化工原理第五章(吸收塔的計算)ppt課件

1、2020/6/30,.,第四節(jié) 吸收塔的計算 一、物料衡算與操作線方程 二、吸收劑用量的確定 三、填料層高度的計算,第五章 吸 收,2020/6/30,.,【吸收塔的計算內容 】,1、設計型計算 （1）吸收塔的塔徑； （2）吸收塔的塔高等。,2、操作型計算 （1）吸收劑的用量； （2）吸收液的濃度； （3）在物系、塔設備一定的情況下，對指定的生產任務，核算塔設備是否合用。,2020/6/30,.,一、物料衡算和操作線方程,1、物料衡算,G單位時間通過任一塔截面惰性氣體的量，kmol/s； L單位時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的摩爾比， X任一截面上

2、吸收劑中溶質的摩爾比。,物料衡算示意圖,2020/6/30,.,【假設】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）。以單位時間為基準，在全塔范圍內，對溶質A作物料衡算得：,全塔的物料衡算式,（進入量引出量）,或,2020/6/30,.,【溶質的回收率】,【定義】,【計算公式】,塔底、塔頂組成與回收率之間的關系,【吸收液的濃度】,【有關計算】,2020/6/30,.,2、吸收操作線方程與操作線,逆流吸收塔內任取mn截面，在截面mn與塔頂間對溶質A進行物料衡算：,GY+LX2=GY2+LX,或,2020/6/30,.,若在塔底與塔內任一截面mn間對溶質A作物料衡算，則得到：,或,【

3、吸收操作線方程式的作用】表明了塔內任一截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關系。,2020/6/30,.,【逆流吸收操作線方程的有關討論的特點】,（1）當定態(tài)連續(xù)吸收時，若L、G一定，Y1、X1恒定，則該吸收操作線在XY直角坐標圖上為一直線，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、塔底及塔頂溶質組成有關，與系統(tǒng)的平衡關系、塔型及操作條件T、p無關。,（3）吸收操

4、作時，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吸收的推動力愈大； （4）對于解吸操作，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),吸收推動力,0,X*,Y*,吸收推動力YY*,吸收推動力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】對于一定的分離任務、操作條件和吸收物系，當塔內某截面吸收推動力為零時（氣液兩相平衡YY*0），達到分離要求所需塔高為無窮大時的液氣比稱為最小液氣比，以（L/G）min表示。,式中 FA單位時間溶質的吸收量，mol

5、/s； A氣液相接觸面積，m2。,2020/6/30,.,【特點】操作線與平衡線相交或相切。 【問題】如果進一步減小液氣比，將會出現什么狀況？,最小液氣比下的操作線,Y1*,Y1Y1*=0,YY*=0,2020/6/30,.,2、操作液氣比對吸收操作的影響,【設備費用降低 】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，操作線遠離平衡線，吸收的推動力增大，若欲達到一定吸收效果，則所需的塔高將減小，設備費用會減少。 【操作費用增加 】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用劇增。,（1）增大吸收劑用量對吸收操作的影響,

6、2020/6/30,.,【設備費用增加】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，吸收的推動力減小，若欲達到一定吸收效果，則所需的塔高將增大，設備費用會增加。 【操作費用降低 】隨著吸收劑用量的減少，吸收后所獲得的吸收液濃度會增大，降低了解吸工段的難度；同時吸收劑消耗量也會較少，輸送及吸收劑再生等操作費用減少。,（2）減少吸收劑用量對吸收操作的影響,2020/6/30,.,【確定原則】應選擇適宜的液氣比，使設備費和操作費之和最小。 【確定方法】根據生產實踐經驗，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）根據交點坐標值計算：,2020/6/30,.,（1）過點（X2，Y2）作平衡線的切線； （2）水平線YY1與切線相交于點（X1,max，Y1），則可按下式計算最小液氣比：,【方法二】操作線與平衡線相切，則：,2020/6/30,.,（2）解析法,若平衡關系符合亨利定律，則采用下列解析式計算最小液氣比 ：,由于,2020/6/30,.,【例】用清水在常壓塔內吸收含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系為Y*=31.13X,2020/6/30,.,【解】已知 y10.09 950.95 ,Y2(1)Y1(10.95)0.0990.00495 據 Y*31.13X 知： m31.13 據,2020/6/30,.,據,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,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、捕沫器等的結構不同時其高度不同，當一時無法準確確定時，也可采用下式近似計算塔高：,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算】,2020/6/30,.,2、填料層高度的基本計算式,【計算依據】 （1）物料衡算式； （2）傳質速率方程式。 【操作特點】在填料塔內任一截面上的吸收的推動力（YY*）均沿塔高連續(xù)變化，所以不同截面上的傳質速率各不相同。 【處理方法】不能對全塔進行計算，只可首先對一微分段計算，得到微分式，然后得到積分式運用于全塔。,2020/6/30,.,逆流吸收塔內的吸收推動力,【特點】任一截面上的吸收的推動力均沿塔高連續(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。,微分填料層的傳質面積為：,【吸收塔填料層高度微分計算式】,2020/6/30,.,拉西環(huán)填料,比表面積填料的數量單個填料的表面積,2020/6/30,.,堆放在塔內的填料,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，氣相中溶質減少的量等于液相中溶質增加的量，即：,式中 FA單位時間吸收溶質的量，kmol/s； NA為微元填料層內溶質的傳質速率，在微分層內可視為定值，kmol/m2s；,物料衡算式,2020/6/30,.,將吸收速率方程,代入上式得,與 dFAGdY 聯立后可得：,吸收塔填料層高度微分計算式,2020/

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

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

14、（3）填料層高度計算通式,計算通式 Z傳質單元高度傳質單元數,若用不同的總傳質系數及氣、液相傳質系數對應的吸收速率方程進行推導，可得：,【說明】（1）可以使用其中任何一個公式進行計算，并且結果相同； （2）根據已知條件選用計算式。,2020/6/30,.,2020/6/30,.,（4）傳質單元的物理意義,以NOG為例，由積分中值定理得知：,【結論】當氣體流經填料塔的某一塔段，其氣相中溶質組成變化（Ya Yb）等于該填料塔的平均吸收推動力（中值）（YY*）m，即NOG1時，則該塔段為一個傳質單元。,2020/6/30,.,傳質單元的物理意義,Ya,Yb,【問題】一個吸收塔內有多少個傳質單元？,2

15、020/6/30,.,（5）傳質單元數對吸收操作的影響,【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為吸收過程的推動力。其值的大小取決于被分離的物系的性質、結果與操作條件，而與塔設備無關。 【變化趨勢】分離任務（Y1Y2）越高，吸收的平均推動力（YY*）m愈小，傳質單元數就愈大。 【結論】傳質單元數反映了吸收過程的難易程度。即傳質單元數越大，吸收過程的難度越大。,2020/6/30,.,（6）傳質單元高度的物理意義,2020/6/30,.,3、傳質單元數的計算,（1）傳質單元數計算的方法 當氣液平衡關系滿足亨利定律時： 對數平均推動力法； 吸收因

16、數法。 當氣液平衡關系不滿足亨利定律時： 圖解積分法； 數值積分法（辛普森Simpson法）。,2020/6/30,.,（2）對數平均推動力法,【前提】氣液平衡關系滿足亨利定律。 【方法】根據積分中值定律，先確定中值的數值，以此計算傳質單元數。,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力的對數平均值，稱為對數平均推動力。,【中值的確定】,2020/6/30,.,Y,Y1,Y2,X,X1,X2,Y=f(X),對數平均推動力法,0,Ym,Y1,Y2,塔頂,塔底,2020/6/30,.,同理，液相總傳質單

17、元數的計算式為：,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,.,【兩點討論】,（1）當Y1/Y22、X1/X22時，對數平均推動力可用算術平均推動力替代，產生的誤差小于4%，這是工程允許的；,2020/6/30,.,（2）吸收（解吸）因數法,【方法】由于氣液平衡關系服從亨利定律，首先建立起函數關系式f(YY*)Y，根據傳質單元數的定義式直接積分，導出其解析式。,【說明】一般情況下，可直接用該式計算。,2020/6/30,.,【吸收（解吸）因素法關系圖簡捷計算】,2020/6/30,.,解吸因素法關系圖,【方法】（1）由m、L/G計算S： （2）由

18、m、Y1、Y2 、 X2計算： （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點（Y，YY*）； 在Y2到Y1范圍內作Y 1/（YY*）曲線； 在Y2與Y1之間，Y 1/（YY*）曲線和橫坐標所包圍的面積為傳質單元數。,當平衡線為曲線時，傳質單元數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Y值，讀出相應的推動力Y-Y*； 3、計算出個對應的1/(Y-Y*)； 4、以Y為橫坐標，1/(Y-Y*)為縱坐標作圖（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，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