第五节 吸收塔的计算.docx

第五节 吸收塔的计算 本节教学要求1、重点掌握的内容：吸收剂用量的 确定、传质单元数的计算（平均推动 力、吸收因数法）2、熟悉的内容：吸收操作线、吸收 操作线的特点、、传质推动力、最小 液气比及计算、体积传质系数、传质 单元数的定义及物理意义、传质单元 高度的定义及物理意义、吸收因数及 物理意义、解吸因数、吸收过程的设 计（吸收条件的确定）及计算（吸收 剂用量、填料层高度的计算、塔径的 计算、塔核算）、吸收过程的强化措施；解吸的特点、解吸的计算；3、了解的内容：传质单元数的计算（图解法）、理论级的计算；4、难点：吸收过程的操作分析与计算工业上通常在塔设备中实现气液传质f逐级接触式I<塔设备一般分为I［连续接触式本章以连续接触操作的填料塔为例，介 绍吸收塔的设计型和操作型计算吸收塔的设计型计算包括：吸收剂用 量、吸收液浓度、塔高和塔径等的设计计算吸收塔的操作型计算包括：（1）在物系 塔设备一定的情况下，对指定的生产任务， 核算塔设备是否合用；（2）操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题f气液平衡关系吸收速率方程一、物料衡算和操作线方程1．物料衡算L, X1V, Y1定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图5-13 所示，图图 5-13 物料衡算示意图中符号定义如下：V 单位时间通过任一塔截面惰性气体的量，kmol/s；L 单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂的量，kmol/s；Y——任一截面上混合气体中溶质的摩尔比，X—任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。

在定态条件下，假设溶剂不挥 发，惰性气体不溶于溶剂以单位时 间为基准，在全塔范围内，对溶质A 作物料衡算得：VY1+LX2=VY2+LX1或 V（Y 1－Y2）=L（X1－X2）5-70)吸收溶质 A 的量溶质回收率定义为：耳 混合气体中溶质 A的量所以： Y2=Y1 (1-n )由式( 5-70)可求出塔底排出液中溶质的浓度X1=X2＋V(Y1-Y2)/L( 5-71 )2．吸收操作线方程与操作线，X2V, YV, YL, X图 5-15 逆流吸收操作 线推导示意图逆流吸收塔内任取 mn 截面，在截面mn 与塔顶间对溶质 A 进行物料衡算：VY+LX =VY +LX22或 l l (5-72)Y = X + (Y - X )V 2 V 2 若在塔底与塔内任一截面 mn 间对溶质 A 作物料衡算，则得到VY + LX = VY + LX11LL或 Y 二—X + (Y -— X )V( 5-73)1 V 1由全塔物料衡算知，方程（ 5-72）与（ 5-73）等价操作关系：塔内任一截面上气相组成Y 与液相组成 X 之间的关系逆流吸收操作线方程： 方程（ 5-72）与（ 5-73）称为逆流吸收操作线方程式。

逆流吸收操作线具有如下特点： （1）当定态连续吸收时，若 L、V 一定， Y]、X2恒定，则该吸收操作线在X〜Y直 角坐标图上为一直线，通过塔顶 A（ X2，Y2）及塔底B （X],匕），其斜率为l ,1 -V见图 5-16 L 称为吸收操作的液气比；V(2)吸收操作线仅与液气比、塔底及塔 顶溶质组成有关，与系统的平衡关系、 塔型及操作条件 T、 p 无关3)因吸收操作时，Y> Y*或X*>X,故 吸收操作线在平衡线 * 的上方，操作 线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；解 吸操作时，YvY*或X*

但液气比增加到一定程度后，塔高减小 的幅度就不显著，而吸收剂消耗量却过 大，造成输送及吸收剂再生等操作费用 剧增考虑吸收剂用量对设备费和操作费两方面的综合影响应选择适宜的液气比，使设备费和操作费之和最小根 据生产实践经验，通常吸收剂用量为最小用量的1.1〜2.0倍，即1.1〜2.0）3、吸收剂用量的确定：L=（1.1〜2.0）L注意：L值必须保证操作条件时，填料表面被液体充分润湿，即保证单 位塔截面上单位时间内流下的液 体量不得小于某一最低允许值4、最小液气比的计算：（1） 图解法：最小液气比可根据物料衡算采用图解法求得，当平 衡曲线符合图 5-18 所示 的情况时，（L ） Y - Y二 1 2j F） X * - Xmin 1 2（5-74）（2） 解析法：若平衡关系符合亨利定律， 则采用下列解析式计算最小液气比喉JminY - Y1 2Yi - Xm5-75)5-76)注意：如果平衡线出现如图 5-18 所示的 形状，则过点 A 作平衡线的切线，水平1下式计算最小液气比D( X ,Y )1, max 1线 Y= Y 与切线相交于点 ，则可按f L J< v丿minY — Y i 2 X - X1, max 2图 5-17 吸收操作线推动力示意图X图5-18 最小回流比计算示意图【例 5-7】某矿石焙烧炉排出含 SO2 的混 合气体，除 SO2 外其余组分可看作惰性 气体。

冷却后送入填料吸收塔中，用清 水洗涤以除去其中的SO2吸收塔的操 作温度为20°C，压力为101.3kPa混合 气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积 百分数为9%，要求SO2的回收率为90% 若吸收剂用量为理论最小用量的 1.2 倍， 试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组 成 X 1 ；（2）当用含SO20.0003 （摩尔比）的 水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加 还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa, 20C条件下SO2在水中的平衡数据如表 5-8 所示表 5-8 SO2 气液平衡组成表SO2溶液浓度X气相中SO2平衡浓度YSO2溶液浓度X气相中SO2平衡浓度Y0.00005620.000660.000840.0190.000140.001580.00140.0350.000280.00420.001970.0540.000420.00770.00280.0840.000560.01130.00420.138解： 按题意进行组成换算：进塔气体中SO2的组成为 Y = = = 0.09 = 0.0992 1 1 - y 1 - 0.091出塔气体中 SO2 的组成为 Y = Y (1 -n ) = 0.099 X (1 - 0.09) = 0.00992进吸21收塔惰性气体的摩尔流量为V=1000273X X(10.90)=37 .8 kmol/h22 .4273 + 20由表5-8中X〜Y数据，采用内差法得到与气相进口组成匕相平衡的液相组成X *=0.0032。

11(1) L = V —=乩8099 - O.OO") = 1052 kmol/hmin X * - X 0.0032实际吸收剂用量L=1.2L =1.2X1052=1263kmol/hmin塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X = X +V(Y -Y )/L1 2 1 237.8(0.099 - 0.0099 )=0.002671263(2)吸收率不变，即出塔气体中S°2的组成Y2不变，Y2 = 0・0099，而X2=0.0003LminY - Y 37.8(0.099 - 0.0099 )=V i 2 = = 1161 km"X * - X 0.0032 - 0.000312实际吸收剂用量L=1.2L . =1.2X1161=1394kmol/hminX1 = X2+V ( Y1-Y2 ) /L=0.0003+37.8(0.099 - 0.0099)= 0.0027塔底吸收液的组成X］由全塔物料衡算求得:1394由该题计算结果可见，当保持溶质回收率不变，吸收剂所含溶质溶解度越低，所需溶剂量越小，塔底吸收液浓度越低三、吸收塔填料层高度的计算填料层高度的计算通常采用传质单元 数法，它又称传质速率模型法，该法依 据传质速率、物料衡算和相平衡关系来计算填料层高度。

1．塔高计算基本关系式图5-20填料层高度计算图在填料塔内任一截面上的气液两相组 成和吸收的推动力均沿塔高连续变化， 所以不同截面上的传质速率各不相同 从分析填料层内某一微元 dZ 内的溶质 吸收过程入手在图 5-20 所示的填料层内，厚度为 dZ 微元的传质面积dA=a dZ,其中a为单 位体积填料所具有的相际传质面积，m2/m3 ；为填料塔的塔截面积，m2定 态吸收时，由物料衡算可知，气相中溶 质减少的量等于液相中溶质增加的量， 即单位时间由气相转移到液相溶质A的 量可用下式表达：(5-77)根据吸收速率定义，dZ段内吸收溶质的 量为：(5-78)式中dG A玄；————单位时间吸收溶质的A量， kmol/s；NA——为微元填料层内溶质的A传质速率，kmol/m2 • s；将吸收速率方程N = K (Y - Y *)代入上式得AYdG = K (Y — Y *)aQ dZ (5-79)AY将式(5-77)与(5-79)联立得：d Z = V dY (5-80)K a Q Y — Y *Y当吸收塔定态操作时，V、L、Q、a皆不随时间而变化，也不随截面位置变化对于低浓度吸收，在全塔范围内气液相的物性变化都较小，通常K、K可视为常数，将式(5-80)YX积分得Y2V d YK aQ(Y — Y * )Yf YY2dYY —Y*5-81)低浓度定态吸收填料层高度计算基本公式。

体积传质系数： a 值与填料的类型、形状、尺寸、填充情况有关，还随流体物性、流动状 况而变化其数值不易直接测定，通常将它与传质系数的乘积作为一个物 理量，称为体积传质系数如KYa为气相总体积传质系数，单位为kmol/（m3・s）体积传质系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量 注意：在低浓度吸收的情况下，体积传质系数在全塔范围内为常数，可取平均值 2．传质单元数与传质单元高度（1） 气相总传质单元高度定义：式（5-81 ）中 V 的单位为m,故将 V 称为气相K a Q K a QYY总传质单元高度，以HOG表示，即VH = （5-82）OG K aQ。