第四节 吸收塔的计算.ppt

中南林业科技大学化工原理2.4 吸收塔的计算内容:通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。塔内流体的流向选择填料塔内气液两相可作逆流也可作并流流动。无论逆流或并流,液体从塔顶进入;当逆流时气体从塔底进入,并流时塔顶进入;在两相进出口浓度相同的情况下，逆流的平衡推动力大于并流。中南林业科技大学化工原理逆流时下降至塔低的液体与进塔的气体相接触，有利于提高出塔的液体浓度，且减小吸收剂的用量；上升至塔顶的气体与进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，可提高溶质的吸收率。逆流操作时向下流的液体受到上升气体的作用,这种曳力过大时会阻碍液体的顺利下流，因而限制了吸收塔所允许的液体和气体流量，这是逆流的缺点。中南林业科技大学化工原理图7-13 逆流吸收塔操作示意图吸收过程中，气相中的溶质不断转移到液相中来，使其在气体混合物中的量不断减少，而在溶液中的量不断增多。但气相中惰性气体量和液相中吸收剂的量始终是不变的。中南林业科技大学化工原理2.4.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程2.4.1.1 物料衡算物料衡算时，以不变的惰性气体流量和吸收剂流量作为计算基准，并用比摩尔比表示气相液相的组成。全塔溶质的减少量等于液相中溶质的增加量V(Y1-Y2)=L(X1-X2)惰性气体的摩尔流量,Kmol/S 吸收剂摩尔流量,Kmol/S 中南林业科技大学化工原理2.4.1.2 吸收塔的操作线方程与操作线以逆流为例:塔内任一截面与塔底作溶质的物料衡算，得操作线方程V(Y1-Y)=L(X1-X)吸收过程操作线 任一截面处气相中溶质的摩尔比，Kmol(溶质)/Kmol(惰性气)任一截面处液相中溶质的比摩尔，比Kmol(溶质)/Kmol(溶剂)中南林业科技大学化工原理并流时:V(Y2-Y1)=L(X1-X2)操作线方程V,Y2L,X2M MN NV,Y1L,X1L,XV,Y中南林业科技大学化工原理YX XY=F(X)Y2X X2 2Y1X X1 1平衡线与操作线的交点位置在塔底,最大吸收率为出口气相与吸收液组成相平衡.中南林业科技大学化工原理2.4.2 吸收剂用量的决定出塔气体摩尔比出塔气体摩尔比Y2 的给出形式：的给出形式：如果溶质是有害气体，一般直接规定Y2的值。如果吸收的目的是回收有用物质，则以回收率的形式给出 Y2=Y1(1-)吸收剂用量对操作的影响吸收剂用量对操作的影响当气体处理量一定时，V,Y1,Y2及X2已知时,操作线斜率L/V 取决于吸收剂用量的多少。若增大吸收剂用量，则操作线向远离平衡线方向偏移由TB变 TB吸收推动力增大，传质速率增加，在单位时间内吸收同量溶质时设备尺寸可以减小。中南林业科技大学化工原理溶液浓度变稀，溶剂再生所需设备费和操作费增大。若减小吸收剂用量则情况正相反。当吸收剂用量减小到使操作线由TB变 TB*，此时传质的推动力为零，所需的相际接触面积为无穷，此时吸收剂用量为最小,用Lmin表示。吸收塔的最小液气比中南林业科技大学化工原理Lmin时B*点是平衡线与操作线在Y=Y1处的交点 如果平衡曲线的形状使操作线与平衡线相切,此时最小液气比的计算式中Xmax的数值只能读B，的横坐标,不能由Y*=mX求得.Lmim求出后,应根据生产上的要求,控制一个适宜的L值,即最适宜吸收剂用量：L=（1.12）Lmin.中南林业科技大学化工原理例例2-82-8：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔压强为塔压强为105kPa 105kPa，温度为，温度为300K 300K，焦炉气流量为，焦炉气流量为1000m1000m3 3/h/h，其中所含芳烃组成为其中所含芳烃组成为0.020.02（摩尔分率（摩尔分率,下同），回收率为下同），回收率为95%95%，进塔洗油中所含芳烃组成为进塔洗油中所含芳烃组成为0.0050.005。若取吸收剂用量为最小用。若取吸收剂用量为最小用量的量的1.51.5倍，试求进入塔顶的洗油摩尔流量及出塔吸收液组成。倍，试求进入塔顶的洗油摩尔流量及出塔吸收液组成。（操作条件下气液平衡关系为（操作条件下气液平衡关系为Y*=0.125X Y*=0.125X）。）。解解:进入吸收塔的惰性气体摩尔流量为进入吸收塔的惰性气体摩尔流量为 中南林业科技大学化工原理进塔气体中芳烃的摩尔比出塔气体中芳烃的摩尔比进塔洗油中芳烃摩尔比 中南林业科技大学化工原理L为每小时进塔纯溶剂用量。由于入塔洗油中含有少量芳烃，则每小时入塔的洗油量应为L=L(1+X2)=7.63kmol/h 中南林业科技大学化工原理2.4.4 填料层高度的计算填料层高度的计算2.4.4.1 填料层高度的基本计算式 逆流操作填料塔填料层高度中南林业科技大学化工原理传质速率方程适用于稳定操作的吸收塔中的“某一横截面”，而不能用于全塔。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。对微元填料层作组分A衡算微元填料层dZ中的吸收速率方程式 中南林业科技大学化工原理单位体积有效传质面积 a 同体积填料的比表面积s，a与填料的形状、尺寸及充填状况(整砌、乱堆)有关，还受流体物性(m、s等)及流动状况的影响，数值不好测定，所以和传质系数合在一起处理。KYa、KX a-体积吸收系数，Kmol/m3.s，物理意义为单位推动力下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量。中南林业科技大学化工原理2.4.4.2 传质单元高度与传质单元数=HOG*NOG =HOL*NOL HOG的物理意义 假设某吸收过程所需填料层高度恰好等于一个传质单元高度 中南林业科技大学化工原理传质单元高度传质单元高度的物理意义如果气体流经一段填料后,气相浓度变化量Y1-Y2 恰好等于该段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的平均值(Y-Y*)m则该段填料层的高度就是一个传质单元高度Y1-Y2=(Y-Y*)m 中南林业科技大学化工原理HOG是设备性能的体现，其中的KYa反映传质阻力的大小，填料性能的优劣及润湿情况的好坏，吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比表面积越小，每个传质单元高度所相当的填料层高度就越大。一般变化幅度不大。NOG可认为它所代表需要填料层高度Z相当于气相总传质单元高度HOG的倍数，此倍数称为“气相总传质单元数”。NOG反映传质的难易程度，为减少NOG应设法增大推动力。任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味过程难度越大，所需传质单元数越多。中南林业科技大学化工原理2.4.4.3 传质单元数的计算(1)图解积分法 步骤作操作线和相平衡关系曲线；然后在操作线上任取一点，得X，Y；由X可得Y*，计算1/（Y-Y*）按上法取n点，对Y1/（Y-Y*）作图所得函数曲线与Y=Y1，Y=Y2及1/（Y-Y*）=0三条直线之间所包围的面积即气相总传质单元数NOG。中南林业科技大学化工原理 (2)脱吸因数(S)法 应用前提：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程 Y*=mX+b表示。X=X2+V/L（Y-Y2）中南林业科技大学化工原理操作线与平衡线斜率之比定义为吸收因数,A=S=1/A 脱吸因数 NOG的数值取决于S与 反映溶质吸收率的高低，在气液进口浓度一定的情况下，要求的吸收率越高，Y2越小,越大，对应同一S值的NOG越大。中南林业科技大学化工原理参数S反映推动力的大小。在气液进口浓度及溶质吸收率已知的条件下，确定,S增大，则液气比减少，出口浓度提高而塔内吸收推动力变小，NOG必然增大。中南林业科技大学化工原理若要获得最高吸收率，必须采用较大的液体量，使操作线的斜率大于平衡线斜率，即S1才有可能。若要获得最浓的吸收液，必然力求使出塔液体与进塔气体趋近平衡，采用较小的液体量，使操作线斜率小于平衡线斜率.中南林业科技大学化工原理（3）对数平均推动力法应用前提：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y*=mX+b对于都是直线的平衡线和操作线，它们的差值Y=Y-Y*与Y将呈线性关系(类似传热时的tm)Y-X也成直线关系.对数平均推动力法求NOG中南林业科技大学化工原理对数平均推动力可用算术平均推动力代替中南林业科技大学化工原理注意两者的区别:中南林业科技大学化工原理例：用一填料塔从一混合气体中逆流吸收所含的苯,混合气体中含苯5%(体积%),其余为空气,要求苯的回收率为90%(以摩尔比表示).吸收塔为常压操作,温度25,入塔混合气体为940标准m3,入塔吸收剂为纯煤油,煤油的耗用量为最小耗用量的1.5倍,已知该系统的平衡关系Y=0.14X,已知气相体积传质系数KYa=0.035kmol/m3s,纯煤油的平均分子量MS=170,塔径D=0.6m。求:(1)吸收剂的耗用量kg/h；(2)溶剂出塔浓度x1；(3)填料层高度Z中南林业科技大学化工原理Y1=0.0526=(Y1-Y2)/Y1,Y2=0.00526X2=0混合气体体积=940/22.4=41.96kmol/h惰性气体量V=41.96(1-0.05)=39.86kmol/h(L/V)min=m=0.126Lmin=0.126V=5.02kmol/hL=1.5Lmin=7.53kmol/h吸收剂的耗用量=170*7.53=1280kg/hV(Y1-Y2)=L(X1-X2)39.86(0.0526-0.00526)=7.53X1X1=0.25，x1=X1/(1+X1)=0.2中南林业科技大学化工原理Z=HOGNOGHOG=V/KYa=1.12mNOG=S=0.74NOG=4.64Z=5.2m中南林业科技大学化工原理例例:在常压填料吸收塔中，用清水吸收废气中氨气，废气流量在常压填料吸收塔中，用清水吸收废气中氨气，废气流量为为2500m3/h（标准状态下），其中氨气浓度为（标准状态下），其中氨气浓度为0.02（摩尔分率）（摩尔分率），要求回收率不低于，要求回收率不低于98%，若水用量为，若水用量为3.6m3/h ，操作条件下，操作条件下平衡关系为平衡关系为Y*=1.2X（式中（式中X,Y 为摩尔比），气相总传质单为摩尔比），气相总传质单元高度为元高度为0.7m，求，求:(1)塔低、塔顶推动力；全塔对数平均推塔低、塔顶推动力；全塔对数平均推动力动力;(2)气相总传质单元数气相总传质单元数;(3)填料层高度。填料层高度。解:中南林业科技大学化工原理中南林业科技大学化工原理例:空气和氨的混合气体，在直径为0.8m 的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空气量为1390kg/h，混合气体中氨的分压为1.33kPa，经过吸收后混合气中有99.5%的氨被吸收下来。操作温度为20，压力为101.325kPa。在操作条件下，平衡关系为Y*=0.75X。若吸收剂（水）用量为52kmol/h。已知氨的气相体积吸收总系数KYa=314kmol/(m3.h)。试求:(1)吸收液的出塔组成;(2)所需填料层高度。（用吸收因数法）。解:中南林业科技大学化工原理中南林业科技大学化工原理例:一正在操作的逆流吸收塔，进口气体中含溶质浓度为0.05（摩尔分率，下同），吸收剂进口浓度为0.001，实际液气比为4，操作条件下平衡关系为 ，此时出口气相中含溶质为0.005。若实际液气比下降为2.5，其它条件不变，计算时忽略传质单元高度的变化，试求此时出塔气体浓度及出塔液体浓度各为多少？中南林业科技大学化工原理