5.2 气体的吸收-3

化工基础AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering教学目的：重点难点：课型：参考文献：掌握吸收操作线方程和填料层高度的基本计算方法，以及适宜吸收剂用量的计算。操作线方程、填料层高度的计算理论知识1、化工原理（下）,大连理工大学编,高等教育出版社,2002.§5-4填料吸收塔的计算2、化工原理（下）,谭天恩等编,化学工业出版社,2004.3、化工分离过程,陈洪钫等,化学工业出版社,1995.引言一、吸收速率：N——吸收速率,单位时间内单位相际传质面积上所吸收的溶质的量,mol.m-2.s-1；——吸收过程中的推动力，为浓度差或分压差。K——传质系数由生产任务决定的N=K•(*)pp(*)cc(*)YY(*)XXGKLKYKXKLGGHkkK111气相总吸收系数与气膜分吸收系数和液膜分吸收系数之间的关系为:存在问题:气相总吸收系数KG、气膜分吸收系数kG、液膜分吸收系数kL的书写要准确。各种吸收系数均要有单位，并且各不相同。塔设备（tower）板式塔（traytower）填料塔（filledtower）—逐级接触式—连续微分接触式二、传质设备：液体尾气气体尾气吸收液填料吸收塔的计算设计计算：主要是获得达到指定的分离要求所需要的塔的基本尺寸：填料层高度和塔径。操作计算：要求算出给定的吸收塔的气液相出口浓度等参数。对于低浓度气体(10%)的吸收，为了计算方便，对塔内的吸收过程作如下假设：气相中的惰性组分与液相中吸收剂的摩尔流量不变。塔内的温度始终相同。传质总系数在整个塔内为常量。qn,V,qn,V,qn,Lqn,L吸收剂12Y1Y2X2，X1，填料混合气吸收液尾气qn,V—惰气的流量,mol/sqn,L—吸收剂的流量,mol/s一、操作线方程(equationofoperatingline)操作线方程：操作线方程的依据：吸收塔中的物料衡算表示填料塔中某一截面上气液两相的组成Y与X之间的关系。qn,V,Y1qn,V,Y2X2,qn,LX1,qn,LXY连续定态条件下从填料层底至任一截面,对吸收质作物料衡算YqXqYqXqVnLnVnLn,1,1,,)()(1,1,XXqYYqLnVnVnLnVnVnLnqXqYqXqqY,1,1,,,在全塔范围内,对吸收质作物料衡算)()(21,21,XXqYYqLnVn2121,,XXYYqqVnLn操作线方程1,2,2,1,XqYqXqYqLnVnLnVnXY平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)●(X,Y)(X,Y*=mX)(X*=Y/m,Y)操作线上的任一点，表示相应于吸收塔某一截面上气液两相的Y与X间的关系。操作线方程的依据是质量守恒定律，它与气液平衡和吸收速率及其它因素（如塔型、相际接触情况、温度、压力）没有直接联系。操作线与平衡线间的距离是吸收的推动力Y—Y*或X*—X。若操作线位于平衡线的下方，则发生的是解吸。操作线VnLnVnVnLnqXqYqXqqY,1,1,,,VnLnVnVnLnqXqYqXqqY,1,1,,,XY平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)二、吸收剂用量液气比：吸收操作中，处理每摩尔惰性气体所用吸收剂的物质的量。),(11*1YmYX2121,,XXYYqqVnLn实际液气比：最小液气比：2*121,,,XXYYqqVnmLn2121/XmYYY实际选用的液气比一般为最小液气比的120%～125%。NOTE：注意：如果操作线与平衡线此同时相切，则可按下式计算最小液气比2max,121,,,XXYYqqVnmLnXY图5-18最小回流比计算示意图三、填料层高度的计算=A=YVnKq,12*YYYYdYKY可认为定值:AdA012*YYdYYYYVnKq,=z=填料的比表面积润湿率（m2/m3）z—填料层高度，m;—塔的截面积，m2根据吸收速率：qn,V,qn,V,qn,Lqn,L吸收剂Y1Y2X2，X1，dA混合气吸收液尾气dG,,nVnLdGqdYqdXY+dYYXX+dXdAXXKNdAdGX)*(dAYYKNdAdGY*)(三、填料层高度的计算连续定态操作条件下，物料衡算，吸收质的传递量,(*)nvYqdYdAKYY以气相推动力表示填料层高度:aYKqzVn,12*YYYYdY12*,XXXLnXXdXKqz同理可得,以液相推动力表示填料层高度:aYKqzVn,12*YYYYdY=HOG•NOG传质单元高度(heightoftransferunit,HTU)：是指在填料比表面和塔径已定的条件下,一个传质单元所需的传质面积所相当的填料层的高度。传质单元：*YYdY=过程中吸收质的浓度变化过程中的推动力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，这样一个区域就称为一个传质单元(unitofmasstransfer)。气相传质单元数气相传质单元高度方法一解析法——平均推动力法mYYGOYYYYYdYN2112*mXXLOXXXXXdXN2112*四、传质单元数的计算2121lnYYYYYm塔底气相传质推动力：*111YYY塔顶气相传质推动力：*222YYY)(1*1mXY)(2*2mXYY平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)(X2,Y2*=mX2)(X1,Y1*=mX1)X★气相传质平均推动力：mYYYYYYGOYYYYYYYYYYYdYYYYYdYYYdYN212121212121ln*121212mYYGOYYYYYdYN2112*平衡线：mXY*操作线：baXY该直线过（Y1,Y1）、（Y2,Y2）两点YdYYYYdYYYYYdYYd21212121ambYamabXmaYY)(*Y方法一解析法——平均推动力法mYYGOYYYYYdYN2112*mXXLOXXXXXdXN2112*四、传质单元数的计算2121lnYYYYYm塔底气相传质推动力：*111YYY塔顶气相传质推动力：*222YYY)(1*1mXY)(2*2mXYY平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)(X2,Y2*=mX2)(X1,Y1*=mX1)X★气相传质平均推动力：塔底液相传质推动力：★2121lnXXXXXm适用条件：操作线和平衡线均为直线但不要求平衡线过原点。优点：形式简明。缺点：必须已知X1，Y1，X2，Y2。111*XXX塔顶液相传质推动力：222*XXX)/(1*1mYX)/(2*2mYX液相传质平均推动力：Y平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)(X1*=Y/m,Y1）X(X2*=Y/m,Y2）方法二脱吸因数法参考文献：化工原理(下),大连理工大学编,高等教育出版社,2002.SYYYYSSNGO**)1(ln112221**2221YYYYGNVnLnqqmS/S——平衡线斜率与操作线斜率的比值，称为脱吸因子。适用于气液平衡关系为直线的情况.缺点:查图的准确性不高.优点:用于吸收过程的估算十分方便.传质单元数的计算平衡线：mXY*1212*YYYYGOmXYdYYYdYN操作线：22,,2,,2)()(XYYqqXXXqqYYLnVnVnLn12121222,,)(*YYLnVnYYYYGOXYYqqmYdYmXYdYYYdYNVnLnqqmS/SYYYYSSNG**)1(ln112221121212122222)1()(*YYYYYYYYGOmXsYYsdYmXYYsYdYmXYdYYYdYN12*YYGOYYdYN12*XXLOXXdXN方法三图解积分法Y平衡线Y=mX(X2,Y2)(X1,Y1)X(X,Y)(X,Y*=mX)传质单元数的计算Y*1YYY1Y212*YYYYdY图解积分法既可用于服从亨利定律的体系，也可用于平衡线是曲线的体系。缺点：准确性不高。操作线方法四近似梯级图解法（Baker法）参考文献：化工原理（下）,谭天恩等编,化学工业出版社,2004.传质单元数的计算XYX1X2Y1Y2平衡线操作线适用于平衡线为直线或弯曲程度不大的曲线.优点:比图解积分法简便.缺点:准确性不高.ABDCE五、传质单元高度的求算aKqGOYVnH,aKqHXLnLO,qn,V或qn,L是由生产任务和工艺要求确定的。由选用的填料和液体喷淋量确定。KY或KX与选用的填料、温度、压力和操作条件等因素有关。主要是通过实验测定，也可通过特征数关联式或经验公式求算。根据塔中允许的流体流速确定：/VqVq——体积传质系数K填料层高度的计算12,,12*YnVnVOGOGYYYmqqYYdYzHNKYYKY12,,12*XnLnLOLOLXXXmqqXXdXzHNKXXKX以气相推动力表示填料层高度:以液相推动力表示填料层高度:练习800mm的填料塔，在常压和20C下用清水吸收氨—空气混合气中的氨。混合气中的氨的分压为1.5KPa，惰气的质量流量为0.4kg.s-1，水的用量为最小用量的1.5倍，吸收率为98%。平衡关系为Y=0.76X。气相体积吸收系数KY为0.10kmol.m-3.s-1。空气的相对分子量可取29。试求吸收塔的填料层高度（m）。解：5.125.1015.11Y）（98.0112YY02X2121,,XXYYqqVnLn实际液气比：最小液气比：2*121,,,XXYYqqVnmLn2121/XmYYYY1Y2X2X1mYVnYYYVnYYYKqYYdYKqz21,,12*Y1Y2X2X12121lnYYYYYm塔底气相传质推动力：*111YYY塔顶气相传质推动力：*222YYY)(1*1mXY)(2*2mXY气相传质平均推动力：).(294.01,skmolqVn48.0422DmYVnYYYVnYYYKqYYdYKqz21,,12*作业P201：10、11、12