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。

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 1；、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 1、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“l ”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 1＋LX 2＝VY 2＋LX 1

或V （Y 1－Y 2）＝L （X 1－X 2） （2－38）

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 、Y 、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：

Y 2＝Y l （1－фA ） （2－39）

式中фA 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 1。于是，在吸收塔的底部与顶部两个截面上，气、液两相的组成Y 1、X l 与Y 2、X 2均成为已知数。

2．吸收塔的操作线方程式与操作线

2

1

图2-12 物料衡算示意图

在定态逆流操作的吸收塔内，气体自下而上，其组成由Y 1逐渐降低至Y 2；液相自上而下，其组成由X 2逐渐增浓至X l ；而在塔内任意截面上的气、液组成 Y 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 1＝VY 1＋LX

或 Y ＝V L X ＋（Y 1－V L

X 1） （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Y 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 1，Y 1）及T （X 2，Y 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 、Y 。

（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。

吸收剂用量的确定

（1）液气比

由图2－14a可知，在V、Y、Y1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Y＝Y1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Y＝Y1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Y＝Y1与平衡线的交点B*时，X1＝X1*：，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Y ＝Y 1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：

2121

min *X X Y Y V L --=⎪⎭⎫ ⎝⎛ （2－41） 或212

1min *X X Y Y V L --= （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Y ＝Y 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*＝Y ／m 表示，则可直接用下式算出最小液气比，即：

2121

min X m Y Y Y V L --=⎪⎭⎫ ⎝⎛ （2－42） 2121min X m Y Y Y V

L --= （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