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1、第四节 吸收（或解吸)塔的计算,一、概述二、物料衡算和操作线方程三、吸收剂用量的决定和最小液气比四、低浓度气体吸收塔填料层高度的计算五、理论板数的计算六、解吸,一、概述,1.吸收塔的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,2.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。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,3.校核计算的主要内容与步骤,(1)吸收率的计算(2)吸收剂用量、组成及操作温度对吸收塔的影响,4.计算依据物系的物料衡算、相平衡关系和传质速率
2、方程式,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,对稳定吸收过程，全塔物料衡算为：,下标“a”代表填料层上顶截面；下标“b”代表塔内填料层下底截面。V 惰性气体B的摩尔流率kmol/s；L 吸收剂S的摩尔流率kmol/s；Y 溶质A在气相中的摩尔比浓度；X 溶质A在液相中的摩尔比浓度。,二、物料衡算与吸收操作线方程,全塔物料衡算目的：计算吸收剂出口浓度。,V,Ya,V,Yb,L,Xb,L,Xa,1.全塔物料衡算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,进塔惰性气体流量V和组成Yb由吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成Xa一般由工艺条件确定，吸收剂用量由设计者给出，出塔气体组成Ya则由任务给定或由给定的吸收率求出
3、，由上式可求算出吸收剂出口浓度Xb。,2.吸收率的定义：,混合气中溶质A被吸收的量占总量的百分率，称为溶质的吸收率或回收率，以表示，即：,已知进料中A的组成为50%（mol%）,要求气体吸收率为90%，则塔顶尾气中A的组成：A:9%B:7%C:5%D:3%,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,3.操作线方程与操作线,在任一截面与塔顶间作溶质A的物料衡算，有,V,Ya,V,Yb,L,Xb,L,Xa,V,Y,L,X,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,操作线方程,Y,X,o,B,Yb,Xb,Xa,Ya,A,Y,X,Xe,Ye,P,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,并流操作线方程,V,Ya,V,Yb,L,Xb
4、,L,Xa,V,Y,L,X,对并流操作的吸收塔，其操作线方程可取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）作物料衡算得到。,Y,X,o,A,Ya,Xa,Xb,Yb,B,Y,X,Xe,Ye,P,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,4.吸收塔内流向的选择,逆流操作时，传质推动力变化较小；并流操作时，传质推动力变化较大；逆流操作的平均推动力大于并流；工业吸收一般多采用逆流。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,三、吸收剂用量的确定,可知吸收剂出塔浓度Xb与吸收剂用量L是相互制约的，吸收剂用量L对出塔浓度Xb及吸收过程的影响可通过Y-X坐标图分析。,由全塔物料衡算式,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,Y,X,o,Ye=f
5、(X),A,Yb,Xb,Xa,Ya,A,(L/V),B,Xb,(L/V),Xbe,(L/V)min,C,1.最小液气比(L/V)min,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,若吸收剂用量 L/V,吸收剂出塔浓度Xb，循环和再生费用；,吸收剂出塔浓度Xb，设备费用。,若吸收剂用量，L/V,若相平衡线的形状不规则,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,2.吸收剂用量的确定,L,操作费用，L,设备费用；按总费用最低的原则来选取；根据生产实践经验，一般取：,兼顾填料润湿率。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,在20，1atm下，用清水分离氨-空气的混合气体，混合气体中氨的分压为1330Pa，经吸收后氨的分压降为7P
6、a，混合气体的处理量为1020kg/h，操作条件下平衡关系为 Ye=0.755X。若适宜的吸收剂用量为最小用量的2倍，求所需吸收剂用量及离塔氨水的浓度。,例题：,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,四、低浓度气体吸收填料层高度的计算,1.填料层高度的计算式,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,填料塔的不同截面，Y,X不同；传质推动力不同；传质速率不同；,要确定整个填料塔的传质量，需采用微积分方法。,所以,从物质传递过程角度分析，若dh微元段内传质速率为NA，则通过该微元填料层的溶质A的传递量为,任取填料层中高度为dh的微分段,V,Ya,V,Yb,L,Xb,L,Xa,Y,X,h,Y+dY,dh,X+dX
7、,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,由物平可知通过该微元层物质的传递量为：,将以气相摩尔比分数表示的总的传质速率方程代入，则有：,分离变量，对上式沿塔高积分得,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,同理，将以液相摩尔比分数表示的总的传质速率方程代入，则有,分离变量，对上式沿塔高积分得,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi-X)可得：,用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应相组成表示的填料层高度h的计算式。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,对低浓度气体吸收(yb10%)，传质系数kY、kX、KY、KX 沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条件下的平均值，作为常数提
8、到积分号外面。,体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积a的乘积（KYa及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为 kmol/(m3.s)。体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,2.传质单元数与传质单元高度,对气相总传质系数和推动力：,HOG 气相总传质单元高度，m；NOG 气相总传质单元数，无因次。,HOL 液相总传质单元高度，m；NOL 液相总传质单元数，无因次。,若令,对液相总传质系数和推动力：,若令,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,类似地,气相传质单元高度,气
9、相传质单元数,液相传质单元高度,液相传质单元数,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,由此可见，如果气体流经一段填料层所产生的浓度变化(Yb-Ya)恰等于此段填料层内气相总推动力的平均值时，那么这段填料层就可视为一个气相总传质单元，其高度就等于一个气相总传质单元高度。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,讨论,由此可见，如果液体流经一段填料层所产生的浓度变化(Xb-Xa)恰等于此段填料层内液相总推动力的平均值时，那么这段填料层就可视为一个液相总传质单元，其高度就等于一个液相总传质单元高度。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,讨论,传质单元数NOG或NOL反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填
10、料层平均推动力大小两个方面。Yb 不变，Ya,NOG；Xa不变，Xb,NOL。L/V，填料层平均推动力，NOG,NOL。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,总传质单元高度HOG或HOL则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，单位为m。代表了吸收塔传质性能的高低，主要与气液相流量，填料的性能和两相的流动状况有关。HOG或HOL值小，表示设备的性能高一般吸收设备的传质单元高度在 0.15-1.5m 范围内。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(一)平衡线为直线时传质单元数的计算(以求解NOG为例),1.对数平均推动力法,设平衡线段方程为,逆流吸收操作线方程为,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(
11、Y-Ye)与Y必成直线关系，其斜率可用两点间的坐标表示：,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,令,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,其中,所以,2.解析法（相平衡关系可用Y=mX表示）,将操作线方程写为,代入相平衡方程,令S=mV/L，即脱吸因子,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,S=1时,S1时,或,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,脱吸因子S=(mV/L)是相平衡线斜率与操作线斜率的比值。m值越小，L/V越大，两线相距越远，传质推动力越大，越有利于吸收过程，当吸收要求一定时，NOG越小。S值的倒数L/(mV)称为吸收因子A，其值越小，对
12、吸收越不利，由图可知，当吸收要求一定时，NOG越大。,当用（Xe-X）作传质推动力时，对平衡线为直线的情况，用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式,3.平衡线为直线时液相传质单元数的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,在填料吸收塔中，用清水吸收甲醇-空气混合气体中的甲醇蒸汽，在1atm，27下进行操作，混合气体流量为1200m3/h，塔底处空塔气速为0.4m/s，混合气体中甲醇的浓度为66.67g甲醇/m3空气，甲醇回收率为95%，水的用量为1215kg/h，体积吸收总系数KY=100kmol/(m3h)，操作条件下气液平衡关系为Y=1.1X。试计算所需的填料层高度。,例：,
13、第四节 吸收（或解吸)塔的计算,二、平衡线为曲线时传质单元数的计算,近似梯级图解法图解积分法,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,Y,X,o,Ye=f(X),A,YB,XB,XA,B,YA,1.传质单元数的梯级图解法,在x-y坐标中作出平衡线OE与操作线AB,M,E,A,M1,A1,在平衡线与操作线之间作曲线MN，该曲线是AB与OE两线间的垂直线中点的联线；,自A点起作一水平线AA，此线交MN曲线于M1，且使AA=2AM1,C,D,M2,M3,C,N,自A点作垂直线AC，叫操作线于点C；,过点C重复上述过程，在A至B点作出若干个梯级，梯级数即为求得的传质单元数NOG数目。,第四节 吸收（或解吸)塔
14、的计算,证明：一个梯级即为1个传质单元，即1个梯级反映了本段填料层内气体的浓度变化(AC)与填料层内的平均推动力相等。,因图中AM1F和AAC相似，可以证明AC=2FM1,若将平衡线OE近似为直线，则 FF1=0.5(AA1+CC1),AAC梯级为一个传质单元，即 NOG=1,F1,H,F,证明：,C1,从作图法可知，FF1=2FM1 AC=FF1,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,2.图解积分法,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(1)在操作线和平衡线上得若干组与Y相应的值1/(Y-Ye)；,(2)在Ya到Yb的范围内作(1/(Y-Ye)-Y曲线；,(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单
15、元数NOG。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,四、吸收塔的操作条件对吸收过程的影响,吸收剂用量L吸收剂入塔组成Xa,操作温度t,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,L，L/V，操作线斜率。当气、液入塔浓度Yb和Xa不变时，出口气体Ya，吸收率增大，液相出口浓度Xb。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,1.吸收剂用量L的影响,降低吸收剂入塔浓度，因 Yb 和 L/V 不变，操作线向上平移。当吸收剂入塔浓度由Xa降至Xa时，液相出塔浓度将由Xb降至Xb，气体出塔浓度降至Ya，分离程度增大。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,2.吸收剂入塔浓度的影响,降低吸收剂入塔温度t，改变了物系的平衡关系，气体溶解度增
16、大，平衡线下移，传质推动力也增大。当气、液进塔浓度Yb、Xa 以及液气比不变时，气体出塔浓度Ya降低，分离程度增加。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,3.吸收剂入塔温度的影响,五、理论板数的计算,1、图解法在塔顶与塔内任意截面间对溶质作物料衡算，得操作线方程：,Ya=Y1,Xa=X0,Y1,Yi,X1,1,i,i+1,N,Xi,Yi+1,Xi+1,YN,XN,Yb=YN+1,Xb=XN,该操作线在Y-X图上为一直线。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,（1）在X-Y坐标中绘出平衡线与操作线；,Y,X,o,Ye=f(X),A,YB,XB,XA,B,YA,E,1,2,3,图解法求理论级数步骤：,第四
17、节 吸收（或解吸)塔的计算,（2）从操作线端点A（Xa，Ya）出发，作水平线与平衡线相交，过交点作垂线交于操作线点（X1，Y2），得一梯级，再过该点作水平线交于操作线点（X2，Y3），又得一梯级，如此在平衡线与操作线间画梯级，直到达到或超过Yb为止。,（3）梯级总数为完成指定分离任务所需的理论板数。,2、解析法,根据平衡关系和操作关系进行逐级迭代运算，得：,当平衡线为直线，平衡关系为,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,等板高度(HETP,Height Equivalent to a Theoretical Plate)定义：与一层理论板相当的填料层高度为等板高度。等板高度与物系的性质、填料性能及
18、润湿情况、气液流动状况等有关，它反映吸收设备效能的高低，通常其值靠实验测定，或用经验方程估算。,3.填料层高度的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,填料层高度=N等板高度,六、解吸,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,1.解吸流程,2.解吸塔的计算,Y,X,o,Ye=f(X),Ya,Xb,Yb,B,Xa,(L/V)max,A,Yae,C,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(1)解吸塔的最小气液比,2.解吸塔的计算,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(1)解吸塔的最小气液比,Ya,max,2.填料层高度计算式,式中 A=L/(mV)为吸收因子。,第四节 吸收（或解吸)塔的计算,(1)对数平均推动力法（相平衡线为直线）,(2)解析法（相平衡线为过原点的直线）,
