吸收塔的设计计算

N＝


1 ln
A
ln

x2 x1
-
y1 y1
/ /
m m


1
A

A

则：
N ＝ A1
NOL
ln A
2. 操作气量的选择：
最大液气比（或最小气液比）：
L G
max

y2 * y1 x2 x1
G L min

x2 x1 y2 * y1
以此类推，对于第N块板，有：
yN1 1 A A2 AN y1 ( A A2 AN ) m x0

1
1
AN 1 A

y1

m

x0


m

x0
AN 1 1 A 1 yN 1 m x0
y1 m x0
解：
H G Ky a
y1 y2
y
dy y*

H OG
NOG
根据已知条件，可以求出HOG；如果求出NOG，就可 以得到H。
无论用解析法还是平均推动力法，都要求出L/G。
(L/G)=1.2·(L/G)min
L G min

y1 y2 x1* x2

y1 y2 y1 / m x2
填料层高 度方程：
H G
Ky a
y1 y2
dy y y*

H OG
NOG
３. 掌握理论塔板的概念。 ４. 掌握解吸塔高度的推导过程，加深理解
吸收塔高度的推导方法。 ５. 掌握非等温吸收和化学吸收的特点。
NA ky y yi kx xi x
1 Ky 1 m
ky kx
对于瞬间反应，例如盐酸吸收氨气，可以按照气膜 控制进行处理。此时，Ky=ky，界面浓度可以认为是 零。
对于非常慢的化学反应，β~1，可按物理吸收处理。
对于中等速度的化学反应，比较复杂，有兴趣的同 学可以参阅有关专著。
yx h
H
dh
x+dx y+dy
L x NA dA L (x dx)
NA dA L dx Kx x x* dA
y1 x1
A a h dA a dh
Kx x x * dA Kx x x * a dh L dx
a）气相中可溶性组分由气相主体向气液界面传递。 b）溶质由界面处由气相溶解于液相。
c）溶质在液相中传递并与液相组分发生化学反应，从 而使溶质浓度降低，推动力增大。 d) 依据反应速度的不同， 溶质或反应物在液相中传递。
3） 增强因数β： 由于化学反应的存在，使液膜传质系数增加的倍数， 一般情况下β >1。
理论板与实际板的差别用塔板效率E0表示：
N：理论板数
E0 N Ne
Ne：实际塔板数
2. 理论板数的计算： 操作线和平衡线均为直线的情况
塔板序号自上而下增大，离开第ｉ块 塔板的气液组成的下标为ｉ
yi xi-1
操作线方程：
yi1

yi

L G

xi xi1
i
相平衡方程： yi m xi
Chap. 6 吸收塔的设计计算
Design of Gas Adsorption Tower
作业：练习题37-1, 37-2(空塔气 速用于计算塔径，V=u·π · d2/4)
主要内容
一. 问题的提出 二. 计算依据 三. 设计型问题中参数的选择 四. 理论塔板与理论塔板数－－板式塔 五. 解吸塔的设计计算 六. 吸收操作中的特殊问题

0.025 0.0522 3.1412
0.609m
4
H HOG NOG 0.609 9.84 6.0m
四. 理论塔板与理论塔板数－－板式塔
1. 理论塔板概念
气液两相在塔板上接触充分，传质完全，当 气液离开该板时，两相达到相平衡状态，这 块塔板称为一个理论塔板（理论板）。
传质单 元数NOG
最小液气比（教材47页）：
L G
min

y1 x1*
y2 x2
注意：
严格的讲，操作线方 程的气液流量应该为 惰性气体流量GB和纯 溶剂流量Ls，浓度也 应该为摩尔比。这里 进行了简化，（低浓 度）。
二. 计算依据
无论哪类计算问题，都是依据如下三个公式进行计算。
ln

y1 y2

mx1 mx2



0.02
1.2 0.139 0.0011.2 0
ln
0.02 1.2 0.139
0.0011.2 0

0.00193
NOG

y1 y2 ym

0.02 0.001 9.84 0.00193
HOG

G Ky a
操作线方程：
y

L G

x


y2

L G

x2

相平衡方程： y f (x)
填料层高 度方程：
H G
Ky a
y1 y2
dy y y*

H OG
NOG
以上三个公式的组合以及操作线和平衡线在坐标轴上 的示意图是本部分计算的核心。
三. 设计型问题中参数的选择
1. 气液流动方式：
AN

1 A

1

1 A

YN 1 m Y1 m
X X0
0
N

1 ln A
ln

1 A

1
1 A
yN 1 m x0 y1 m x0

y1
x0
1 2 N-1 N
yN+1 xN
y2
x2 y1
x0
由推导过程可知，与填料塔相比：
yi+1 xi
对于第一块板：
y2

y1

L G


y1 m

x0


1
L Gm


y1

L G

x0

1
A
y1

Am
x0
对于第二块板：
y3

1
A
y2

A
m
x1

1
A 1
A
y1

A
m
x0

A
m
y1 m
1 A2 A y1 1 A A m x0 1 A A2 y1 ( A A2 ) m x0
实际气液比：

G L



G L
min
六. 吸收操作中的特殊问题
1. 多组分吸收
存在范围广
处理办法：简化为单组分吸收 1）根据工艺要求，保证关键组分的吸收要求 2）计算其它组分吸收的程度
2. 化学吸收
1）过程特点 高选择性；
界面处的气相平衡 分压降低，增大传 质推动力
2）化学吸收机理 化学吸收的机理仍以双膜理论为基础解释。
1
A

Leabharlann Baidu
1 2 N-1 N
xN
有：
N A1 NOG A ln A
当A趋近于1时，即L/G=m，有：
N NOG
3. 填料层的等板高度
达到一块理论板分离效果所需要的填料层高度，为填料 的等板高度，由He表示。其大小反映了传质的动力学特 性，通常由实验测定。 填料层高度表示为：
H N He 当操作线与平衡线均为直线且A=1时，有N=NOG；则：
逆流：一般来说，传质推动力比较大 并流：一般来说，传质推动力比较小
2.入塔浓度：
气体：工艺要求 液体：经济优化，入塔浓度高，会导致吸收设备 高但解吸设备小；入塔浓度低，会导致吸收设备 小但解吸设备大
3.液气比：
1.1～1.5倍最小液气比
例题：塔高的计算 清水吸收空气中的氨，逆流，G＝0.025kmol/s，y1=0.02， 要求y2=0.001。已知：m=1.2，Kya=0.0522kmol/(s·m2)，若 塔径d=1m，(L/G)=1.2·(L/G)min，求H。
dh L dx Kx a x*x
对全塔进行积分，有：
H
dh
x1
L
dx H
0
x2 Kx a x * x
对于低浓度气体吸收，L、Kx、a均可认为是定值，因此：
H L x1 dy
Kx a x2 x * x
L HOL Kx a
yN+1即填料塔入口浓度y1，y1 即填料塔出口浓度y2，x0即填 料塔入口浓度x2。
与填料塔传质单元数的公式相比， y1 x1 yN+1
NOG＝
y1 y2
y
dy y*

1 1-1/
ln A

y1 y2
- m x2 - m x2


1

1 A



0.02 0.001 1.14 0.02 /1.2 0
(L/G)=1.2·(L/G)min＝1.37 根据物料衡算，求得液体出口浓度：
x1

x2

G L

y1

y2


0.02 0.001 1.37

0.0139
则：平均推动力为：
ym


y1
mx1 y2 mx2
3. 非等温吸收
溶解热 反应热
温度变化
调节措施：
1）塔内冷却装置 2）吸收剂体外冷却 3）大喷淋密度
平衡线位置与形状 吸收速率发生变化
本节小结
1. 掌握填料塔设计参数的选择方法。
2. 熟练应用三个基本方程解决填料塔相 关计算问题。
操作线方程：
y

L G

x


y2

L G

x2

相平衡方程： y f (x)
He HOG
五. 解吸塔的设计计算
回收吸收剂，得到产品。 为吸收的反过程，传质方向是由液相至气相，过 程的推动力为：
y * y或p * p
提高 y*、p* 或降低 y、p 有利于过程的进行。
常用解吸方法： 1. 气提法：通入惰性气体。 2. 汽提法：通入水蒸气 水蒸气既可作惰性气体，又可作加热介质。
液相传质单元高度，m
N
＝
OL
x1 x2
dx x*x
液相传质单元数
当平衡线为直线且过原点时，有：
NOL＝
x1 x2
dx x*x

1 1- A
ln

x2 x1
-
y1 y1
/m /m


1

A

A

L A G
L
称为吸收因数
m mG
同样，还可以推出理论塔板数方程式：
T m y*
3. 降低压力
以逆流气提法为例，说明解吸塔的设计计算。
由于此时m较大，解吸过程的液相阻力往往占优势，以液相体
积传质系数为准比较方便。采取与吸收塔计算相同的方法：
1.填料层高度基本方程式的建立
y2 x2
依据：吸收速率方程： NA K y y或NA Kx x 相平衡方程：y f (x) 物料衡算方程:
一. 问题的提出
给定工艺条件及分离要求下，选择合理的设计参数， 计算吸收剂用量、出口浓度及必须的塔高。
为解决上述问题，一般需要通过如下步骤： 1. 明确工艺要求，选定合理的参数与条件。
气液流动方式：逆流、并流 吸收剂的种类：气体易溶 入塔浓度：经济优化与工艺要求 液气比：1.1～1.5倍最小液气比 2. 测定或查得体积传质系数，计算HOG。