化工原理(吸收塔的计算)

质的摩尔比。
物料衡算示意图
逆流吸收操作线推导示意图
2020/3/11
【假设】溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂（即操作
过程中L、G为常数）。以单位时间为基准，在全塔
范围内，对溶质A作物料衡算得： G, Y2
L, X2
GY1 LX 2 GY2 LX1
（进入量＝引出量）
或 G(Y1 Y2 ) L( X1 X 2 )
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增大吸收剂用量，所 需的塔高将减小，设 备费用会减少。
增大吸收剂用量，会造 成输送及吸收剂再生等 操作费用增大。
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（2）减少吸收剂用量对吸收操作的影响 【设备费用增加】减少吸收剂用量，操作线的斜率 变小，操作线往下压。在此情况下，操作线靠近平 衡线，吸收的推动力减小，若欲达到一定吸收效果 ，则所需的塔高将增大，设备费用会增加。 【操作费用降低 】随着吸收剂用量的减少，吸收后 所获得的吸收液浓度会增大，降低了解吸工段的难 度；同时吸收剂消耗量也会较少，输送及吸收剂再 生等操作费用减少。
Y* f(X)
X1 X1,max
（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 ：
由于
X
* 1

Y1 m
Y1 Y2
L G min

Y1 Y2
Y1 m

X2
X2
X1*
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【例】用清水在常压塔内吸收含SO2 9%(mol) 的气体。温度为20℃，逆流操作，处理量为 1m3/s。要求SO2的回收率为95%，吸收剂用量 为最小吸收剂用量的120%。求吸收后吸收液 的浓度和吸收用水量。已知操作条件下的气液 平衡关系为Y*=31.13X
Y2 Y1(1) ——塔底、塔顶组成与回收率之间的关系
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2、吸收操作线方程与操作线 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：
GY+LX2=GY2+LX
（进入量＝引出量）
G, Y2 L, X2
G, Y
m
n
L, X
或
L
L
Y G X (Y2 G X 2 )
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【特点】任一截面上的吸收的 推动力均沿塔高连续变化。
NA KY (YA YA*)
NA

KX
(X
* A

X
A)
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逆流吸收塔内的吸收推动力
（2）吸收塔填料层高度微分计算式
微分填料层的传质面积为：
dA adZ
其中 a ——单位体积填料所具有 的相际传质面积，m2/m3；称为有 效比表面积。（被吸收剂湿润的填 料表面积） Ω ——填料塔的塔截面积，m2。
G，Y1 L, X1
逆流吸收操作线推导示意图
Y

L G
X
(Y1ຫໍສະໝຸດ L GX1)
Y

L G
X

(Y2

L G
X2)
（2）【特点】当定态连续吸收时，若L、G一定，Y1 、X1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（X1， Y1） ，其斜率为L/G。
【定义】L/G 称为吸收操作的液气比。
第五章
吸收
第四节 吸收塔的计算
一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂用量的确定 三、填料层高度的计算
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【吸收塔的计算内容 】 1、设计型计算 （1）吸收塔的塔径； （2）吸收塔的塔高等。 2、操作型计算 （1）吸收剂的用量； （2）吸收液的浓度； （3）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。
Y=f(X)
Y1 【说明】吸收推动力
Y－Y*<0，因此，该
Y
过程为解吸操作。
YY2*
YY*
吸收推动力 Y－Y*
0
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X
X
吸收推动力
二、吸收剂用量与最小液气比
1、最小液气比 【定义】对于一定的分离任务、操作条件和吸收物 系，当塔内某截面吸收推动力为零时（气液两相平 衡Y－Y*＝0），达到分离要求所需塔高为无穷大时 的液气比称为最小液气比，以（L/G）min表示。
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【逆流吸收操作线方程的有关讨论】
L
L
Y G X (Y1 G X1 )
L
L
Y G X (Y2 G X 2 )
G, Y2 L, X2
（1）【作用】表明了塔内任 一截面上气相组成Y与液相组
G, Y
m
n
成X之间的关系。
L, X
【问题】与Y*=mX有何不同？
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减小吸收剂用量，所 需的塔高将增大，设 备费用会增加。
减小吸收剂用量，降低 了解吸工段的难度；同 时吸收剂消耗量也会较 少，输送及吸收剂再生 等操作费用减少。
【结论】吸收过程的吸收剂用量增大或者减小，会使得设备 费用或者操作费用两项中的一项增加。因此，吸收过程的吸 收剂用量过大或者过小，都不利于吸收操作。
碳酸丙烯酯脱碳常压吸收－空气气提再生工艺流程图
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Y
【（Y 说2）明GL操】X作（线1(Y上）1 的塔GL任内X一的1点气) 代液Y表相塔组GL内成X某沿一操(Y2截作面线GL的连X气续2 )液改两变相；
组成。
Y=f(X)
G, Y2 L, X2
Y1
塔底
Y
G, Y
m
n
Y2
L, X
G，Y1 L, X1
逆流吸收操作线推导示意图
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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：
GY1 LX GY LX1
或
Y

L G
X

(Y1

L G
X1)
G, Y2 L, X2
G, Y
m
n
L, X
【说明】以上两式均称为吸收 操作线方程。
G，Y1 L, X1
逆流吸收操作线推导示意图
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3、吸收剂用量的确定 【确定原则】应选择适宜的液气比，使设备费和操 作费之和最小。 【确定方法】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：
L适宜=（1.1～2.0）Lmin
或 L （1.1 ~ 2.0） L
G 适宜
G min
X1 0
可解得吸收液的浓度为 X1=0.00265
∵ G 1000 273 （1－0.09）＝37.85(mol / s)
22.4 293
故吸收用水量为：
L＝35.5G＝35.5×37.85＝1343(mol/s)＝1.343(kmol/s)
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三、吸收塔填料层高度的计算
FA NA A KY A(Y Y *)
式中 FA——单位时间溶质的吸收量，mol/s； A——气液相接触面积，m2。
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【特点】操作线与平衡线相交或相切。 【问题】如果进一步减小液气比，将会出现什么状 况？
Y1－Y1*=0
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Y-Y*>0
Y－Y*=0
最小液气比下的操作线
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一、物料衡算和操作线方程
1、物料衡算 G——单位时间通过任一塔截
G, Y2 L, X2
面惰性气体的量，kmol/s； L——单位时间通过任一塔截 m
G, Y
n
面的纯吸收剂的量，kmol/s；
L, X
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
G，Y1 L, X1
H=1.2Z+Hd+Hb
Hd——塔顶空间高(不包括封头部分)，m； Hb——塔底空间高(不包括封头部分)，m。
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2、填料层高度的基本计算式 （1）填料层高度的计算依据 ①物料衡算式； ②传质速率方程式。 【操作特点】在填料塔内任一截面上的吸收的推动 力（Y－Y*）均沿塔高连续变化，所以不同截面上 的传质速率各不相同。 【处理方法】①不能对全塔进行计算，只可首先对 一微分段计算，得到微分式； ②然后得到积分式运用于全塔。
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Y Y1 Y Y2 Y*
0
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N A KY (Y Y *) N A K X ( X * X )
Y=f(X)
吸收推动力 X*－X
吸收推动力 Y－Y*
X2
X
X1
X*
X
吸收推动力
Y
N A KY (Y Y *) N A K X ( X * X )
1、填料塔的高度
【说明】填料 塔的高度主要 决定于填料层 高度。
封头
塔顶 空间
塔底 空间
裙座
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H＝Hd十Z十(n—1)Hf十Hb
Hd
H——塔高(从A到B，不包括封头、裙
座高)，m；
Z——填料层高，m；
Hf——装置液体再分布器的空间高，m ；
Hf
Hd——塔顶空间高(不包括封头部分)，
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G, Y1
L, X1
物料衡算示意图
（2）溶质的回收率
【定义】
被吸收的溶质量
进塔气体中的溶质量
G, Y2
L, X2
【计算公式】 G(Y1 Y2 ) Y1 Y2
GY1
Y1
【应用】可通过控制吸收尾气的组成
Y2调节溶质的回收率。
G, Y1
L, X1
物料衡算示意图
塔顶
Y*
斜率＝L/G
G，Y1 L, X1
0
X2
X X1
X
吸收操作线
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（3）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。
L
L
Y G X (Y1 G X1 )
L
L
Y G X (Y2 G X 2 )
（4）吸收操作时，Y > Y*或X* > X，故吸收操作线在 平衡线Y*＝f(X)的上方，操作线离平衡线愈远吸收的 推动力愈大； （5）对于解吸操作，Y<Y*或X*<X，故解吸操作线在 平衡线的下方。
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【解】已知 y1＝0.09 η＝95％＝0.95
∴
Y1
y1 1 y1
0.09 1 0.09

0.099
Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495
据 Y*＝31.13X 知： m＝31.13
据
(
L G
)
min

Y1 Y2 Y1 / m X 2
∴
L
0.099 0.00495
(G )min 0.099 0 29.6
31.13
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∵ L＝120％Lmin＝1.2Lmin
∴
L G

1.2(
L G
)
min
1.2 29.6＝35.5
据
L Y1 Y2 ——全塔的物料衡算式
G X1 X2
∴ 0.099 0.00495 35.5
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吸收塔
G
净化气 H 2 （Y2 含CO2＜1.5%）
解吸塔
L
X2
X1
变换气 CO+H2O=CO2+H2 （ Y1 含CO216~40%）
1－油水分离器；2－吸收塔；3－分离器；4－溶剂泵；5－溶剂冷却器； 6－闪蒸槽；7－常解再生塔；8－气提鼓风机；9－中间贮槽；10－洗涤塔；
11－洗涤液泵；12－罗茨鼓风机
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m，一般取Hd=0.8～1.4m；
Hb——塔底空间高(不包括封头部分)，
m，一般取Hb=1.2～1.5m；
Hb
n——填料层分层数
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【填料塔高度的近似计算】 【说明】由于液体再分布器、喷淋装置、支承装置 、捕沫器等的结构不同时其高度不同，当一时无法 准确确定时，也可采用下式近似计算塔高：
操作线
平衡线
斜率＝（L/G）min
【方法二】操作线与平衡线相切，则：
（1）过点（X2，Y2）
作平衡线的切线； （2）水平线Y＝Y1与切 Y1
线相交于点（X1,max，
Y1），则可按下式计
算最小液气比：
Y2
L Y1 Y2
X2
G min X 1,max X 2
2020/3/11
2020/3/11
费 用
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总费用
操作费
设备费
L适宜=（1.1~2.0）Lmin
L适宜
L
4、最小液气比的确定 （1）图解法 【方法一】（1）在 X-Y图上分别画出平 衡线与操作线； （2）根据交点坐标 值计算：
L G min

Y1 Y2
X
* 1

X
2
2020/3/11
——全塔的物料衡算式
2020/3/11
G, Y1
L, X1
物料衡算示意图
【有关计算】
（1）吸收液的浓度
据 G(Y1 Y2 ) L( X1 X 2 )
G, Y2
L, X2
X1

X
2

G L
(Y1
Y2 )
【结论】吸收液的浓度取决于混合
气体进出设备的组成Y1、Y2以及吸 收剂的组成X2。
2、操作液气比对吸收操作的影响 （1）增大吸收剂用量对吸收操作的影响 【设备费用降低 】增大吸收剂用量，操作线的斜率 变大，操作线往上抬。在此情况下，操作线远离平 衡线，吸收的推动力增大，若欲达到一定吸收效果 ，则所需的塔高将减小，设备费用会减少。 【操作费用增加 】吸收剂用量增加到一定程度后， 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。