吸收塔的计算

第 4 节吸收塔的计算

吸收过程既可在板式塔内进行，也可在填料塔内进行。在板式塔中气液逐级接触，而在填料塔中气液则呈连续接触。本章对于吸收操作的分析和计算主要结合连续接触方式进行。

填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主要部位。填料的主要作用是：①填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；②单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。

通常填料塔的工艺计算包括如下项目：

（1）在选定吸收剂的基础上确定吸收剂的用量；

（2）计算塔的主要工艺尺寸，包括塔径和塔的有效高度，对填料塔，有效高度是填料层高度，而对板式塔，则是实际板层数与板间距的乘积。

计算的基本依据是物料衡算，气、液平衡关系及速率关系。下面的讨论限于如下假设条件：

（1）吸收为低浓度等温物理吸收，总吸收系数为常数；

（2）惰性组分B 在溶剂中完全不溶解，溶剂在操作条件下完全不挥发，惰性气体和吸收剂在整个吸收塔中均为常量；

（3）吸收塔中气、液两相逆流流动。

2.4.1吸收塔的物料衡算与操作线方程式

全塔物料衡算图2－12 所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下：

V —惰性气体的流量，kmol ( B )/ s ；

L —纯吸收剂的流量，kmol (S )/ S ;

Y i ；、Y 2—分别为进出吸收塔气体中溶质物质量的比，kmol (A ) /kmol (B );

X i 、X 2――分别为出塔及进塔液体中溶质物质量的比， kmol (A )/ kmol

(S )。注意，本章中塔底截面一律以下标“ I ”表示，塔顶截面一律以下标

“ 2”表示。

在全塔范围内作溶质的物料衡算，得: VY i + LX 2 = VY 2+ LX i

图2-12物料衡算示意图

或 V (Y i — Y 2)= L (X i — X 2) 一般情况下，进塔混合气体的流量和组成是吸收任务所规定的，若吸收剂的

流量与组成已被确定，则V 、丫、L 及X 2。为已知数，再根据规定的溶质回收率， 便可求得气体出塔时的溶质含量，即：

丫2 = Y l (1—巾A )

(2 — 39)

式中巾A 为溶质的吸收率或回收率。 通过全塔物料衡算式2 — 38可以求得吸收液组成X I 。于是，在吸收塔的底部 与顶部两个截面上，气、液两相的组成 丫1、X l 与丫2、X 2均成为已知数。

2 •吸收塔的操作线方程式与操作线

V, 丫 2 L, X 2

V

Y i L, X i

(2 — 38)

在定态逆流操作的吸收塔内，气体自下而上，其组成由Y i逐渐降低至丫2；液相自上而下，其组成由X2逐渐增浓至X l ；而在塔内任意截面上的气、液组成

丫与X之间的对应夫系，可由塔内某一截面与塔的一个端面之间作溶质A的物料衡算而得。

例如，在图2- 12中的m—n截面与塔底端面之间作组分A的衡算：

VY + LX i = VY1+ LX

L£

或丫= V

X +(Y i—

V

X i) (2 —40)

式2—40称为逆流吸收塔的操作线方程式，它表明塔内任一横截面上的气相组成丫与液相组成X之间成直线关系。直线的斜率为L/V，且此直线应通过B (X i, Y i)及T (X2, 丫2)两点，如图2—13所示图中的直线BT即为逆流吸收塔的操作线。

(1)上端点B代表吸收塔底的情况，此处具有最大的气、液组成，故称为“浓

端”；端点T代表塔顶的情况，此处具有最小的气、液组成，故称之为“稀端”；操作线上任一点A，代表着塔内相应截面上的液、气组成X、丫o

(2)当进行吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在气相中的实际组成总是高于与其接触的液相平衡组成，所以吸收操作线必位于平衡线上方。反之，若操作线位于平衡线下方，则进行脱吸过程。

需要指出，操作线方程式及操作线都是由物料衡算得来的，与系统的平衡关系、操作温度和压强以及塔的结构类型都无任何牵连。

242吸收剂用量的确定

（1）液气比

•IISI2-14吸收塔的呆木盛社比’

由图2- 14a可知，在V、丫、丫1及X2已知的情况下，吸收操作线的一个端点T 已经固定，另一个端点B则可在丫二Y i的水平线上移动。点B的横坐标将取决于操作线的斜率L / V。

操作线的斜率L/V称为“液气比”，是溶剂与惰性气体物质的量的比值。

它反映单位气体处理量的溶剂耗用量大小。

（2）由于V值已经确定，故若减少吸收剂用量L，操作线的斜率就要变小，点

B便沿水平线丫= Y i向右移动，其结果是使出塔吸收液的组成加大，吸收推动力相应减小。若吸收剂用量减小到恰使点B移至水平线丫= Y i与平衡线的交点B*时，X i= X i* :，意即塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气达到平衡。这是理论上吸收液所能达到的最高含量，但此时过程的推动力已变为零，因而需要无限大的相际传质面积。这在实际上是办不到的，只能用来表示一种极限状况。此种状况下吸收操作线（B*T ）的斜率称为最小液气比，以（L/ V）min表示，相应的吸收剂用量即为最小吸收剂用量，以Lmin表示。

反之，若增大吸收剂用量，则点 B 将沿水平线向左移动，使操作线远离平

衡线，过程推动力增大；但超过一定限度后，效果便不明显，而溶剂的消耗、输 送及回收等项操作费用急剧增大。

（3）最小液气比的求法

最小液气比可用图解法求出。如果平衡曲线符合图 2- 14a 所示的一般情况， 则要找到水平线丫二Y i 与平衡线的交点B*，从而读出X*的数值，然后用下式计 算最小液气比，即:

min 丫 丫2

X 1 * X 2 L min 丫 1 丫 2 X 1* X 2 (2-41)

(2- 14a )

如果平衡曲线呈现如图 2- 14b 中所示的形状，则应过点T 作平衡线的切线, 找到水平线丫 = 丫1与此切线的交点B ',从而读出点B '的横坐标X 1'的数值，用 X 1'代替式2— 41或式2-41a 中的X 1*，便可求得最小液气比（L/V ） min 或最 小吸收剂用量Lmin 。

若平衡关系符合亨利定律，可用 X* = 丫/m 表示，则可直接用下式算出最

小液气比，即：

min 丫 1 丫 2

丫1 X 2

m (2- 42)

(2-42 a ) 如果用纯溶剂吸收，则X 2 = 0,式2-42及式2-42a 可表达为

L min

m