化工原理第六章第四節(jié)講稿

1、2022-4-9第第第第第第六六六六六六章章章章章章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收一、物料衡算與操作線(xiàn)方程一、物料衡算與操作線(xiàn)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(jì)算三、塔徑的計(jì)算 四、填料層高度的計(jì)算填料層高度的計(jì)算 五、理論板層數(shù)的計(jì)算理論板層數(shù)的計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算 第第第第第第四四四四四四節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié) 吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算2022-4-9吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般的已知條件是：吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般的已知條件是： 1）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收劑的

2、種類(lèi)及T、P下的相平衡關(guān)系； 3）出塔的氣體組成 需要計(jì)算：需要計(jì)算：1）吸收劑的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度2022-4-9一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)方程一、吸收塔的物料衡算與操作線(xiàn)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(guān)系以及設(shè)備中任意位置兩物料組成之間的關(guān)系。 對(duì)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出吸收塔的A的物 質(zhì)量作衡算 1221LXVYLXVY2022-4-9)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY吸收率

3、A混合氣中溶質(zhì)A 被吸收的百分率 )1 (12AYY2、吸收塔的操作線(xiàn)方程式與操作線(xiàn)、吸收塔的操作線(xiàn)方程式與操作線(xiàn)在 mn截面與塔底截面之間作組分A的衡算LXVYLXVY112022-4-9)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作線(xiàn)方程逆流吸收塔操作線(xiàn)方程在mn截面與塔頂截面之間作組分A的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY逆流吸收塔操作線(xiàn)方程逆流吸收塔操作線(xiàn)方程表明 ： 塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線(xiàn)關(guān)系，直線(xiàn)的斜率為L(zhǎng)/V。 2022-4-92022-4-9并流吸收塔的操作線(xiàn)：并流吸收塔的操作線(xiàn)： )(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作線(xiàn)總是位于

4、平衡線(xiàn)的上方，操作線(xiàn)位于平衡線(xiàn)下方，則應(yīng)進(jìn)行脫吸過(guò)程。 2022-4-9二、吸收劑用量的確定二、吸收劑用量的確定二、吸收劑用量的確定二、吸收劑用量的確定二、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 (VLVL2022-4-9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(xiàn) 2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL2022-4-9平衡線(xiàn)為上凸形時(shí) 2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2022-4-9計(jì)算法計(jì)算法適用條件：平衡線(xiàn)符合亨利定律，可用 mXY*表示 2

5、121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例：例：空氣與氨的混合氣體，總壓為101.33kPa，其中氨的分壓為1333Pa，用20的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回收率為99%，每小時(shí)的處理量為1000kg空氣。物系的平衡關(guān)系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試2022-4-9求每小時(shí)送入塔內(nèi)的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3分壓Pa 1600 2000 2427分析：分析：求水量吸收劑用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常數(shù)解：解：1）平衡關(guān)系 *1yyY*1pp333106 . 11033.101106 . 101604. 02022-4

6、-918/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0XY757. 0:平衡關(guān)系為2）最小吸收劑用量： 2121minXmYYYVL2022-4-9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 .252022-4-93）每小時(shí)用水量 Lmin2L8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .9

7、28三、塔徑的計(jì)算三、塔徑的計(jì)算 uVDS4u空塔氣速 2022-4-9四、填料層高度的計(jì)算四、填料層高度的計(jì)算四、填料層高度的計(jì)算四、填料層高度的計(jì)算四、填料層高度的計(jì)算四、填料層高度的計(jì)算 1、填料層高度的基本計(jì)算式、填料層高度的基本計(jì)算式 對(duì)組分A作物料衡算 單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A的物質(zhì)量為：LdXVdYdGAdANdGAA)(dZaNA2022-4-9微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為： )()(*XXKNYYKNXAYA及dzaYYKdGYA)(*dzaXXKdGXA)(*dzaYYKVdYY)(*dzaXXKLdXX)(*dZVaKYYdYY*dZLaKXXdXX*ZYYYdZV

8、aKYYdY0*12ZXXXdZLaKXXdX0*122022-4-9低濃度氣體吸收時(shí)填料層的基本關(guān)系式為 12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及aKaKXY,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(dòng)力為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間單位體積填料層內(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 2022-4-9aKVY的單位 /23msmkmolskmolm稱(chēng)為“氣相總傳質(zhì)單元高度氣相總傳質(zhì)單元高度” ，用 OGH表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN氣相

9、總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元數(shù) OGOGNHZ 2022-4-9OLOLNHZ OLH液相總傳質(zhì)單元高度，m ；aKLHxOLOLN液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次 ；12*XXOLXXdXN依此類(lèi)推，可以寫(xiě)出通式：試寫(xiě)出用膜系數(shù)及相應(yīng)的推動(dòng)力表示的填料層高度的計(jì)算式。填料層高度填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù) 2022-4-9GGNHZLLNHZakVHyG氣膜傳質(zhì)單元高度，m 12YYiGYYdYN氣膜傳質(zhì)單元數(shù) akLHxL液膜傳質(zhì)單元高度，m 12XXiLXXdXN液膜傳質(zhì)單元數(shù) 2022-4-92）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*YYOGYYdY

10、N2022-4-91)(1212*YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm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)以氣相濃度差表示的總推動(dòng)力的的平均值時(shí)，那么，這段填料層的高度就是一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度。2022-4-9 吸收過(guò)程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個(gè)傳質(zhì)單元所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨仍酱蟆?傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過(guò)程的難度，任務(wù)所要求的氣體濃度變化越大，過(guò)程的平均推動(dòng)力越小，則意味著過(guò)程難度越大，此時(shí)所需的傳質(zhì)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(xiàn)為直線(xiàn)時(shí) 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法脫吸因數(shù)法平衡線(xiàn)為曲線(xiàn)

11、時(shí) 圖解積分法近似梯級(jí)法2022-4-91）平衡線(xiàn)為直線(xiàn)時(shí)）平衡線(xiàn)為直線(xiàn)時(shí)a）脫吸因數(shù)法 平衡關(guān)系用直線(xiàn) bmXY*表示時(shí)，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX將代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYN2022-4-912)()1 (22YYbmXYLmVYLmVdY令 SLmV12)()1 (*22YYOGYSYYSdYN)()1 ()()1 (ln11*222*221YSYYSYSYYSS2022-4-9)1 (ln11*22*22*2*21YYSYSYSYYYSS)()1 ()1 (ln11*22*22*21YYYYSYSYSS)1ln(11*22*

12、21SYYYYSSNOGLmVS 脫吸因數(shù)。脫吸因數(shù)。平衡線(xiàn)斜率和操作線(xiàn)斜率的比值無(wú)因次。S愈大，脫吸愈易進(jìn)行。 AmVLS1吸收因數(shù)吸收因數(shù) 2022-4-92022-4-9分析分析 ：橫坐標(biāo) *22*21YYYY值的大小，反映了溶質(zhì)吸收率的高低。 在氣液進(jìn)出口濃度一定的情況下，吸收率愈高，吸收率愈高，Y2愈小，愈小，橫坐標(biāo)的數(shù)值愈大，對(duì)應(yīng)于同一橫坐標(biāo)的數(shù)值愈大，對(duì)應(yīng)于同一S值的值的NOG愈大。愈大。S反映吸收推動(dòng)力的大小反映吸收推動(dòng)力的大小 在氣液進(jìn)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L/V，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(dòng)力變小，

13、收推動(dòng)力變小， NOG值增大。值增大。 2022-4-9對(duì)于一固定的吸收塔來(lái)說(shuō)，當(dāng)NOG已確定時(shí)，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S增大液氣比 吸收劑用量增大，能耗加大，吸收液濃度降低 適宜的S值： 8 . 07 . 0S)1ln(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSN2022-4-9b）對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 吸收的操作線(xiàn)為直線(xiàn)，當(dāng)平衡線(xiàn)也為直線(xiàn)時(shí) *YYY)(Yf直線(xiàn)函數(shù) 2121)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY2022-4-912*YYOGYYdYN)(122121

14、YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212022-4-9其中： 2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY塔頂與塔底兩截面上吸收推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均，稱(chēng)為對(duì)對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力數(shù)平均推動(dòng)力。時(shí)， 當(dāng) 22121YY相應(yīng)的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力代替。寫(xiě)出NOL、NG、NL的表達(dá)式。2022-4-9mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN21221122112121ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYY

15、YYYYYimLXXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim2022-4-9 例例：某生產(chǎn)車(chē)間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)料混合氣組成為0.04（組分的Amol分率，下同），出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關(guān)系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）L/V為(L/V)min的多少倍？2）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度降至0.0033，求此時(shí)所需填料層高度為若干米？ 2022-4-9解：

16、解：04. 0104. 01Y0417. 00053. 010053. 02Y00533. 00128. 010128. 01X01297. 0 1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)2121XXYYVL001297. 000533. 00417. 0804. 22022-4-92121min)(XmYYYVL)1 (12YYm)0417. 000533. 01 (5 . 218. 2286. 1)/()(minVLVL2）所需填料層高度脫吸因數(shù)法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804. 25 . 2892. 02022-4-9892. 0000533. 000417.

17、0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHZ11. 55 . 167. 7對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法mOGYYYN21mY00533. 00417. 02022-4-92121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY0053. 001297. 05 . 20417. 0ln)000533. 0()01297. 05 . 20417. 0( 007117. 0mOGYYYN21007117. 000533. 00417. 011. 52022-4-93）尾氣濃度下降后所需的填料層高度 尾氣濃度 0033. 010033. 02Y00331. 0)1ln

18、(1121SYYSSNOG00331. 00417. 021YY6 .12892. 06 .12)892. 01ln(892. 011OGN52. 7OGOGNHZ52. 75 . 1m28.112022-4-92）平衡線(xiàn)不為直線(xiàn)）平衡線(xiàn)不為直線(xiàn)a）圖解積分法 AA*YY*XYYY1Y2Y112YYYYdY2022-4-9b）近似梯級(jí)法MMM1F1F2022-4-9分析梯級(jí)TF1F 11111/,FFHMFMTM *112HHHMFF在梯級(jí) T*A*FT中，)(21*11*FFTTHH平均推動(dòng)力 FYYYYdY2*mFFYYY2*1HHFF1 211112*FFFYYYYYYYYdYYYdYY

19、YdY 11OGN2022-4-9五、理論板層數(shù)的計(jì)算五、理論板層數(shù)的計(jì)算五、理論板層數(shù)的計(jì)算五、理論板層數(shù)的計(jì)算五、理論板層數(shù)的計(jì)算五、理論板層數(shù)的計(jì)算 1、圖解法、圖解法 2022-4-92、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(dá)式）理論板數(shù)的解析表達(dá)式 當(dāng)吸收涉及的濃度區(qū)間內(nèi)平衡關(guān)系為直線(xiàn) bmXY*時(shí) 在 III 層板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算 IIIVYLXLXVY10IIIYXXVLY)(01若相平衡關(guān)系可采用 bmXY*表示 2022-4-9mbYXmbYXII*00,IIIIYmYYVLY)(*0AmVLIIIIYYYAY)(*0*0) 1(A

20、YYAYIII2022-4-9在IIIII 板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算 IIIIIIVYLXLXVY0IIIIIIYXXVLY)(0IIIYmbYmbYVL)(*0IIIYmYYVL)(*0IIIYYYA)(*02022-4-9將 *0) 1(AYYAYIII代入，得：IIIIIYYAYYAAY) 1(*0*0*022)() 1(YAAYAAI 同理，可以推到第N與N+1板與塔頂，即塔頂與塔底間組分A的物料衡算式：*0111)() 1(YAAAYAAAYNNINNN 兩端同減 *0Y2022-4-9)(1(*011YYAAAYINNN ) 1() 1(AA)(11*01YYAAIN

21、111*01*02NNAAYYYY11111*01*0NNIAAYYYY111*011NNNINAAAYYYY克列姆塞爾方程2022-4-9211,YYYYIN*22*0YbmXY111*2121TTNNAAAYYYY相對(duì)吸收率相對(duì)吸收率 溶質(zhì)的吸收率與理論最大吸收率的比值 *2121YYYY分析相對(duì)吸收率與吸收率的區(qū)別與聯(lián)系2022-4-9111TTNNAAA1ln1lnAANT11AATN*2121*21211YYYYYYYYA)()()()(21*2121*21YYYYYYYYA1) 1(*22*21YYYYA2022-4-91 1) 1ln(ln1*22*21YYYYAANT1)11l

22、n(ln1*22*21AYYYYAA2）理論板數(shù)與）理論板數(shù)與NOG的關(guān)系的關(guān)系 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGSANNOGT11ln1ASln1AAln11AAAAAln1SSln12022-4-9當(dāng) 1A時(shí)， 1OGTNNTOGNN當(dāng) 1A時(shí)， 1OGTNNTOGNN當(dāng) 1A時(shí)， 11ln1)ln() 1(AAAAOGTNN2022-4-9六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算 例：例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣混合物中的丙酮，操作液氣比為2.1時(shí)，丙酮回收率可達(dá)95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關(guān)系為y=1.18x，吸收過(guò)程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)Kya與氣體流率的0.8次方成正比，1）今氣體流率增加20%，而流體及氣液進(jìn)出口組成不變，試求：a）丙酮的回收率有何變化？2022-4-9b）單位時(shí)間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？2）若氣體流率，氣液進(jìn)出口組成，吸收塔的操作溫度和壓強(qiáng)