或適當(dāng)增加填料層高度進(jìn)行補(bǔ)償。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置33

噴淋密度是指單位時間內(nèi)，單位塔截面上噴淋的液體體積，以U表示,單位是m3/(m2·s)。最小噴淋密度用Umin表示，且(LW)min——最小潤濕速率，m3/(m·s)；δ——填料的比表面積，m2/m3。

最小潤濕速率(LW)min是指在塔的截面上，單位長度填料周邊的最小液體體積流量。填料層的周邊長度在數(shù)值上等于單位體積填料層的比表面積，即干填料的比表面積。(LW)min通常由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可采用一般的經(jīng)驗(yàn)值。

如對于直徑不超過75mm的散裝填料，其(LW)min可取2.2×10-5m3/(m·s)；

對于直徑大于75mm的散裝填料，其(LW)min可取3.3×10-5m3/(m·s)。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置34

最后為保證填料均勻潤濕，避免壁流現(xiàn)象的發(fā)生，需要校核塔徑D/填料直徑d之比。

且不同填料其值要求亦不一樣，

拉西環(huán)

D/d＞20；

鮑爾環(huán)

D/d＞10；

鞍形填料

D/d＞15。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置35

五、填料層高度的計(jì)算

對于低濃度氣體吸收，塔內(nèi)混合氣體量和液體量變化不大，還可當(dāng)?shù)葴叵逻M(jìn)行，總傳質(zhì)系數(shù)KX、KY亦作常數(shù)處理。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置36

1.填料層高度的基本計(jì)算式

為了使混合氣體離開填料塔滿足分離要求，通常在塔內(nèi)裝填一定高度的填料以提供氣、液兩相充分接觸的面積。若在塔徑已知的條件下，填料層高度僅取決于完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需要的總吸收面積和單位體積填料層所能提供的氣、液接觸。即關(guān)系如下：

Z——填料層高度，m；

α——單位體積填料層所具有相際傳質(zhì)面積（有效比表面積）,m2/m3。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置37V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX此傳質(zhì)量也就是在dZ段內(nèi)溶質(zhì)A由氣相轉(zhuǎn)入液相的量。因此若dZ微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA，填料提供的傳質(zhì)面積為dF=adZ，則通過傳質(zhì)面積dF溶質(zhì)A的傳遞量為對填料層中高度為dZ的微分段作物料衡算可得溶質(zhì)A在單位時間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的量dGA

填料塔內(nèi)氣、液組成Y、X和傳質(zhì)推動力Y（或X）均隨塔高變化，故塔內(nèi)各截面上的吸收速率也不相同。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置38將以比摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入，則有對上兩式沿塔高積分得在上述推導(dǎo)中，用相內(nèi)傳質(zhì)速率方程替代總的傳質(zhì)速率方程可得形式完全相同的填料層高度Z的計(jì)算式。若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi

-X)可得：用其它組成表示法的傳質(zhì)速率方程，可推得以相應(yīng)相組成表示的填料層高度Z的計(jì)算式。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置39特點(diǎn)：低濃度氣體吸收（y1<10%）因吸收量小，由此引起的塔內(nèi)溫度和流動狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過程可視為等溫過程，傳質(zhì)系數(shù)kY、kX、KY、KX沿塔高變化小，可取塔頂和塔底條件下的平均值。填料層高度Z的計(jì)算式：對高濃度氣體，若在塔內(nèi)吸收的量并不大（如高濃度難溶氣體吸收），吸收過程具有低濃度氣體吸收的特點(diǎn)，也可按低濃度吸收處理。體積傳質(zhì)系數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中，常將傳質(zhì)系數(shù)與比表面積a的乘積（Kya及KXa）作為一個完整的物理量看待，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)或體積吸收系數(shù)，單位為kmol/(s.m3)。體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義：傳質(zhì)推動力為一個單位時，單位時間，單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置40對氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：HOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m；NOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù)，無因次。HOL

——液相總傳質(zhì)單元高度，m；NOL——液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。若令對液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：若令03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置41

2.傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算

計(jì)算填料層高度的關(guān)鍵是計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)。

傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算方法有：解析法、對數(shù)平均推動力法和圖解法。

解析法適用于相平衡關(guān)系服從亨利定律的情況，對數(shù)平均推動力法適用于相平衡關(guān)系是直線關(guān)系的情況，圖解法適用于各種相平衡關(guān)系。

下面以NOG的計(jì)算為例，介紹解析法和平均推動力法計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)的方法。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置42①解析法

由傳質(zhì)單元數(shù)定義及亨利定律可知逆流吸收操作線方程可整理為:為脫吸因子，它是平衡線斜率與操作線斜率之比值，無單位。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置43②對數(shù)平均推動力法

若操作線和相平衡線均為直線，則吸收塔任一截面上的推動力(Y-Y*)對Y必為直線關(guān)系，此時全塔的平均推動力可依據(jù)數(shù)學(xué)方法推理得到吸收塔填料層上下兩端推動力的對數(shù)平均值。03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置4403任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置45

當(dāng)全塔平均推動力為ΔYm（或ΔXm）,而低濃度氣體吸收時，每一截面上的KY、KX相差很小，即KY、KX可作常數(shù)處理，則全塔總系數(shù)速率方程變?yōu)椋?/p>

且整個吸收塔填料層總吸收負(fù)荷為：03任務(wù)三選擇與設(shè)計(jì)吸收裝置46

用清水逆流吸收混合氣體中的CO2，已知混合氣體的分離任務(wù)是：流量為300m3/h（混合氣，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），進(jìn)塔氣體中CO2含量為0.06（摩爾分?jǐn)?shù)），操作條件下物系的平衡關(guān)系為Y*=1200X，要求