化工吸收塔的物料衡算與操作線方程課件

吸收速率方程

與膜系數相對應的吸收速率式與總系數對應的速率式

用一相主體與界面的濃度差表示推動力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動力上節(jié)內容復習NA=單相的分吸收（傳質）推動力×分傳質系數

=雙相的總吸收（傳質）推動力×總傳質系數2022/12/282、液膜吸收速率方程式

3、總吸收速率方程式

1、氣膜吸收速率方程式

2022/12/28總阻力=氣膜阻力+液膜阻力

4、吸收系數關系2022/12/28氣膜控制（易溶體系）：H很大，m值很小

故1）溶解度很大時的易溶氣體

2022/12/28液膜控制（難溶體系）：故雙膜控制（中等溶解度體系）氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，稱其為雙膜控制。如用水吸收SO22022/12/28第二章吸收

一、物料衡算與操作線方程

二、吸收劑用量的確定三、塔徑的計算

四、填料層高度的計算

五、理論板層數的計算六、吸收的操作型計算

第三節(jié)

吸收塔的計算2022/12/28研究逆流操作的填料塔吸收塔逆流操作的優(yōu)點1、可獲得較大的平均推動力，提高吸收速率。2、塔底液體與剛進塔的混氣接觸，有利于提高出塔吸收液的濃度，從而減少吸收劑用量3、塔頂氣體與剛進塔的吸收劑接觸，有利于降低出塔氣體濃度，提高溶質吸收率。2022/12/28計算：1、操作型：對已有吸收塔的操作條件和吸收效果間的關系進行分析計算1）給定操作條件，求吸收效果，即氣液兩相出口濃度2）給定吸收效果，確定操作條件2、設計型：根據分離和工藝要求，確定塔的尺寸或估計吸收劑用量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2022/12/28吸收率混合氣中溶質A被吸收的百分率

吸收劑濃度X1的確定物料衡算方程對單位時間內進出吸收塔的A的物質量作衡算

稀端濃端2022/12/28——逆流吸收塔操作線方程在m—n截面與塔頂截面之間作組分A的衡算——逆流吸收塔操作線方程表明：塔內任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關系，直線的斜率為L/V。

2022/12/282022/12/28表示塔中任一截面的氣、液相組成Y、X之間呈直線關系，斜率為L/V，稱為液氣比，為溶劑摩爾流量/惰性氣體摩爾流量，反映單位氣體處理量的溶劑耗用量的大小操作線位置僅決定于塔頂、塔底兩端的氣液相組成，B點稱為‘濃端’，T稱為‘稀端’操作線通過物料衡算確定，僅與L、V及兩相組成有關，而與塔型及壓強、溫度等無關2022/12/28吸收操作線總是位于平衡線的上方，操作線位于平衡線下方，則應進行脫吸過程任一截面上的傳質推動力為該截面上一相的組成與另一相的平衡組成之差，為操作線與平衡線的垂直距離和水平距離，相距越遠，推動力越大。并流吸收塔的操作線：

2022/12/28二、吸收劑用量的確定液氣比Y1L/VBB*最小液氣比2022/12/28平衡線為上凸形時

2022/12/28思考：若實際操作時，液氣比小于或等于最小液氣比，吸收塔是否能操作？將會發(fā)生什么現象？最小液氣比只對設計型問題有意義。能，但達不到指定的吸收要求2022/12/28求每小時送入塔內的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O)22.53分壓Pa160020002427分析：求水量吸收劑用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常數解：1）平衡關系

2022/12/282）最小吸收劑用量：或根據平衡數據求平均值2022/12/28其中：2022/12/283）每小時用水量

三、適宜的液氣比

1、經濟核算：設備費和操作費2、經驗值：2022/12/28u為空塔氣速，m/s，Vs為混合氣體的體積流量，m3/s。四、塔徑的計算Vs由塔底到塔頂逐漸減少，一般取全塔中最大的體積流量2022/12/28所以填料層高度的計算將涉及到物料衡算、傳質速率與相平衡三種關系式的應用只適合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內任一橫截面上的速率關系，而不能直接用來描述全塔的吸收速率。塔內各界面上的吸收速率并不相同。但是：A（氣液接觸面積）難于測定另外：為此考慮：微元填料層高度dZ微元體積ΩdZ相界面面積aΩdZ氣相傳入到液相的溶質量為NAaΩdZ單位時間傳遞的溶質量為NAaΩdZ物料衡算2022/12/28對組分A作物料衡算

單位時間內由氣相轉入液相的A的物質量為：2022/12/28微元填料層內的吸收速率方程式為：

2022/12/28低濃度氣體吸收時填料層的基本關系式為

氣相總體積吸收系數及液相總體積吸收系數，kmol/m3.s

2、傳質單元高度與傳質單元數

1）傳質單元高度與傳質單元數的概念

討論：1、物理意義：

在推動力為一個單位的情況下，單位時間、單位體積填料層內吸收的溶質量。2、單位體積填料層的有效接觸面積，小于填料的固體比表面積3、a不僅與填料形狀、尺寸、充填狀況有關而且受流體物性及流動狀況影響2022/12/28的單位

稱為“氣相總傳質單元高度”用

表示

——氣相總傳質單元數

表示完成一個傳質單元分離效果所需的塔高要達到填料層高Z相當于HOG的倍數2022/12/28—液相總傳質單元高度，m；—液相總傳質單元數，無因次；依此類推，可以寫出通式：試寫出用膜系數及相應的推動力表示的填料層高度的計算式。填料層高度=傳質單元高度×傳質單元數

2022/12/28—氣膜傳質單元高度，m

—氣膜傳質單元數

—液膜傳質單元高度，m—液膜傳質單元數

用膜系數及相應的推動力表示的填料層高度的計算式。2022/12/282）傳質單元高度的物理意義

2022/12/28氣體流經一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內以氣相濃度差表示的總推動力的的平均值時，那么，這段填料層的高度就是一個氣相總傳質單元高度。2022/12/28HOG是表示填料設備效能高低的一個量，HOG越小則設備效能越高，完成相同的傳質單元數的任務所需設備高度越小。3）HOG的影響因素V/Ω表示單位塔截面積上惰性氣體的摩爾流量，一般為定值表示傳質阻力a越小，傳質阻力越大，HOG越大，每個傳質單元相當的填料層高度越大，Z越大；流速越小，KYa越小，傳質阻力越大，HOG越大。影響因素：1、設備形式；2、兩相流動條件；3、填料情況、潤濕狀況等2022/12/284)采用傳質單元高度的優(yōu)點1、單位直觀、簡單，避免了傳質系數復雜的單位換算,整理實驗數據時直接整理出HOG的經驗值或經驗公式，不必利用V、KYa、Ω計算2、對每種填料，傳質單元高度大小變化范圍窄，一般在0.2~1.5m之間變化，而傳質系數范圍廣，很難有數量級的概念。3、對一定的填料，KYa正比于V0.7，而HOG正比于V0.3，隨速度變化波動范圍小。在一定范圍內可取平均值，視為不變2022/12/283、傳質單元數傳質單元數反映吸收過程的難度，任務所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小，則意味著過程難度越大，此時所需的傳質單元數越大。2022/12/28物理意義：若將氣相濃度每改變（Y-Y*）稱為一個傳質單元，則NOG取決于分離要求的高低和整個填料層平均推動力的大小，它與分離要求、平衡關系及L/V有關，而與設備形式及氣液兩相流動狀況無關，故在選擇設備之前即可先計算NOG2022/12/284、傳質單元數的求法

平衡線為直線時

對數平均推動力法脫吸因數法平衡線為直線或彎曲程度不大的曲線時

近似梯級法（解析法）操作線和平衡線平行時平衡關系為曲線時圖解積分法數值積分法2022/12/281）平衡線為直線時a）脫吸因數法

平衡關系用直線

表示時，將代入2022/12/28令

2022/12/28——脫吸因數。平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次。S愈大，脫吸愈易進行。——吸收因數

2022/12/282022/12/28分析：橫坐標反映了溶質吸收率的高低。

S一定時，在氣液進口濃度一定的情況下（Y1、X2），吸收率愈高，Y2愈小，橫坐標的數值愈大，對應于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推動力的大小

在氣液進出口濃度及溶質吸收率已知的條件下，若增大S值，也就是減小液氣比L/V，則溶液出口濃度提高，塔內吸收推動力變小，NOG值增大。

值的大小，2022/12/28對于一固定的吸收塔來說，當NOG已確定時，S值越小，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：

S值對全塔推動力分布的影響及選擇：2022/12/28一般在和S≤0.75時對NOG進行估算誤差不大，要求準確可用計算式求取NOG和NOL的計算式具有相同的函數形式，可用同一關系圖計算2022/12/28對組分A作物料衡算

取微元dZ上節(jié)內容復習1、填料層高度的基本計算式

2022/12/28——氣相總傳質單元數

表示完成一個傳質單元分離效果所需的塔高要達到填料層高Z相當于HOG的倍數——氣相總傳質單元高度氣相總體積吸收系數及液相總體積吸收系數，kmol/m3.s

2022/12/28一、傳質單元高度物理意義：氣體流經一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內以氣相濃度差表示的總推動力的的平均值時，那么，這段填料層的高度就是一個氣相總傳質單元高度。

HOG是表示填料設備效能高低的量，HOG越小則設備效能越高，完成相同的傳質單元數的任務所需的設備高度越小。與設備形式、兩相流動條件、填料情況、潤濕狀況等有關2022/12/28二、傳質單元數傳質單元數反映吸收過程的難度，任務所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小，則意味著過程難度越大，此時所需的傳質單元數越大。與分離要求、平衡關系及L/V有關，而與設備形式及氣液兩相流動狀況無關2022/12/28三、傳質單元數的求法

平衡線為直線時

對數平均推動力法脫吸因數法平衡線為直線或彎曲程度不大的曲線時

近似梯級法（解析法）操作線和平衡線平行時平衡關系為曲線時圖解積分法數值積分法2022/12/281）平衡線為直線時a）脫吸因數法

平衡關系用直線

表示時，——脫吸因數。平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次。S愈大，脫吸愈易進行?！找驍?/p>

2022/12/282022/12/28分析：橫坐標反映了溶質吸收率的高低。

S一定時，在氣液進口濃度一定的情況下（Y1、X2），吸收率愈高，Y2愈小，橫坐標的數值愈大，對應于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推動力的大小

在氣液進出口濃度及溶質吸收率已知的條件下，若增大S值，也就是減小液氣比L/V，則溶液出口濃度提高，塔內吸收推動力變小，NOG值增大。

值的大小，2022/12/28對于一固定的吸收塔來說，當NOG已確定時，S值越小，愈大，愈能提高吸收的程度。

S值對全塔推動力分布的影響及選擇：S>1S<1S=12022/12/28一般在和S≤0.75時對NOG進行估算誤差不大，要求準確可用計算式求取NOG和NOL的計算式具有相同的函數形式，可用同一關系圖計算2022/12/28b）對數平均推動力法

吸收的操作線為直線，當平衡線也為直線時

（1）（2）(1)-(2)得：由操作線方程：2022/12/282022/12/28其中：

——塔頂與塔底兩截面上吸收推動力的對數平均，稱為對數平均推動力。時，

當

相應的對數平均推動力可用算術平均推動力代替。寫出NOL、NG、NL的表達式。2022/12/282022/12/28吸收因數法與對數平均推動力法的對比：相同點：都適用于低濃、平衡線為直線的情況不同點：前者涉及3個濃度，后者涉及4個濃度，故前者特別適用于操作型問題的求解。2022/12/28

例：某生產車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質單元高度為1.5m，進料混合氣組成為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，求此時所需填料層高度為若干米？2022/12/28解：1）L/V為(L/V)min的倍數2022/12/282）所需填料層高度脫吸因數法

2022/12/28對數平均推動力法2022/12/28

2022/12/283）尾氣濃度下降后所需的填料層高度

尾氣濃度

2022/12/28C、操作線與平衡線平行時（S=1）2022/12/28近似梯級法MM’M1F1F2）平衡線為直線或彎曲程度不大的曲線2022/12/28近似梯級法亦稱為貝克（Baker）法求NOG作圖步驟如下：①在操作線TB和平衡線OE之間作曲線MM，使該線恰好等分AB與OE兩線之間的垂直距離。②自T點起作一水平線，交MM于M1，并延長至F’，使TM1=M1F’。③過點F’作垂線交TB于點F。至此完成一個梯級法TF’F。MMM1④如此類推，可繼續(xù)作出第二個梯級，直至越過點B的橫坐標X1為止。F’F梯級總數=NOG如圖所示，梯級數為2.8個。E⑤梯級數即為NOG，具體數值根據水平線距離求出2022/12/28思考：為什么梯級數就是氣相總傳質單元數？MMM1FCCF’AA2022/12/28

思考：操作線距平衡線越近，則NOG如何變化？MMM1FCCFA’T利用操作線和平衡線之間的水平線段的中點軌跡線，可求得液相總傳質單元數2022/12/283）平衡線為曲線a）圖解積分法：適用性最強，適用于高、低濃度氣體吸收、非等溫吸收等

AA*YY*XYY2Y12022/12/28b)數值積分法：辛普森數值積分公式（見教材例2-9）2022/12/28五、理論板層數的計算

1、圖解法可用于高、低濃度氣體操作

2022/12/282、解析法求理論板層數

1）理論板數的解析表達式

當吸收涉及的濃度區(qū)間內平衡關系為直線

時

在

層板間任一截面到塔頂范圍內作組分A的衡算

若相平衡關系可采用

表示

2022/12/282022/12/28在板間任一截面到塔頂范圍內作組分A的衡算

2022/12/28將

代入，得：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：兩端同減

2022/12/28——克列姆塞爾方程2022/