任务三：工艺条件的确定综述

1、第6章 吸收空气氨水空气氨水化工单元设备的计算分类：设计型计算设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。 吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收剂用量和吸收塔尺寸。吸收塔的计算 在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。 吸收塔的计算 吸收塔的计算填料层有两个特点： 一

2、是空隙体积空隙体积所占比例相当大，便于气体在其内部迂回曲折通过并提高湍动程度； 二是单位体积内有很大的固体表面积单位体积内有很大的固体表面积。液体沿固体壁面呈膜状膜状流下，因而填料塔内的气液接触面比空塔内大得多。 塔内气液流动方式一般呈逆流逆流，气体自塔底通入，液体从塔顶洒下。 溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体相接触，可使溶液的浓度尽量提可使溶液的浓度尽量提高高。经吸收后的气体从塔顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔出塔气体中溶质浓度尽量降低气体中溶质浓度尽量降低。 吸收塔的计算设计计算的主要内容与步骤 计算依据计算依据：物物系的相平衡关系和传质速率系的相平衡关系和传质速率(1) 吸收剂的选

3、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。 一、全塔物料衡算目的： 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。 逆流吸收塔的物料衡算原料气：AB吸收剂：S尾气：B(含微量A)溶液：S+AV (kmolB/s)Y1 (kmolA/kmolB)L (kmolS/s)X2 (kmolA/kmolS)L(km

4、olS/s)X1(kmolA/kmolS)mnYXV (kmolB/s)Y2 (kmolA/kmolB)填料塔吸收塔的计算一、全塔物料衡算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, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X1221LXVYLXVY在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算)()(2121XXLYYVGA溶质A的吸收率：211AYYY气体出塔时的组成Y2： 211AYY2121XYYVLX一、全塔物料衡算V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, Xu在填料塔内，对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操作，气、液组成

5、沿塔高连续变化；u在塔的任一截面接触的气、液两相组成是相互制约的；u全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔内具有最高气、液浓度的截面“1”（浓端），或具有最低气、液浓度的截面“2”（稀端）的气、液浓度关系。二、操作线方程与操作线 吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与X之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。 在任意截面m-n与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，可得 逆流吸收塔操作线方程LXVYLXVY1111XVLYXVLYV, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X同理，在 m-n 截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡算，得 操作线方程为直线斜率B (X1，Y1)A (X

6、2，Y2)逆流吸收塔操作线方程过点塔底塔顶22XVLYXVLY液气比二、操作线方程与操作线二、操作线方程与操作线 逆流吸收塔中的操作线2X2Y1Y1XABXY*YY*=f(X)操作线 斜率（液气比） /L V*XY- Y*X*-X三、最小液气比 在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比 L / V。 液气比 L / V的确定方法是，先求能满足吸收要求的最小液气比，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。 n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

7、 ，设备费用，但吸收剂用量L ，出塔溶质含量X1 ，循环和再生费用 三、最小液气比YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY- Y*AX1(L/V)X1,max(L/V)minC一般V、Y1、Y2及X2已知，所以塔顶组成一定，故B点一定，而A点在Y=Y1的直线移动，取决于斜率L/V。n若L/V ，斜率，塔内传质推动力 ，完成相同任务所需塔高 ，设备费用，吸收剂出塔浓度 X1 。u 当 L/V 下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的 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。三、最小液气比YXoY*=f(X)AY1X1X2Y

8、2BL/VY- Y*AX1(L/V)X1,max(L/V)minC如果平衡关系符合亨利定律，X1,max=X1*=Y1/m2max, 121minXXYYVL121min2YmYYLVX2max, 121minXXYYVL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。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*=Y1/m；两线在中间某个浓度处相切时， X1,maxX1* 。 三、最小液气比四、吸收剂用量的确定 在最小液气比下操作时，

9、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。 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。 根据生产实践经验，一般取 min0 . 21 . 1VLVL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。 五、塔

10、径的计算 工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算： 注意v计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。 4SVDuv计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u 。 吸收塔直径计算式v计算塔径时， 采用操作状态下的数据。 SV课堂练习 在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨空气混合气体中的氨，混合气流量为0.025kmol/s，混合器入塔含氨摩尔比为0.02，出塔含氨摩尔比为0.001。吸收塔操作时的总压为101.3kPa，温度为293K，在操作浓度范围内，氨水系统的相平衡方程为Y*=1.2X，实际液气比是最小液气比的1.2倍，求液相出口的摩尔分数是多少？14. 102 .

11、102. 0001. 002. 021212121minxmyyyxxyyGLe37. 114. 12 . 12 . 1minGLGL0139. 037. 1001. 002. 0212121GLyyLyyGxx实际操作液气比：解得液相出口摩尔分数：课堂练习 在293K和101.3kPa下，用清水分离氨和空气的混合气体。混合气体中氨的分压是13.3kPa，经逆流吸收后，氨的分压下降到0.0068kPa。已知混合气体流量为1020kmol/h，操作条件下的平衡关系是Y*=0.755X。 试计算：（1）最小液气比； （2）若适宜的吸收剂用量为最小吸收剂用量的5倍，其实际吸收剂用量。课堂练习(1)

12、Y1=13.3/(101.3-13.3)=0.15 Y2=0.0068/(101.3-0.0068)=0.000067 m=0.755 (L/V)min=(Y1-Y2)/(Y1/m)=0.75(2) V=1020(1-13.3101.3)=886.1 kmol/h L=50.75886.1=3323 kmol/h课堂练习 在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔压强为105kPa ，温度为300K ，焦炉气流量为1000m3/h ，其中所含芳烃组成为0.02（摩尔分率,下同），吸收率为95%，进塔洗油中所含芳烃组成为0.005。若取吸收剂用量为最小用量的1.5倍，试求进入塔顶的洗油摩尔

13、流量及出塔吸收液组成。（操作条件下气液平衡关系为Y*=0.125X ） 解进入吸收塔的惰性气体摩尔流量为： =41.27kmol/h )02. 01 (3 .101105272732734 .221000进塔气体中芳烃的摩尔比 0204. 002. 0102. 01111yyYV= )1 (3 .1012732734 .221yPtV出塔气体中芳烃的摩尔比 00102. 0)95. 01 (0204. 0)1 (12YY进塔洗油中芳烃摩尔比 00503. 0005. 01005. 01222xxXhkmolXmYYYVL/06. 500503. 0125. 00204. 000102. 002

14、04. 027.412121minmin1.51.5 5.067.59/LLkmol h由于入塔洗油中含有少量芳烃，则每小时入塔的洗油量应为： L总=L(1+X2)=7.63kmol/h 11. 059. 7)00102. 00204. 0(27.4100503. 0)(2121LYYVXX六、填料层高度的计算（一） 填料层高度的基本计算式 AVAZaVA填料层体积， m3；A吸收所需要的两相接触面积， 总吸收面积，m2;塔截面积，m2;a单位体积填料层所提供的有效比表面积， m2/m3。六、填料层高度的计算（一） 填料层高度的基本计算式 分析吸收塔某一微元填料层高度dZ的传质情况dGA=Vd

15、Y=LdXdANdGAA.微元填料，气液组成变化很小，可认为吸收速率不变dzNdANdGAAXXKYYKNXYA*六、填料层高度的计算dzXXKLdXdGdzYYKVdYdGXY)()(*dzNdANdGAAXXKYYKNXYA*将两式从塔顶至塔底积分，得：dh气体出G，ya液体进L,xay xy+dyx+dxh气体进G，yb图811 填料层高度计算示意*12YYdYaKVZYYY12*XXXXXdXaKLZ六、填料层高度的计算 aKY称为“气相体积吸收总系数”。Kmol/（m3.s） aKX称为“液相体积吸收总系数”。Kmol/（m3.s）物理意义：一个单位的推动力，单位时间内单位体积填料层

16、吸收的溶质量，反映了传质阻力的大小、填料性能的优劣及湿润情况的好坏。六、填料层高度的计算 （二） 传质单元数与传质单元高度 令12YOGYdYNYYaKVHYOG则OGOGNHZ 式中：NOG以（Y-Y*）为推动力的传质单元数； HOG 气相总传质单元高度，m。 1.传质单元高度与传质单元数mYY21YY 如果气体流经一段填料层前后的浓度变化 恰好等于此段填料层内以气相浓度差表示的总的推动力的平均时 ，那么，这段填料层的高度就是一个“气相总传质单元高度”。OGH 传质单元高度的大小由过程条件所决定的。它反映了传质阻力的大小，填料性能的优劣及润湿情况的好坏。阻力越大，传质单元高度就越大。OGN

17、传质单元数的大小反应了吸收过程的难度。气体浓度变化越大，过程的平均推动力就越小，过程的难度就越大，所需的传质单元数就越大。六、填料层高度的计算六、填料层高度的计算2. 传质单元数的求取（1）平均推动力法适用范围：bmXY22()LLYXYXVVYY1Y2X1X2TBYX-x*1122*11*22121212()()()ln()()mBAYmBYmo GmYYYYYYYYYVYYNZaKYZaVYYZKaYYYNY塔底推动力111YYY222YYY塔顶推动力塔内任一截面推动力YYY六、填料层高度的计算2. 传质单元数的求取（1）平均推动力法*1122*11*22121212()()()ln()(

18、)mBAYmBYmo GmYYYYYYYYYVYYNZaKYZaVYYZKaYYYNY*1122*11*22121212()()()ln()()mBAYmYmo GmYYYYYYYYYVYYNZaKYZaVYYZKaYYYNY12OLmXXNX12XmXXLZK aSX平均推动力法适用于操作线和平衡线为直线的情况，逆流、并流吸收皆可。OLXLHK aS六、填料层高度的计算2. 传质单元数的求取（2）解析法mXY 若平衡关糸符合亨利定律YYdYNYYOG122212YLVXYLVmYdYNYYOGLmVmXYmXYLmVLmVNOG2221)1 (ln11LmVs 称为“脱吸因数”，无因次。2221mXYmXY 反映吸收率的高低对传质单元数的影响。2221mXYmXY六、填料层高度的计算2. 传质单元数的求取（