吸收塔的设计型概要课件

一、问题的提出二、设计参数的选择1.操作方式的选择2.入塔吸收剂浓度的选择3.液气比的选择三、理论级与理论级数1.理论级概念2.理论板数的计算3.填料层的等板高度四、解吸塔的设计计算五、吸收系数第二十九讲吸收过程的设计型计算10/18/20221吸收过程的设计型计算一、问题的提出三、理论级与理论级数第二十九讲10/15/20在此基础上可以用填料层高度关系式计算塔内填料层高度。关于塔径的计算，由于涉及塔内结构及气液相流动状态，故在传质设备中讨论。①明确工艺要求选定合理的参数及条件，如塔内气、液流动方式、吸收剂入塔浓度以及液气比等，以计算传质单元数；②收集或测定填料的体积传质系数以确定传质单元高度。吸收塔设计计算的提法是：在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、出口浓度及必需的塔高（填料层高度）。一、设计型问题的提出设计型计算与操作型计算的实质是联立求解上面方程组，只是变量组合不同，问题的提法不同。相平衡关系填料层高度基本方程操作线方程吸收计算分设计型计算与操作型计算，它们计算的依据是如下方程组10/18/20222吸收过程的设计型计算在此基础上可以用填料层高度关系式计算塔内填料层高度。关于塔径为要计算NOG，必须先确定塔内气、液流动方向（影响操作线方程的形式）、入塔吸收剂浓度X2及液气比。填料塔内气液流动方式有逆流和并流两种，在相同的情况下，一般来说，逆流操作的传质推动力总是大于并流操作。为此，吸收操作通常总是在逆流下进行。但是，两相的逆向流动有滞液作用，这限制了塔内的流率（详见“传质设备”）。因此，对极易溶气体(m非常低)，且两种传质推动力差不多，而滞液矛盾突出，这时可采用并流操作。3.吸收液气比(L′/G′)的选取2.入塔吸收剂浓度X2的选择1.流动方式的选择（影响操作线方程的形式）二、设计参数的选择入塔吸收剂浓度的选择受两种因素制约：一个是经济因素，—传质推动力—H设备投资费用；而定得太低—吸收剂再生费用高，可见的选取是一个经济上的优化问题。另一个是技术上的限制，以逆流操作为例，出塔气体组成是工艺要求，这一要求只有在入塔吸收剂低于与呈平衡的浓度时才可能实现，即是选取的上限。10/18/20223吸收过程的设计型计算为要计算NOG，必须先确定塔内气、液流动方向（影响操作线方程参见图29-1，以逆流操作为例。当已知时，吸收塔一个端点（塔顶）一定，当液流量变化时，操作线的斜率变化，则另一端点A将沿的水平线移动。吸收剂量—操作线斜率—点向左移动—任一截面推动力—为完成一定任务所需的H—设备费用。但同时由于而浓度—溶剂再生要求高，再生费用。反之，—。量小而高—再生费用。可见（或）的选择也是一个经济优化问题。另外，（或）的减小，在技术上受到限制，即当降低到操作线与平衡线相交时，与呈平衡，这是理论上所能达到的最高浓度，此时由于过程推动力，为达到指定分离要求所需的传质面积为无穷大，即。这种情况下的值是最小极限值，用表示。由图可知：（29-1）10/18/20224吸收过程的设计型计算参见图29-1，以逆流操作为例。当可见，为保证吸收操作正常进行，吸收剂用量（或）必须大于或，需作经济核算决定。合适的液气比值一般为吸收剂再循环有两种情况：1）吸收过程有显著热效应，大量吸收剂再循环可降低吸收液出塔温度，使平衡线向下移动，全塔平均推动力反而有所提高；2）吸收的目的在于获得高浓度液相产物。当新鲜吸收剂用量过小，以致不能保证填料良好的润湿时，吸收剂再循环引起推动力的降低可通过传质系数的增加而获得补偿。（29-2）塔内的返混吸收剂再循环10/18/20225吸收过程的设计型计算可见，为保证吸收操作正常进行，吸收剂用量（或

1.

把板式塔内的每块塔板看一个“理论级(或理论板)”。理论板假设认为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，这块塔板被称为一个理论级（或理论板）。这使目标集中在计算为满足工艺要求所需的理论板数上。但在板式塔中，各层塔板上气液混合剧烈，现象十分复杂，已不能用上述理论模型解决传质速率问题。工程上采用如下处理方法：已知进行过程数学描述的依据是：①物料衡算方程；②相平衡关系；③过程速率方程。在填料吸收塔中，以双膜理论为依据，推出了吸收速率方程，进而推出了填料层高度关系式。（一）理论级概念至此已基本解决了吸收塔填料层高度的计算问题。下面介绍填料层高度的另一种计算方法—等理论板高度法。这种方法涉及到级式接触设备（板式塔）的理论级概念与理论级数的确定。三、理论级与理论级数10/18/20226吸收过程的设计型计算1.把板式塔内的每块塔板看一个“理论级(或理论板)”—塔板效率，其中包括各种复杂的传质动力学因素，一般由实验测定，详细情况在塔设备中讨论，吸收塔板效率约在10%～50%范围内。下面推导理论板数关系式（29-5）（29-4）相平衡关系操作线方程对图29-2所示的板式塔及规定符号，关系式如下按上面关于理论板的假设可知，理论板数的计算只需物料衡算式（操作线方程）与相平衡关系。下面讨论操作线与平衡线都为直线的情况。（二）理论板数的计算（29-3）2.理论板与实际板的差别用塔板效率联系10/18/20227吸收过程的设计型计算—塔板效率，其中包括各种复杂的传质动力学因素，一般由在2～3板间，将代入相应的操作线方程可得：在1～2板间，将相平衡关系代入相应的操作线方程可得：这样可以类推到N板下面：10/18/20228吸收过程的设计型计算在2～3板间，将代入相应的操作板式塔的理论级数计算式填料塔的传质单元数计算式当即（操作线与平衡线斜率相等）时，上式右边为0/0型不定式，采用罗必塔法则可得：（两式相除得）此时理论板数与传质单元数在数值上相等，即。10/18/20229吸收过程的设计型计算板式塔的理论级数计算式填料塔的传质单元数计算式当达到一块理论板分离效果所需的填料层高度，称为填料的等板高度（或当量高度），用表示。这样，填料层高度可表示为：的数值大小反映了传质的动力学因素，它与物料性质、操作条件、填料情况等因素有关，通常要由实验直接测定。对操作线与平衡线都为直线的情况，当吸收因数时，，由式（29-11）可知，此时。解吸是吸收的反过程，其传质方向是由液相至气相，这使过程推动力由变为，或者由变为。可见，设法提高、降低对过程有利，这为解吸方法提供了依据。通常工业上常采用的解吸方法有：①气提法—该法是将惰性气体通入解吸塔内，由于此时（即）而使溶质从吸收剂溶液中脱吸；②提馏法—此法是向解吸塔通入直接水蒸气，水蒸气既起惰性气体作用，同时又是加热介质。四、解吸塔的设计计算（29-11）（三）填料层的等板高度10/18/202210吸收过程的设计型计算达到一块理论板分离效果所需的填料层高度，称为填料的等板高度从吸收过程原理知，提高温度有利于解吸过程。提馏法通常在塔顶设有冷凝器，将解吸后的水蒸气冷凝，如果溶质为可溶性气体，同时冷凝后又可分层，则可用倾析器将水和溶质分离；如溶质可凝但冷凝液不分层，则可用蒸馏等方法分离之。含有溶质的吸收液惰气气提解吸液（a）（b）（c）（最小气液比）下面以应用较多的逆流气提法为例，说明解吸塔的设计计算方法。参见图29-310/18/202211吸收过程的设计型计算从吸收过程原理知，提高温度有利于解吸过程。提馏法通常在塔顶设如图（a）所示，仍沿用吸收操作的符号习惯，角标“1”为塔底，角标“2”为塔顶，但对解吸来说，塔顶为浓端，塔底为稀端。解吸塔设计计算的主要任务是：确定为完成工艺要求所需要的惰性气体用量，以及所需要的填料层高度（以填料塔为例）。由于解吸过程只不过是吸收的逆过程，因此，类似的计算方法和塔设备在两个过程中都适用。由于解吸塔的传质方向是由液相至气相，所以在图上操作线的位置必位于相平衡线之下，如图（b）所示。操作线方程形式与吸收操作线方程完全一样。由图（b）可以看出，，而，即。此时，解吸操作线斜率达到最大值，或气液比最小，即有：这就是为达到规定解吸要求而应必须提供的最小气液比。在实际解吸操作中为保证过程的正常进行，应采用大于的气液比。在有些平衡线弯曲较大的情况，如图（c）所示，应从O点出发作平衡线的切线来确定值。10/18/202212吸收过程的设计型计算如图（a）所示，仍沿用吸收操作的符号习惯，角标“1”为塔底，比较式（37-13）和（37-14）可知NOL与N

的关系为：同样可推出理论级数方程式：通常，解吸条件要求解吸组分的溶解度比较低（这与吸收要求相反，应权衡考虑），即要求m值要高，而且解吸因数，一般在1.4左右。在上述条件下，解吸过程的液相阻力往往占优势，这样设计计算以液相体积传质系数为准是方便的。当常数时，解吸塔填料层高度可用液相总传质单元高度的方程式。上式中液相传质单元数的计算方法与吸收过程类似，当物系相平衡关系服从Henry定律，即及操作线为直线，同样可推出与吸收类似的方程式：（29-13）（29-14）（29-15）（29-12）10/18/202213吸收过程的设计型计算比较式（37-13）和（37-14）可知NOL与N的关在一定吸收设备（如某填料塔）中，直接测取感兴趣物系的体积吸收系数，并将其与操作条件（如气、液流量）关联成经验公式。用这种方法测取的关联式局限性大，但准确性较高，是目前常采用的方法。在此有必要指出，在传热过程中，由于换热器间壁的存在，两流体的给热系数各自独立。因此，用直接测取的或用准数关联式计算的给热系数组合计算传热系数K是有效的；在相间传质过程（如吸收过程）中，由于气、液两相直接接触传质，膜传质系数有交互作用，很难准确独立测取。所以，用实验测取膜传质系数来组合计算吸收系数的方法很不可靠，加上传质影响因素复杂，通常采用直接测取实际物系的体积吸收系数。该方法是对多种物系、多种填料建立准数关联式，所得关联式应用范围较广，但可靠性较差。另外还有通过实验建立膜传质系数的经验关联式及传质单元高度关联式的实验处理方法。（二）传质分系数的准数关联式（一）吸收系数的直接查定五、吸收系数10/18/202214吸收过程的设计型计算在一定吸收设备（如某填料塔）中，直接测取感兴趣物系的体积吸收下面是有关传质分系数的经验关联式（恩田-Onde准数关联式）（3）气相传质系数（2）液相传质系数（1）有效面积雷诺数韦伯准数弗鲁德准数10/18/202215吸收过程的设计型计算下面是有关传质分系数的经验关联式（恩田-Onde准数关联式）修正的恩田（Onde）准数关联式无因次，取同一单位制即可10/18/202216吸收过程的设计型计算修正的恩田（Onde）准数关联式无因次，取同10/15/20修正的恩田准数关联式只适用于u≤0.5uF的情况，当u>0.5uF时，需再按下式进行校正：材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力56617333407520常见材质的临界表面张力1.451.1910.750.72开孔环弧鞍拉西环棒形球形填料类型常见填料的形状系数10/18/202217吸收过程的设计型计算修正的恩田准数关联式只适用于u≤0.5uF的情况，当u>0.吸收系数的准数关联式一、气膜吸收系数的