第六章吸收 第四节

2015/8/27
化工原理
注意：
在吸收过程中溶质不断进入液相，故实际混合气量因溶 质的吸收沿塔高变化，混合气在进塔时气量最大，混合
气在离塔时气量最小。计算时气量通常取全塔中气量最
大值，即以进塔气量为设计塔径的依据。 计算塔径关键是确定适宜的空塔气速，通常先确定液泛 气速，然后考虑一个小于 1 的安全系数，计算出空塔气 速。液泛气速的大小由吸收塔内气液比、气液两相物性 及填料特性等方面决定。
L, X1 V, Y1
L L Y X ( X 1 Y1 ) V V
同理
塔内任一截面与塔底（稀端）作物料衡算：
V, Y
L, X
V, Y2
L L Y X ( X 2 Y2 ) V V
L, X2
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L L Y X ( X 1 Y1 ) V V
第 六 章 吸 收
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第四节 吸收塔的计算
1 概述 2 物料衡算与操作线方程
本节 讲授 内容
3 吸收剂用量的确定 4 塔径的计算 5 填料层高度的计算
6 理论板层数的计算
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一、概述
工业上通常在塔设备中实现气液传质。 塔设备一般分为：逐级接触式、连续接触式。 1、吸收的操作 在吸收塔中进行，气液两相逆流（或并流）接触，气相由塔 底流向塔顶，液相由塔顶流向塔底，填料是气液传质场所。 2、组成的变化和平衡关系 组成：连续，由塔顶到塔底气液相组成逐渐增大，即Y 、X 。 平衡关系：相界面上气液相组成Y*与X或（X*与Y，Xi与 Yi）为平衡关系，符合亨利定律。 操作关系：塔内任一截面上气液相组成的关系，即Y与X的 关系。
Y2
o
T
Lmin V
X1 X1 *
Y1 Y2 X1 X 2
*
X2
X
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•平衡线为上凸形时
Y
Y1 Y2 L ( ) min V X 1 X 2
Y1
B (L/V)min
* B* Y =f(X)
C
Lmin
Y1 Y2 V X X
1
Y2
T
2
o
X2
X1
VY1 LX 2 VY2 LX 1
气体中溶质减少的量等于液体中 溶质增加的量
L L Y1 X 1 Y2 X 2 V V 2015/8/27
L, X1
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x X 1 x
吸收率
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A
y Y 1 y
：混合气中溶质A 被吸收的百分率，又称回收率。
Y1 Y2 A Y1 Y2 Y1 (1 A )
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五、填料层高度的计算
填料塔内，气、液两相传质面积由填充的填料表面提供。
传质面积：若塔的截面积为（m2），填料层高度为Z （m），单位体积的填料所提供的表面积为a（m2/m3），则 F Za 该塔所能提供的传质面积 F（m2）为 a 为填料的有效比表面积，是填料的一个重要特性数据，填 料及填料填充方式一定即为定值。 塔截面积或塔径：主要由与填料的流体力学特性相关的空 塔气速决定。塔截面积确定后，求传质面积就转化为求所 需的填料层高度。 完成一定吸收任务所需的传质面积，不仅与传质量和分离 程度等由任务规定的指标有关，还与塔内气液两相流动状 况、相平衡关系、填料类型以及填充方式等影响相际传质 速率的诸多因素紧密相关。物料衡算方程和传质速率方程 是计算填料层高度的基本方程。
L/V ，吸收剂用量 ，吸收剂出塔浓度 X1 ，循环和再 生费用 ；
若L/V ，吸收剂出塔浓度 X1 ，塔内传质推动力 ，完
成相同任务所需塔高 ，设备费用 。
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Y L/V
不同液气比 L/V 下的
操作线图直观反映了 这一关系。
Y1
(L/V) ’ (L/V)min B B ’ E
L, X2 V, Y2
V, Y
m
L, X
V, Y1 L, X1
n
VY LX 2 VY2 LX
L L Y X (Y2 X 2 ) V V
——逆流吸收塔操作线方程
表明 ： 塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线
关系，直线的斜率为L/V。
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（2）并流吸收 塔内任一截面与塔顶（浓端）作物料衡算：
X1 ’ X1 * X
（2）计算法 适用条件 平衡线符合亨利定律，可用 Y * mX 表示
L Y1 Y2 ( ) min Y1 V X2 m
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Lmin
Y1 Y2 V Y1 X2 m
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3、适宜吸收剂用量的确定 B
Y1
B* 最小 液气比
L/V
液气比
L ( ) min V
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。
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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。
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三、吸收剂用量的确定
吸收剂用量 L 或液气比 L/V 在吸收塔的设计计算和
塔的操作调节中是一个很重要的参数。 吸收塔的设计计算中，气体处理量 V，以及进、出 塔组成 Y1、Y2 由设计任务给定，吸收剂入塔组成 X2 则是由工艺条件决定或设计人员选定。
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3、有关吸收的计算问题 按给定条件、任务和要求的不同 化工单元设 备的计算 设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件， 设计满足任务要求的单元设备。 操作型计算： 根据已知的设备参数和工艺条 件，求算所能完成的任务。 两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具 体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔 的设计型计算。 吸收塔的设计计算，一般的已知条件： （1）气体混合物中溶质A的组成以及流量； （2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系； （3）出塔的气体组成 。
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设计计算的主要内容与步骤: （1）吸收剂的选择及用量的计算； （2）设备类型的选择； （3）塔径计算； （4）填料层高度或塔板数的计算； （5）确定塔的高度； （6）塔的流体力学计算及校核； （7）塔的附件设计。 目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 或吸收剂 出口浓度。 混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收， 故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶 组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的惰性气体量 和溶剂量是不变的。
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四、塔径的计算
根据圆形管道内的流量公式计算
Vs

4
Du
2
D
4VS u
D—塔径，m； Vs—操作条件下混合气体的体积流量，m3/s； u—空塔气速 ，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s。 由于溶质不断进入液相，故混合气体流量逐渐减小。计算时 应以气体入口端（塔底）的气量为依据。
Y Y1 B A X*-X T Y- Y*
Y*=f(X)
Y
L L Y X ( X 2 Y2 ) V V
其斜率为（－L/V）。
Y2 Y* o
X1
X
X2
X*
X
吸收操作线总是位于平衡线的上方， 操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。
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（3）吸收塔内流向的选择 在 Y1 至 Y2 范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的 传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推 动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。 在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的 平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流 优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择 分析结果是一致的。 工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊 说明，均为逆流吸收。 与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流 动的液体产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了 吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不 利的一面。
Y1 Y2 L Y1 Y2 最小液气比的计算式： Lmin V X 1,max X 2 V min X 1,max X 2
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2、最小液气比的求法
（1）图解法
•正常的平衡线
Y
Y*=f(X)
B
Y1
B*
Y1 Y2 L ( ) min * V X1 X 2
2、吸收塔的操作线方程与操作线 （1）逆流吸收 在 m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算
L, X2 V, Y2 V, Y
m
L, X V, Y1 L, X1
n
VY LX1 VY1 LX
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L L Y X (Y1 X 1 ) V V
——逆流吸收塔操作线方程 在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算
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气液 平衡 关系 亨利 定律 计算的 依据：
p ExA
* A
* A
y mxA
cA p H * YA mX A
* A
N A kG ( pA pAi ) N A k y ( y A y Ai )
气膜吸收速率方程式
吸收 速率 方程
N A kL (cAi cA ) N A k x ( xAi xA )
由全塔物料衡算:
VY1 LX 2 VY2 LX1
V L L X 1 X 2 (Y1 Y2 ) Y X (Y2 X 2 ) V V L
可知吸收剂出塔浓度 X1 与吸收剂用量 L 是相互制约的。 选取的L/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 ；
液膜吸收速率方程
* N A K G ( p A p* ) N K ( c A A L A cA )
* * X A) N A KY (YA YA ) NA KX (X A
物料 衡算
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以总吸收系数表示的吸收速率方程
化工原理
以逆流操作的填料塔为例： 下标“1”代表塔内填料层下底截面， 下标“2”代表填料层上顶截面。 V—单位时间通过塔的惰性气体量， kmol/s； L—单位时间通过吸收塔的溶剂量， kmol/s； Y1，Y2—分别为进塔及出塔气体中溶质 组分的的摩尔比； X1，X2—分别为进塔及出塔液体中溶质 组分的的摩尔比； Y—任一截面的混合气体中溶质组分的 摩尔比； X—任一截面的溶液中溶质组分的摩尔 比。
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化工原理
随 L/V 的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平 衡线的形状。
Y Y*=f(X) E (L/V)min Y
Y*=f(X)
(L/V)min
Y1
Y1
C
Y2
o
T
Y2
X1,max=X1* X
T
X2
o
X2
X1,max X1* X
两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*； 两线在中间某个浓度处相切时， X1,max<X1* 。
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二、吸收塔的物料衡算与操作线方程
1、物料衡算 目的 ： 确定各物流之间的量的关 系以及设备中任意位臵两 物料组成之间的关系。 对单位时间内进出吸收塔的 A 的 物质量作衡算
L, X2
V, Y2 V, Y
m
L, X V, Y1
n
V (Y1 Y2 ) L( X1 X 2 )
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L, X2
V, Y2 V, Y m L, X V, Y1 n
L, X1
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吸收塔的工艺计算，一般的已知条件是： 1）气体混合物中溶质 A的组成（mol分率）以及流量 kmol/s；
2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；
3）出塔的气体组成 。 需要计算： 1）吸收剂的用量kmol/s； 2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度。
Y2
T
Y- Y* Y*=f(X) X
1、最小液气比(L/V)min
o
X2
X1
X 1 ’ X1,max
要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量
GA=V(Y1-Y2)，L/V 的减小是有限的。 当 L/V 下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切 时对应的 L/V 称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对应的 X1 则用 X1,max 表示。

L ho , 设备费 V L ho , 设备费 ，并不总有效 L , 再生费 V L L 根据生产实践经验，一般取 (1.1 ~ 2.0)( ) min V V
注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡 为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填 料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足 够的传质面积，因此所取吸收剂用量 L 值还应不小 于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时 间内的液体流量不得小于某一最低允许值。