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、理論板層數的計算理論板層數的計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算 第第第第第第四四四四四四節節節節節節 吸收塔的計算吸收塔的計算吸收塔的計算吸收塔的計算吸收塔的計算吸收塔的計算2022-4-9吸收塔的設計計算，一般的已知條件是：吸收塔的設計計算，一般的已知條件是： 1）氣體混合物中溶質A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收劑的

2、種類及T、P下的相平衡關系； 3）出塔的氣體組成 需要計算：需要計算：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方程一、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以及設備中任意位置兩物料組成之間的關系。 對單位時間內進出吸收塔的A的物 質量作衡算 1221LXVYLXVY2022-4-9)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY吸收率

3、A混合氣中溶質A 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 mn截面與塔底截面之間作組分A的衡算LXVYLXVY112022-4-9)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作線方程逆流吸收塔操作線方程在mn截面與塔頂截面之間作組分A的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY逆流吸收塔操作線方程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。 2022-4-92022-4-9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

4、平衡線的上方，操作線位于平衡線下方，則應進行脫吸過程。 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 2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL2022-4-9平衡線為上凸形時 2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2022-4-9計算法計算法適用條件：平衡線符合亨利定律，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%，每小時的處理量為1000kg空氣。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2倍，試2022-4-9求每小時送入塔內的水量。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平衡常數解：解：1）平衡關系 *1yyY*1pp333106 . 11033.101106 . 101604. 02022-4

6、-918/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0XY757. 0:平衡關系為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）每小時用水量 Lmin2L8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .9

7、28三、塔徑的計算三、塔徑的計算 uVDS4u空塔氣速 2022-4-9四、填料層高度的計算四、填料層高度的計算四、填料層高度的計算四、填料層高度的計算四、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：LdXVdYdGAdANdGAA)(dZaNA2022-4-9微元填料層內的吸收速率方程式為： )()(*XXKNYYKNXAYA及dzaYYKdGYA)(*dzaXXKdGXA)(*dzaYYKVdYY)(*dzaXXKLdXX)(*dZVaKYYdYY*dZLaKXXdXX*ZYYYdZV

8、aKYYdY0*12ZXXXdZLaKXXdX0*122022-4-9低濃度氣體吸收時填料層的基本關系式為 12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及aKaKXY,氣相總體積吸收系數及液相總體積吸收系數 物理意義物理意義 ：在推動力為一個單位的情況下，單位時間單位體積填料層內吸收的溶質量。2、傳質單元高度與傳質單元數、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）傳質單元高度與傳質單元數的概念 2022-4-9aKVY的單位 /23msmkmolskmolm稱為“氣相總傳質單元高度氣相總傳質單元高度” ，用 OGH表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN氣相

9、總傳質單元數氣相總傳質單元數 OGOGNHZ 2022-4-9OLOLNHZ OLH液相總傳質單元高度，m ；aKLHxOLOLN液相總傳質單元數，無因次 ；12*XXOLXXdXN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。填料層高度填料層高度=傳質單元高度傳質單元數傳質單元高度傳質單元數 2022-4-9GGNHZLLNHZakVHyG氣膜傳質單元高度，m 12YYiGYYdYN氣膜傳質單元數 akLHxL液膜傳質單元高度，m 12XXiLXXdXN液膜傳質單元數 2022-4-92）傳質單元高度的物理意義）傳質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。2022-4-9 吸收過程的傳質阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個傳質單元所相當的填料層高度越大。 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。3、傳質單元數的求法、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曲線

11、時 圖解積分法近似梯級法2022-4-91）平衡線為直線時）平衡線為直線時a）脫吸因數法 平衡關系用直線 bmXY*表示時，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。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。 AmVLS1吸收因數吸收因數 2022-4-92022-4-9分析分析 ：橫坐標 *22*21YYYY值的大小，反映了溶質吸收率的高低。 在氣液進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，橫坐標的數值愈大，對應于同一橫坐標的數值愈大，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，塔內吸溶液出口濃度提高，塔內吸收推動力變小，

13、收推動力變小， NOG值增大。值增大。 2022-4-9對于一固定的吸收塔來說，當NOG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 *YYY)(Yf直線函數 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力的對數平均，稱為對對數平均推動力數平均推動力。時， 當 22121YY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。2022-4-9mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN21221122112121ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYY

15、YYYYYimLXXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim2022-4-9 例例：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？ 2022-4-9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法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804. 25 . 2892. 02022-4-9892. 0000533. 000417.

17、0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHZ11. 55 . 167. 7對數平均推動力法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）平衡線不為直線）平衡線不為直線a）圖解積分法 AA*YY*XYYY1Y2Y112YYYYdY2022-4-9b）近似梯級法MMM1F1F2022-4-9分析梯級TF1F 11111/,FFHMFMTM *112HHHMFF在梯級 T*A*FT中，)(21*11*FFTTHH平均推動力 FYYYYdY2*mFFYYY2*1HHFF1 211112*FFFYYYYYYYYdYYYdYY

19、YdY 11OGN2022-4-9五、理論板層數的計算五、理論板層數的計算五、理論板層數的計算五、理論板層數的計算五、理論板層數的計算五、理論板層數的計算 1、圖解法、圖解法 2022-4-92、解析法求理論板層數、解析法求理論板層數 1）理論板數的解析表達式）理論板數的解析表達式 當吸收涉及的濃度區間內平衡關系為直線 bmXY*時 在 III 層板間任一截面到塔頂范圍內作組分A的衡算 IIIVYLXLXVY10IIIYXXVLY)(01若相平衡關系可采用 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相對吸收率相對吸收率 溶質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別與聯系2022-4-9111TTNNAAA1ln1lnAANT11AATN*2121*21211YYYYYYYYA)()()()(21*2121*21YYYYYYYYA1) 1(*22*21YYYYA2022-4-91 1) 1ln(ln1*22*21YYYYAANT1)11l

22、n(ln1*22*21AYYYYAA2）理論板數與）理論板數與NOG的關系的關系 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGSANNOGT11ln1ASln1AAln11AAAAAln1SSln12022-4-9當 1A時， 1OGTNNTOGNN當 1A時， 1OGTNNTOGNN當 1A時， 11ln1)ln() 1(AAAAOGTNN2022-4-9六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算六、吸收的操作型計算 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，丙酮回收率可達95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關系為y=1.18x，吸收過程為氣膜控制，總傳質系數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）單位時間內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壓強