填料吸收塔传质系数的操作及吸收塔的操作

填料吸收塔传质系数的操作及吸收塔的操作

◆ 5.1 实验内容 （返回）

分别改变吸收剂的流量、温度和气体的流量，观察实验现象，测定气体的进、出口浓度和吸收剂

的进、出口温度，计算回收率η，传质推动力Δym和传质系数Kya。通过对实验数据的处理，分析气、液相流量变化和吸收剂温度改变对于吸收传质效果的影响。

◆ 5.2 实验目的 （返回）

(1) 了解填料吸收塔的一般结构和工业吸收过程流程；

(2) 掌握吸收总传质系数Kya的测定方法；

(3) 考察吸收剂进口条件的变化对吸收效果的影响； (4) 了解处理量变化对吸收效果的影响。

◆ 5.3基本原理 （返回）

5.3.1 概述

吸收过程是依据气相中各溶质组分在液相中的溶解度不同而分离气体混合物的单元操作。在化学

工业中，吸收操作广泛地用于气体原料净化、有用组分的回收、产品制取和废气治理等方面。在吸收

过程研究中，一般可分为对吸收过程本身的特点或规律进行研究和对吸收设备进行开发研究两个方向。

前者的研究内容包括吸收剂的选择、确定影响吸收过程的主要因素、测定吸收速率等，研究的结果可

为吸收过程工艺设计提供依据，或为过程的改进及强化提供方向；后者研究的重点为开发新型高效的

吸收设备，如新型高效填料、新型塔板结构等。

吸收通常在塔设备内进行，工业上尤以填料塔用得普遍。填料塔一般由以下几部分构成：（1）圆

筒壳体；（2）填料；（3）支撑板；（4）液体预分布装置；（5）液体再分布器；（6）捕沫装置；（7）

进、出口接管，等等。其中，塔内放置的专用填料作为气液接触的介体，其作用是使从塔顶流下的流

体沿填料表面散布成大面积的液膜，并使从塔底上升的气体增强湍动，从而为气液接触传质提供良好

条件。液体预分布装置的作用是使得液体在塔内有一良好的均匀分布。而液体在从塔顶向下流动的过

程中，由于靠近塔壁处空隙大，流体阻力小，液体有逐渐向塔壁处汇集的倾向，从而使液体分布变差。

液体再分布器的作用是将靠近塔壁处的液体收集后再重新分布。

填料是填料吸收塔最重要的部分。对于工业填料，按照其结构和形状，可以分为颗粒填料和规整

填料两大类。其中，颗粒填料是一粒粒的具有一定几何形状和尺寸的填料颗粒体，一般是以散装（乱

堆）的方式堆积在塔内。常见的大颗粒填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环等等。填料

的材质可以是金属、塑料、陶瓷等；规整填料是由许多具有相同几何形状的填料单元体组成，以整砌

的方式装填在塔内。常见的规整填料有丝网波纹填料、孔板波纹填料等。填料的性能主要评价指标是

填料的比表面积和空隙率。一般总希望填料能提供大的气液接触面积和较小的流动压降。

5.3.2 吸收速率方程式和吸收传质系数 吸收传质速率 吸收传质速率由吸收速率方程式决定

NA=Kya·△ym （1）

或

NA= Ky·a ·VP·△ym （2）

式中， NA — 吸收速率，mol/s；

Kya— 气相吸收传质系数，mol/m3·h；

A — 汽液接触传质面积，m2；

Δym— 塔顶、塔底气相平均传质推动力；

A — 填料的比表面积，m2/m3；

VP — 填料体积，m3；

严格说来，a应为单位体积填料的有效润湿表面积。由于a的大小与物系对填料表面的润湿性和气

液流动状况有关部门，工程上为方便起见，将Ky和a合并为一个常数，即

Kya =Ky·a

Kya称为气相容积吸收传质系数，mol/m3·h，

这样，吸收传质速率式又可表示为：

N= Kya ·VP·△ym （3）

气相平均传质推动力△ym

由吸收过程物料衡算：

L(x-x2)=G(y-y2) （4）

可得 y=L/G(x-x2)+y2 （5）

式（5）即为吸收过程的操作线方程式

由图5-1可看出，吸收过程的推动力，即为吸收操作线与相平衡线之间的浓度差。

图5—1 操作线、平衡线及推动力

对于低浓度吸收过程，气、液相平衡关系近似为直线，即

y=mx

m为相平衡常数，气相平均传质推动力可表示为：

（6）

其中，△y1 和△y2分别为塔底和塔顶位置的气相传质推动力，

△y1=y1-y1* = y1 - mx1 (7)

△y2=y2- y2* = y2- mx2 (8)

传质系数

传质系数Kya是吸收过程设计的重要工艺参数。

由式（3）可得

(9)

由于影响Kya的因素很多，通过实验测定Kya，就是要找出Kya与诸影响因素之间的关系。根据相

际传质理论，可将吸收传质过程分解为以下三个步骤：

a、溶质由气相主体传递至气液两相界面，即气相主体内的物质传递过程；

b、溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即发生在界面上的溶解过程；

c、溶质自相界面传递至液相主体，即液相主体内的物质传递过程。

界面溶解过程极易进行，传质阻力极小，可认为相界面上保持着两相平衡关系，因此，过程的传

质速率实际上由气、液两相的传质速率所决定。

根据双膜理论，认为气液界面二侧各存在一层滞止的气膜和液膜，传质阻力全部集中于该两层膜

中，膜中的传质是定态的分子扩散，因此，总传质系数Kya可表示为

（10）

式中，kya —气膜吸收传质系数，mol/m3h；

kxa — 液膜吸收传质系数，mol/m3h。

一般情况下，kxa和 kya仅分别受液相流量L和气相流量G的影响，即

kya=AGa (11)

kxa=BLb (12)

显然，Kya与气体流量G、液体流量L都密切有关，其关系可由下式表示：

Kya=CG C1LC2 (13)

这样，只要通过实验在不同的气、液相流量和温度条件下测定出y1和y2，即可由式（9）计

算出Kya。

传质速率N可通过全塔的物料衡算求得

NA=G(y1-y2) （14）

或 NA=L(x1-x2) （15）

5.3.3吸收塔的操作和调节

为实现某一气体混合物分离任务，工业塔设备必须具备足够的塔高（足够高的填料高度或塔板数）

和足够大的塔径，它们是实现工艺分离任务的条件。另外，操作应在正常的汽液负荷条件下进行，通过对吸收剂进口条件的调节，实现稳态的连续化操作。

吸收操作的质量评价指标可用回收率η或气相尾气浓度y2来表示。

对低浓度气体吸收，回收率可近似用下式计算

对于工业吸收过程，气体进口条件（流量、温度、压力、组成等）通常由前一工序决定，因此，

只能通过改变吸收剂的进口条件，即改变吸收剂的进口浓度x2、温度t2及流量L，

来实现对吸收操作过程的调节。

吸收剂的进口浓度x2、温度t2及流量L亦被称为吸收剂的三要素。

◆ 5.3.3.1吸收剂流量对吸收结果的影响：

改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用方法。

图5—2 吸收剂流量增加对吸收结果的影响

当气体流量和浓度不变时，增大吸收剂流量，吸收速率将随之增大，溶质吸收量增加，气体出口

组成y2减小，回收率η增大。

当液相阻力较小时，增加液体的流量，对传质系数影响不大，溶质吸收量的增加主要是由于传质

推动力的增大而引起；但当液相阻力较大时，吸收剂流量的增加将使得传质系数明显增大，从而使传

质速率加快，溶质吸收量增大。因此，一般情况下，增加吸收剂的用量对吸收分离总是有利的。但是，

吸收剂流量的增大有时要受到塔内流体力学条件的制约（例如压降、液泛等），也要综合考虑吸收液

解吸操作过程的费用。

◆ 5.3.3.2 吸收剂入口浓度变化对吸收结果影响

图5—3 x2变化对吸收结果影响

吸收剂入口浓度x2的变化主要是改变了传质推动力的大小。由图5-3所示，x2降低，吸收塔顶部

的传质推动力小△y2增大，全塔平均传质推动力将随之增大，有利于塔顶气体出口浓度y2的降低和回

收率η的提高。

在吸收——解吸联合操作的过程中，x2一般由解吸操作的结果决定。这也说明，解吸效果的好坏直接

影响到吸收操作。

◆ 5.3.3.3吸收剂入口温度变化对吸收效果影响

图5—4 吸收温度对吸收影响

吸收剂入口温度对吸收过程影响甚大，也是控制和调节吸收操作的一个重要因素。参见图5-4，如

果吸收剂入口温度降低，相平衡常数减小，导致平衡线下移，使传质推动力△ym增加，吸收过程阻力

减小，结果使吸收速率增大，y2减小，回收率提高。因此，在工业生产中，总希望吸收操作尽可

能在较低的温度下进行。

应当注意的是，当气液两相在塔底接近平衡（L/G＜m的情况下，如图5—5所示,欲降低y2，提高

回收率，用增大吸收剂L的方法更有效；但是，当气液两相在塔顶接近平衡时（L/G＞m），参见图5

—6，提高吸收剂L用量，即增大L/G并不能使y2明显降低，只有降低吸收剂入塔浓度x2才是最有效

的。

图5—5 A=L/mG＜1

图5—6 A=L/mG＞1

（

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◆ 5.4 实验设计 （返回）

实验方案

用自来水（x2=0）作吸收剂，吸收空气混合气中的丙酮，实验操作压力为常压。使气、液两相在

填料塔中逆流接触，分别改变气、液相的流量和吸收剂的温度，测定气相的进出口浓度y1和 y2，即

可计算获得各种条件下的传质系数及吸收回收率。

检测点及检测仪表

根据实验原理，欲求取传质吸收系数和回收率，需测取的原始数据有：气体的进、出口浓度y1和

y2；气、液相流量：G、L及气体压力P；吸收剂进、出口温度：t1、t2，此外，还有吸收塔的直径和

填料高度（用以计算填料体积）

根据以上分析设置必要的检测点，并选配必要的检测仪表

y1和 y2用气相色谱仪分析；