填料层高度 Z=HOG?NOG=1.274×7.10=9.0454m
7-12 用填料塔以清水对某混合气进行逆流吸收，进气溶质浓度y1＝0.02，尾气溶质浓度y2＝0.0004，单位塔截面积惰性气体摩尔流率为40kmol/(m2·h)，操作液气比拟取最小液气比的2倍。体系相平衡关系为Y*=0.76X，体系操作总压力为95kPa，KG?a=65kmol/(m3·h·atm)，试求：（1）单位塔截面的用水量；（2）用对数平均推动力法计算所需填料层高度。（59.6kmol/m2·s，4.323m） 【解】（1）根据题意，先将组成换算成比摩尔分数
塔底 Y1=0.02/（1-0.02）=0.0204
塔顶 Y2=0.0004/（1-0.0004）=0.0004
Y?Y20.0204?0.0004?L???0.745 最小液气比???10.0204?V?minX1*?X2?00.76 故该液气比为：L/V=2×0.745=1.49
用水量L=1.49×40=59.6kmol/m2·s
Y?Y20.0204?0.0004?X2??0?0.0134 （2）液相出口溶度 X1?1L/V1.49平均推动力
(Y?Y1*)?(Y2?Y2*)(0.0204?0.76?0.0134)?0.0004?Ym?1??0.00304
Y1?Y1*0.0204?0.76?0.0134lnln0.0004Y2?Y2*Y1?Y20.0204?0.0004??6.58 ?Ym0.00304由于总压力为95kPa，则该系统
65?95KYa?PKYa?? 0.0169kmol/m3·s
101.35?3600V40传质单元高度 HOG???0.657m
KYa?0.0169?3600填料层高度 Z=HOG·NOG=0.657×6.58=4.323m 传质单元数 NOG?7-13 某填料吸收塔充填填料高度为5m，塔径为1 m。现用该塔以清水逆流吸收流量为2250m3/h的混合气体。已知：混合气体中含丙酮5%（体积，下同），塔顶逸出废气含丙酮0.26%，塔底液体中每千克水带有60g丙酮。操作在101.3 kPa、25℃下进行，物系的平衡关系为Y*＝2X。试求该塔的传质单元高度及体积吸收总系数KY·a。（0.72m，0.043kmol/m3?s） 【解】根据题意
2250273??(1?0.05)?87.42 kmol/h 22.4298将组成换算成比摩尔分数
惰性组分流量为：V?塔底 Y1=5/（100-5）=0.0526 塔顶 Y2=0.26/（100-0.26）=0.0026
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液相出口溶度 X1?60/58?0.0186
1000/18平均推动力
(Y?Y1*)?(Y2?Y2*)(0.0526?2?0.0186)?0.0026?Ym?1??0.0072
Y?Y1*0.0526?2?0.0186lnln10.0026Y2?Y2*Y?Y20.0526?0.0026传质单元数 NOG?1??6.94
?Ym0.0072Z5传质单元高度 HOG???0.72m
NOG6.94V87.42/3600代入HOG?得：KYa?=0.043kmol/m3?s
?KYa?0.72??1247-14 流速为0.4 kmol/m2·s的空气混合物中含氨体积分数为7%，拟用逆流吸收塔回收其中95%的氨。塔顶淋入摩尔分数为0.0004的稀氨水溶液，设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍，操作范围内物系服从亨利定律，Y*＝1.2X，体积吸收总系数为KY?a=0.052 kmol/m3·s。试求：（1）出塔液相浓度；（2）用对数平均推动力法计算所需的填料层净高度。（0.042，47.83m） 【解】（1）根据题意
惰性组分流量为：V?0.4?(1?0.07)?0.372 kmol/(m2·s) 将组成换算成比摩尔分数
塔底 Y1=7/（100-7）=0.0753 塔顶 Y2=0.0753×（1-0.95）=0.003765
液相入口溶度X2=0.0004/(1-0.0004)=0.0004
1.5(Y1?Y2)?L??L?由于液气比为：???1.5???=1.721
Y?V??V?min1?X21.2故液相出口浓度为：
Y?Y0.0753?0.003765X1?12?X2??0.0004?0.042
L/V1.721（2）平均推动力
(Y?Y1*)?(Y2?Y2*)(0.0753?1.2?0.042)?(0.003765?1.2?0.0004)?Ym?1?Y?Y1*0.0753?1.2?0.042lnln10.003765?1.2?0.0004Y2?Y2* =0.0107
Y?Y20.0753?0.003765传质单元数 NOG?1??6.686
?Ym0.0107V0.372传质单元高度 HOG???7.154m
KYa?0.052填料层高度 Z=HOG?NOG=6.686×7.154=47.83m
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7-15已知：某逆流吸收平衡关系为Y*＝1.68X，惰性气体量为V＝0.02196kmol/s，溶剂量为L＝0.06027kmol/s，气体进塔浓度Y1＝0.05263，液体进塔浓度X2＝0，填料层高度Z＝11.58m，气体传质单元高度HOG＝1.499m，求气体的吸收率η。（98%）
【解】根据题意，传质单元数 NOG?Z11.58??7.725 HOG1.499L0.06027??1.634 吸收因子 A?mV1.68?0.02196??11?Y?mX21?ln??1??1?代入 NOG?得： 1??A?Y2?mX2A??1?A??11?0.052631?ln??1?????7.725 11.634Y1.634?2???1?1.634解得： Y2=0.00105
Y?Y20.05263?0.00105故气体的吸收率??1??98%
Y10.052637-16 将上题吸收过程的混合气处理量增大50%。试估算：（1）若液体用量不变，达到同样的吸收率填料层高度需增加到多少？（2）若填料层高度不变，达到同样的吸收率液体用量需增加多少？（44.295m，0.1107 kmol/s）
【解】（1）根据题意，若液体用量不变，则 L0.06027??1.089 吸收因子 A?mV1.68?0.0219?61.5传质单元数
????11?Y?mX21?11?0.052631?NOG?ln??1??1???ln??1???1??A?Y2?mX2A?11.089?0.001051.089????1?1?A1.089 =19.70
V由于HOG?，故传质单元高度HOG=1.499×1.5=2.2485m
KYa?填料层高度 Z=HOG?NOG=2.2485×19.70=44.295m （2）若填料层高度不变，则
Z11.58传质单元数 NOG???5.15
HOG2.2485Y?mX20.05263且 1??50.124
Y2?mX20.00105查传质单元数关联图得：1/A=0.5，A=2
故 L?AmV?2?1.68?0.02196?1.5?0.1107kmol/s
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第三章 塔设备
第一节 填料塔
知识点聚焦
填料塔的构造与操作原理——填料塔主要由塔体（外壳）、填料层、填料支承、塔顶液体均布器、捕沫器以及再分布器构成。在填料塔中，一般气、液相逆流接触，液体自顶部均布器均匀喷洒而下，沿着填料层自上而下流动，气体自塔底经填料支承均布后沿填料层自下而上流动，在湿润的填料表面与液相进行传质、传热。为防止沟流和壁流现象的发生，当填料层高度较大时需分段装填，段与段之间用再分布器衔接。气体上升至塔顶时，为防止出口气中夹杂液滴，故需先经顶部的捕沫器拦截。
填料的类型——填料总体上有乱堆填料（又称散装填料，如拉西环、鲍尔环、阶梯环、鞍形填料等）和整砌填料（又称规整填料，如格栅、波纹、脉冲填料等）两大类。散装填料的装填与维修拆卸比较简单（只需在填料段的下方设置卸料口即可），价格相对低廉，缺点是流体在其间的均布性能不好，压强降大、传质效率低。整砌填料对流体的均布性能较好，传质效率较高且压强降低，缺点是价格高、检测维修相对复杂。一般填料尺寸要求在50mm以下时通常采用乱堆填料，反之应考虑采用整砌填料。
填料的选择原则——（1）填料的比表面积at要尽可能大；（2）填料的空隙率ε要尽可能大；（3）气、液两相在填料层中的均布性能要好；（4）填料的稳定性好并有足够的机械强度；（5）要价廉易得，制造简单。上述几点选择原则往往是相互矛盾的（如前两点），在选用时应抓住主要矛盾，合理选用填料的类型。
填料塔的几种不正常操作现象——包括沟流、壁流以及淹塔。其中，沟流和壁流现象由填料对气、液相的均布性差所致，主要是因为填料尺寸过大造成，可通过调整填料的类型和尺寸、增设再分布器来遏制。淹塔又称液泛，形成原因较为复杂，主要因流动阻力过大造成。例如，当气体通过填料层的压降过大时，气体不能顺利通过填料层，造成下部积气而上部持液，最终导致液泛。反之，对液体也是如此。所以，为确保填料塔的正常操作应尽可能避免出现上述现象。
填料吸收塔的工艺设计步骤——（1）根据吸收任务及要求选择合适的溶剂；（2）用查表或实测法确定吸收系统的气液相平衡关系；（3）计算确定吸收设备的吸收能力、操作液气比、溶剂消耗量、尾气组成、完成液的浓度等；（4）初步选择填料的类型、规格及装填方式；（5）初估塔径；（6）对初定的塔径、填料等进行流体力学验算；（7）在验算合格的基础上计算填料层的净高度；（8）填料层
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分段数及塔体附件设计。
第二节 板式塔
知识点聚焦
板式塔的基本结构——主要包括塔体及沿塔高安装的塔板(又称塔盘)、顶部捕沫器等。在板式塔中，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。对板式精馏塔，塔底和塔顶还需配套有必要的再沸器及冷凝器。
板式塔的理想流动状态——塔内气、液两相总体上呈逆流流动，以提供最大的传质推动力；塔板上的气、液两相均匀地错流接触，从而为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面。
错流塔板——由塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件组成，塔板通过支撑固定在塔体上。操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的凹形受液盘（可形成底部液封防止串气），然后横向流过塔板跨过溢流堰（作用是维持塔板上的液层厚度，以保证气、液两相的充分接触），从另一侧的降液管进入下层塔板。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板上的气体通道（如泡罩、筛孔、浮阀或浮舌等），分散成小股气流，以一定的方式通过塔板上的液层，并与之密切接触，气、液两相在塔板上呈错流流动。
错流塔板的区域划分——（1）溢流区，凹形受液盘及降液管所占的区域；（2）安定区，入口安定区和出口安定区所占的区域；（3）无效区，边缘用以安装塔板支撑部件的区域；（4）鼓泡区，塔板中央安装气、液两相接触部件的区域。
板上气、液两相的接触状态——（1）核泡接触状态；（2）蜂窝状接触状态；（3）泡沫接触状态；（4）喷射接触状态。其中以泡沫接触状态和喷射状态是理想的接触状态，表面更新速度快、传质效率高。对一些表面张力较大的液体，甚至可以通过加入表面活性剂的方法来促成泡沫接触状态的形成。由于喷射接触状态下的气速较高，设备的生产能力较大，缺点是液沫夹带量较大，可通过安装气流导向装置来弥补。
单板压力降——指气流通过塔板前后的压力降，mmH2O/板。由三部分构成：（1）干板压力降，指气流在通过干板时因克服干板的局部阻力造成的压降；（2）液层阻力降，指气流在穿过液层时因克服上升阻力造成的压降；（3）鼓泡压力降，指气体在液层中以鼓泡方式上升并成长过程中因克服液体表面张力造成的压降。工程上规定常、减压塔的单板压降需控制在27～54mmH2O之间。
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