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第5章 气体吸收
当混合气体中溶质含量不高（一般认为体积分率小于10%），或溶质含量虽然较高，但在塔内被吸收的量不多时，均属于低浓度气体的吸收。
对低浓度气体的吸收过程，可作如下近似处理：
可将膜吸收系数kG、kL在全塔内视为常数；
总吸收系数KY、KX可取平均值而视为常数。
由于以上处理，使填料层高度的计算得以简化。
一、填料层高度的基本计算式
Z=VP/Ω=F/aΩ
VP—填料层体积，m3
Ω—塔的截面积，m2
F—总吸收面积， m2
a—单位体积填料层的有效接触面积， m2 / m3
F=GA/NA
GA—塔的吸收热负荷，kmol/s
NA—塔内吸收速率，kmol/s
此公式只适用于吸收塔的任一截面，而不能直接用于全塔
填料层的作用：为完成一定吸收任务，提供足够的气液相接触面积。
对于全塔的填料层高度计算，采用微积分法。
填料塔内填料的作用与板式塔中塔板的作用相同，是气液两相接触传质的场所。
计算填料层高度应在选定填料，确定操作液气比及计算出塔径的基础上进行。
填料层高度的计算方法是先取一段微元填料层进行计算，然后在全填料层高度内进行积分求解。
在填料层高度计算中所用到的a是单位体积填料层所提供的气液两相的有效接触面积，这是因为气液两相在填料中只有被流动的液体膜所覆盖的填料表面才是气液两相的接触面积，可见a不仅与填料的形状等因素有关，还与液体的性质及流动状态有关，故a不是一定值，又难于测定，为计算方便，常将a与总吸收系数的乘积视为一体，故引入体积吸收系数Kxa、KYa,该值可通过实验直接测定。
KYa—气相体积吸收总系数，kmol/m3s
Kxa—液相体积吸收总系数，kmol/m3s
二、传质单元高度与传质单元数
（一）传质单元高度
为过程所决定的一个高度称气相总传质单元高度
单位：m，公式表示为
其意义：在填料比表面和塔径已确定的条件下，一个传质单元所需的传质面积所相当的填料层高度（相当于板间距）
（一）传质单元高度
传质单元：当吸收塔两截面间吸收质的浓度变化等于这范围内吸收的推动力时，这样一个区域称为传质单元。
HOG、HOL与设备的型式、设备操作条件有关。
（二）传质单元数的计算
相当于传质单元高度的倍数，称为气相传质单元数 。整个填料层的高度就是由NOG个HOG组成.
注意： NOG、NOL与物系的相平衡及进出口浓度有关，与设备的型式和设备中的操作条件等无关，反应了分离任务的难易程度。
无单位，
（二）传质单元数的计算
1、图解积分法（见教材）
2、对数平均推动力法
当 可用
（二）传质单元数的计算
3、解析法
式中 无单位，称为脱吸因数，它反映吸收推动力的大小，它的增大就意味着减小液气比，其结果是溶液出口浓度提高而塔内吸收推动力变小，所以NOG值增大。反之亦然。
它也是平衡线斜率与操作线斜率的比值。
例题
从某蒸馏塔顶出来的气体中含有2.91%(体积)的H2S，其余为碳氢化合物。在一逆流操作的吸收塔中用三乙醇胺水溶液吸收H2S，要求吸收率不低于99%。操作温度为27℃，压力为101.3kN/m2，平衡关系为Y*=2X。进塔吸收剂不含H2S，出塔液相中的H2S浓度为0.013(kmolH2S)/kmol吸收剂。已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体摩尔数为0.015kmol/(m2.s)，气相体积吸收总系数为0.000395kmol/(m3.s.kN/m2)。求所需填料层高度。
例题解答
解：1.对数平均推动力法
已知：
Y1=0.0291/(1-0.0291)=0.03kmolH2S/(kmol惰
性气体) Y2=0.03(1-0.99)=0.0003kmolH2S/(kmol
惰性气体) X1=0.013molH2S/(kmol吸收剂) X2=0
Y1*=2×0.013=0.026kmolH2S/(kmol惰性气
体) Y2*=0
则
KYa=KGaP=0.000395×101.3=0.04kmolH2S/(m3.s)
V/Ω=0.015kmol/(m2.s)
所以 HOG=0.015/0.04=0.375 m NOG=(0.03-0.0003)/0.0143=20.8 Z=HOGNOG=0.375×20.8=7.8 m
例题解答
2. 解析法
可得： Z=HOGNOG=0.375×21=7.88 m
一、影响吸收操作的因素
1、气流速度
气流速度小，湍动不充分，吸收传质系数小，不利于吸收。反之，有利于吸收，生产能力大。气流速度过大，造成雾沫夹带甚至液泛，气液接触速率下降，不利于吸收。
因此，应选择一个适宜的气流速度。
2、喷淋密度
单位时间内、单位体积上所接受的液体喷淋量。过小，填料表面不能完全润湿，传质面积
分离效果不好。过大，阻力大，易液泛。因此，适宜的喷淋密度应该能够保证填料的充分润湿和良好的气液接触状态。
3、温度
选择适宜的温度
4、压力
一般是常压下操作
5、吸收剂的纯度
二、吸收设备
1.吸收流程
（1）供气系统 包括储气柜、气瓶等原料气气源，鼓风机，油分离器，减压阀，温度仪，流量计及流量调节阀等
（2）尾气系统 净气的收集或尾气的放空，包括调节阀、检测仪器等。
（3）吸收剂供应系统 包括吸收剂储槽或储罐，输液泵，流量计及流量调节阀等。
（4）吸收液收集或排放系统 包括阀门，浓度检测仪及储罐
（5)吸收塔 塔内装有填料，原料气从塔底通入，从塔顶放出；吸收剂从塔顶喷下，吸收液从塔底流出。气、液在塔内逆流而行，在填料表面微分接触，实现吸收质从气相向液相的传质。塔底、顶附有压力检测装置，塔体中部有液体取样阀、气体取样器等。
二、吸收设备
2、填料吸收塔结构
（1）填料吸收塔整体构造由塔体、塔体附属部件及塔内构造组成。
①塔体 材料一般为金属，也可以用陶瓷、塑料等非金属，或在金属壳体内壁衬以橡胶或搪瓷。金属或陶瓷塔体一般为圆形，便于气、液体均匀分布。塔径一般为1.5m以内，近年新型高效填料的使用，使塔径不断增大。
②塔体外附属部件 自下而上为液体出口、气体入口、入口气温检测点、塔底压力检测点、填料装卸口、液体取样口、气体取样器、液体入口、塔顶压力检测点和气体出口等。
二、吸收设备
③塔内构造 自下而上为气体分布器，分段填料：填料支承、填料层，液体再分布器，更高一段填料，液体分布器等。
（2）填料的类型与布置
①常用填料类型为：拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍与矩鞍填料和网体填料等。
②填料的堆切方式：填料堆切在支承装置上，大填料按正方形排列；中等大小的填料按菱形排列；小填料可以乱堆；特殊形状的填料，根据其具体形状设计堆放方式，原则是表面积大、气液分布均匀。
二、吸收设备
③填料应放在支承装置上，常见的支承装置有：筛板填料支承、升气管式填料支承。支承装置应有足够的机械强度，一支承填料和液体的重量；支承板的自由截面积不应小于填料的自由截面积，以免增大阻力，发生液泛。
（3）液体分布装置
①塔顶液体分布装置　a.莲蓬头式喷洒器b.盘式分布器c.齿槽式均布器。
②液体再分布器 液体沿填料层下流时逐渐向塔壁方向汇流的现象，叫作壁流效应。为了克服壁流效应，往往在填料层中分段安装液体再分布器，常用的有截锥式液体再分布器。
二、吸收设备
3、填料塔与板式塔的比较
填料塔和板式塔都可以用于吸收操作，下面把填料塔与板式塔在结构特点、适用范围方面进行比较：
（1）填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷的变化更为敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好的润湿，使传质效果急剧下降；当液体负荷过大时，则易产生液泛。设计良好的板式塔，则具有较大的操作范围。
（2）填料塔不宜于处理易聚合或含固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以有效的处理这些物系。另外板式塔比填料塔易于清洗。
二、吸收设备
(3)当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化。板式塔则可以较容易地在塔板上安装冷却盘管。
(4)填料塔适于生产规模较小的场合。而板式塔塔径一般不小于0.6m，否则安装困难。
(5)板式塔的设计资料易得可靠，因而板式塔的设计比较准确。
(6)普通填料塔因结构简单，所以直径800mm以下的造价一般较板式塔造价便宜。直径大时则昂贵。
二、吸收设备
(7)对于易起泡物系，填料塔更为适合，因为填料对泡沫有限制和破坏作用。
(8)填料塔可处理强腐蚀物系，因可采用瓷质材料。
(9)对于热敏性物系宜于采取填料塔，因为填料塔内的持液量比板式塔少，物料在塔内停留时间短。
(10)填料塔的压降比板式塔的压降小，因而对减压操作更为适宜。此外也降低能耗。
(11)对于气膜控制传质过程，填料塔便于调整气速。
二、吸收设备
(三)吸收操作过程
1、填料吸收塔的操作现象
2、填料吸收塔的开停车步骤
3、填料吸收塔的正常操作及维护
4、填料吸收塔的异常现象及处理
（见网络教材）
练习题 1
1、某填料塔用清水逆流吸收混合气中的溶质。已知，混合气中的溶质的比摩尔分率为0.02,混合气的流量为2240m3/h，吸收率为90%，操作条件下的相平衡关系为：Y*=1.2X，气相体积吸收总系数为200kmol/(m3.h)，实际用水量为最小用量的1.5倍，空塔气速为1.2m/s。试求？（1）实际用水量（2）塔径 （3）填料层高度
练习题2
在填料塔中用清水吸收混合气，除去其中的so2，已知混合气中含so29%（摩尔分数），进入吸收塔的惰性气体量为37.8kmol/h，吸收率为90%，实际吸收剂用量为最小用量的1.2倍，，操作条件下(标准状况)X1*=0.032，试计算吸收剂的用量，并求溶液出口浓度。若u=0.58m/s,计算其塔径.
练习题3
氨和空气的混合气在直径为0.8m的填料塔内用清水吸收,其中所含氨的99.5%,每小时送入惰性气体量为1400kg.混合气的总压是101.3kpa,,其中氨的分压是1.32kpa,吸收剂用量是最小用量的1.4倍.操作温度(293K)下的平衡关系是Y=0.75X.吸收系数KYa=0.088kmol/m3·s,求每小时用水量和所需的填料层高度.
练习题4
在吸收塔中用清水吸收空气-丙酮中的丙酮,设操作压力为1 atm,操作温度为20℃,混合气中丙酮的体积分率为0.06,混合气按纯空气量计为1400m3/h,水的用量3000kg/h,丙酮的回收率为98%,相平衡关系为Y*=1.68X,气相总吸收系数KY=0.4kmol/m2·h,空塔气速为1.242m/s,填料层的比表面积为204m2/m3,试求：(1)水用量为最小用量的多少倍
(2)塔径.
(3)填料层高度.
练习六
用清水吸收空气混合物中的氨气，空气的流速为40kmol/(m2·s),混合气中氨的体积分数为2%，拟用逆流吸收以回收其中95%的氨。液气比为最小液气比的1.5倍，气液关系为y=1.2x，所采用填料的总传质系数KYa=52kmol/ (m3·s).求出口液相组成和塔高。

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