第六章吸收化工原理

【例6-1】总压为101.325kPa、温度为20℃时，1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求此时之溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。解：首先将此气液相组成换算为y与x。NH3的摩尔质量为17kg/kmol，溶液的量为15kgNH3与1000kg水之和。故0156.018/100017/1517/15BAAAnnnnnx022403251012662...Ppy*A*436.10156.00224.0*xym由式（6-11）E=P·m=101.325×1.436=145.5kPa或者由式（6-1）3.1450156.0266.2*xpEAkPa溶剂水的密度ρs=1000kg/m3，摩尔质量Ms=18kg/kmol，由式（6-10）计算H382.0183.1451000ssEMHkmol/（m3·kPa）H值也可直接由式6-2算出，溶液中NH3的浓度为869.01000/10001517/15//ssAAAAAmmMmVnckmol/m3所以383.0266.2869.0*AApcHkmol/（m3·kPa）【例6-2】在20℃及101.325kPa下CO2与空气的混合物缓慢地沿Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透过厚1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。气体中CO2的摩尔分数为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收，故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计。CO2在空气中20℃时的扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2的扩散速率是多少？解：此题属单方向扩散，可用式6-17计算。扩散系数D=0.18cm2/s=1.8×10-5m2/s扩散距离Z=1mm=0.001m，气相总压力P=101.325kPa气相主体中CO2的分压力pA1=PyA1=101.325×0.2=20.27kPa气液界面上CO2的分压力pA2=0气相主体中空气（惰性气体）的分压力pB1为06.8127.20325.10111ABpPpkPa气液界面上空气的分压力pB2=101.325kPa空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为8.9006.81325.101ln06.81325.101ln1212BBBBBmpppppkPa代入式（6-17），得21AABmAppppRTZDN027.208.90325.101001.0293314.8108.1541067.1kmol/（m2·s）【例6-3】含氨极少的空气于101.33kPa，20℃被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.15×10-6kmol/（m2·s·kPa），液膜传质系数kL=1.81×10-4kmol/（m2·s·kmol/m3），溶解度系数H=1.5kmol/（m3·kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。解：因为物系的气液平衡关系服从亨利定律，故可由式（6-37）求KG5461024.31081.15.111015.31111LGGHkkKKG=3.089×10-6kmol/（m2·s·kPa）由计算结果可见KG≈kG此物系中氨极易溶于水，溶解度甚大，属“气膜控制”系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收总系数与气膜吸收分系数极为接近。依题意此系统为低浓度气体的吸收，KY可按式（6-36）来计算。smkmol101331008933310146...PKKGY根据式（6-37）求KL56410815.41015.35.11081.1111GLLkHkK6L1008.2Kkmol/（m2·s·3mkmol）同理，对于低浓度气体的吸收，可用式（6-36）求KXKX=KL·c由于溶液浓度极稀，c可按纯溶剂——水来计算。6.55181000ssMckmol/m3KX=KL·c=2.08×10-6×55.6=1.16×10-4kmol/（m2·s）【例6-4】由矿石焙烧炉出来的气体进入填料吸收塔中用水洗涤以除去其中的SO2。炉气量为1000m3/h，炉气温度为20℃。炉气中含9%（体积分数）SO2，其余可视为惰性气体（其性质认为与空气相同）。要求SO2的回收率为90%。吸收剂用量为最小用量的1.3倍。已知操作压力为101.33kPa，温度为20℃。在此条件下SO2在水中的溶解度如附图所示。试求：（1）当吸收剂入塔组成X2=0.0003时，吸收剂的用量（kg/h）及离塔溶液组成X1。（2）吸收剂若为清水，即X2=0，回收率不变。出塔溶液组成X1为多少？此时吸收剂用量比（1）项中的用量大还是小？解：将气体入塔组成（体积分数）9%换算为摩尔比09.0109.011yyY=0.099kmol（二氧化硫）/kmol（惰性气体）根据回收率计算出塔气体浓度Y2回收率%YYY90121所以Y2=Y1（1－η）=0.099（1－0.9）=0.0099kmol（二氧化硫）/kmol（惰性气体）惰性气体流量V85.3709.01202732734.221000Vkmol（惰性气体）/h=0.0105kmol（惰性气体）/s从例6-4附图查得与Y1相平衡的液体组成X1*=0.0032kmol（SO2）/kmol（H2O）（1）（1）X2=0.0003时，吸收剂用量L根据式（6-44）可求得minVL7.300003.00032.00099.0099.02*121minXXYYVL91.397.303.13.1minVLVL271551891.3985.373.1minVLVLkg/h因为2121XXYYVL所以0003.091.390099.0099.0/2211XVLYYX=0.00253kmol（二氧化硫）/kmol（水）（2）X2=0，回收率η不变时回收率不变，即出塔炉气中二氧化硫的组成Y2不变，仍为Y2=0.0099kmol（二氧化硫）/kmol（惰性气体）84.270032.00099.0099.00*121minXYYVL吸收剂用量L246301884.2785.373.13.1minVLVLkg/h出塔溶液组成X102.360099.0099.0/2211XVLYYX=0.00246kmol（SO2）/kmol（H2O）由（1）、（2）计算结果可以看到，在维持相同回收率的情况下，吸收剂所含溶质浓度降低，溶剂用量减少，出口溶液浓度降低。所以吸收剂再生时应尽可能完善，但还应兼顾解吸过程的经济性。【例6-5】用SO2含量为0.4g/100gH2O的水吸收混合气中的SO2。进塔吸收剂流量为37800kgH2O/h，混合气流量为100kmol/h，其中SO2的摩尔分率为0.09，要求SO2的吸收率为85%。在该吸收塔操作条件下SO2－H2O系统的平衡数据如下：x5.62×10-51.41×10-42.81×10-44.22×10-45.62×10-4y*3.31×10-47.89×10-42.11×10-33.81×10-35.57×10-3x8.43×10-41.40×10-31.96×10-32.80×10-34.20×10-36.98×10-3y*9.28×10-31.71×10-22.57×10-23.88×10-26.07×10-21.06×10-1求气相总传质单元数NOG。解：吸收剂进塔组成321013.118/10064/4.0X吸收剂进塔流量L≈37800/18=2100kmol/h气相进塔组成211089.909.0109.0Y气相出塔组成Y2=9.89×10-2×（1－0.85）=1.48×10-2进塔惰气流量V=100×（1－0.09）=91kmol/h出塔液相组成2211XLYYVX=3321077.41013.121001048.189.991由X2与X1的数值得知，在此吸收过程所涉及的浓度范围内，平衡关系可用后六组平衡数据回归而得的直线方程表达。回归方程为Y*=17.80X－0.008即m=17.80，b=－0.008与此式相应的平衡线见本例附图中的直线ef。操作线斜率为08.23912100VL与此相应的操作线见附图中的直线ab。脱吸因数77.008.2380.17LmVS依式6-61计算NOG：Y1*=mX1+b=17.80×0.00477－0.008=0.0769Y2*=mX2+b=17.80×0.00113－0.008=0.0121ΔY1=Y1－Y1*=0.0989－0.0769=0.0220ΔY2=Y2－Y2*=0.0148－0.0121=0.00270092.00027.00220.0ln0027.00020.0mY1.90092.00148.00989.021mOGYYYN或依式6-59计算NOG：SYYYYSSNOG*22*211ln111.977.00027.00121.00989.077.01ln77.011【例6-6】含NH31.5%（体积）的气体通过填料塔用清水吸收其中的NH3，气液逆流流动。平衡关系为Y=0.8X，用水量为最小用水量的1.2倍。单位塔截面的气体流量为0.024kmol/（m2·s），体积总传质系数KYa=0.06kmol/（m3·s），填料层高为6m，试求：（1）出塔气体NH3的组成；（2）拟用加大溶剂量以使吸收率达到99.5%，此时液气比应为多少？解：（1）求Y2应用式（6-64）求解。LmVmXYmXYLmVLmVNOG22211ln11（6-64）已知V/Ω=0.024kmol/（m2·s），KYa=0.06kmol/（m3·s），Z=6m，求得4.006.0024.0aKVHYOGm154.06OGOGHZN（a）已知Y1=0.015，m=0.8，X2=0，min2.1VLVL求得015.0015.08.008.0015.0015.02221212*121minYYXmYYYXXYYVL22min015.00125.0015.0015.08.02.18.0/2.1/YYVLmVLmLmV（b）222221015.000015.0YYmXYmXY（c）式（a）、（b）及（c）代入式（5-65），得2222015.00125.0015.0015.00125.01ln015.00125.01115YYYY用试差法求解Y2，可直接先假设Y2，也可先假设回收率（吸收率）η，由吸收率定义式η=121YYY求出Y2，代入上式，看符号右侧是否等于左侧的15，即NOG=15。若等于15，则此假定值即为出塔气体的浓度，计算见本题附表。例6-6附表ηY2Y1/Y2mV/LNOG0．90．0015100．9266．90．950．00075200．8779．80．990．000151000．84217．80．9830．00025558．80．84815（2）吸收率提高到99.5%，应增大液气比。原来液气比由848.08.0VLLmV可得943.0848.08.0VL当η=99.5%时Y2=Y1（1－η）=0.015×（1－0.995）=7.5×10-5005.00015.00105.752122mXYmXY，NOG=15从图6-23查得L/mV=13.5，则