1、2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收1/16一、吸收塔的操作型计算一、吸收塔的操作型计算二、高浓度气体吸收的计算二、高浓度气体吸收的计算(一)操作型计算问题的提出(二)吸收塔的调节问题(一)过程特征与数学描述(二)填料层高度的计算方法第三十讲第三十讲 吸收塔的操作型计算吸收塔的操作型计算及高浓度气体吸收及高浓度气体吸收2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收2/16吸收塔操作型计算的典型提法是：（1）对一给定吸收塔，在一组工艺条件下，计算该吸收塔的气、液相出口浓度和 核算与预测核算与预测（2）或者对一给定吸收塔，寻求改善吸收效果的途径
2、调节问题调节问题12XY 、操作型计算属于定解问题，原则上可通过联立求解上面方程组得到气、液相出塔浓度 和 。但往往由于变量间的非线性关系，难以直接求解，而采用试差或迭代法求解。对上述第一种提法的问题可以按下面的步骤试差或迭代求解。1X2Y)(XfY 12YYyYYdYaKGH 22)(XYYLGX 操作线方程：相平衡关系：填料层高度基本方程：（1）（2）（3）前一种提法是吸收结果核算或预测问题，后一种提法是吸收塔的调节问题。二者都属于操作型计算问题。这种计算的依据仍然是上一讲开始提到的方程组，即：（一）问题的提出（一）问题的提出一、吸收塔的操作型计算一、吸收塔的操作型计算2022-6-9操作
3、型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收3/1612YYYYYNOG求H计算2Y重设初值设2Y）用式（11X计算图解或数值法）用式（3比较与已知H合适结束不合适12)()(22YYyYYdYaKGHXfYXYYLGX （1）（2）（3）当然，在有些情况下，由于关系式比较简单，可以直接求解而无需试差。2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收4/16（二）吸收塔的调节（二）吸收塔的调节吸收塔的调节是通过改变或保持某些参数，达到改变或维持吸收效果的目的。吸收效果往往以吸收率或气相出口浓度表征。吸收操作中的气体入塔条件由工艺要求给定，这样为保证气体出口质量（ ）要求
4、，只能通过调节入塔吸收剂的有关参数，如流量、温度或浓度等来达到。由于一个完整的吸收过程往往包括吸收与解吸操作，因而进入吸收塔吸收剂的各参数调节是一个需要综合考虑的问题。从前面讨论过的原理可知：降低入塔吸收剂的浓度，平衡线下移，吸收推动力增加，从而增加全塔平均推动力。这些措施都有利于改善吸收效果。而在吸收与解吸联合操作中，上述措施都与解吸操作有关，解吸操作不正常，将直接影响吸收操作的效果。吸收剂流量对吸收效果的影响具有两重性，增大 虽能增大吸收推动力，但由于同时增加了解吸操作的负担，如果由此引起解吸操作不正常，则会使进入吸收塔吸收剂的浓度增大，与前者效果相抵。而且在一些特殊情况下，即使单从吸收角
5、度考虑，提高 对降低 也并非总是有效。为说明此问题，假设有一 的填料吸收塔。这时只要 ，那么就会在塔底或塔顶出现气-液两相趋于平衡的情况。如图30-1所示。2YLL2YH1A2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收5/16如 气、液两相在塔底趋于平衡，此时可以通过增大 来达到降低 的目的；而当 气、液两相在塔顶趋于平衡，这时，为要降低 ，只有降低入口吸收剂的浓度 ，而增大 只能是徒劳无益。mGL/L2YmGL/2Y2XL1Y2Y1X2X1Y2Y1X2X图30-1 吸收塔的调节（一）过程特点与数学描述（一）过程特点与数学描述（1）混合气体流率、液体流率沿塔显著变化；（
6、2）平衡关系往往不符合Henry定律，即平衡线斜率随液体浓度变化；（3）膜传质系数与浓度有关，沿塔变化。二、高浓度气体吸收的计算二、高浓度气体吸收的计算2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收6/16气膜传质系数为：mmGG)1(1)1(1ykyRTDkyy 式中 为等分子反向扩散的气膜传质系数，在低浓度下， 。液膜传质系数也有类似关系。ykyykk（4）由于上述种种原因，吸收系数 及 不再是常数。描述高浓度气体吸收的依据仍然是物料衡算、相平衡关系、吸收速率方程。yKxK可见，在 图上该操作线为一曲线。最小液气比 可以通过将 代入（30-1）式中算出。适宜的液气比可
7、选取 的某一倍数。xy min)/(GL11xxyy、min)/(GL2222221111)()(xxxxLyyyyGXXLYYG（30-1）在逆流操作的填料吸收塔中，对塔内任一截面至塔顶范围作溶质的物料衡算，可得到与低浓度气体吸收相同的操作线方程：1. 1. 物料衡算物料衡算操作线方程操作线方程2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收7/16ydyGydyGyydGNdA1)1(12（30-2）2. 2. 填料层高度普遍关系式填料层高度普遍关系式在吸收塔内，任取一高度为dH的微元填料层，经此微元填料层溶质由气相传递入液相的摩尔流率为： ，将 、 代入上式有：)()
8、(LxdGydNdA)1/(yGG)1/(xLLdHyyyakydyGmiy )1()(1dHxxxakxdxLmix )1()(1（30-6）（30-5）将式（30-2）和（30-3）代入式（30-4）得：dHxxxakdHyyyakdANNdmixmiyAA )1()()1()(（30-4）则有：mixixmiyiyAxxxkxxkyyykyykN)1()()()1()()(另外有：x1dxLNdA（30-3）同理有：2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收8/16两式积分得式（30-7）和式（30-8） 在知道了相平衡关系及体积膜传质系数 的关联式以后，就可用
9、式（30-7）(以30-7式为例)通过数值积分计算填料层高度了。一般可按下面的步骤计算：aky（1）将吸收要求 浓度范围内分成n等份( n 越大精度越高，计算量也越大)，根据操作线方程（30-1）计算出与各分点 y 值对应的 x 值；（2）计算与各分点组成对应的气、液相流率：（3）计算与各分点组成对应的体积膜传质系数值：（4）计算与各分点组成对应的界面浓度 。这可联立求解相平衡关系和传质速率方程：),(LGfaky),(LGakx iixy 、)1/(),1/(xLLyGG12 yy同理可得式（同理可得式（30-9）和式（）和式（30-10）12)(1()1(yyiymyyyakdyyGH （
10、30-7）12)(1()1(xxixmxxxakdxxGH （30-8）12)(1()1(xxxmxxxaKdxxGH （30-10）12)(1()1(yyymyyyaKdyyGH （30-9）1. 1. 数值积分法数值积分法（二）填料层高度的计算（二）填料层高度的计算式（30-7）式（30-10）便是填料层高度的普遍关系式。2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收9/162. 2. 传质单元法传质单元法（5）计算与各分点组成对应的 的值；mi)1()/(1yyy 及（6）计算与各分点组成对应的 的值；)(1()1(imyyyakyGy （7）利用上面的数据，进行数
11、值积分求出：12)(1()1(yyiymyyyakdyyGH 虽然 与G 随塔截面变化，但是，比值 沿塔高变化很小，可以取塔顶、塔底的算术平均值作为常数处理。这样，式（30-7）可写作：aky ak/Gymmixiyiixyxxakyyakxy)1()1()()()( 这往往需采用试差法12)(1()1(yyimyyyydyyakGH GGNHH （30-12）（30-11）或气相传质单元数12)(1()1(yyimGyyydyyNakGHyG气相传质单元高度2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收10/16当混合气体浓度不太高时，式（30-8）中的 项可以用算术平
12、均值代替： my)1( 2)1()1()1(21)1(iimyyyyyy1211ln2112yyyydyNyyiG（30-13）上式右面第一项是低浓度气体吸收时的传质单元数，而第二项则反映了高浓度气体吸收中，漂流因子的影响。显见，传质单元法使计算得到了简化。dyyyyyyyyyydyyNyyiiyyimG1212)(1(2/ )()1()(1()1(则2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收11/16用一填料塔逆流吸收SO2-空气混合气体中的SO2，吸收剂用清水。操作在293K、101.3kPa下进行。入塔气体中含SO221%，出塔浓度为1%（均为摩尔分数），惰性气
13、体流率为 kmol空气/(m2s)；入塔清水量为 kmol水/(m2s) 。在同样设备条件及同一温度、压强下用水吸收SO2-空气混合物的实验，得到以下传质系数关联式：31053. 6 G32. 0 L82. 025. 07 . 062. 157. 1LakLGakxy式中 、 的单位是 ；气体流率的单位是 ，在题给浓度范围内的相平衡关系为 ，计算塔高。akyakxs)m(kmol/3 s)m(kmol/2 21. 113.93xy 22221111xxxxLyyyyG 在气相浓度范围 内将其分成10等份，将 ， 代入下面的操作线方程计算各分点的 值：21. 001. 0y,1053. 63G3
14、2. 0L0,01. 022xy）、（yx解：（解：（1 1）采用数值积分法，分步计算如下：）采用数值积分法，分步计算如下：高浓度气体吸收的计算举例高浓度气体吸收的计算举例2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收12/16经整理后得：XXyyyyx 10101. 010204. 010101. 010204. 082. 025. 07 . 062. 157. 1LakLGakxy 将计算结果列入本题附表中的第5，6列。因本题中的液相浓度不高，可近似取 。akakxx计算各分点处的相界面浓度计算各分点处的相界面浓度 ，这可联立求解下面的传质速率方程和相平衡方程：iix
15、y 、21. 113.930)()(5 . 01iiiyxiixyxxakakyyyy 计算各分点截面处的传质系数：计算各分点截面处的传质系数：xxLLyyGG 132. 0111053. 613计算结果列入本题附表中的第3，4列。计算各分点截面处的气、液相流率计算各分点截面处的气、液相流率G、L将各等分点的 y 值代入上式计算得出对应的 x 值，列入附表中的第1，2列。2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收13/16将各分点之 数值代入上述方程组解出 ，将计算结果列入本题附表中的第7，8列。akakxyyx、iixy、计算各分点处的计算各分点处的 及及 值，值，
16、其中： ，将计算结果列入本题附表中的第9，10列。)/(1iyy m)1(y )(5 . 01)1(imyyy )(1()1(imyyyakyGy m05. 3d)(1()1(12im yyyyakyGHyyy用上表数值进行数值积分得：计算下面一项数值计算下面一项数值，计算结果列入附表中的第11列。2022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收14/16分分点点123456789101110.0100.006600.3200.03510.6360.000290.00482193.10.99336.420.030.0004250.006730.3200.03560.6370
17、.000960.0207107.50.97520.430.050.0008670.006870.3200.03620.6370.001580.038083.10.95615.940.070.001330.007020.3200.03670.6370.002180.056171.70.93713.850.090.001810.007180.3210.03730.6370.002770.074966.20.91812.960.110.002310.007340.3210.03790.6380.003350.094363.60.89812.470.130.002830.007510.3210.038
18、50.6380.003920.11462.60.87812.380.150.003380.007680.3210.03910.6380.004490.13464.00.85812.790.170.003960.007870.3210.03980.6380.005060.15567.90.83713.6100.190.004560.008060.3220.04050.6390.005620.17673.00.81714.7110.210.005190.008270.3220.04120.6390.006170.19779.30.79616.12022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与
19、高浓度气体吸收15/16若采用传质单元高度法，则需计算 在塔顶、底的平均值：塔顶 塔底 平均值 而 经数值积分得 而 即 所以 这与上面的准确计算结果非常接近。GH0.188m0351000660 .akGHyG0.201m04140008270 .akGHyG 0.194m2010188050 .GH121211ln21yyyydyNyyiG7 .1512yyiyydy113. 021. 0101. 01ln5 . 011ln5 . 012yy8 .151 . 07 .15GN07. 38 .15194. 0GGNHH（2 2）采用传质单元法，计算步骤如下：）采用传质单元法，计算步骤如下：2
20、022-6-9操作型计算与高浓度气体吸收操作型计算与高浓度气体吸收16/161吸收塔操作型计算的目的是核算气、液相出口浓度或寻求改善吸收效果的途径，其计算依据是物料衡算方程、相平衡关系与吸收速率方程；2吸收塔的调节途径是吸收剂的入塔参数，即流率 三要素，参数的改变必须综合考虑吸收与解吸的操作状态；3在高浓度气体吸收中，由于气相浓度沿塔变化显著，产生一系列不同于低浓度气体吸收过程的特征：气、液流率、传质系数沿塔变化；相平衡关系往往不服从henry定律等；本讲没有考虑熔解热的影响；4高浓度气体吸收塔的计算方法有数值积分法及传质单元法，前者是一般计算方法，而后者是简化计算法，应注意它们的使用条件。2XtL和浓度、温度本讲要点本讲要点作业：作业：8-208-20，8-228-22，8-238-23
