化工基礎ch4(吸收)(3)

1、第第四四章章 吸收吸收一、物料衡算與操作線方程一、物料衡算與操作線方程 二、吸收劑用量的確定二、吸收劑用量的確定三、塔徑的計算三、塔徑的計算 四、填料層高度的計算填料層高度的計算 五、理論板層數(shù)的計算理論板層數(shù)的計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算 第第四四節(jié)節(jié) 吸收塔的計算吸收塔的計算2021-12-9吸收塔的實際計算，一般的已知條件是：吸收塔的實際計算，一般的已知條件是： 1）氣體混合物中溶質(zhì)）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（的組成（mol分率）以及流量分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收劑的種類及）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關系；下的相平衡關系； 3）出塔的氣體組成）出塔

2、的氣體組成 需要計算：需要計算：1）吸收劑的用量吸收劑的用量kmol/(m2.s)(操作型問題操作型問題)2）塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度(設計型問題設計型問題)2021-12-9一、吸收塔的物料衡算與操作線方程一、吸收塔的物料衡算與操作線方程 1、物料衡算、物料衡算 目的目的 ： 確定各物流之間的量的關系確定各物流之間的量的關系以及設備中任意位置兩物料以及設備中任意位置兩物料組成之間的關系。組成之間的關系。 對單位時間內(nèi)進出吸收塔的對單位時間內(nèi)進出吸收塔的A的物的物 質(zhì)量作衡算質(zhì)量作衡算 1221LXVYLXVY2021-12-9)()(2121XXLYYV2

3、211XVLYXVLY吸收率吸收率A混合氣中溶質(zhì)混合氣中溶質(zhì)A 被吸收的百分率被吸收的百分率 )1 (12AYY2、吸收塔的操作線方程式與操作線、吸收塔的操作線方程式與操作線在在 mn截面與塔底截面之間作組分截面與塔底截面之間作組分A的衡算的衡算LXVYLXVY112021-12-9)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作線方程逆流吸收塔操作線方程在在mn截面與塔頂截面之間作組分截面與塔頂截面之間作組分A的衡算的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY逆流吸收塔操作線方程逆流吸收塔操作線方程表明表明 ： 塔內(nèi)任一截面的氣相濃度塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度與液相濃度X之間成直線之間成

4、直線關系，直線的關系，直線的斜率為斜率為L/V。 2021-12-92021-12-9并流吸收塔的操作線：并流吸收塔的操作線： )(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作線總是位于平衡線的上方，吸收操作線總是位于平衡線的上方，如操作線位于平衡線下方，則應進行解吸過程。如操作線位于平衡線下方，則應進行解吸過程。 2021-12-9二、吸收劑用量的確定二、吸收劑用量的確定液氣比液氣比Y1L/VBB*min)(VL最小最小液氣比液氣比min)(0 . 21 . 1 (VLVL2021-12-9最小液氣比的求法最小液氣比的求法 圖解法圖解法正常的平衡線正常的平衡線 2*121min)(X

5、XYYVL2*121minXXYYVL2021-12-9平衡線為上凸形時平衡線為上凸形時 2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2021-12-9計算法計算法適用條件適用條件：平衡線符合亨利定律，可用平衡線符合亨利定律，可用 mXY*表示表示 2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例：例：空氣與氨的混合氣體，總壓為空氣與氨的混合氣體，總壓為101.33kPa，其中氨的分其中氨的分壓為壓為1333Pa，用用20的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回收率為收率為99%，每小時的處理量為，每小時的處理量為1000kg空氣。物系的平衡空

6、氣。物系的平衡關系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的關系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試倍，試2021-12-9求每小時送入塔內(nèi)的水量。求每小時送入塔內(nèi)的水量。溶液濃度溶液濃度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3分壓分壓Pa 1600 2000 2427分析：分析：求水量求水量吸收劑用量吸收劑用量L求求Lmin已知已知L/Lmin平衡常數(shù)平衡常數(shù)解：解：1）平衡關系）平衡關系 *1yyY*1pp333106 . 11033.101106 . 101604. 02021-12-918/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0X

7、Y757. 0:平衡關系為2）最小吸收劑用量：）最小吸收劑用量： 2121minXmYYYVL2021-12-9其中：其中： 291000Vhkmol/5 .34空氣333. 133.101333. 11Y0133. 012)99. 01 (YY0133. 001. 0000133. 002X757. 0m2121min)(XmYYYVL0757. 00133. 0)000133. 00133. 0(5 .34hkmol /8 .252021-12-93）每小時用水量）每小時用水量 Lmin2L8 .252hkmol /6 .51hkg /8 .928三、塔徑的計算三、塔徑的計算 04VTqD

8、uu空塔氣速空塔氣速 2021-12-9四、填料層高度的計算四、填料層高度的計算 1、填料層高度的基本計算式、填料層高度的基本計算式 對組分對組分A作物料衡算作物料衡算 單位時間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的單位時間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A物質(zhì)的量為：物質(zhì)的量為：AdGVdYLdXdANdGAA()ANa dH2021-12-9微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為：微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為： )()(*XXKNYYKNXAYA及*()AYdGKYYa dH*()AXdGKXX a dH*()YVdYKYYa dH*()XLdXKXX a dH*YK adYdHYYV*XK adXdHXXL12*0YZYYK

9、adYdHYYV12*0XZXXK adXdHXXL2021-12-9低濃度氣體吸收時填料層的基本關系式為低濃度氣體吸收時填料層的基本關系式為 12*YYYVdYHK aYY12*XXXLdXHK aXX及aKaKXY,氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù) 物理意義物理意義 ：在推動力為一個單位的情況下，單位時間單在推動力為一個單位的情況下，單位時間單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù) 1）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念 2021-12-9aKVY

10、的單位的單位 /23msmkmolskmolm稱為稱為“氣相總傳質(zhì)單元高度氣相總傳質(zhì)單元高度” ，用用 OGH表示表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元數(shù) OGOGHHN2021-12-9OLOLHHNOLH液相總傳質(zhì)單元高度，液相總傳質(zhì)單元高度，m ；aKLHxOLOLN液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次 ；12*XXOLXXdXN依此類推，可以寫出通式：依此類推，可以寫出通式：試寫出用膜系數(shù)及相應的推動力表示的填料層高度的計算式。試寫出用膜系數(shù)及相應的推動力表示的填料層高度的計算式。填料層高度填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳

11、質(zhì)單元數(shù) 2021-12-9GGHHNLLHHNakVHyG氣膜傳質(zhì)單元高度，氣膜傳質(zhì)單元高度，m 12YYiGYYdYN氣膜傳質(zhì)單元數(shù)氣膜傳質(zhì)單元數(shù) akLHxL液膜傳質(zhì)單元高度，液膜傳質(zhì)單元高度，m 12XXiLXXdXN液膜傳質(zhì)單元數(shù)液膜傳質(zhì)單元數(shù) 2021-12-92）傳質(zhì)單元高度的物理意義）傳質(zhì)單元高度的物理意義 112*YYOGYYdYN2021-12-91)(1212*YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm氣體流經(jīng)一段氣體流經(jīng)一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內(nèi)填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內(nèi)以氣相濃度差表示

12、的總推動力的的平均值時以氣相濃度差表示的總推動力的的平均值時，那么，這段，那么，這段填料層的高度就是填料層的高度就是一個氣相總傳質(zhì)單元高度一個氣相總傳質(zhì)單元高度。2021-12-9 吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個傳質(zhì)單元所相當?shù)奶盍蠈痈叨仍酱蟆Ｃ總€傳質(zhì)單元所相當?shù)奶盍蠈痈叨仍酱蟆?傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難度，傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難度，任務所要求的任務所要求的氣體濃氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小度變化越大，過程的平均推動力越小，則意味著過程難度越，則意味著過程難度越大，此時大，此時所需的傳質(zhì)單元數(shù)越大。所需的傳質(zhì)

13、單元數(shù)越大。3、傳質(zhì)單元數(shù)的求法、傳質(zhì)單元數(shù)的求法 平衡線為直線時平衡線為直線時 對數(shù)平均推動力法對數(shù)平均推動力法解吸因數(shù)法解吸因數(shù)法平衡線為曲線時平衡線為曲線時 圖解積分法圖解積分法近似梯級法近似梯級法2021-12-9a）對數(shù)平均推動力法對數(shù)平均推動力法 吸收的操作線為直線，當平衡線也為直線時吸收的操作線為直線，當平衡線也為直線時 *YYY)(Yf直線函數(shù)直線函數(shù) 2121)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY1）平衡線為直線時）平衡線為直線時2021-12-912*YYOGYYdYN)(122121YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY2

14、12121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212021-12-9其中：其中： 2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY塔頂與塔底兩截面上吸收推動力的對數(shù)平均，稱為塔頂與塔底兩截面上吸收推動力的對數(shù)平均，稱為對對數(shù)平均推動力數(shù)平均推動力。當當 22121YY相應的對數(shù)平均推動力可用算術平均相應的對數(shù)平均推動力可用算術平均推動力代替。推動力代替。寫出寫出NOL、NG、NL的表達式的表達式。2021-12-9mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN212211221121

15、21ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYYYYYYYimLXXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim2021-12-9b）解吸因數(shù)法解吸因數(shù)法 平衡關系用直線平衡關系用直線 bmXY*表示時，表示時，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX將將代入代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYN2021-12-91222(1)()YOGYdYNmVmVYYmXbLL令令 SLmV12)()1 (*22YYOGYSYYSdYN)()1 ()()1 (ln11*222*221YSYYSYSYYSS1A

16、2021-12-9*12222*22(1)1ln1OGS YYSYSYSYNSYY)()1 ()1 (ln11*22*22*21YYYYSYSYSS)1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 解吸因數(shù)。解吸因數(shù)。平衡線斜率和操作線斜率的比值平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次。無因次。S愈大，解吸愈易進行。愈大，解吸愈易進行。 AmVLS1吸收因數(shù)吸收因數(shù) 2021-12-92021-12-9分析分析 ：橫坐標橫坐標 *22*21YYYY值的大小，值的大小，反映了溶質(zhì)吸收率的高低反映了溶質(zhì)吸收率的高低。 在氣液進口濃度一定的情況下，在氣液進口濃度一定的情況下，吸收率愈高，吸收率愈高，

17、Y2愈小，橫愈小，橫坐標的數(shù)值愈大，對應于同一坐標的數(shù)值愈大，對應于同一S值的值的NOG愈大。愈大。S反映吸收推動力的大小反映吸收推動力的大小 在氣液進出口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，在氣液進出口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，若增大若增大S值值，也就是減小液氣比，也就是減小液氣比L/V，則則溶液出口濃度提高，塔內(nèi)吸溶液出口濃度提高，塔內(nèi)吸收推動力變小，收推動力變小， NOG值增大。值增大。 2021-12-9對于一固定的吸收塔來說，當對于一固定的吸收塔來說，當NOG已確定時，已確定時，S值越小，值越小，*22*21YYYY愈大，愈能提高吸收的程度。愈大，愈能提高吸收的程度。 減小減小S增大液

18、氣比增大液氣比 吸收劑用量增大，能耗加大，吸吸收劑用量增大，能耗加大，吸收液濃度降低收液濃度降低 適宜的適宜的S值值： 8 . 07 . 0S)1ln(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSN2021-12-9 例例：某生產(chǎn)車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣：某生產(chǎn)車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進料混合氣組成為進料混合氣組成為0.04（組分（組分A的的mol分率，下同）分率，下同），出塔尾氣組成為，出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為，出塔水溶液濃度為

19、0.0128，操作，操作條件下的平衡關系為條件下的平衡關系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：均為摩爾比），試求：1）L/V為為(L/V)min的多少倍？的多少倍？2）所需填料層高度。）所需填料層高度。3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至度降至0.0033，求此時所需填料層高度為若干米？，求此時所需填料層高度為若干米？ 2021-12-9解：解：04. 0104. 01Y0417. 00053. 010053. 02Y00533. 00128. 010128. 01X01297. 0 1）L/V為為(L/V)min的

20、倍數(shù)的倍數(shù)2121XXYYVL001297. 000533. 00417. 0804. 22021-12-92121min)(XmYYYVL)1 (12YYm)0417. 000533. 01 (5 . 218. 2286. 1)/()(minVLVL2）所需填料層高度）所需填料層高度解吸因數(shù)法解吸因數(shù)法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804. 25 . 2892. 02021-12-9892. 0000533. 000417. 0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHZ11. 55 . 167. 7對數(shù)平均推動力法對數(shù)平均推動力法mOGY

21、YYN21mY00533. 00417. 02021-12-92121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY0053. 001297. 05 . 20417. 0ln)000533. 0()01297. 05 . 20417. 0( 007117. 0mOGYYYN21007117. 000533. 00417. 011. 52021-12-93）尾氣濃度下降后所需的填料層高度）尾氣濃度下降后所需的填料層高度 尾氣濃度尾氣濃度 0033. 010033. 02Y00331. 0)1ln(1121SYYSSNOG00331. 00417. 021YY6 .12892

22、. 06 .12)892. 01ln(892. 011OGN52. 7OGOGNHZ52. 75 . 1m28.112021-12-92）平衡線不為直線）平衡線不為直線a）圖解積分法圖解積分法 AA*YY*XYYY1Y2Y112YYYYdY2021-12-9b）近似梯級法近似梯級法MMM1F1F2021-12-9分析梯級分析梯級TF1F 11111/,FFHMFMTM *112HHHMFF在梯級在梯級 T*A*FT中，中，)(21*11*FFTTHH平均推動力平均推動力 FYYYYdY2*mFFYYY2*1HHFF1 211112*FFFYYYYYYYYdYYYdYYYdY 11OGN2021

23、-12-9五、理論板層數(shù)的計算五、理論板層數(shù)的計算 1、圖解法、圖解法 2021-12-92、解析法求理論板層數(shù)、解析法求理論板層數(shù) 1）理論板數(shù)的解析表達式）理論板數(shù)的解析表達式 當吸收涉及的濃度區(qū)間內(nèi)平衡關系為直線當吸收涉及的濃度區(qū)間內(nèi)平衡關系為直線 bmXY*時時 在在 III 層板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分層板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算的衡算 IIIVYLXLXVY10IIIYXXVLY)(01若相平衡關系可采用若相平衡關系可采用 bmXY*表示表示 2021-12-9mbYXmbYXII*00,IIIIYmYYVLY)(*0AmVLIIIIYYYAY)(*0*0) 1(A

24、YYAYIII2021-12-9在在IIIII 板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算的衡算 IIIIIIVYLXLXVY0IIIIIIYXXVLY)(0IIIYmbYmbYVL)(*0IIIYmYYVL)(*0IIIYYYA)(*02021-12-9將將 *0) 1(AYYAYIII代入，得：代入，得：IIIIIYYAYYAAY) 1(*0*0*022)() 1(YAAYAAI 同理，可以推到第同理，可以推到第N與與N+1板與塔頂，即塔頂與塔底間組板與塔頂，即塔頂與塔底間組分分A的物料衡算式：的物料衡算式：*0111)() 1(YAAAYAAAYNNINNN 兩

25、端同減兩端同減 *0Y2021-12-9211,YYYYIN*22*0YbmXY111*2121TTNNAAAYYYY相對吸收率相對吸收率 溶質(zhì)的吸收率與理論最大吸收率的比值溶質(zhì)的吸收率與理論最大吸收率的比值 *2121YYYY分析相對吸收率與吸收率的區(qū)別與聯(lián)系分析相對吸收率與吸收率的區(qū)別與聯(lián)系2021-12-9)(1(*011YYAAAYINNN ) 1() 1(AA)(11*01YYAAIN111*01*02NNAAYYYY11111*01*0NNIAAYYYY111*011NNNINAAAYYYY克列姆塞爾方程克列姆塞爾方程2021-12-9111TTNNAAA1ln1lnAANT11A

26、ATN*2121*21211YYYYYYYYA)()()()(21*2121*21YYYYYYYYA1) 1(*22*21YYYYA2021-12-91 1) 1ln(ln1*22*21YYYYAANT1)11ln(ln1*22*21AYYYYAA2）理論板數(shù)與）理論板數(shù)與NOG的關系的關系 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGSANNOGT11ln1ASln1AAln11AAAAAln1SSln12021-12-9當當 1A時，時， 1OGTNNTOGNN當當 1A時，時， 1OGTNNTOGNN當當 1A時，時， 11ln1)ln() 1(AAAAOGTNN2021-12-9六、

27、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算 例：例：某吸收塔在某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣下用清水逆流吸收丙酮空氣混合物中的丙酮，操作混合物中的丙酮，操作液氣比為液氣比為2.1時，丙酮時，丙酮回收率可達回收率可達95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關系為。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關系為y=1.18x，吸收過程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)吸收過程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)Kya與氣體流率與氣體流率的的0.8次方成正比，次方成正比，1）今氣體流率增加）今氣體流率增加20%，而流體及氣液進出口組成不變，而流體及氣液進出口組成不變，試求：試求：a）丙酮的回收率有何變化？丙酮的回收率有何變化？2021-12-9b）單位時間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？單位時間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？2）若氣體流率，氣液進出口組成，吸收塔的操作溫度和）若氣體流率，氣液進出口組成，吸收塔的操作溫度和壓強皆不變，欲將丙酮回收率由原來壓強皆不變，欲將丙酮回收率由原來95%的提高至的提高至98%，吸收劑用量應增加到原