化工原理气体

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1、单击此处编辑母版标题样 式 单击此处编辑母版副标题样式 * * 1 1 * * 化工原理 Principles of Chemical Engineering 第二章 气 体 吸 收 Gas Absorption DateDate 2 2 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 第三节 吸收塔的计算 化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同， 一般可分为设计 型计算和操作型（校核型）计算两大类。 设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满 足 任务要求的单元设备。 操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能 完成的任务。 两种计算所遵循的基

2、本原理及所用关系式都相同，只是具 体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔 的设计型计算，而操作型计算则通过习题 加以训练。 吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待 分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设 计出能完成此分离任务所需的吸收塔。 DateDate 3 3 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 本节讨论 的重点是：按连续连续 接触原理操作的填料塔，至 于板式塔则在上一章的基础上结合吸收特点作简单讨论 。 填料填加在塔内形成填料层，填料层有两个特点，一是空 隙体积积所占比例相当大，便于气体在其内部迂回曲折通过 并提高

3、湍动程度，二是单单位体积积内有很大的固体表面积积 。液体沿固体壁面呈膜状流下，因而填料塔内的气液接触 面比空塔内大得多。 塔内气液流动方式一般呈逆流，气体自塔底通入，液体从 塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体相 接触，可使溶液的浓浓度尽量提高。经吸收后的气体从塔 顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质质 浓浓度尽量降低。 吸收塔的吸收塔的计计计计算算 DateDate 4 4 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 吸收塔的设计中，混合气体的处处理量V、进进口浓浓度Y1和出 口浓浓度Y2（或溶质质的回收率）都是作为设计为设计 条件而规规定

4、的 。 设计时设计时 首先是选选定溶剂剂（吸收剂剂），随着就是决定吸收剂剂 的用量。吸收剂剂用量与气体处处理量之比（液、气比）由物料 衡算与平衡关系两者结结合起来决定，具体方法将于本节讨节讨 论论。 设计设计 的主要内容是算出设备设备 的基本尺寸，对对填料塔来说说， 就是设计设计 塔径与填料层层高度。 由混合气体的处处理量（体积积流率V）与合理的气体线线速度 （u）可以算出塔的截面积积，由此可确定塔径（D）。 塔径确定后，填料层层高度（Z）则则取决于所需填料层层体积积 ，而所需的填料层层体积积又取决于所需的有效气液接触面积积， 这这个面积积主要是通过过传质传质 速率来决定的。 吸收塔的吸收塔的

5、计计计计算算 DateDate 5 5 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 设计计 算的主要内容与步骤 计算依据：物系的相平衡关系和传质速率 (1) 吸收剂的选择及用量的计算； (2) 设备类 型的选择； (3) 塔径计算； (4) 填料层高度或塔板数的计算； (5) 确定塔的高度； (6) 塔的流体力学计算及校核； (7) 塔的附件设计。 吸收塔的吸收塔的计计计计算算 DateDate 6 6 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 2 31 吸收塔的物料衡算与操作线线方程 一、物料衡算一、物料衡算 目的：计算给定吸收任

6、务下所需的吸收剂用量 L 或吸收剂出口浓度 X1。 混合气体通混合气体通过过过过吸收塔的吸收塔的过过过过程中，可溶程中，可溶组组组组分不断分不断 被吸收，故气体的被吸收，故气体的总总总总量沿塔高而量沿塔高而变变变变，液体也因，液体也因 其中不断溶入可溶其中不断溶入可溶组组组组分，其量也沿塔高而分，其量也沿塔高而变变变变。 但是，但是，通通过过过过塔的惰性气体量和溶塔的惰性气体量和溶剂剂剂剂量是不量是不变变变变的的 。 DateDate 7 7 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 以逆流操作的填料塔为为例： 对稳 定吸收过程，单位时间 内气相在塔内 被吸收的

7、溶质 A 的量必须等于液相吸收的量 。通过对过对 全塔A物质质量作物料衡算，可得： 下标“1”代表塔内填料层下底截面， 下标“2”代表填料层上顶截面。 V 单单位时间时间 通过过塔的惰性气体量； kmol(B)/s ； L 单单位时间时间 通过过吸收塔的溶剂剂量； kmol(S)/s ； Y 任一截面的混合气体中溶质质与惰性气 体的摩尔比；kmol(A)/kmol(B) ； X 任一截面的溶液中溶质质与溶剂剂的摩尔 比；kmol(A)/kmol(S) 。 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X DateDate 8 8 projects of Dr.Haoproje

8、cts of Dr.Hao 物料衡算 若 GA 为吸收塔的传质负 荷，即气体通过填料塔时，单位时间内 溶质被吸收剂吸收的量 kmol/s，则 进塔气量 V 和组成 Y1 是吸收任务规定的 ，进塔吸收剂温度和组成 X2 一般由工艺 条件所确定，出塔气体组成 Y2 则由任务 给定的吸收率 求出 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X 在填料塔内，对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操 作，气、液组成沿塔高连续变 化； 在塔的任一截面接触的气、液两相组成是相互制约的； 全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔内具有最高气、液浓 度的截面“1”（浓端），或具有最低气、液浓度的截面

9、“2”（ 稀端）的气、液浓度关系。 DateDate 9 9 projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 二、操作线线方程与操作线线 同理，若在任一截面与塔顶端面间作溶质 A的物料衡算，有 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X 上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一 截面上的气、液两相组成 Y 和 X 之间的关系。 （L/V）称为吸收塔操作的液气比。 若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间 的填料层为物料衡算的控制体，则所得 溶质 A 的物料衡算式为 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X Dat

10、eDate1010projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 操作线线方程与操作线线 当 L/V 一定，操作线方程 在 Y-X 图上为以液气比 L/V 为斜率，过塔进、出 口的气、液两相组成点(Y1 ，X1)和(Y2，X2)的直线， 称为吸收操作线。 Y X o Y*=f(X) A Y1 X1X2 Y2 B Y XX* Y* P 线上任一点的坐标(Y，X) 代表了塔内该截面上气、 液两相的组成。 操作线上任一点 P 与平衡线间的垂直距离 (Y-Y*) 为塔内该 截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平 距离 (X*-X) 为该截面上以液相为基准的吸收传质

11、推动力。 两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示 了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。 Y- Y* X*-X DateDate1111projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 操作线线方程与操作线线 并流操作线方程 V, Y1 V, Y2 L, X2 L, X1 V, YL, X 对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内填料层任一截面 与塔顶（浓端）构成的控制体作物料衡算，可得并流时的 操作线方程，其斜率为（-L/V）。 Y X o Y*=f(X) A Y1 X1X2 Y2 B Y XX* Y* P Y- Y* X*-X DateDate1212p

12、rojects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 三、吸收塔内流向的选选 择择 在 Y1 至 Y2 范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的 传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质 推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。 在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的 平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流 优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选 择分析结果是一致的。 工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊 说明，均为逆流吸收。 与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流 动的液体产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了

13、吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不 利的一面。 DateDate1313projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 232 232 吸收吸收剂剂剂剂用量的决定用量的决定 吸收剂用量 L 或液气比 L/V 在吸收塔的设计计 算和塔的操 作调节中是一个很重要的参数。 吸收塔的设计计 算中，气体处理量 V，以及进、出塔组成 Y1、Y2 由设计任务给定，吸收剂入塔组成 X2 则是由工艺 条件决定或设计人员选定。 可知吸收剂出塔浓度 X1 与吸收剂用量 L 是相互制约的。 由全塔物料衡算式 选取的 L/V ，操作线斜率 ，操作线与平衡线的距离 ，塔内传质推动力

14、 ，完成一定分离任务所需塔高 ； L/V ，吸收剂用量 ，吸收剂出塔浓度 X1 ，循环和再 生费用 ； 若L/V ，吸收剂出塔浓度 X1 ，塔内传质推动力 ，完 成相同任务所需塔高 ，设备费 用 。 DateDate1414projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 吸收剂剂用量的确定 不同液气比 L/V 下的操作线 图直观反映了这一关系。 Y X o Y*=f(X) A Y1 X1X2 Y2 B L/V Y- Y* A X1 (L/V) X1,max (L/V)min C 最小液气比(L/V)min 要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负 荷量 GA=V(Y1

15、-Y2)，L/V 的减小是有限的。 当 L/V 下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切 ，此时对应 的 L/V 称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对 应的 X1 则用 X1,max 表示。 DateDate1515projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 最小液气比(L/V)min 随 L/V 的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平 衡线的形状。 Y Xo Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1,max=X1* (L/V)min C Y Xo Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1* (L/V)min C X1,max 两线在 Y1

16、处相交时，X1,max=X1*； 两线在中间某个浓度处相切时， X1,maxX1* 。 最小液气比的计算式： DateDate1616projects of Dr.Haoprojects of Dr.Hao 吸收剂剂用量的确定 在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内 ）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质 任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最 小液气比下操作则不能达到分离要求。 实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费 用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取 。 根据生产实践经验，一般取 注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡 为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使 填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并 有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量 L 值还 应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上 、单位时间内的液体流量不得