吸收塔的計(jì)算

2.3吸收塔的計(jì)算在此以逆流操作的填料塔為例，介紹選定吸收劑后吸收塔的計(jì)算。吸收塔的工藝計(jì)算包括：⑴確定吸收劑的用量；⑵計(jì)算塔徑；⑶填料塔中填料的有效高度或板式塔的板數(shù)。2.3.1吸收塔的物料衡算與操作線方程一、物料衡算1、作全塔物料衡算圖；2、選擇研究范圍，定基準(zhǔn)；3、標(biāo)注各有關(guān)物理量；4、進(jìn)行物料衡算；VY1VY2YLX2LX1X選kmol劑/h為基準(zhǔn)VY1VY2YLX2LX1X對(duì)吸收質(zhì)衡算操作線方程式對(duì)全塔進(jìn)行吸收質(zhì)衡算得：操作線為一條直線且操作線通過(guò)（X1，Y1）（X2，Y2）兩點(diǎn)；直線斜率為L(zhǎng)/VY1X1Y2X2L/VED討論：①操作線決定于氣液兩相流量V及L，塔底和任一截面的兩相組成；②操作線與相平衡關(guān)系、吸收塔的型式、相接觸方式以及溫度、壓力等無(wú)關(guān)?！颊f(shuō)明〗操作線方程反映在塔的任一截面上，上升氣相組成與下降液相組成之間的關(guān)系。XY1Y2X1X2TBYAB點(diǎn)代表塔底組成，T點(diǎn)代表塔頂組成，A點(diǎn)代表塔內(nèi)任一截面的氣、液組成。從A點(diǎn)引一垂線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間垂直距離代表以氣相表示的推動(dòng)力(Y-Ye)；從A點(diǎn)引一水平線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間水平距離代表以液相表示的推動(dòng)力(Xe-X)；吸收過(guò)程的操作線位于平衡線上方，若位于下方，則為解吸過(guò)程。操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大；1、吸收劑單位消耗量2.3.2吸收劑消耗量的計(jì)算由全塔物料衡算式得：式中Y1、Y2、X2，一般由工藝要求確定X1，由吸收劑用量確定，是操作參數(shù)L/V，稱為吸收劑單位消耗量或液氣比液氣比L/V的物理意義：處理單位惰性氣體所需的吸收劑量。2、最小吸收劑消耗量（L/V）小一般情況Y1、Y2、X1、V一定時(shí)，L↓Y1X1Y2X2ED

L/V↓

E點(diǎn)向右移

操作線與平衡線距離減小，吸收推動(dòng)力降低。

E點(diǎn)移至E’點(diǎn)時(shí)，推動(dòng)力降低為0。E’

此時(shí)的液相量L為最小吸收劑用量。X*若此時(shí)溶液服從亨利定律（Y=mX）3、吸收劑單位消耗量的確定過(guò)大，操作費(fèi)用增加；過(guò)小，填料塔增高，設(shè)備費(fèi)用增加。在實(shí)際操作中，一般選擇操作液氣比為最小液氣比的1.2~2倍2.3.3塔徑的計(jì)算根據(jù)圓形管路流量公式計(jì)算。式中：VS－操作條件下混和氣體的流量，m3/s。以入塔氣流量計(jì)（逆流：塔底，并流：塔頂）。利用上式關(guān)鍵在于空塔氣速u的確定，u的確定取決于塔的類型、操作條件、物系等因素，將在第4章介紹。例題【例】在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。吸收塔壓強(qiáng)為105kPa

，溫度為300K，焦?fàn)t氣流量為1000m3/h，其中所含芳烴組成為0.02（摩爾分率,下同），吸收率為95%，進(jìn)塔洗油中所含芳烴組成為0.005。若取吸收劑用量為最小用量的1.5倍，試求進(jìn)入塔頂?shù)南从湍柫髁考俺鏊找航M成。（操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y*=0.125X）進(jìn)入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為：進(jìn)塔氣組成：出塔氣組成：吸收劑組成：由于入塔洗油中含有少量芳烴，則入塔的洗油量為：L′=L(1+X2)=7.59×(1+0.0053)=7.63kmol/h2.3.4

填料層高度的計(jì)算有傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法。所以填料層高度計(jì)算涉及物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡關(guān)系。我們前面介紹的所有傳質(zhì)速率方程都適用于穩(wěn)定操作的吸收塔中的"某一橫截面",而不能用于全塔。對(duì)于整個(gè)吸收塔，氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。所以要在全塔范圍應(yīng)用吸收速率關(guān)系式，就要采用微分方法，然后積分得到填料層的總高度。2.3.4.1傳質(zhì)單元數(shù)法1.基本計(jì)算式單位時(shí)間，dZ內(nèi)吸收A的量：X+dX微元填料層內(nèi)，因氣液組成變化極小，可認(rèn)為吸收速率NA為定值。微元填料層內(nèi)，吸收速率方程式：積分上兩式有效傳質(zhì)面積a<同體積填料的比表面積，a與填料的形狀、尺寸及充填狀況(整砌、亂堆)有關(guān)，還受流體物性(m、s等)及流動(dòng)狀況的影響，很難直接測(cè)定，所以和吸收系數(shù)合在一起，作為一個(gè)完整的物理量看待，其乘機(jī)稱為體積吸收系數(shù)。KYa－氣相總體積吸收系數(shù)，kmol/(m3.s)；KXa－液相總體積吸收系數(shù)，kmol/(m3.s)?！颊f(shuō)明〗KYa物理意義：?jiǎn)挝煌苿?dòng)力、單位時(shí)間、單位體積填料層內(nèi)吸收溶質(zhì)A的物質(zhì)的量。2.傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)同理：填料層高度可用下面的通式計(jì)算：

Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)〖說(shuō)明〗①.傳質(zhì)單元高度若吸收過(guò)程所需填料層高度恰等于一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度時(shí)，即：Z=NOG，則：整個(gè)填料層內(nèi)，(Y-Ye)雖為變量，但總可以找到一個(gè)平均值(Y-Ye)m，代替積分式中的(Y-Ye)，而不改變積分值，即：(Y1-Y2)=(Y-Ye)m。HOG的物理意義：氣體流經(jīng)一段填料，溶質(zhì)組成變化(Y1-Y2)等于該段填料層平均推動(dòng)力(Y-Ye)m時(shí)，該段填料層高度就是一個(gè)氣相總傳質(zhì)高度。HOG的指導(dǎo)意義：反映了傳質(zhì)阻力的大小、填料性能的優(yōu)劣及潤(rùn)濕情況的好壞。KY↓(阻力↑)，a↓→HOG↑②.傳質(zhì)單元數(shù)NOG的指導(dǎo)意義：反映了取得一定吸收效果的難易程度。dY↑，(Y-Ye)↓→NOG↑（難↑）3.傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算以逆流為例。①脫吸因數(shù)法適用情況：平衡關(guān)系符合線性關(guān)系。式中：S=mV/L－脫吸因數(shù)，是平衡線斜率m與操作線斜率L/V的比值，無(wú)量綱。以S為參數(shù)，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪NOG~(Y1-Ye2)/(Y2-Ye2)關(guān)系。橫標(biāo)(Y1-Ye2)/(Y2-Ye2)：反映吸收率的大小。參數(shù)S：反映吸收推動(dòng)力的大小。XY1Y2X1X2TBYAY1Y2X1X2TBYX脫吸因數(shù)S不同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的指導(dǎo)意義：希望得到高的吸收率：力圖使Y2→Ye2方法時(shí)增大液體量，改變操作線方程，從而使L/V>m，即：在S<1時(shí)才有可能。希望得到高組成的吸收液：力圖使X1→Xe1方法時(shí)增大液體量，改變操作線方程，從而使L/V<m，即：在S>1時(shí)才有可能。一般S=0.7~0.8時(shí)，可兼顧上述兩種情況。同理：此式常用于解吸操作的計(jì)算②對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法適用情況：平衡關(guān)系符合線性關(guān)系。YY1Y2X1X2TBYXΔY1ΔY2Y1Y2ΔYY同理：〖說(shuō)明〗對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。平衡線與操作線平行時(shí)，③梯級(jí)圖解法適用情況：平衡關(guān)系為直線或彎曲率不大的曲線。圖解步驟：在Y~X圖上繪出TB線及OE線；TBYXFF’OE在TB及OE線之間畫出若干(Y-Ye)的中點(diǎn)聯(lián)成的曲線MN；從塔頂T出發(fā)，作水平線交MN于F，延長(zhǎng)TF至F’，使TF=FF’，從F’出發(fā)，重復(fù)繪制梯級(jí)過(guò)程，直至達(dá)到或超過(guò)塔底B點(diǎn)為止；NOG＝梯級(jí)數(shù)(非整數(shù))MN適用情況：平衡關(guān)系符合曲線且無(wú)具體函數(shù)關(guān)系步驟：根據(jù)已知條件在Y~X圖上作出平衡線和操作線。在Y1與Y2之間任選若干個(gè)Y值，從圖中讀出相應(yīng)的Ye值，并計(jì)算值。在直角坐標(biāo)系中以作圖得曲線。曲線與Y=Y1、Y=Y2及恒軸所包圍的面積即為NOG。④圖解積分法OEBTY1Y2⑤數(shù)值積分法適用情況：平衡關(guān)系符合曲線且已知函數(shù)關(guān)系圖解積分法雖為一種理論上嚴(yán)格的方法，但計(jì)算起來(lái)特別繁瑣?？刹捎脭?shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算，例如采用辛普森(Simpson)數(shù)值積分法。其方法是：在Y1和Y2之間作偶數(shù)等分，對(duì)每一個(gè)Yi值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的f(Yi)，并令Y0=Y2(塔頂氣相組成)，Yn=Y1(塔底氣相組成)，然后按下式進(jìn)行求解：此外可采用龍貝格方法、高斯積分法等。

2.3.4.2等板高度法設(shè)填料層由N級(jí)組成，吸收劑從塔頂進(jìn)入第I級(jí)，逐級(jí)向下流動(dòng)，最后從塔底第N級(jí)流出；原料氣從塔底進(jìn)入第N級(jí)，逐級(jí)向上流動(dòng)，最后從塔頂?shù)?級(jí)排出。在每一級(jí)上，氣液兩相的組成達(dá)到平衡，溶質(zhì)組成由氣相向液相轉(zhuǎn)移。若離開(kāi)某一級(jí)時(shí)，氣液兩相的組成達(dá)到平衡，則稱該級(jí)為一個(gè)理論級(jí)，或稱為一層理論板，NT。等板高度：分離效果達(dá)到一個(gè)理論級(jí)所需的填料層高度。Z=HETP×NTNT——完成分離任務(wù)，所需的理論級(jí)數(shù)；HETP——等板高度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XNY1X0X1Y2X2Y3X3Y4T

BoE1.圖解法求NT步驟：畫平衡線OE，操作線TB；從T點(diǎn)出發(fā)畫梯級(jí)，直到越過(guò)