5.5吸收塔的计算 本节教学要求 1、重点掌握的内容：吸收剂用量的确定、传质单元数的计算（平均推动力、吸收因数法） 2、熟悉的内容：吸收操作线、吸收操作线的特点、、传质推动力、最小液气比及计算、体 积传质系数、传质单元数的定义及物理意义、传质单元高度的定义及物理意义、吸收因数及 物理意义、解吸因数、吸收过程的设计（吸收条件的确定）及计算（吸收剂用量、填料层高 度的计算、塔径的计算、塔核算)、吸收过程的强化措施：解吸的特点、解吸的计算： 3、了解的内容：传质单元数的计算（图解法）、理论级的计算： 4、难点：吸收过程的操作分析与计算。 逐级接触式 工业上通常在塔设备中实现气液传质。塔设备一般分为连续接触式 本章以连续接触操作的填料塔为例，介绍吸收塔的设计型和操作型计算。 吸收塔的设计型计算包括：吸收剂用量、吸收液浓度、塔高和塔径等的设计计算 吸收塔的操作型计算包括：(1)在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产任务，核算塔 设备是否合用： (2)操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题 气液平衡关系 设计型和操作型计算的依据：物料衡算 吸收速率方程 5.5.1物料衡算和操作线方程 1.物料衡算 定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图5-13所示，图 中符号定义如下： 一一单位时间通过任一塔截面惰性气体的量，kmol/s: L一一单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂的量，kmol/s: 一任一截面上混合气体中溶质的摩尔比， 图513物料衡算示意图
34 5．5 吸收塔的计算 本节教学要求 1、重点掌握的内容：吸收剂用量的确定、传质单元数的计算（平均推动力、吸收因数法） 2、熟悉的内容：吸收操作线、吸收操作线的特点、、传质推动力、最小液气比及计算、体 积传质系数、传质单元数的定义及物理意义、传质单元高度的定义及物理意义、吸收因数及 物理意义、解吸因数、吸收过程的设计（吸收条件的确定）及计算（吸收剂用量、填料层高 度的计算、塔径的计算、塔核算）、吸收过程的强化措施；解吸的特点、解吸的计算； 3、了解的内容：传质单元数的计算（图解法）、理论级的计算； 4、难点：吸收过程的操作分析与计算。 工业上通常在塔设备中实现气液传质。塔设备一般分为 连续接触式 逐级接触式 本章以连续接触操作的填料塔为例，介绍吸收塔的设计型和操作型计算。 吸收塔的设计型计算包括：吸收剂用量、吸收液浓度、塔高和塔径等的设计计算。 吸收塔的操作型计算包括：（1）在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产任务，核算塔 设备是否合用； （2）操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题。 设计型和操作型计算的依据： 吸收速率方程 物料衡算 气液平衡关系 5．5．1 物料衡算和操作线方程 1．物料衡算 定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图 5-13 所示，图 中符号定义如下： V——单位时间通过任一塔截面惰性气体的量，kmol/s； L——单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂的量，kmol/s； Y——任一截面上混合气体中溶质的摩尔比， V, Y2 L, X2 V, Y1 L, X1 图 5-13 物料衡算示意图
X一—一任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。 在定态条件下，假设溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂。以单位时间为基准，在全塔范 围内，对溶质A作物料衡算得： VYI+LX=VY+LX V(Y-2)=L(X-X) (5-70) 溶质回收率定义为：刀=混合气 收溶质A的量 中溶质A的量 所以： Y=y(1-n) 由式(5-0)可求出塔底排出液中溶质的浓度 Xi=X+V(Yi-Y)/L (5-71) 2。吸收操作线方程与操作线 逆流吸收塔内任取mn截面，在截面mn与塔顶间对 溶质A进行物料衡算： VY+LX2=VY2+LX 或 (5-72) 若在塔底与塔内任一截面m间对溶质A作物料衡算，则 Tx 得到 VY+LY=VY+LX 图5-15逆流吸收操作 线推导示意图 或 Y=x+化-x) (5-73) 由全塔物料衡算知，方程(5-72)与(5-73)等价。 操作关系：塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。 逆流吸收操作线方程：方程(5-72)与(5-73)称为逆流吸收操作线方程式。 逆流吸收操作线具有如下特点： (1)当定态连续吸收时，若L、V一定，K、名恒定，则该吸收操作线在X~Y直角坐标图 上为-直线，通过塔顶A(出，5及塔底B(G化，)，其斜率为二，见图5-16，二称 为吸收操作的液气比
35 X——任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。 在定态条件下，假设溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂。以单位时间为基准，在全塔范 围内，对溶质 A 作物料衡算得： VY1+LX2=VY2+LX1 或 V（Y1－Y2）=L（X1－X2） （5-70） 溶质回收率定义为： 混合气体中溶质 的量 吸收溶质 的量 A A = 所以： Y2=Y1（1－ ） 由式（5-70）可求出塔底排出液中溶质的浓度 X1=X2＋V（Y1－Y2）/L （5-71） 2．吸收操作线方程与操作线 逆流吸收塔内任取 mn 截面，在截面 mn 与塔顶间对 溶质 A 进行物料衡算： VY+LX2=VY2+LX 或 ( ) 2 X2 V L X Y V L Y = + − （5-72） 若在塔底与塔内任一截面 mn 间对溶质 A 作物料衡算，则 得到 VY1 + LX =VY + LX1 或 ( ) 1 X1 V L X Y V L Y = + − （5-73） 由全塔物料衡算知，方程（5-72）与（5-73）等价。 操作关系：塔内任一截面上气相组成 Y 与液相组成 X 之间的关系。 逆流吸收操作线方程：方程（5-72）与（5-73）称为逆流吸收操作线方程式。 逆流吸收操作线具有如下特点： （1）当定态连续吸收时，若 L、V 一定，Y1、X2 恒定，则该吸收操作线在 X～Y 直角坐标图 上为一直线，通过塔顶 A（X2，Y2）及塔底 B（X1， Y1），其斜率为 V L ，见图 5-16。 V L 称 为吸收操作的液气比； V, Y2 L, X2 V, Y m n L, X V, Y1 L, X1 图 5-15 逆流吸收操作 线推导示意图
(2)吸收操作线仅与液气比、塔底及塔顶溶质组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作 条件T,p无关。 (3)因吸收操作时，Y>了或X>X,故吸收操作线在平衡线Y=fX)的上方，操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大：解吸操作时，<了或X<X,故解吸操作线在平衡线的下 方。 图5-17吸收操作线推动力示意图 5.5.2吸收剂用量与最小液气比 1、最小液气比：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件和吸收物系，当塔内某截面 吸收动力为时达到分离想度所需塔高为无为大时的液气比，以月来 示。· 2、确定操作液气比的分析：若增大吸收剂用量，操作线的B点将沿水平线Y=Y向左移动， 如图518所示的B、C点。在此情况下，操作线远离平衡线，吸收的推动力增大，若欲达 到一定吸收效果，则所需的塔高将减小，设各投资也减少。但液气比增加到一定程度后，塔 高减小的幅度就不显著，而吸收剂消耗量却过大，造成输送及吸收剂再生等操作费用剧增。 考虑吸收剂用量对设备费和操作费两方面的综合影响。应选择适宜的液气比，使设备费和操 作费之和最小。根据生产实践经验，通常吸收剂用量为最小用量的1.1~2.0倍，即
36 （2）吸收操作线仅与液气比、塔底及塔顶溶质组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作 条件 T、p 无关。 （3）因吸收操作时，Y > Y *或 X * > X，故吸收操作线在平衡线 ( ) * Y = f X 的上方，操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；解吸操作时，Y<Y *或 X * <X，故解吸操作线在平衡线的下 方。 5．5．2 吸收剂用量与最小液气比 1、最小液气比：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件和吸收物系，当塔内某截面 吸收推动力为零时，达到分离程度所需塔高为无穷大时的液气比，以 min V L 表 示。。 2、确定操作液气比的分析：若增大吸收剂用量，操作线的 B 点将沿水平线 Y=Y1 向左移动， 如图 5-18 所示的 B、C 点。在此情况下，操作线远离平衡线，吸收的推动力增大，若欲达 到一定吸收效果，则所需的塔高将减小，设备投资也减少。但液气比增加到一定程度后，塔 高减小的幅度就不显著，而吸收剂消耗量却过大，造成输送及吸收剂再生等操作费用剧增。 考虑吸收剂用量对设备费和操作费两方面的综合影响。应选择适宜的液气比，使设备费和操 作费之和最小。根据生产实践经验，通常吸收剂用量为最小用量的 1.1～2.0 倍，即 V L =（1.1～2.0） min V L 图 5-16 逆流吸收操作线 图 5-17 吸收操作线推动力示意图
3、吸收剂用量的确定：L=(1.1~2.0)Lm 注意：L值必须保证操作条件时，填料表面被液体充分润湿，即保证单位塔截面上单位时间 内流下的液体量不得小于某一最低允许值。 4、最小液气比的计算： (1)图解法：最小液气比可根据物料衡算采用图解法求得，当平衡曲线符合图518所示的 情况时， (5-74) (2)解析法：若平衡关系符合亨利定律，则采用下列解析式计算最小液气比 Y-Y (5-75) 注意：如果平衡线出现如图518所示的形状，则过点A作平衡线的切线，水平线=Y与切 线相交于点DXm,),则可按下式计算最小液气比 Y-Y (5-76) Y"=fX) X 图57逆流吸收最小回流 图58最小回流比计算示意图 【例5-7】某矿石培烧炉排出含S02的混合气体，除S02外其余组分可看作惰性气体。冷却 后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的$02。吸收塔的操作温度为20℃，压力为
37 3、吸收剂用量的确定： L=（1.1～2.0） Lmin 注意：L 值必须保证操作条件时，填料表面被液体充分润湿，即保证单位塔截面上单位时间 内流下的液体量不得小于某一最低允许值。 4、最小液气比的计算： （1）图解法：最小液气比可根据物料衡算采用图解法求得，当平衡曲线符合图 5-18 所示的 情况时， 2 * 1 1 2 min X X Y Y V L − − = （5-74） （2）解析法：若平衡关系符合亨利定律，则采用下列解析式计算最小液气比 2 1 1 2 min X m Y Y Y V L − − = （5-75） 注意：如果平衡线出现如图 5-18 所示的形状，则过点 A 作平衡线的切线，水平线 Y=Y1 与切 线相交于点 D( , ) X1,max Y1 ，则可按下式计算最小液气比 1,max 2 1 2 min X X Y Y V L − − = （5-76） 【例 5-7】某矿石焙烧炉排出含 SO2 的混合气体，除 SO2 外其余组分可看作惰性气体。冷却 后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的 SO2。吸收塔的操作温度为 20℃，压力为 Y X 图 5-17 逆流吸收最小回流 X Y 图 5-18 最小回流比计算示意图
101.3张Pa。混合气的流量为1000m3h,其中含S02体积百分数为9%，要求S02的回收率为 90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算： (1)吸收剂用量及塔底吸收液的组成X: (2)当用含S00.0003(摩尔比)的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收 剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？己知101.3张Pa,20℃条件下S02 在水中的平衡数据如表5-8所示。 表5-8S02气液平衡组成表 SO,溶液浓度X 气相中S02平衡浓度y SO,溶液浓度X 气相中S02平衡浓度y 0.0000562 0.00066 0.00084 0.019 0.00014 0.00158 0.0014 0.035 0.00028 0.0042 0.00197 0.054 0.00042 0.0077 0.0028 0.084 0.00056 0.0113 0.0042 0.138 解：按题意进行组成换算： 进塔气体中$02的组成为 0.09 =0.099 出塔气体中s02的组成为y3=Y(1-)=0.099×(1-0.09)=0.0099 273 由表5-8中X~y数据，采用内差法得到与气相进口组成Y1相平衡的液相组成X=0.0032。 (1) Lan=r1-k=378009-0099.1052mh Xi-X2 0.0032 实际吸收剂用量L=1.2Lmm=1.2×1052=1263 kmol/h 塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得： 37.80.099-0.0099) X=X+Ψ(Y-Y)L=0+ =0.00267 1263 (2)吸收率不变，即出塔气体中S02的组成Y2不变，Y、=0.0099,而X=0.0003 所以 L.=r-长=378009-00o9)-1161ammh Xi-X2 0.0032-0.0003
38 101.3kPa。混合气的流量为 1000m3 /h，其中含 SO2 体积百分数为 9%，要求 SO2 的回收率为 90%。若吸收剂用量为理论最小用量的 1.2 倍，试计算： （1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成 X1； （2）当用含 SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收 剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知 101.3kPa，20℃条件下 SO2 在水中的平衡数据如表 5-8 所示。 表 5-8 SO2 气液平衡组成表 SO2 溶液浓度 X 气相中 SO2 平衡浓度 Y SO2 溶液浓度 X 气相中 SO2 平衡浓度 Y 0.0000562 0.00066 0.00084 0.019 0.00014 0.00158 0.0014 0.035 0.00028 0.0042 0.00197 0.054 0.00042 0.0077 0.0028 0.084 0.00056 0.0113 0.0042 0.138 解： 按题意进行组成换算： 进塔气体中 SO2 的组成为 0.099 1 0.09 0.09 1 1 1 1 = − = − = y y Y 出塔气体中 SO2 的组成为 Y2 = Y1 (1−) = 0.099(1− 0.09) = 0.0099 进吸收塔惰性气体的摩尔流量为 V= (1 0.90) 37.8kmol/h 273 20 273 22.4 1000 − = + 由表 5-8 中 X～Y 数据，采用内差法得到与气相进口组成 Y1 相平衡的液相组成 * X1 =0.0032。 （1） 1052kmol/h 0.0032 37.8(0.099 0.0099) 2 * 1 1 2 min = − = − − = X X Y Y L V 实际吸收剂用量 L=1.2Lmin=1.2×1052=1263kmol/h 塔底吸收液的组成 X1 由全塔物料衡算求得： X1 = X2+V（Y1-Y2）/L=0+ 0.00267 1263 37.8(0.099 0.0099) = − （2）吸收率不变，即出塔气体中 SO2 的组成 Y2 不变， Y2 = 0.0099 ，而 X2=0.0003 所以 1161kmol/h 0.0032 0.0003 37.8(0.099 0.0099) 2 * 1 1 2 min = − − = − − = X X Y Y L V