食品工程原理—吸收塔的计算

返回5.5吸收塔的计算5.5.1物料衡算与操作线方程5.5.2吸收剂用量的确定5.5.3填料层高度的计算5.5.4吸收塔的计算返回操作型：核算；操作条件与吸收结果的关系。计算依据：物料恒算；相平衡；吸收速率方程。吸收塔的计算内容：设计型：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高、塔径。返回5.5.1物料衡算与操作线方程一、物料衡算定态，假设S不挥发，B不溶于S全塔范围内，对A作物料衡算：VY1+LX2=VY2+LX1V（Y1－Y2）=L（X1－X2）V，Y2V，Y1L，X2L，X2121121Y)(YYVYYYV返回X1=X2＋V（Y1－Y2）/L二、操作线方程式及操作线1.逆流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX2=VY2+LX)(22XVLYXVLYY2=Y1（1－）——A被吸收的百分数，称为回收率或吸收率。返回)(21XVLYXVLY同理：逆流吸收操作线具有如下特点：XY1Y2X1X2ABVL)(*XfYY返回（3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。（2）操作线通过塔顶（稀端）A（X2，Y2）及塔底（浓端）B（X1，Y1）;（1）定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在X～Y坐标上为一直线，斜率为L/V。L/V为吸收操作的液气比；返回（5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；（4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平衡线OE下方。XAB)(*XfYYK.YXX*Y*返回2.并流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX=VY2+LX2)(22XVLYXVLYY1Y2X2X1ABXY逆流与并流的比较：1）逆流推动力均匀，且并流逆流mmYY2）Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1；X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。返回逆流与并流操作线练习Y3X2X1Y1Y2X2Y2X3CDABY1Y2Y3X1X2X3CDAB返回5.5.2吸收剂用量的确定B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1P返回一、最小液气比最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。minVL最小液气比的计算1.平衡曲线一般情况2*121minVXXYYLX*1——与Y1相平衡的液相组成。返回平衡关系符合亨利定律时：2121minVXmYYYL2.平衡曲线为凸形曲线情况2max,121minXXYYVL)(*XfY1Y2Y2X1Xmax,1X返回二、操作液气比设备费,,ZYVL再生费，并不总有效设备费,LZYVL,,)(VL0.21.1minVL【例5-5】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的SO2。返回吸收塔的操作温度为20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；（2）当用含SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据与Y1相平衡的液相组成=0.0032返回5.5.3填料层高度的计算一、传质单元数法1.塔高计算基本关系式单位时间，dZ内吸收A的量：XΩLYΩGGΩdddA——塔截面积，m2;GA——A的流率，kmol/(m2·s)；G——混合气体流率，kmol/(m2·s)；L——吸收剂流率，kmol/(m2·s)。返回ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1a——单位体积填料的有效传质面积，m2。)(*AYYKNY)dZ(ddAAAaΩNANGΩdZ)(d*AaYYKGYYGaYYKGYddZ)(d*A返回*dVdYYYaKZY1212**dV)(VdYYYYYYYYYaKYYaKYZ12*OGdYYYYYNaKHYVOG12*dVYYYYYYaKZ返回填料层高度OGOGHNZ同理：OLOLHNZGGHNZLLHNZaKLHXOL12*OLdXXXXXNakHYVG12GdYYiYYYNakLHXL12iLdXXXXXN返回——气相总体积传质系数，kmol/（m3·s）aKYaKX——液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）填料层高度可用下面的通式计算：Z=传质单元高度×传质单元数体积传质系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。2.传质单元数与传质单元高度返回12*dYYYYYYaKVZ以为例（1）传质单元数OLHOLN、—液相总传质单元高度、总传质单元数；GGHN、——气相传质单元高度、传质单元数；LLHN、——液相传质单元高度、传质单元数。OGOGHN、—气相总传质单元高度、总传质单元数；定义：气相总传质单元数12*OGdYYYYYN返回传质单元数的意义：反映了取得一定吸收效果的难易程度。平均推动力组成变化气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1－Y2）等于该段填料平均吸收推动力（Y－Y*）m时，该段填料为一个传质单元。的意义：1OGNm*21*OG)(d12YYYYYYYNYY返回（2）传质单元高度定义：aKVHYOG气相总传质单元高度，m。传质单元高度的意义:完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。传质单元高度影响因素：填料性能、流动状况体积总传质系数与传质单元高度的关系:2.0~3.0Y8.0~7.0YVV,VaKaK传质单元高度变化范围：0.15～1.5m。返回各种传质单元高度之间的关系：设平衡线斜率为mLGOGHLmVHHGLOLHmVLHH同理：OLOGHLmVH比较上式：XYYkmkK11LLaΩkmVaΩkVaΩKVXYY返回3、传质单元数的计算（1）对数平均推动力法气液平衡线为直线bXmY*操作线也为直线)(11xVLYXGLY=Y－Y＊=AY+BY212*1*2121)()(Ad)d(YYYYYYYYYYYY12*OGdYYYYYN12dYYYYYYYYYYYYd122121返回OGNOGNOGN212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYm21YYY2121mlnYYYYY*111YYY*222YYY返回同理：OLN注意：1）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。=m21XXX＝2121mlnXXXXX1*11XXX2*22XXX返回2）平衡线与操作线平行时，OGN3）当、时，对数平均推动力可用算术平均推动力。（2）吸收因数法平衡线为通过原点的直线，服从亨利定律XmY*逆流为例：*22*11*YYYYYY*1121YYYY*2221YYYY221YY221XX返回22)(XYYLVX12*OGdYYYYYN12dYYmXYY1222])([dYYXYYLVmYYOGNLmVSS——解吸因数（脱吸因数）1222)()1(dYYmXYLmVYLmVY＝LmVmXYmXYLmVLmVN2221OG1ln11返回2221mXYmXYSmXYmXYSSN2221OG1ln11返回讨论：m、y1、X2、S一定时：OG22212NmXYmXYY注意：图的适用范围为20及S0.75。1）的意义：反映了A吸收率的高低。2）参数S的意义：反映了吸收过程推动力的大小，其值为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。OG2221NSmXYmXY，，推动力一定，S范围在0.7～0.82221mXYmXY2221mXYmXY返回3）,02XSSSN111ln11OG4）OLOGSHHSmXYmXYSSSNSN2221OGOL1ln1mVLA/——吸收因数11212221YYmXYmXYAmXYmXYAAN1121OL1ln11返回（3）数值积分法平衡线为曲线时，图解积分法步骤如下：1）操作线上任取一点（X,Y），其推动力为(Y-Y*)。2）系列Y～作图得曲线。*1YY3）积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。12*OGdYYYYYN返回Y1Y2*1YYY1YY22X1XXoE12*dYYYYY返回二、等板高度法理论级:不平衡的气液两相在一段填料层内相互接触，离开该段填料的气液两相达到相平衡，此段填料为一个理论级。Z=HETP×NTNT——完成分离任务，所需的理论级数；HETP——等板高度。等板高度：分离效果达到一个理论级所需的填料层高度。返回5.5.4吸收塔的计算命题：物系、操作条件一定，计算达到指定分离要求所需塔高。分离要求：残余浓度Y2或溶质的回收率一、设计型1.流向的选择逆流特点：1)逆流推动力大，传质速率快；2）吸收液的浓度高；3）溶质的吸收率高；4）液体受到上升气体的曳力，限制了液体流量和气体流量。返回2、吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度再生费高设备费高，经济上：技术上：22*22ΔXZXXXX3、吸收剂流量的确定min)0.2~1.1(LL【例5-6】空气中含丙酮2%（体积百分数）的混合气以0.024kmol/(m2·s)的流率进入一填料塔，今用流率为0.065kmol/(m2·s)的清水逆流吸收混合气中的丙酮，要求丙酮的回收率为98.8%。已知操作压力为100kPa，操作温度下的亨利系数为177kPa，气相总体积吸收系数为0.0231kmol/(m3·s)，试用解吸因数法求填料层高度。返回【例5-7】在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为Y*=0.75X，气相总体积吸收系数为0.088kmol/(m3·s)，试求（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。返回二、吸收塔的操作型计算命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算;吸收塔的核算。1.定性分析【例5-8】在一填料塔中用清水吸收氨－空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、X1何变化？（已知体积传质系数随流量变化关系为）8.0VakY返回定性分析步骤：1）根据条件确定HOG、S；2）利用Z=NOG·HOG，确定的变化;3）采用吸收因数法确定Y2的变化;4）利用全塔物料衡算分析X1变化。OGN2.定量计算问题：吸收温度降低，Y2、X1、吸收操作线如何变化？X2降低，Y2、X1、吸收操作线如何变化？吸收压力提高，Y2、X1、吸收操作线如何变化？返回【例5-9】某填料吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮—空气混合气中的丙酮，操作液气比为2.0，丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收，操作条件下气液平衡关系为，吸收过程为气膜控制，气相总体积吸收系数与气体流率的0.8次方成正比。（塔截面积为1㎡）（1）若气体流量增加1