第四節(jié) 吸收塔的計(jì)算

第四節(jié)吸收塔的計(jì)算第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三逆流時(shí)下降至塔低的液體與進(jìn)塔的氣體相接觸，有利于提高出塔的液體濃度，且減小吸收劑的用量；上升至塔頂?shù)臍怏w與進(jìn)塔的新鮮吸收劑接觸，有利于降低出塔氣體的濃度，可提高溶質(zhì)的吸收率。逆流操作時(shí)向下流的液體受到上升氣體的作用,這種曳力過大時(shí)會(huì)阻礙液體的順利下流，因而限制了吸收塔所允許的液體和氣體流量，這是逆流的缺點(diǎn)。第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖7-13逆流吸收塔操作示意圖吸收過程中，氣相中的溶質(zhì)不斷轉(zhuǎn)移到液相中來，使其在氣體混合物中的量不斷減少，而在溶液中的量不斷增多。但氣相中惰性氣體量和液相中吸收劑的量始終是不變的。第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.1吸收塔的物料衡算與操作線方程2.4.1.1物料衡算物料衡算時(shí)，以不變的惰性氣體流量和吸收劑流量作為計(jì)算基準(zhǔn)，并用比摩爾比表示氣相液相的組成。全塔溶質(zhì)的減少量等于液相中溶質(zhì)的增加量V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

惰性氣體的摩爾流量,Kmol/S

吸收劑摩爾流量,Kmol/S

第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.1.2吸收塔的操作線方程與操作線以逆流為例:塔內(nèi)任一截面ｍ－ｎ與塔底作溶質(zhì)的物料衡算，得操作線方程V(Y1-Y)=L(X1-X)

吸收過程操作線

任一截面處氣相中溶質(zhì)的摩爾比，Kmol(溶質(zhì))/Kmol(惰性氣)任一截面處液相中溶質(zhì)的比摩爾，比Kmol(溶質(zhì))/Kmol(溶劑)第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三并流時(shí):V(Y2-Y1)=L(X1-X2)操作線方程V,Y2L,X2MNV,Y1L,X1L,XV,Y第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三YXY=F(X)Y2X2Y1X1平衡線與操作線的交點(diǎn)位置在塔底,最大吸收率為出口氣相與吸收液組成相平衡.第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.2吸收劑用量的決定出塔氣體摩爾比Y2的給出形式：如果溶質(zhì)是有害氣體，一般直接規(guī)定Y2的值。如果吸收的目的是回收有用物質(zhì)，則以回收率的形式給出Y2=Y1(1-ψ)吸收劑用量對(duì)操作的影響當(dāng)氣體處理量一定時(shí)，V,Y1,Y2及X2已知時(shí),操作線斜率L/V取決于吸收劑用量的多少。若增大吸收劑用量，則操作線向遠(yuǎn)離平衡線方向偏移由TB變TB’吸收推動(dòng)力增大，傳質(zhì)速率增加，在單位時(shí)間內(nèi)吸收同量溶質(zhì)時(shí)設(shè)備尺寸可以減小。

第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溶液濃度變稀，溶劑再生所需設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)增大。若減小吸收劑用量則情況正相反。當(dāng)吸收劑用量減小到使操作線由TB變TB*，此時(shí)傳質(zhì)的推動(dòng)力為零，所需的相際接觸面積為無窮，此時(shí)吸收劑用量為最小,用Lmin表示。

吸收塔的最小液氣比第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Lmin時(shí)B*點(diǎn)是平衡線與操作線在Y=Y1處的交點(diǎn)

如果平衡曲線的形狀使操作線與平衡線相切,此時(shí)最小液氣比的計(jì)算式中Xmax的數(shù)值只能讀B，的橫坐標(biāo),不能由Y*=mX求得.Lmim求出后,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)上的要求,控制一個(gè)適宜的L值,即最適宜吸收劑用量：L=（1.1～2）Lmin.第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例2-8：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。吸收塔壓強(qiáng)為105kPa，溫度為300K，焦?fàn)t氣流量為1000m3/h，其中所含芳烴組成為0.02（摩爾分率,下同），回收率為95%，進(jìn)塔洗油中所含芳烴組成為0.005。若取吸收劑用量為最小用量的1.5倍，試求進(jìn)入塔頂?shù)南从湍柫髁考俺鏊找航M成。（操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y*=0.125X）。解:進(jìn)入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為

第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三進(jìn)塔氣體中芳烴的摩爾比出塔氣體中芳烴的摩爾比進(jìn)塔洗油中芳烴摩爾比

第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三L為每小時(shí)進(jìn)塔純?nèi)軇┯昧俊Ｓ捎谌胨从椭泻猩倭糠紵N，則每小時(shí)入塔的洗油量應(yīng)為L(zhǎng)′=L(1+X2)=7.63kmol/h

第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.4填料層高度的計(jì)算2.4.4.1填料層高度的基本計(jì)算式

逆流操作填料塔填料層高度第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三傳質(zhì)速率方程適用于穩(wěn)定操作的吸收塔中的“某一橫截面”，而不能用于全塔。對(duì)于整個(gè)吸收塔，氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。對(duì)微元填料層作組分A衡算微元填料層dZ中的吸收速率方程式

第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單位體積有效傳質(zhì)面積a<同體積填料的比表面積s，a與填料的形狀、尺寸及充填狀況(整砌、亂堆)有關(guān)，還受流體物性(m、s等)及流動(dòng)狀況的影響，數(shù)值不好測(cè)定，所以和傳質(zhì)系數(shù)合在一起處理。KYa、KXa-"體積吸收系數(shù)"，Kmol/m3.s，物理意義為單位推動(dòng)力下，單位時(shí)間、單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。

第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.4.2傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)Ｚ=HOG*NOG=HOL*NOL

HOG的物理意義假設(shè)某吸收過程所需填料層高度恰好等于一個(gè)傳質(zhì)單元高度

第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元高度的物理意義如果氣體流經(jīng)一段填料后,氣相濃度變化量Y1-Y2恰好等于該段填料層內(nèi)以氣相濃度差表示的總推動(dòng)力的平均值(Y-Y*)m則該段填料層的高度就是一個(gè)傳質(zhì)單元高度Y1-Y2=(Y-Y*)m

第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三HOG是設(shè)備性能的體現(xiàn)，其中的KYa反映傳質(zhì)阻力的大小，填料性能的優(yōu)劣及潤(rùn)濕情況的好壞，吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比表面積越小，每個(gè)傳質(zhì)單元高度所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨染驮酱蟆Ｒ话阕兓炔淮?。NOG可認(rèn)為它所代表需要填料層高度Z相當(dāng)于氣相總傳質(zhì)單元高度HOG的倍數(shù)，此倍數(shù)稱為“氣相總傳質(zhì)單元數(shù)”。NOG反映傳質(zhì)的難易程度，為減少NOG應(yīng)設(shè)法增大推動(dòng)力。任務(wù)所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動(dòng)力越小，則意味過程難度越大，所需傳質(zhì)單元數(shù)越多。第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.4.3傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算

(1)圖解積分法

步驟作操作線和相平衡關(guān)系曲線；然后在操作線上任取一點(diǎn)，得X，Y；由X可得Y*，計(jì)算1/（Y-Y*）按上法取n點(diǎn)，對(duì)Y—1/（Y-Y*）作圖所得函數(shù)曲線與Y=Y1，Y=Y2及1/（Y-Y*）=0三條直線之間所包圍的面積即氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG。第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

(2)

脫吸因數(shù)(S)法

應(yīng)用前提：在吸收過程涉及的濃度范圍內(nèi)平衡關(guān)系可以用線性方程Y*=mX+b表示。X=X2+V/L（Y-Y2）

第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三操作線與平衡線斜率之比定義為吸收因數(shù),A=S=1/A脫吸因數(shù)

NOG的數(shù)值取決于S與

反映溶質(zhì)吸收率的高低，在氣液進(jìn)口濃度一定的情況下，要求的吸收率越高，Y2越小,

越大，對(duì)應(yīng)同一S值的NOG越大。

第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三參數(shù)S反映推動(dòng)力的大小。在氣液進(jìn)口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，確定,S增大，則液氣比減少，出口濃度提高而塔內(nèi)吸收推動(dòng)力變小，NOG必然增大。第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三若要獲得最高吸收率，必須采用較大的液體量，使操作線的斜率大于平衡線斜率，即S<1才有可能。若要獲得最濃的吸收液，必然力求使出塔液體與進(jìn)塔氣體趨近平衡，采用較小的液體量，使操作線斜率小于平衡線斜率.

第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法應(yīng)用前提：在吸收過程涉及的濃度范圍內(nèi)平衡關(guān)系可以用線性方程Y*=mX+b對(duì)于都是直線的平衡線和操作線，它們的差值ΔY=Y-Y*與Y將呈線性關(guān)系(類似傳熱時(shí)的Δtm)ΔY-X也成直線關(guān)系.

對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法求NOG第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力代替第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三注意兩者的區(qū)別:第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：用一填料塔從一混合氣體中逆流吸收所含的苯,混合氣體中含苯5%(體積%),其余為空氣,要求苯的回收率為90%(以摩爾比表示).吸收塔為常壓操作,溫度25℃,入塔混合氣體為940標(biāo)準(zhǔn)m3,入塔吸收劑為純煤油,煤油的耗用量為最小耗用量的1.5倍,已知該系統(tǒng)的平衡關(guān)系Y=0.14X,已知?dú)庀囿w積傳質(zhì)系數(shù)KYa=0.035[kmol/m3s],純煤油的平均分子量MS=170,塔徑D=0.6m。求:(1)吸收劑的耗用量[kg/h]；(2)溶劑出塔濃度x1；(3)填料層高度Z第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Y1=0.0526φ=(Y1-Y2)/Y1,Y2=0.00526X2=0混合氣體體積=940/22.4=41.96kmol/h惰性氣體量V=41.96(1-0.05)=39.86kmol/h(L/V)min=mφ=0.126Lmin=0.126V=5.02kmol/hL=1.5Lmin=7.53kmol/h吸收劑的耗用量=170*7.53=1280kg/hV(Y1-Y2)=L(X1-X2)39.86(0.0526-0.00526)=7.53X1X1=0.25，x1=X1/(1+X1)=0.2第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Z=HOGNOGHOG=V/KYaΩ=1.12mNOG=S=0.74NOG=4.64Z=5.2m第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例:在常壓填料吸收塔中，用清水吸收廢氣中氨氣，廢氣流量為2500m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），其中氨氣濃度為0.02（摩爾分率），要求回收率不低于98%，若水用量為3.6m3/h，操作條件下平衡關(guān)系為Y*=1.2X（式中X,Y為摩爾比），氣相總傳質(zhì)單元高度為0.7m，求:(1)塔低、塔頂推動(dòng)力；全塔對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力;(2)氣相總傳質(zhì)單元數(shù);(3)填料層高度。解:第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第32頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例:空氣和氨的混合氣體，在直徑為0.8m的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空氣量為1390kg/h，混合氣體中氨的分壓為1.33kPa，經(jīng)過吸收后混合氣中有99.5%的氨被吸收下來。操作溫度為20℃，壓力為101.325kPa。在操作條件下，平衡關(guān)系為Y*=0.75X。若吸收劑（水）用量為52kmol/h。已知氨的氣相體積吸收總系數(shù)KYa=314kmol/(m3.h)。試求:(1)吸收液的出塔組成;(2)所需填料層高度。（用吸收因數(shù)法）。解:第33頁(yè)，共36頁(yè)，202