??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?4．5．1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， 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 （4-70）
或 V（Y1－Y2）=L（X1－X2）
V, Y2 L, X2 V, Y1 L, X1 图4-13 物料衡算示意图 溶质回收率定义为：??吸收溶质A的量混合气体中溶质A的量
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 （4-71）
2．吸收操作线方程与操作线
V, Y2 L, X2 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：
V, Y m n L, X V, Y1 L, X1 VY+LX2=VY2+LX
或
Y?LVX?(Y2?LVX2) （4-72）
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
图4-15 逆流吸收操作 线推导示意图 Y?LVX?(Y1?LVX1) （4-73）
由全塔物料衡算知，方程（4-72）与（4-73）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。
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逆流吸收操作线方程：方程（4-72）与（4-73）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
LV，见图4-16。
LV称为吸收操作的液气比；
（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 5．5．2吸收剂用量与最小液气比 图4-16 逆流吸收操作线 图4-17 吸收操作线推动力示意图 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? ?L??表示。。 ?V?min2、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4-18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 LV=（1.1～2.0）??L?? V??min4．5．2吸收剂用量与最小液气比 1、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。 2、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4-18所示的情况时， Y1?Y2?L?? （4-74） ??*X1?X2?V?min 17 （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?Y2?L??1??Y1?V?min?X2m （4-75） 注意：如果平衡线出现如图4-18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则可按下式计算最小液气比 ,Y1)， Y1?Y2?L?? （4-76） ??X1,max?X2?V?min 【例4-7】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4-8所示。 表4-8 SO2气液平衡组成表 SO2溶液浓度X 0.0000562 0.00014 0.00028 0.00042 0.00056 气相中SO2平衡浓度Y 0.00066 0.00158 0.0042 0.0077 0.0113 SO2溶液浓度X 0.00084 0.0014 0.00197 0.0028 0.0042 气相中SO2平衡浓度Y 0.019 0.035 0.054 0.084 0.138 【例4-11】某填料吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮—空气混合气中的丙酮，操作液气比为2.0，丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收，操作条件下气液平衡关系为Y体积吸收系数KYa与气体流率的0.8次方成正比。（塔截面积为1m2） （1）若气体流量增加15%，而液体流量及气、液进口组成不变，试求丙酮的回收率有何变化？ （2）若丙酮回收率由95%提高到98%，而气体流量，气、液进口组成，吸收塔的操作温度和压力皆不变，试求吸收剂用量提高到原来的多少倍。 18 ?1.18X，吸收过程为气膜控制，气相总 4．5．6解吸及其计算 解吸过程：工业生产中，常将离开吸收塔的吸收液送到解吸塔中，使吸收液中的溶质浓度由X1降至X2，这种从吸收液 中分离出被吸收溶质的操作，称为解吸过程。 吸收—解吸联合流程：解吸后的液体再送到吸收塔循环使用，在解吸过程中得到较纯的溶质，真正实现了原混合气各组 分的吸收分离。故吸收—解吸流程才是一个完整的气体分离过程。图4-2即是一个吸收—解吸联合流程。 解吸的目的：（1）获得所需较纯的气体溶质； （2）使溶剂再生返回到吸收塔循环使用，使分离过程经济合理。 解吸过程方向：解吸过程是吸收的逆过程，是气体溶质从液相向气相转移的过程。 解吸过程的必要条件：解吸过程的必要条件及推动力与吸收过程的相反，解吸的必要条件为气相溶质分压pA或浓度Y 小于液相中溶质的平衡分压 解吸过程的推动力： 1．解吸方法 实现解吸的必要条件可通过以下几种方法实现。 （1）气提解吸 气提解吸法也称载气解吸法。其过程为吸收液从解吸塔顶喷淋而下，载气从解吸塔底靠压差自下而上与吸收液逆流接触，载气中不含溶质或含溶质量极少，故过程的推动力为 *pA或平衡浓度Y*。即：pA?pA或Y?Y*。 **pA?pA或Y*?Y。 *pA?pA，溶质从液相向气相转移，最后气体溶质从塔顶带出。解吸 *pA?pA，推动力越大，解吸速率越快。使用载气解吸是在解吸塔中引入与吸收液不平衡的气相。 通常作为气提载气的气体有空气、氮气、二氧化碳、水蒸气等。根据工艺要求及分离过程的特点，可选用不同的载气。 （2）减压解吸 将加压吸收得到的吸收液进行减压，因总压降低后气相中溶质分压pA也相应降低，实现了解吸的程度取决于解吸操作的压力，如果是常压吸收，解吸只能在负压条件下进行。 （3）加热解吸 将吸收液加热时，减少溶质的溶解度，吸收液中溶质的平衡分压溶质从溶剂中分离出来。 注意：工业上很少单独使用一种方法解吸，通常是结合工艺条件和物系特点，联合使用上述解吸方法，如将吸收液通过 换热器先加热，再送到低压塔中解吸，其解吸效果比单独使用一种更佳。但由于解吸过程的能耗较大，故吸收分离过程的能耗主要用于解吸过程。 2．解吸过程的计算 （1）解吸过程的特点 1）解吸过程是吸收过程的逆过程，二者传质方向相反，过程的推动力互为相反数。 pA?pA的条件。 *pA提高，满足解吸条件pA?pA，有利于 ** V, Y2 L, X2 2）在X～Y图上，吸收过程的操作线在平衡线的上方，解吸过程的操作线在平衡线的下方。 （2）最小气液比和载气流量的确定 当吸收液与载气在解吸塔中逆流接触如图5-22所示时，吸收液流量，吸收液进出口组成及载气进塔组成通常由工艺规定，所要计算的是载气流量V及填料层高度。 采用处理吸收操作线类似的方法，可得到解吸操作线方程 V, Y m' n' L, X V, Y1 L, X1 19 图4-22 逆流解吸塔示意图 Y?LVX?(Y1?LVX1) （4-95） LV，通过塔底A（X1，Y1）和塔顶 '操作线的特点：1）在X～Y图上为一直线，斜率为2）与吸收操作线所不最小气液比：当载气量 。 B'（X2，Y2） 同的是该操作线在平衡线的下方。 V减少时，解吸操作线斜率 LV增 大，Y2增大，操作线非下凹线时，A'A'B'向平衡线靠近，当解吸平衡线为 极限位置为与平衡线相交于点B，此 ''B'的 时，对应的气液比为最 小气液比。以??V??表示。 ?L?min平衡线为正常曲线时： 最小气液比计算： 图 4-23 解吸操作线及最小气液比示意图 最小气体用量：最小气液比对应的气体用量为最小用量，记作Vmin。 最小气体用量计算： X2?X1?V?? ??*Y2?Y1?L?minVmin?LX2?X1Y2*?Y1' （4-96） 注意：当解吸平衡线为下凹线时，由塔底点A作平衡线的切线，见图4-24， 同样可以确定?操作气液比：根据生产实际经验，实际操作气液比为 最小气液比的1.1～2.0倍，即 ?V??。 ?L?minVL=（1.1～2.0）??V?? L??min实际载气流量 V=L（1.1～2.0）?4．5．7强化吸收过程的措施 ?V??。 ?L?min 吸收速率?吸收推动力吸收阻力 图4-24 解吸最小气液比 强化吸收过程即提高吸收速率。吸收速率为吸收推动力与吸收阻力之比，故强化吸收过程从以下两个方面考虑：1）提高吸收过程的推动力；2）降低吸收过程的阻力。 1．提高吸收过程的推动力 （1）逆流操作 从下面的例题计算可见逆流操作比并流操作的推动力大。 【例4-13】在一填料吸收塔内，用含溶质为0.0099（摩尔比）的吸收剂逆流吸收混合气中溶质的85%，进塔气体中溶质浓度为0.091（摩尔比），操作液气比为0.9，已知操作条件下系统的平衡关系为Y数与流动方式无关。试求 ??0.86X，假设体积传质系 20