化工吸收塔的物料衡算与操作线方程

2020/3/2吸收速率方程与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力上节内容复习NA=单相的分吸收（传质）推动力×分传质系数=双相的总吸收（传质）推动力×总传质系数2020/3/2)(),(),(XXkNxxkNcckNiXAixAiLA2、液膜吸收速率方程式3、总吸收速率方程式)(),(),(***yyKNYYKNppKNyAYAGA)(),(),(***xxKNXXKNccKNXAXALA1、气膜吸收速率方程式)(),(),(iYAiyAiGAYYkNyykNppkN2020/3/2LGGHkkK111LGLkkHK11总阻力=气膜阻力+液膜阻力PKKGY4、吸收系数关系2020/3/25、吸收速率方程的分析（传质速率的影响因素）:1．关于传质推动力PEpPOcc传质推动力的图示操作点P离平衡线越近，则总推动力就越小操作点ipic液相总传质推动力气相总传质推动力气相分传质推动力液相分传质推动力pc11AAiAiAAGLppccNkk1AAGppK1AALccK气膜液膜pGpi传质方向Ci气相主体液相主体CLGLz距离双膜模型组成增加气相分压或减小溶质在液相中的浓度2020/3/22．关于传质阻力气膜液膜ppi传质方向ci气相主体液相主体cZGZLz距离双膜模型组成xyykmkK11LGGHkkK111xykmk1LGHkk11气膜控制（易溶体系）：H很大，m值很小故GGkK11yykK111）溶解度很大时的易溶气体ipppp*iyyyy*ipp*2020/3/2气膜液膜ppi传质方向Ci气相主体液相主体CZLZGz距离双膜模型组成yxmkk11GLkHk1液膜控制（难溶体系）：故LLkK11xxkK11双膜控制（中等溶解度体系）气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，称其为双膜控制。如用水吸收SO2气膜液膜ppi传质方向ci气相主体液相主体cZGZLz距离双膜模型组成2020/3/2第二章吸收一、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三节吸收塔的计算2020/3/2研究逆流操作的填料塔吸收塔逆流操作的优点1、可获得较大的平均推动力，提高吸收速率。2、塔底液体与刚进塔的混气接触，有利于提高出塔吸收液的浓度，从而减少吸收剂用量3、塔顶气体与刚进塔的吸收剂接触，有利于降低出塔气体浓度，提高溶质吸收率。2020/3/2吸收塔的设计计算，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（分离要求已定）2020/3/2•计算：1、操作型：对已有吸收塔的操作条件和吸收效果间的关系进行分析计算1）给定操作条件，求吸收效果，即气液两相出口浓度2）给定吸收效果，确定操作条件2、设计型：根据分离和工艺要求，确定塔的尺寸或估计吸收剂用量•1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；•2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度2020/3/2V1,Y1L1,xbLa,xaGa,yaV,yL,x逆流吸收塔的物料衡算稳态逆流参数：V1、V2；L1、L2；V、L(kmol/m2·s)；y1、y2(kmol(A)/kmol(A+B))；x1、x2(kmol(A)/kmol(A+S))；x、y。气y、V1液x、L1如何衡算？吸收剂和惰性气体的量V、L；比摩尔分率。找一固定量一、吸收塔的物料衡算与操作线方程确定各物流之间的量的关系以及设备进出口两物料组成之间的关系。1、物料衡算2020/3/2)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY吸收率A混合气中溶质A被吸收的百分率)1(12AYY吸收剂浓度X1的确定AYLVXX121121YYYA物料衡算方程对单位时间内进出吸收塔的A的物质量作衡算1221LXVYLXVY稀端浓端2020/3/22、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11TB目的：塔中任意截面上气液组成Y和X之间的关系2020/3/2)(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。2020/3/22020/3/2•表示塔中任一截面的气、液相组成Y、X之间呈直线关系，斜率为L/V，称为液气比，为溶剂摩尔流量/惰性气体摩尔流量，反映单位气体处理量的溶剂耗用量的大小•操作线位置仅决定于塔顶、塔底两端的气液相组成，B点称为‘浓端’，T称为‘稀端’•操作线通过物料衡算确定，仅与L、V及两相组成有关，而与塔型及压强、温度等无关2020/3/2•吸收操作线总是位于平衡线的上方，操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程•任一截面上的传质推动力为该截面上一相的组成与另一相的平衡组成之差，为操作线与平衡线的垂直距离和水平距离，相距越远，推动力越大。)(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY并流吸收塔的操作线：2020/3/2二、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2020/3/2最小液气比的求法图解法•正常的平衡线2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL2020/3/2•平衡线为上凸形时2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2020/3/2思考：若实际操作时，液气比小于或等于最小液气比，吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？最小液气比只对设计型问题有意义。能，但达不到指定的吸收要求2020/3/2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2020/3/2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**ppp333106.11033.101106.101604.02020/3/218/10017/2X0212.0XYm*0212.001604.0757.0XY757.0:平衡关系为2）最小吸收剂用量：2121minXmYYYVL或根据平衡数据求平均值2020/3/218/10017/2X0212.0XYm*0212.001604.0757.0XY757.0:平衡关系为2）最小吸收剂用量：2121minXmYYYVL2020/3/2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2020/3/23）每小时用水量Lmin2L8.252hkmol/6.51hkg/8.928三、适宜的液气比1、经济核算：设备费和操作费2、经验值：min))(2~1.1(VLVL2020/3/2uVDS4u为空塔气速，m/s，Vs为混合气体的体积流量，m3/s。四、塔径的计算Vs由塔底到塔顶逐渐减少，一般取全塔中最大的体积流量2020/3/2五填料层高度（对低浓度气体的计算）为什么要计算填料层高度？目的：保证其中有效气液接触面积能满足传质任务。怎样算Z?VZD塔径aAV单位体积有效传质面积AAGAN吸收速率方程式推动力相平衡关系传质所需的面积（为完成一任务）总是实际浓度与某种平衡浓度的差额(x*-x)或(y-y*)物料衡算（吸收负荷）（任务）2020/3/2所以填料层高度的计算将涉及到物料衡算、传质速率与相平衡三种关系式的应用*)(YYKNYA)*(XXKNXA只适合于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率。塔内各界面上的吸收速率并不相同。但是：ZDaZaaVA44A（气液接触面积）难于测定另外：为此考虑：微元填料层高度dZ微元体积ΩdZ相界面面积aΩdZ气相传入到液相的溶质量为NAaΩdZ单位时间传递的溶质量为NAaΩdZ物料衡算2020/3/2对组分A作物料衡算单位时间内由气相转入液相的A的物质量为：LdXVdYdGAdANdGAA)(dZaNA2020/3/2微元填料层内的吸收速率方程式为：)()(**XXKNYYKNXAYA及dzaYYKdGYA)(*dzaXXKdGXA)(*dzaYYKVdYY)(*dzaXXKLdXX)(*dZVaKYYdYY*dZLaKXXdXX*ZYYYdZVaKYYdY0*12ZXXXdZLaKXXdX0*122020/3/2低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及aKaKXY,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数，kmol/m3.s2、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讨论：1、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、单位体积填料层的有效接触面积，小于填料的固体比表面积3、a不仅与填料形状、尺寸、充填状况有关而且受流体物性及流动状况影响2020/3/2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OGOGNHZ表示完成一个传质单元分离效果所需的塔高要达到填料层高Z相当于HOG的倍数2020/3/2OLOLNHZ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2020/3/2GGNHZLLNHZ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—液膜传质单元数用膜系数及相应的推动力表示的填料层高度的计算式。2020/3/22）传质单元高度的物理意义112*YYOGYYdYNyaxa12ykxk-1kHOGyk+1xkyN,xN-1Nybxb2020/3/21)(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。2020/3/2HOG是表示填料设备效能高低的一个量，HOG越小则设备效能越高，完成相同的传质单元数的任务所需设备高度越小。aKVHYOG/3）HOG的影响因素V/Ω表示单位塔截面积上惰性