填料吸收塔的计算.

4.5 填料吸收塔的计算

本节重点：吸收塔的物料衡算、吸收剂用量及填料层高度的计算

本节难点：填料吸收塔传质单元数的概念及计算

4.5.1 吸收塔中的物料衡算—操作线方程

如图，q n (V)—惰性气体的摩尔流量 mol/s

q n (L)—溶剂的摩尔流量 mol/s

Y 1、X 1—塔底气液两相中吸收质的物质的量比

Y 2、X 2—塔顶气液两相中吸收质的物质的量比

Y 、X —塔内任意截面吸收质的物质的量比

从塔内任意截面到塔底对吸收质作物料衡算：

q n (L)X+ q n (V)Y 1= q n (L)X 1+ q n (V)Y

q n (V)(Y 1-Y)= q n (L)(X 1-X) （4-40）

或 1n n 1n n X )V (q )L (q Y X )V (q )L (q Y -+= （4-41） 该式称为吸收操作线方程，表示吸收过程中，塔内任意截

面Y 与X 间的关系。

若对整个塔作物料衡算，则有：

1n n 12n n 2X )

V (q )L (q Y X )V (q )L (q Y -+= （4-42） 如图4-9，吸收过程的操作线是经过点（X 1,Y 1）和点（X 2,Y 2）的一条直线，其斜率为q n (L)/q n (V)，操作线上的任一点表示在塔内任一截面

上气液相组成的关系。

生产中常以气相被吸收的吸收质的量与气相中

原有吸收质的量之比，衡量吸收效果和确定吸收任

务，称为吸收率η

)1(Y Y 12η-= （4-43）

4.5.2 吸收剂用量的计算

吸收操作处理气量q n (V)，进出塔气体组成Y 1、

Y 2，以及吸收剂进塔组成X 2通常是由生产工艺确定的，而吸收剂用量和塔底溶液浓度是可以变动的，为了完成工艺要求的任务，需计算吸收剂的用量。

1、液气比

由全塔物料衡算式（4-42）1n n 12n n 2X )

V (q )L (q Y X )V (q )L (q Y -+= 可知吸收剂出塔浓度 X 1与吸收剂用量q n (L)是相互制约的，

选取的q n (L)/q n (V) ↑，操作线斜率 ↑ ，操作线与平衡线的距离 ↑ ，塔内传质推动力 ↑ ，完成一定分离任务所需塔高 ↓；

q n (L)/q n (V) ↑，吸收剂用量↑ ，吸收剂出塔浓度 X 1↓ ，循环和再生费用↑ ； 若q n (L)/q n (V) ↓ ，吸收剂出塔浓度 X 1↑ ，塔内传质推动力↓ ，完成相同任务所需塔高↑ ，设备费用↑ 。

要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量q n (L)/q n (V)的减小是有限的。 当q n (L)/q n (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q n (L)/q n (V) 称为最小液气

比，用[]min n n )V (q /)L (q 表示。

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 []适宜)V (q /)L (q n n =（1.1～2.0）[]min n n )V (q /)L (q

2、最小液气比

由图4-10可知，[]2*121min n n X X Y Y )V (q /)L (q --=

（4-44） 若体系服从亨利定律，*11mX Y =

故有 []2121m i n n n X m

Y Y Y )V (q /)L (q --= （4-44a ） 吸收剂最小用量q n (L)min =2*121n X X Y Y )

V (q -- （4-44b ） 或 2121n m i n n X m

Y Y Y )V (q )L (q --= （4-44c ） 4.5.3 填料层高度的计算

设填料层高度为H 米，空塔截面积为S m 2,填料的有效比表面积为αm 2/m 3，则填料层高度计算式：

⎰-=12Y Y *Y n Y

Y dY S K )V (q H α （4-45） 或 ⎰-=12X X *X n X

X dX S K )V (q H α （4-46） 4.5.4 传质单元高度和传质单元数

⎰-1

2Y Y *Y Y dY 和⎰-12X X *X X dX 分别称气相传质单元数和液相传质单元数，用N OG 和N

OL

表示，S K )V (q Y n α和S

K )L (q X n α分别称气相传质单元高度和液相传质单元高度，用H OG 和H OL 表示 H=H OG N OG (4-47)

H=H OL N OL (4-48)

1、对数平均推动力法

在吸收过程中，由于气液两相在塔内的浓度不断变化，使吸收塔内的各个截面上的吸收推动力（Y-Y*或X*-X ）不同，对于符合亨利定律的体系，气液平衡关系是直线，直接积分就可以得到N OG 、N OL 的解析式，

m

2

1OG Y Y Y N ∆-=

（4-49） 而 *

2

2*1

1*

22*212121m Y Y Y Y ln )

Y Y ()Y Y (Y Y ln Y Y Y -----=

∆∆∆-∆=∆

（4-50） △Y m —以气相表示的全塔对数平均传质推动力。

同理

m

2

1OL X X X N ∆-=

（4-51） 2

*

21

*12*

21*12121m X X X

X ln )

X X ()X X (X X ln X X X -----=∆∆∆-∆=

∆

（4-52） △X m —以液相表示的全塔对数平均传质推动力。

2、图解积分法

当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通

常可采用图解积分法求解传质单元数。

图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量 Y 相对

应的被积函数的值。其步骤为

(1)在操作线和平衡线上得若干组与 Y 相应的值

1/(Y-Y *) ；

(2) 在 Y 1 到 Y 2 的范围内作 Y ~*Y Y 1

- 曲线；

(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数 N OG