第九章 吸收塔设计计算

G (Y1 − Y2 百度文库 = L( X 1 − X 2 )
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由于G属已知条件，因而可通过确定操作线斜率 L/G（液气比）来确定L。
最小液气比L/Gmin 最小液气比
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由于Y 由于Y2, X2已知，则操作线下端点位置确定，G为已知量， 已知，则操作线下端点位置确定，G 随着L 随着L的减小，操作线斜率不断降低，此时操作线越靠近平 衡线。当L减小到与平衡线相交时，如图中BC线，推动力减 衡线。当L减小到与平衡线相交时，如图中BC线，推动力减 小为零，此时L达到最小值（L ），对应的直线斜率L/G 小为零，此时L达到最小值（Lmin），对应的直线斜率L/Gmin 为最小液气比。
逆流吸收时，塔内气液流量和组成变化情况 图中各符号的意义如下：
G、L—分别表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体 惰性气体 和纯吸收剂 纯吸收剂的量，Kmol/(m2·h) 纯吸收剂 Y、Y1、Y2—分别表示在塔的任意截面、塔底和塔顶的气相组成 ，（Kmol吸收质/Kmol惰性气体 惰性气体） 惰性气体 X、X1、X2—分别表示在塔的任意截面、塔底和塔顶的液相组成 ，（Kmol吸收质/Kmol吸收剂 吸收剂） 吸收剂
通过吸收塔的气液量随时都在变化。 ► 液体由于不断吸收气体中的可溶组分，质量流量不 断增加；气体的质量流量不断减少，无法采用作为 基准 ► 吸收过程中纯吸收剂和气体中的惰性气体这两种载 吸收过程中纯吸收剂 纯吸收剂和气体中的惰性气体 惰性气体这两种载 体的流量是不变的，可作为计算的基准
物料平衡是吸收设备计算的基础
λ=
式中Qv---气相的体积流率m 式中Qv---气相的体积流率m3/m2.h ---液相的喷淋密度 L′′ ---液相的喷淋密度 m3/m2.h ρA---溶质的密度 kg/m3 ---溶质的密度 H ′ ----溶解度系数 （C=HPe）(kg/m3.atm) ----溶解度系数 C=HPe） P---系统总压力，atm ---系统总压力，atm
H OG = H G + λH L
式中 HG---气相传质单元高度 HG---气相传质单元高度 HL----液相传质单元高度 HL----液相传质单元高度 λ---系数，为平衡线斜率和操作线斜率之比 ---系数，为平衡线斜率和操作线斜率之比
G K ya
总传质单元高度取决于填料的性能，填料的性能好，每个传质单元的高度 就小 当气相总传质系数为未知时，可由下式计算H 当气相总传质系数为未知时，可由下式计算HOG
操作线与平 (2) 操 作线与平 衡线 之间 的距离反映了吸收推动力 的大小 操作线上任一点代表某截 面上 气、 液 组 成（ Y,X） ，该点到平衡线的垂直距 离和水平距离分别代表该 截面上的吸收推动力。 (3) 平 衡 线 与 操 作 线 不 能相交或相切 如果相交，说明在塔的 某一个截面处推动力为 零，未达到一定的浓度 变化，则需要两相接触 时间无限长
此式即为吸收操作线方程式 吸收操作线方程式。 吸收操作线方程式
图线为一条直线(见图), 直线斜率为L/G，截距为
L Y1 − X1 G
直线的两端分别反映了塔底（Y1，X1）和塔顶（Y2，X2）的气液两相组成。 此直线上任一点的Y、X都对应着吸收塔中某一截面处的气液相组成。 吸收操作线斜率L/G称为吸收操作的液气比 物理含义为处理单位惰性气体所 称为吸收操作的液气比 吸收操作线斜率 称为吸收操作的液气比,物理含义为处理单位惰性气体所 消耗的纯吸收剂的量
∴ GSdY = K y (Y − Ye )aSdh
G dY dh = ⋅ K y a Y − Ye G Y1 dY h= K y a ∫Y2 Y − Ye
N A = K y (Y − Ye )
Q LSdX = N A aSdh ∴ LSdX = K x ( X − X e )aSdh
G dX dh = ⋅ K xa X − X e G X 1 dX h= K x a ∫X 2 X − X e
►
►
设单位体积填料层所提供的有效气液接触面积为a 设单位体积填料层所提供的有效气液接触面积为a，则微分 段dh范围内，总的接触面积等于a×Sdh dh范围内，总的接触面积等于a 当传质速率为N 当传质速率为NA时，微分段内由气相传入液相的溶质的量等 于NAaSdh
Q GSdY = N A aSdh
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气体和液体逆向流动，较低气速下，填料塔内阻力和气速的 关系呈一条直线。当气速的增加到某一个值时，液体向下运 动受向上气流的牵制变得明显，此时对应的气速点称为载点， 当气速超过载点时，填料塔的阻力随着气速的增加变大。 当气体流速继续增加到一定值时，液体停止下降，开始同向 上的气流一起被吹出塔外，此时气体的流速称为泛点。 当气速超过泛点时，填料塔的阻力随着气速的增加几乎呈直 线上升 吸收法净化采用的最佳气速应为载点速度的80%，或为泛点 吸收法净化采用的最佳气速应为载点速度的80%，或为泛点 速度的50速度的50-70%
N A = K x (X − X e )
G Y1 dY h= K y a ∫Y2 Y − Ye G 填料层高度h 填料层高度h为 和 K ya
dY ∫Y2 Y − Ye两个量的乘积
Y1
总传质单元高度H 总传质单元数N 总传质单元高度HOG 总传质单元数NOG
h = H OG N OG
1）总传质单元高度HOG ）总传质单元高度H
4.填料塔阻力（压强降）的计算 4.填料塔阻力（压强降）的计算 v 2 ⋅ϕ ⋅ Φ ρG ► 通过关联图确定压强降
G′ ρ L
µe0.2 ρ 1）由给定的实际操作流速计算出纵坐标 g L 1 2）由上述纵坐标和横坐标L′ ρ G 2 在图中找出压强降值
2.泛点气速的计算 2.泛点气速的计算
►
吸收塔设计的第一步确定泛点对应的气速，从而确定操作气速 泛点气速与流体特性、填料特性和液气流量比有关，采用通用关联图
► 泛点气速计算步骤
L′ ρ G ρ 1）根据操作条件计算出关联图中横坐标 G′ L v 2 ⋅ ϕ ⋅ Φ ρ G 0.2 f ρ µe g 2）根据给定的填料查出对应的纵坐标值 L
对全塔进行物料衡算，有
G(Y1 − Y2 ) = L( X1 − X 2 )
气体中由于吸收而减小的吸收质的量等于溶液中 增加的吸收质的量
1.操作线方程式
就任意截面与塔底间进行物料衡算有：
G (Y1 − Y ) = L( X 1 − X )
或
L L Y = X + Y1 − X 1 G G
► 5.填料层高度计算 5.填料层高度计算
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对于低浓度的气体混合物和低浓度溶液而 言，溶质在气相和液相中的浓度较低，因 此可采用惰性气体流量表示混合气体流量 G Kmol/(m2·h)，采用吸收剂流量代替溶 Kmol/(m ·h)，采用吸收剂流量代替溶 液流量L 液流量L 填料塔是逆流式连续吸收装置，气液两相 浓度沿高度方向连续变化，因此采用填料 层的微分段来分析 当填料层高度变化dh时，气体的浓度由 当填料层高度变化dh时，气体的浓度由 Y Y+dY, 液体浓度由X X+dX Y+dY, 液体浓度由X 设塔内截面积为S 设塔内截面积为S，则通过塔内截面的气 体流量为GS保持不变，故在此微分段dh 体流量为GS保持不变，故在此微分段dh 内由气相传入液相的溶质的量为GSdY, 内由气相传入液相的溶质的量为GSdY,或 可表示为LSdX 可表示为LSdX
2、操作线方程式的作用
1）说明塔内气液浓度变化情况， 2）通过与平衡线的对比，确定吸收推 动力,进行吸收速率计算 3）确定吸收剂的最小用量,从而确定吸 收剂的操作用量。
3、操作线与平衡线间的关系，要掌握以下 三个方面：
(1)在Y—X图上，吸收操作线必须处于平衡线之上 X图上， 吸收是溶质由气相进入液相的过程。吸收能够进行必须要 求：吸收操作时溶质在气相中的浓度大于平衡时溶质在气 相中的浓度
G (Y1 − Y2 ) = L( X 1 − X 2 )
对需回收吸收剂的操作来说，增加了溶液再生的困难，操作费用↑ 选用一个最佳的L/G，首先要求Lmin，然后确定吸收剂操作用量L， 根据实际经验，取：L=(1.1-2.0)Lmin。
3.填料塔塔径和阻力计算 3.填料塔塔径和阻力计算
1 填料塔内流体力学特性---载点，泛点（图示） 填料塔内流体力学特性---载点，泛点（图示）
h = H OG ⋅ N OG
G Y1 − Y2 = ⋅ K y a (∆Y )lm
1 2
3）将已知的φ Φ ρG ρL µe等值代入求出泛点速度值 ）将已知的φ 4）选择实际操作流速v, v = (0.5 ~ 0.8)v ）选择实际操作流速v,
f
图中各符号的含义: 图中各符号的含义:
L、G、气体和液体的质量速度kg/m2h 气体和液体的质量速度kg/m ρG ρL气体和液体的密度kg/m3 气体和液体的密度kg/m3 φ水的密度和液体密度的比值 Φ填料特性值 µe液体的黏度 mPa.s
吸收塔的设计计算
1.物料衡算 1.物料衡算 2.最佳气液比的确定 2.最佳气液比的确定 3.填料塔塔径、阻力、 3.填料塔塔径、阻力、高度计算 填料塔塔径
1 物料衡算
物料衡算基准的选择---吸收过程当中不变量 物料衡算基准的选择---吸收过程当中不变量
► 吸收操作过程中，由于气液两相之间有物质传递，
QV ρ A L′′ H ′P
2)总传质单元数N 2)总传质单元数NOG
dY ∫Y2 Y − Ye
Y1
物理意义 ► 积分符号里的dY为气相浓度变化值，分母Y积分符号里的dY为气相浓度变化值，分母Y Ye为吸收推动力，故N Ye为吸收推动力，故NOG是取决于吸收过程 中浓度变化和推动力大小的一个值。 ► 若吸收要求的气相浓度变化大，推动力有很 小，则气相总传质单元数就大，在填料塔中 要求的发生传质的单元个数就越多，填充塔 高度就越大
3.填料塔塔径的计算 3.填料塔塔径的计算 D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速v 取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速v ，即：
D= 4Q πv
D—塔径,m；Q—处理气量,m3/h； v—空塔气速,m/s 塔径,m； 处理气量,m /h； 空塔气速,m/s 1) Q一定时，若v↘，D↗，则动力消耗少，但设备投 Q一定时，若v 资高 2)若v↗，D↘，则动力消耗大，但设备投资少 2)若
2.最佳气液比的确定 2.最佳气液比的确定
►
在吸收塔设计中 处理的惰性气体流量G是已知的、气相进出塔浓度 Y1是已知的、Y2由大气污染控制标准而定，液相进 塔浓度X2是工艺生产提供的基本参数，而只有吸收 剂流量L及液相出塔浓度X1是需要计算的。
►
根据物料衡算，L与X1之中只有一个是独立的未知 量，通常在计算中先确定L值，则X1便随之而定了。
(L G )
min
=
Y1 − Y2 Xe − X2
Lmin =
Y1 − Y2 ⋅G Xe − X2
实际设计中气液比的确定必须满足下列三个原则： 实际设计中气液比的确定必须满足下列三个原则 （1）操作液气比必须大于最小液气比； （2）就填料塔而言操作液体的喷淋密度（即每平方米的塔截面上 每小时的喷淋量，m3/m2·h）应大于为充分润湿填料所必需的最小喷 淋密度，一般为3-4m3/m2·h，此时设备的阻力较小。 （3）操作气液比的选定应尽可能从设备投资和操作费用两方面权 衡考虑，以达到最经济的要求。这是因为：设备投资和操作费用间 矛盾。 ① L↑，L/G↑，推动力增加↑, 有利于吸收的操作，设备的尺寸和投资↓； ② L↑，动力消耗↑，X1↓，
①当平衡线为直线时
►
对于低浓度气体的吸收，操作线为直线，在操作线范围内， 若平衡关系符合亨利定律，则平衡线也为直线 ∆Y1 = Y1 − Ye1
∆Y2 = Y2 − Ye 2
全塔的平均推动力=塔底和塔顶推动力 的对数平均值
(∆Y )1 − (∆Y )2 (∆Y )lm = (∆Y )1 ln (∆Y )2 Y1 − Y2 N OG = (∆Y )lm