流体力学与传热：第三节 吸收塔的计算 （2）

第三节 吸收塔的计算（2）2024/2/201(1)(1)理论级模型法理论级模型法theory grade model Z=HETPNT.HETP称为填料的理论板当量高度称为填料的理论板当量高度,或等板高度选或等板高度选用板式塔完成吸收过程，由实验测定或工程经验用板式塔完成吸收过程，由实验测定或工程经验选定，或由经验公式和图表查取选定，或由经验公式和图表查取vNTf(material balances，phase equilibrium)=？NP Calculations of packing tower height ZCalculations of packing tower height Z2024/2/202(2)(2)传质速率模型法传质速率模型法 Rate of mass transfer Model Calculation from the number of transfer units:Z=HoyNOy;vZf(material balances,phase equilibrium,the rate of mass transfer)=实际填料层高度实际填料层高度2024/2/203v传质速率方程都适用于稳定操作传质速率方程都适用于稳定操作“某一横截面某一横截面”,不能用于全不能用于全塔。塔。v对于整个塔，气液的浓度分布沿塔高变化，吸收速率也在变化。对于整个塔，气液的浓度分布沿塔高变化，吸收速率也在变化。在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，2024/2/204对对微元微元进进行物料衡算。行物料衡算。气液两相气液两相经经 dZ 的吸收的吸收传质传质量量 dGA=-VdY=LdX kmol/sudA-微元填料微元填料层层内的内的传质传质面面积积a=填料的比表面积，填料的比表面积，m2/m3 填料有效表面填料有效表面积积/填料填料层层的体的体积积在微元内的吸收速率在微元内的吸收速率kmol/s.m2 NA=KY(Y-Ye)=KX(Xe-X)dGA=NAdA=NA(a SdZ)V,Y2 L,X2 V,Y L,XV,Y1 L,X1V,Y+dY L,X+dXZdZ-VdY=KY(Y-Ye)(aSdZ)LdX=KX(Xe-X)(a SdZ)2024/2/205-VdY=KY(Y-Y*)(a SdZ)LdX=KX(X*-X)(a SdZ)2024/2/206 1.填料层高度计算基本方程填料层高度计算基本方程Z Z填料层高度填料层高度-单位体积填料层所提供的有效传质面积单位体积填料层所提供的有效传质面积Kya总体积传质系数总体积传质系数kmol/m3.s 实验测定实验测定单位时间单位体积填料内吸收的溶质量单位时间单位体积填料内吸收的溶质量2024/2/2072.传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数填料层高度传质单元高度填料层高度传质单元高度传质单元数传质单元数2024/2/2082024/2/2092024/2/2010注意：各物理量的单位，注意：各物理量的单位，HOG单位：单位：m总传质单元高度总传质单元高度V惰性惰性气体处理量气体处理量，;L-溶剂的用量；溶剂的用量；kmol/SKYa，Kxa传质阻力，填料的性质，填料的润湿情况传质阻力，填料的性质，填料的润湿情况HOG，HOLf(流动条件、填料特性、汽液特性）实验测定流动条件、填料特性、汽液特性）实验测定2024/2/2011v传质单元高度相当于完成一个传质单元分离任传质单元高度相当于完成一个传质单元分离任务所需要的填料层高度务所需要的填料层高度v传质单元高度的大小反映填料性能的好坏。传质单元高度的大小反映填料性能的好坏。vv操作时，增加操作时，增加操作时，增加操作时，增加Z Z，HHOGOG不变，不变，不变，不变，N NOGOG增大增大增大增大2024/2/2012number of transfer units number of transfer units 传质单元数传质单元数传质单元数传质单元数 NOG YY*与平衡关系有关与平衡关系有关YY*推动力小，推动力小，NOG 分离难分离难NOG反映了吸收的难易程度，反映了吸收的难易程度，NOG ，Z 通过改变操作条件，降低通过改变操作条件，降低NOGNOG=f(吸收剂，操作条件，平衡关系吸收剂，操作条件，平衡关系)vv操作时，增加操作时，增加操作时，增加操作时，增加Z Z，HHOGOG不变，不变，不变，不变，N NOGOG增大增大增大增大2024/2/20133.3.传质单元数的求法传质单元数的求法（1）平均推动力法：平衡关系为直线平均推动力法：平衡关系为直线2024/2/20142024/2/2015对液相总推动力表示的对液相总推动力表示的NOL可得类似的形式可得类似的形式在计算中，关键是确定塔两端推动力的大小在计算中，关键是确定塔两端推动力的大小Y1，Y2或或X1,X2 2024/2/2016(2)脱吸因数法脱吸因数法当平衡关系符合亨利定律当平衡关系符合亨利定律Ye=mX时，可采用时，可采用 脱吸因脱吸因数法计算传质单元数数法计算传质单元数依物料衡算依物料衡算 2024/2/2017只适应于逆流操作只适应于逆流操作2024/2/20182024/2/2019反映溶质吸收率的高低相对吸收率反映溶质吸收率的高低相对吸收率S S难难SS中中SS易易2024/2/2020Slope of equilibrium lineSlope of equilibrium lineSlope of operating lineSlope of operating lineStripping Stripping factorfactorDriving forceDriving forceabsorption absorption factorfactor2024/2/2021同理：同理：2024/2/2022（1）图解积分法）图解积分法（2）数值积分法数值积分法（3）梯级图解法梯级图解法平衡线方程为曲线平衡线方程为曲线2024/2/2023【例例】在填料塔中用清水吸收氨与空气的混合气中的氨。在填料塔中用清水吸收氨与空气的混合气中的氨。混合气流量为混合气流量为1500标标m3/h，氨所占体积分率为，氨所占体积分率为5，要求氨的回收率达要求氨的回收率达95。已知塔内径为。已知塔内径为0.8m，填料，填料单位体积有效传质面积单位体积有效传质面积a=93m2/m3，吸收系数，吸收系数KG=1.1kmol/(m2 h atm)。取吸收剂用量为最少用量的。取吸收剂用量为最少用量的1.5倍。该倍。该塔在塔在30和和101.3kN/m2下操作。在操作条件下的平下操作。在操作条件下的平衡关系为衡关系为p*=5.78c kN/m2，试求：，试求：（1）出塔溶液浓度）出塔溶液浓度（2）用平均推动力法求填料层高度）用平均推动力法求填料层高度（3）用吸收因数法求填料层高度）用吸收因数法求填料层高度2024/2/2024已知条件：已知条件：x2=0 y1=0.05 V=1500/22.4=67kmol/h=0.95 a=93m2/m3 H=1/5.78m kN/kmol（1）求）求X1（2）求）求Z(平均推动力法）平均推动力法）y1 y2 m A 2024/2/2025（3）求）求Z(吸收因数法）吸收因数法）点评：点评：此题涉及到下面五个重要的知识点。此题涉及到下面五个重要的知识点。1吸收平衡关系亨利定律，涉及了吸收平衡关系亨利定律，涉及了m与与H的换算公式。的换算公式。2操作线方程和最小液气比的计算。操作线方程和最小液气比的计算。3传质系数及其关系的换算，传质系数及其关系的换算，4平均推动力法求算填料层高度。平均推动力法求算填料层高度。5吸收因数法求算填料层高度。吸收因数法求算填料层高度。6.吸收率和理想气体状态方程等均有涉及。吸收率和理想气体状态方程等均有涉及。2024/2/2026A2024/2/2027 获取吸收系数的途径获取吸收系数的途径1.1.实验测定：为根本途径实验测定：为根本途径2.2.由适当经验公式计算：只在规定条件内有可靠结果由适当经验公式计算：只在规定条件内有可靠结果3.3.准数关联式计算：适用范围较广，准确性较差准数关联式计算：适用范围较广，准确性较差2024/2/2028.uuGas film controlling,the major resistance is in the gas phaseGas film controlling,the major resistance is in the gas phaseuuL-film controlling,the major resistance is in the liquid phaseL-film controlling,the major resistance is in the liquid phaseuExperimental Determination of Film Coefficients2/20/202429uHow to measure Kya,KxaAbsorption load，kmol/SVolume of packingDriving force2/20/202430Hence,V,(x1,y1,x2,y2),mCan be kwownMust be measuredMaterialbalance on A 查手册 2/20/202431吸收系数的测定吸收系数的测定v根据整段塔内的吸收速率方程式进行。平衡关系为直线的话，根据整段塔内的吸收速率方程式进行。平衡关系为直线的话，高度高度 Absorption load，kmol/SVolume of packingDriving force2024/2/2032由稳定操作状态下由稳定操作状态下v进、出口气、液浓度，流量进、出口气、液浓度，流量v物料衡算物料衡算v平衡关系平衡关系 v设备尺寸设备尺寸 所测吸收总系数为所测范围内所测吸收总系数为所测范围内总系数的总系数的平均值平均值，可对全塔进行，也可对任意塔，可对全塔进行，也可对任意塔段进行。段进行。2024/2/2033吸收系数的经验公式v用水吸收氨（易溶气体吸收）用水吸收氨（易溶气体吸收）吸收主要阻力在气膜中，液膜阻力约占吸收主要阻力在气膜中，液膜阻力约占1010v常压下用水吸收二氧化碳（难溶气体吸收）吸收的常压下用水吸收二氧化碳（难溶气体吸收）吸收的主要阻力在液膜中主要阻力在液膜中v用水吸收二氧化硫（中等溶解度气体吸收）用水吸收二氧化硫（中等溶解度气体吸收）气膜阻力和液膜阻力都有相当比例气膜阻力和液膜阻力都有相当比例2024/2/2034吸收系数的准数关联式 v Sh-包含待求的吸收膜系数。包含待求的吸收膜系数。vSc-反映物性的影响反映物性的影响 vRe-流动状况的影响。流动状况的影响。vGa-液体受重力作用而沿填料表面向液体受重力作用而沿填料表面向下流动时，所受重力与粘滞力的相对关下流动时，所受重力与粘滞力的相对关系系2024/2/2035DiameterThe diameter of a packed absorption tower depends on the quantities of gas and liquid handled,their properties,and the ratio of one stream to the other.ugas velocities2/20/202436uhydromechanics performance 流体力学性能流体力学性能填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能从塔顶向下流动的液膜与填料从塔顶向下流动的液膜与填料表面的摩擦和与上升气体间的摩表面的摩擦和与上升气体间的摩擦构成了液膜流动阻力。擦构成了液膜流动阻力。阻力阻力/液液(/气气)流量流量 液膜厚液膜厚度度 液膜厚度直接影响气体通过填液膜厚度直接影响气体通过填料层的料层的p、u及塔内液体的持液量及塔内液体的持液量等流体力学性能等流体力学性能2/20/202437（1）气体通过填料层的压强降气体通过填料层的压强降压强降的大小决定了填料压强降的大小决定了填料塔的动力消耗，是设计过塔的动力消耗，是设计过程的重要参数。程的重要参数。实测时，不同喷淋量实测时，不同喷淋量(包括包括L=0)下，随气速变化的下，随气速变化的p分别画在同一个分别画在同一个（双对数）（双对数）坐标上坐标上2/20/202438当当填填料料层层有有一一定定持持液液量量时时，pu 关关系系将将不不再再为为简简单单的的直直线线关关系系（喷喷淋淋密密度度为为L1、L2曲曲线线），且且存存在在两两个个较较明明显显的的转转折点。折点。压降与气速的关系：气气 体体 通通 过过 干干 填填 料料 层层（L=0）压压降降 p 与与u 的的关关系系在在双双对对数数坐坐标标上上是是一一直直线线，斜斜率率在在1.82.0之之间间。喷喷淋淋液液体体在在填填料料上上形形成成液液膜膜，占占据据部部分分空空隙隙，减减小小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速3939 uu 增至一定值后，气液间阻力增至一定值后，气液间阻力不容忽视，液膜加厚不容忽视，液膜加厚出现拦液出现拦液现象，载液线斜率现象，载液线斜率增加增加；但载点；但载点难测。难测。u再增大再增大u 至液体不能顺利下流，至液体不能顺利下流，持液量增加迅速，出现持液量增加迅速，出现“积液层积液层”。不增加气速，积液层仍在扩大，不增加气速，积液层仍在扩大，则会达到则会达到“液泛液泛”。2/20/202440（2）、液泛、液泛液泛下，液体占据填料层空隙的程度较严重，气体通过液泛下，液体占据填料层空隙的程度较严重，气体通过时的阻力大增，流体出现时的阻力大增，流体出现脉动现脉动现象，顶端填料往往在液象，顶端填料往往在液体的腾涌中翻上摔下被打碎，操作基本遭破坏。体的腾涌中翻上摔下被打碎，操作基本遭破坏。试验表明，当操作处在试验表明，当操作处在载液区载液区时，流体湍动加剧，时，流体湍动加剧，传质传质效果提高效果提高。影响液泛的主要因素：影响液泛的主要因素：填料的几何形状、填料的几何形状、；流体物性：流体物性：V、L、L；气液流量；气液流量；流动状况流动状况2/20/202441气气速速增增至至P点点后后，随随气气速速增增大大，液液沫沫夹夹带带量量增增大大，引引起起的的液液相相返返混混可可导导致致填填料料效效率率降低（降低（HETP上升）。上升）。气气速速增增大大到到载载点点后后，持持液液量量增增加加，气气液液相相互互作作用用增增强强，两两相相界界面面面面积积增增大大，湍湍动动增增强强，传传质质过过程程得得到到强强化化，因因而而填填料料效效率率提提高高（HETP 减减小）小）；PB泛点C载液区空塔气速 u等板高度HETP载点和泛点对传质性能的影响载点和泛点对传质性能的影响4242作为填料塔，作为填料塔，液泛时的气速液泛时的气速=最大的极限气速，最大的极限气速，并由其确定适宜的操作气速。并由其确定适宜的操作气速。实验时注意：实验时注意：u寻找寻找u液泛液泛,min；达液泛时速记录，速降气速。；达液泛时速记录，速降气速。u=0.50.8uf填填料料塔塔的的操操作作一一般般控控制制在在偏偏离离泛泛点点一一定定距距离离的的载载液液区区内内，这这样样，既既可可得得到到较较高高的的传传质质效效率，填料率，填料层层的的压压降也不会降也不会过过大。大。2/20/202443