流體力學(xué)與傳熱：第三節(jié) 吸收塔的計(jì)算 （2）

第三節(jié) 吸收塔的計(jì)算（2）2024/2/201(1)(1)理論級(jí)模型法理論級(jí)模型法theory grade model Z=HETPNT.HETP稱(chēng)為填料的理論板當(dāng)量高度稱(chēng)為填料的理論板當(dāng)量高度,或等板高度選或等板高度選用板式塔完成吸收過(guò)程，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或工程經(jīng)驗(yàn)用板式塔完成吸收過(guò)程，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或工程經(jīng)驗(yàn)選定，或由經(jīng)驗(yàn)公式和圖表查取選定，或由經(jīng)驗(yàn)公式和圖表查取vNTf(material balances，phase equilibrium)=？NP Calculations of packing tower height ZCalculations of packing tower height Z2024/2/202(2)(2)傳質(zhì)速率模型法傳質(zhì)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)=實(shí)際填料層高度實(shí)際填料層高度2024/2/203v傳質(zhì)速率方程都適用于穩(wěn)定操作傳質(zhì)速率方程都適用于穩(wěn)定操作“某一橫截面某一橫截面”,不能用于全不能用于全塔。塔。v對(duì)于整個(gè)塔，氣液的濃度分布沿塔高變化，吸收速率也在變化。對(duì)于整個(gè)塔，氣液的濃度分布沿塔高變化，吸收速率也在變化。在全塔范圍應(yīng)用吸收速率關(guān)系式，就要采用微分方法在全塔范圍應(yīng)用吸收速率關(guān)系式，就要采用微分方法，2024/2/204對(duì)對(duì)微元微元進(jìn)進(jìn)行物料衡算。行物料衡算。氣液兩相氣液兩相經(jīng)經(jīng) dZ 的吸收的吸收傳質(zhì)傳質(zhì)量量 dGA=-VdY=LdX kmol/sudA-微元填料微元填料層層內(nèi)的內(nèi)的傳質(zhì)傳質(zhì)面面積積a=填料的比表面積，填料的比表面積，m2/m3 填料有效表面填料有效表面積積/填料填料層層的體的體積積在微元內(nèi)的吸收速率在微元內(nèi)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.填料層高度計(jì)算基本方程填料層高度計(jì)算基本方程Z Z填料層高度填料層高度-單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積Kya總體積傳質(zhì)系數(shù)總體積傳質(zhì)系數(shù)kmol/m3.s 實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)定單位時(shí)間單位體積填料內(nèi)吸收的溶質(zhì)量單位時(shí)間單位體積填料內(nèi)吸收的溶質(zhì)量2024/2/2072.傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)填料層高度傳質(zhì)單元高度填料層高度傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù)2024/2/2082024/2/2092024/2/2010注意：各物理量的單位，注意：各物理量的單位，HOG單位：?jiǎn)挝唬簃總傳質(zhì)單元高度總傳質(zhì)單元高度V惰性惰性氣體處理量氣體處理量，;L-溶劑的用量；溶劑的用量；kmol/SKYa，Kxa傳質(zhì)阻力，填料的性質(zhì)，填料的潤(rùn)濕情況傳質(zhì)阻力，填料的性質(zhì)，填料的潤(rùn)濕情況HOG，HOLf(流動(dòng)條件、填料特性、汽液特性）實(shí)驗(yàn)測(cè)定流動(dòng)條件、填料特性、汽液特性）實(shí)驗(yàn)測(cè)定2024/2/2011v傳質(zhì)單元高度相當(dāng)于完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任傳質(zhì)單元高度相當(dāng)于完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需要的填料層高度務(wù)所需要的填料層高度v傳質(zhì)單元高度的大小反映填料性能的好壞。傳質(zhì)單元高度的大小反映填料性能的好壞。vv操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加Z Z，HHOGOG不變，不變，不變，不變，N NOGOG增大增大增大增大2024/2/2012number of transfer units number of transfer units 傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù) NOG YY*與平衡關(guān)系有關(guān)與平衡關(guān)系有關(guān)YY*推動(dòng)力小，推動(dòng)力小，NOG 分離難分離難NOG反映了吸收的難易程度，反映了吸收的難易程度，NOG ，Z 通過(guò)改變操作條件，降低通過(guò)改變操作條件，降低NOGNOG=f(吸收劑，操作條件，平衡關(guān)系吸收劑，操作條件，平衡關(guān)系)vv操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加操作時(shí)，增加Z Z，HHOGOG不變，不變，不變，不變，N NOGOG增大增大增大增大2024/2/20133.3.傳質(zhì)單元數(shù)的求法傳質(zhì)單元數(shù)的求法（1）平均推動(dòng)力法：平衡關(guān)系為直線(xiàn)平均推動(dòng)力法：平衡關(guān)系為直線(xiàn)2024/2/20142024/2/2015對(duì)液相總推動(dòng)力表示的對(duì)液相總推動(dòng)力表示的NOL可得類(lèi)似的形式可得類(lèi)似的形式在計(jì)算中，關(guān)鍵是確定塔兩端推動(dòng)力的大小在計(jì)算中，關(guān)鍵是確定塔兩端推動(dòng)力的大小Y1，Y2或或X1,X2 2024/2/2016(2)脫吸因數(shù)法脫吸因數(shù)法當(dāng)平衡關(guān)系符合亨利定律當(dāng)平衡關(guān)系符合亨利定律Ye=mX時(shí)，可采用時(shí)，可采用 脫吸因脫吸因數(shù)法計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)數(shù)法計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)依物料衡算依物料衡算 2024/2/2017只適應(yīng)于逆流操作只適應(yīng)于逆流操作2024/2/20182024/2/2019反映溶質(zhì)吸收率的高低相對(duì)吸收率反映溶質(zhì)吸收率的高低相對(duì)吸收率S S難難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）圖解積分法）圖解積分法（2）數(shù)值積分法數(shù)值積分法（3）梯級(jí)圖解法梯級(jí)圖解法平衡線(xiàn)方程為曲線(xiàn)平衡線(xiàn)方程為曲線(xiàn)2024/2/2023【例例】在填料塔中用清水吸收氨與空氣的混合氣中的氨。在填料塔中用清水吸收氨與空氣的混合氣中的氨?；旌蠚饬髁繛榛旌蠚饬髁繛?500標(biāo)標(biāo)m3/h，氨所占體積分率為，氨所占體積分率為5，要求氨的回收率達(dá)要求氨的回收率達(dá)95。已知塔內(nèi)徑為。已知塔內(nèi)徑為0.8m，填料，填料單位體積有效傳質(zhì)面積單位體積有效傳質(zhì)面積a=93m2/m3，吸收系數(shù)，吸收系數(shù)KG=1.1kmol/(m2 h atm)。取吸收劑用量為最少用量的。取吸收劑用量為最少用量的1.5倍。該倍。該塔在塔在30和和101.3kN/m2下操作。在操作條件下的平下操作。在操作條件下的平衡關(guān)系為衡關(guān)系為p*=5.78c kN/m2，試求：，試求：（1）出塔溶液濃度）出塔溶液濃度（2）用平均推動(dòng)力法求填料層高度）用平均推動(dòng)力法求填料層高度（3）用吸收因數(shù)法求填料層高度）用吸收因數(shù)法求填料層高度2024/2/2024已知條件：已知條件：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(平均推動(dòng)力法）平均推動(dòng)力法）y1 y2 m A 2024/2/2025（3）求）求Z(吸收因數(shù)法）吸收因數(shù)法）點(diǎn)評(píng)：點(diǎn)評(píng)：此題涉及到下面五個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。此題涉及到下面五個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。1吸收平衡關(guān)系亨利定律，涉及了吸收平衡關(guān)系亨利定律，涉及了m與與H的換算公式。的換算公式。2操作線(xiàn)方程和最小液氣比的計(jì)算。操作線(xiàn)方程和最小液氣比的計(jì)算。3傳質(zhì)系數(shù)及其關(guān)系的換算，傳質(zhì)系數(shù)及其關(guān)系的換算，4平均推動(dòng)力法求算填料層高度。平均推動(dòng)力法求算填料層高度。5吸收因數(shù)法求算填料層高度。吸收因數(shù)法求算填料層高度。6.吸收率和理想氣體狀態(tài)方程等均有涉及。吸收率和理想氣體狀態(tài)方程等均有涉及。2024/2/2026A2024/2/2027 獲取吸收系數(shù)的途徑獲取吸收系數(shù)的途徑1.1.實(shí)驗(yàn)測(cè)定：為根本途徑實(shí)驗(yàn)測(cè)定：為根本途徑2.2.由適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：只在規(guī)定條件內(nèi)有可靠結(jié)果由適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：只在規(guī)定條件內(nèi)有可靠結(jié)果3.3.準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：適用范圍較廣，準(zhǔn)確性較差準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：適用范圍較廣，準(zhǔn)確性較差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 查手冊(cè) 2/20/202431吸收系數(shù)的測(cè)定吸收系數(shù)的測(cè)定v根據(jù)整段塔內(nèi)的吸收速率方程式進(jìn)行。平衡關(guān)系為直線(xiàn)的話(huà)，根據(jù)整段塔內(nèi)的吸收速率方程式進(jìn)行。平衡關(guān)系為直線(xiàn)的話(huà)，高度高度 Absorption load，kmol/SVolume of packingDriving force2024/2/2032由穩(wěn)定操作狀態(tài)下由穩(wěn)定操作狀態(tài)下v進(jìn)、出口氣、液濃度，流量進(jìn)、出口氣、液濃度，流量v物料衡算物料衡算v平衡關(guān)系平衡關(guān)系 v設(shè)備尺寸設(shè)備尺寸 所測(cè)吸收總系數(shù)為所測(cè)范圍內(nèi)所測(cè)吸收總系數(shù)為所測(cè)范圍內(nèi)總系數(shù)的總系數(shù)的平均值平均值，可對(duì)全塔進(jìn)行，也可對(duì)任意塔，可對(duì)全塔進(jìn)行，也可對(duì)任意塔段進(jìn)行。段進(jìn)行。2024/2/2033吸收系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式v用水吸收氨（易溶氣體吸收）用水吸收氨（易溶氣體吸收）吸收主要阻力在氣膜中，液膜阻力約占吸收主要阻力在氣膜中，液膜阻力約占1010v常壓下用水吸收二氧化碳（難溶氣體吸收）吸收的常壓下用水吸收二氧化碳（難溶氣體吸收）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（中等溶解度氣體吸收）用水吸收二氧化硫（中等溶解度氣體吸收）氣膜阻力和液膜阻力都有相當(dāng)比例氣膜阻力和液膜阻力都有相當(dāng)比例2024/2/2034吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 v Sh-包含待求的吸收膜系數(shù)。包含待求的吸收膜系數(shù)。vSc-反映物性的影響反映物性的影響 vRe-流動(dòng)狀況的影響。流動(dòng)狀況的影響。vGa-液體受重力作用而沿填料表面向液體受重力作用而沿填料表面向下流動(dòng)時(shí)，所受重力與粘滯力的相對(duì)關(guān)下流動(dòng)時(shí)，所受重力與粘滯力的相對(duì)關(guān)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 流體力學(xué)性能流體力學(xué)性能填料塔的流體力學(xué)性能填料塔的流體力學(xué)性能從塔頂向下流動(dòng)的液膜與填料從塔頂向下流動(dòng)的液膜與填料表面的摩擦和與上升氣體間的摩表面的摩擦和與上升氣體間的摩擦構(gòu)成了液膜流動(dòng)阻力。擦構(gòu)成了液膜流動(dòng)阻力。阻力阻力/液液(/氣氣)流量流量 液膜厚液膜厚度度 液膜厚度直接影響氣體通過(guò)填液膜厚度直接影響氣體通過(guò)填料層的料層的p、u及塔內(nèi)液體的持液量及塔內(nèi)液體的持液量等流體力學(xué)性能等流體力學(xué)性能2/20/202437（1）氣體通過(guò)填料層的壓強(qiáng)降氣體通過(guò)填料層的壓強(qiáng)降壓強(qiáng)降的大小決定了填料壓強(qiáng)降的大小決定了填料塔的動(dòng)力消耗，是設(shè)計(jì)過(guò)塔的動(dòng)力消耗，是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要參數(shù)。程的重要參數(shù)。實(shí)測(cè)時(shí)，不同噴淋量實(shí)測(cè)時(shí)，不同噴淋量(包括包括L=0)下，隨氣速變化的下，隨氣速變化的p分別畫(huà)在同一個(gè)分別畫(huà)在同一個(gè)（雙對(duì)數(shù)）（雙對(duì)數(shù)）坐標(biāo)上坐標(biāo)上2/20/202438當(dāng)當(dāng)填填料料層層有有一一定定持持液液量量時(shí)時(shí)，pu 關(guān)關(guān)系系將將不不再再為為簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的的直直線(xiàn)線(xiàn)關(guān)關(guān)系系（噴噴淋淋密密度度為為L(zhǎng)1、L2曲曲線(xiàn)線(xiàn)），且且存存在在兩兩個(gè)個(gè)較較明明顯顯的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。折點(diǎn)。壓降與氣速的關(guān)系：氣氣 體體 通通 過(guò)過(guò) 干干 填填 料料 層層（L=0）壓壓降降 p 與與u 的的關(guān)關(guān)系系在在雙雙對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)坐坐標(biāo)標(biāo)上上是是一一直直線(xiàn)線(xiàn)，斜斜率率在在1.82.0之之間間。噴噴淋淋液液體體在在填填料料上上形形成成液液膜膜，占占據(jù)據(jù)部部分分空空隙隙，減減小小了氣體的流通截面，對(duì)相同空塔氣速壓降升高了氣體的流通截面，對(duì)相同空塔氣速壓降升高。載液區(qū)高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點(diǎn)氣速液泛氣速3939 uu 增至一定值后，氣液間阻力增至一定值后，氣液間阻力不容忽視，液膜加厚不容忽視，液膜加厚出現(xiàn)攔液出現(xiàn)攔液現(xiàn)象，載液線(xiàn)斜率現(xiàn)象，載液線(xiàn)斜率增加增加；但載點(diǎn)；但載點(diǎn)難測(cè)。難測(cè)。u再增大再增大u 至液體不能順利下流，至液體不能順利下流，持液量增加迅速，出現(xiàn)持液量增加迅速，出現(xiàn)“積液層積液層”。不增加氣速，積液層仍在擴(kuò)大，不增加氣速，積液層仍在擴(kuò)大，則會(huì)達(dá)到則會(huì)達(dá)到“液泛液泛”。2/20/202440（2）、液泛、液泛液泛下，液體占據(jù)填料層空隙的程度較嚴(yán)重，氣體通過(guò)液泛下，液體占據(jù)填料層空隙的程度較嚴(yán)重，氣體通過(guò)時(shí)的阻力大增，流體出現(xiàn)時(shí)的阻力大增，流體出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象，頂端填料往往在液象，頂端填料往往在液體的騰涌中翻上摔下被打碎，操作基本遭破壞。體的騰涌中翻上摔下被打碎，操作基本遭破壞。試驗(yàn)表明，當(dāng)操作處在試驗(yàn)表明，當(dāng)操作處在載液區(qū)載液區(qū)時(shí)，流體湍動(dòng)加劇，時(shí)，流體湍動(dòng)加劇，傳質(zhì)傳質(zhì)效果提高效果提高。影響液泛的主要因素：影響液泛的主要因素：填料的幾何形狀、填料的幾何形狀、；流體物性：流體物性：V、L、L；氣液流量；氣液流量；流動(dòng)狀況流動(dòng)狀況2/20/202441氣氣速速增增至至P點(diǎn)點(diǎn)后后，隨隨氣氣速速增增大大，液液沫沫夾夾帶帶量量增增大大，引引起起的的液液相相返返混混可可導(dǎo)導(dǎo)致致填填料料效效率率降低（降低（HETP上升）。上升）。氣氣速速增增大大到到載載點(diǎn)點(diǎn)后后，持持液液量量增增加加，氣氣液液相相互互作作用用增增強(qiáng)強(qiáng)，兩兩相相界界面面面面積積增增大大，湍湍動(dòng)動(dòng)增增強(qiáng)強(qiáng)，傳傳質(zhì)質(zhì)過(guò)過(guò)程程得得到到強(qiáng)強(qiáng)化化，因因而而填填料料效效率率提提高高（HETP 減減?。┬。籔B泛點(diǎn)C載液區(qū)空塔氣速 u等板高度HETP載點(diǎn)和泛點(diǎn)對(duì)傳質(zhì)性能的影響載點(diǎn)和泛點(diǎn)對(duì)傳質(zhì)性能的影響4242作為填料塔，作為填料塔，液泛時(shí)的氣速液泛時(shí)的氣速=最大的極限氣速，最大的極限氣速，并由其確定適宜的操作氣速。并由其確定適宜的操作氣速。實(shí)驗(yàn)時(shí)注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)注意：u尋找尋找u液泛液泛,min；達(dá)液泛時(shí)速記錄，速降氣速。；達(dá)液泛時(shí)速記錄，速降氣速。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離離泛泛點(diǎn)點(diǎn)一一定定距距離離的的載載液液區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)，這這樣樣，既既可可得得到到較較高高的的傳傳質(zhì)質(zhì)效效率，填料率，填料層層的的壓壓降也不會(huì)降也不會(huì)過(guò)過(guò)大。大。2/20/202443