化工基础ch4(吸收)(3)

2019/8/13第四章吸收一、物料衡算与操作线方程二、吸收剂用量的确定三、塔径的计算四、填料层高度的计算五、理论板层数的计算六、吸收的操作型计算第四节吸收塔的计算2019/8/13吸收塔的实际计算，一般的已知条件是：1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；3）出塔的气体组成需要计算：1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)(操作型问题)2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度(设计型问题)2019/8/13一、吸收塔的物料衡算与操作线方程1、物料衡算目的：确定各物流之间的量的关系以及设备中任意位置两物料组成之间的关系。对单位时间内进出吸收塔的A的物质量作衡算1221LXVYLXVY2019/8/13)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY吸收率A混合气中溶质A被吸收的百分率)1(12AYY2、吸收塔的操作线方程式与操作线在m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY112019/8/13)(11XVLYXVLY——逆流吸收塔操作线方程在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY——逆流吸收塔操作线方程表明：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。2019/8/132019/8/13并流吸收塔的操作线：)(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作线总是位于平衡线的上方，如操作线位于平衡线下方，则应进行解吸过程。2019/8/13二、吸收剂用量的确定液气比Y1L/VBB*min)(VL最小液气比min))(0.2~1.1(VLVL2019/8/13最小液气比的求法图解法•正常的平衡线2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL2019/8/13•平衡线为上凸形时2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2019/8/13计算法适用条件：平衡线符合亨利定律，可用mXY*表示2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20℃的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试2019/8/13求每小时送入塔内的水量。溶液浓度(gNH3/100gH2O)22.53分压Pa160020002427分析：求水量吸收剂用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常数解：1）平衡关系***1yyY**1pp333106.11033.101106.101604.02019/8/1318/10017/2X0212.0XYm*0212.001604.0757.0XY757.0:平衡关系为2）最小吸收剂用量：2121minXmYYYVL2019/8/13其中：291000Vhkmol/5.34空气333.133.101333.11Y0133.012)99.01(YY0133.001.0000133.002X757.0m2121min)(XmYYYVL0757.00133.0)000133.00133.0(5.34hkmol/8.252019/8/133）每小时用水量Lmin2L8.252hkmol/6.51hkg/8.928三、塔径的计算04VTqDuu—空塔气速2019/8/13四、填料层高度的计算1、填料层高度的基本计算式对组分A作物料衡算单位时间内由气相转入液相的A物质的量为：AdGVdYLdXdANdGAA()ANadH2019/8/13微元填料层内的吸收速率方程式为：)()(**XXKNYYKNXAYA及*()AYdGKYYadH*()AXdGKXXadH*()YVdYKYYadH*()XLdXKXXadH*YKadYdHYYV*XKadXdHXXL12*0YZYYKadYdHYYV12*0XZXXKadXdHXXL2019/8/13低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为12*YYYVdYHKaYY12*XXXLdXHKaXX及aKaKXY,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数物理意义：在推动力为一个单位的情况下，单位时间单位体积填料层内吸收的溶质量。2、传质单元高度与传质单元数1）传质单元高度与传质单元数的概念2019/8/13aKVY的单位]][/[]/[23msmkmolskmol][m称为“气相总传质单元高度”，用OGH表示aKVHYOG12*YYOGYYdYN——气相总传质单元数OGOGHHN2019/8/13OLOLHHNOLH—液相总传质单元高度，m；aKLHxOLOLN—液相总传质单元数，无因次；12*XXOLXXdXN依此类推，可以写出通式：试写出用膜系数及相应的推动力表示的填料层高度的计算式。填料层高度=传质单元高度×传质单元数2019/8/13GGHHNLLHHNakVHyG—气膜传质单元高度，m12YYiGYYdYN—气膜传质单元数akLHxL—液膜传质单元高度，m12XXiLXXdXN—液膜传质单元数2019/8/132）传质单元高度的物理意义112*YYOGYYdYN2019/8/131)(1212**YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm气体流经一段填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时，那么，这段填料层的高度就是一个气相总传质单元高度。2019/8/13吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。3、传质单元数的求法平衡线为直线时对数平均推动力法解吸因数法平衡线为曲线时图解积分法近似梯级法2019/8/13a）对数平均推动力法吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时*YYY)(Yf——直线函数2121)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY1）平衡线为直线时2019/8/1312*YYOGYYdYN)(122121YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212019/8/13其中：2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY——塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为对数平均推动力。当22121YY相应的对数平均推动力可用算术平均推动力代替。写出NOL、NG、NL的表达式。2019/8/13mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN21221122112121ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYYYYYYYimLXXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim2019/8/13b）解吸因数法平衡关系用直线bmXY*表示时，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX将代入12])([22YYOGbXYYLVmYdYN2019/8/131222(1)[()]YOGYdYNmVmVYYmXbLL令SLmV12)()1(*22YYOGYSYYSdYN])()1()()1(ln[11*222*221YSYYSYSYYSS1A2019/8/13***12222*22(1)1ln[]1OGSYYSYSYSYNSYY])()1()1(ln[11*22*22*21YYYYSYSYSS])1ln[(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS——解吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。S愈大，解吸愈易进行。AmVLS1——吸收因数2019/8/132019/8/13分析：•横坐标*22*21YYYY值的大小，反映了溶质吸收率的高低。在气液进口浓度一定的情况下，吸收率愈高，Y2愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一S值的NOG愈大。•S反映吸收推动力的大小在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，若增大S值，也就是减小液气比L/V，则溶液出口浓度提高，塔内吸收推动力变小，NOG值增大。2019/8/13•对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，*22*21YYYY愈大，愈能提高吸收的程度。减小S增大液气比吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低适宜的S值：8.0~7.0S])1ln[(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSN2019/8/13例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分A的mol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：1）L/V为(L/V)min的多少倍？2）所需填料层高度。3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？2019/8/13解：04.0104.01Y0417.00053.010053.02Y00533.00128.010128.01X01297.01）L/V为(L/V)min的倍数2121XXYYVL001297.000533.00417.0804.22019/8/132121min)(XmYYYVL)1(12YYm)0417.000533.01(5.218.2286.1)/()(minVLVL2）所需填料层高度•解吸因数法])1ln[(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS804.25.2892.02019/8/13]892.0000533.000417.0)892.01ln[(892.011OGN11.5OGOGNHZ11.55.167.7•对数平均推动力法mOGYYYN21mY00533.00417.02019/8/132121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY0053.001297.05.20417.0ln)000533.0()01297.05.20417.0(007117.0mOGYYYN21007117.000533.00417.011.52019/8/133）尾气浓度下降后所需的填料层高度尾气浓度0033.010033.02Y00331.0])1ln[(1121SYYSSNOG00331.00417.021YY6.12]892.06.12)892.01ln[(892.011OGN52.7OGOGNHZ52.75.1m28.