1、第第四四章章 吸收吸收一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定三、塔径的计算三、塔径的计算 四、填料层高度的计算填料层高度的计算 五、理论板层数的计算理论板层数的计算六、吸收的操作型计算六、吸收的操作型计算 第第四四节节 吸收塔的计算吸收塔的计算2022-11-16吸收塔的实际计算，一般的已知条件是：吸收塔的实际计算，一般的已知条件是：1）气体混合物中溶质）气体混合物中溶质A的组成（的组成（mol分率）以及流量分率）以及流量kmol/(m2.s)2）吸收剂的种类及）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；下的相平衡关系；3）出塔的气体组成）出塔的气
2、体组成 需要计算：需要计算：1）吸收剂的用量吸收剂的用量kmol/(m2.s)(操作型问题操作型问题)2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度(设计型问题设计型问题)2022-11-16一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程 1、物料衡算、物料衡算 目的目的：确定各物流之间的量的关系确定各物流之间的量的关系以及设备中任意位置两物料以及设备中任意位置两物料组成之间的关系。组成之间的关系。对单位时间内进出吸收塔的对单位时间内进出吸收塔的A的物的物 质量作衡算质量作衡算 1221LXVYLXVY2022-11-16)()(2121XXLYYV2211
3、XVLYXVLY吸收率吸收率A混合气中溶质混合气中溶质A 被吸收的百分率被吸收的百分率)1(12AYY2、吸收塔的操作线方程式与操作线、吸收塔的操作线方程式与操作线在在 mn截面与塔底截面之间作组分截面与塔底截面之间作组分A的衡算的衡算LXVYLXVY112022-11-16)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程在在mn截面与塔顶截面之间作组分截面与塔顶截面之间作组分A的衡算的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程表明表明：塔内任一截面的气相浓度塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度与液相浓度X之间成直线之间成直线关系，直
4、线的关系，直线的斜率为斜率为L/V。2022-11-162022-11-16并流吸收塔的操作线：并流吸收塔的操作线：)(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作线总是位于平衡线的上方，吸收操作线总是位于平衡线的上方，如操作线位于平衡线下方，则应进行解吸过程。如操作线位于平衡线下方，则应进行解吸过程。2022-11-16二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定液气比液气比Y1L/VBB*min)(VL最小最小液气比液气比min)(0.21.1(VLVL2022-11-16最小液气比的求法最小液气比的求法 图解法图解法正常的平衡线正常的平衡线 2*121min)(XXYYVL2*121
5、minXXYYVL2022-11-16平衡线为上凸形时平衡线为上凸形时 2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL2022-11-16计算法计算法适用条件适用条件：平衡线符合亨利定律，可用平衡线符合亨利定律，可用 mXY*表示表示 2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例：例：空气与氨的混合气体，总压为空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分其中氨的分压为压为1333Pa，用用20的水吸收混合气中的氨，要求氨的回的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为收率为99%，每小时的处理量为，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡空气。物系的平衡关
6、系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试倍，试2022-11-16求每小时送入塔内的水量。求每小时送入塔内的水量。溶液浓度溶液浓度(gNH3/100gH2O)2 2.5 3分压分压Pa 1600 2000 2427分析：分析：求水量求水量吸收剂用量吸收剂用量L求求Lmin已知已知L/Lmin平衡常数平衡常数解：解：1）平衡关系）平衡关系*1yyY*1pp333106.11033.101106.101604.02022-11-1618/10017/2X0212.0XYm*0212.001604.0757.0XY757.0:平衡关系为2）最小吸
7、收剂用量：）最小吸收剂用量：2121minXmYYYVL2022-11-16其中：其中：291000Vhkmol/5.34空气333.133.101333.11Y0133.012)99.01(YY0133.001.0000133.002X757.0m2121min)(XmYYYVL0757.00133.0)000133.00133.0(5.34hkmol/8.252022-11-163）每小时用水量）每小时用水量 Lmin2L8.252hkmol/6.51hkg/8.928三、塔径的计算三、塔径的计算 04VTqDuu空塔气速空塔气速 2022-11-16四、填料层高度的计算四、填料层高度的计
8、算 1、填料层高度的基本计算式、填料层高度的基本计算式 对组分对组分A作物料衡算作物料衡算 单位时间内由气相转入液相的单位时间内由气相转入液相的A物质的量为：物质的量为：AdGVdYLdXdANdGAA()ANa dH2022-11-16微元填料层内的吸收速率方程式为：微元填料层内的吸收速率方程式为：)()(*XXKNYYKNXAYA及*()AYdGKYYa dH*()AXdGKXX a dH*()YVdYKYYa dH*()XLdXKXX a dH*YK adYdHYYV*XK adXdHXXL12*0YZYYK adYdHYYV12*0XZXXK adXdHXXL2022-11-16低浓度
9、气体吸收时填料层的基本关系式为低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为 12*YYYVdYHK aYY12*XXXLdXHK aXX及aKaKXY,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数 物理意义物理意义：在推动力为一个单位的情况下，单位时间单在推动力为一个单位的情况下，单位时间单位体积填料层内吸收的溶质量。位体积填料层内吸收的溶质量。2、传质单元高度与传质单元数、传质单元高度与传质单元数 1）传质单元高度与传质单元数的概念）传质单元高度与传质单元数的概念 2022-11-16aKVY的单位的单位/23msmkmolskmolm称为称为“气相总传质单元高度气相
10、总传质单元高度”，用用 OGH表示表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN气相总传质单元数气相总传质单元数 OGOGHHN2022-11-16OLOLHHNOLH液相总传质单元高度，液相总传质单元高度，m；aKLHxOLOLN液相总传质单元数，无因次液相总传质单元数，无因次；12*XXOLXXdXN依此类推，可以写出通式：依此类推，可以写出通式：试写出用膜系数及相应的推动力表示的填料层高度的计算式。试写出用膜系数及相应的推动力表示的填料层高度的计算式。填料层高度填料层高度=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 2022-11-16GGHHNLLHHNakVHyG气膜传质单元高度，气
11、膜传质单元高度，m 12YYiGYYdYN气膜传质单元数气膜传质单元数 akLHxL液膜传质单元高度，液膜传质单元高度，m 12XXiLXXdXN液膜传质单元数液膜传质单元数 2022-11-162）传质单元高度的物理意义）传质单元高度的物理意义 112*YYOGYYdYN2022-11-161)(1212*YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm气体流经一段气体流经一段填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层内填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时，那么，这段，那
12、么，这段填料层的高度就是填料层的高度就是一个气相总传质单元高度一个气相总传质单元高度。2022-11-16 吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。每个传质单元所相当的填料层高度越大。传质单元数反映吸收过程的难度，传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的任务所要求的气体浓气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越，则意味着过程难度越大，此时大，此时所需的传质单元数越大。所需的传质单元数越大。3、传质单元数的求法、传质单元数的求法 平衡线为直线时平衡线为直
13、线时 对数平均推动力法对数平均推动力法解吸因数法解吸因数法平衡线为曲线时平衡线为曲线时 图解积分法图解积分法近似梯级法近似梯级法2022-11-16a）对数平均推动力法对数平均推动力法 吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时*YYY)(Yf直线函数直线函数 2121)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY1）平衡线为直线时）平衡线为直线时2022-11-1612*YYOGYYdYN)(122121YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212
14、022-11-16其中：其中：2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为对对数平均推动力数平均推动力。当当 22121YY相应的对数平均推动力可用算术平均相应的对数平均推动力可用算术平均推动力代替。推动力代替。写出写出NOL、NG、NL的表达式的表达式。2022-11-16mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN21221122112121ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYYYYYYYimL
15、XXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim2022-11-16b）解吸因数法解吸因数法 平衡关系用直线平衡关系用直线 bmXY*表示时，表示时，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX将将代入代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYN2022-11-161222(1)()YOGYdYNmVmVYYmXbLL令令 SLmV12)()1(*22YYOGYSYYSdYN)()1()()1(ln11*222*221YSYYSYSYYSS1A2022-11-16*12222*22(1)1ln1OGS YYSYSYS
16、YNSYY)()1()1(ln11*22*22*21YYYYSYSYSS)1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 解吸因数。解吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。无因次。S愈大，解吸愈易进行。愈大，解吸愈易进行。AmVLS1吸收因数吸收因数 2022-11-162022-11-16分析分析：横坐标横坐标*22*21YYYY值的大小，值的大小，反映了溶质吸收率的高低反映了溶质吸收率的高低。在气液进口浓度一定的情况下，在气液进口浓度一定的情况下，吸收率愈高，吸收率愈高，Y2愈小，横愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一坐标的数值愈大，对应于同一S值的值
17、的NOG愈大。愈大。S反映吸收推动力的大小反映吸收推动力的大小 在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，若增大若增大S值值，也就是减小液气比，也就是减小液气比L/V，则则溶液出口浓度提高，塔内吸溶液出口浓度提高，塔内吸收推动力变小，收推动力变小，NOG值增大。值增大。2022-11-16对于一固定的吸收塔来说，当对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，已确定时，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。减小减小S增大液气比增大液气比 吸收剂用量增大，能耗加大，吸吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低
18、收液浓度降低 适宜的适宜的S值值：8.07.0S)1ln(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSN2022-11-16 例例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为进料混合气组成为0.04（组分（组分A的的mol分率，下同）分率，下同），出塔尾气组成为，出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为，出塔水溶液浓度为0.0128，操作，操作条件下的平衡关系为条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比）
19、，试求：均为摩尔比），试求：1）L/V为为(L/V)min的多少倍？的多少倍？2）所需填料层高度。）所需填料层高度。3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？，求此时所需填料层高度为若干米？2022-11-16解：解：04.0104.01Y0417.00053.010053.02Y00533.00128.010128.01X01297.0 1）L/V为为(L/V)min的倍数的倍数2121XXYYVL001297.000533.00417.0804.22022-11-162121
20、min)(XmYYYVL)1(12YYm)0417.000533.01(5.218.2286.1)/()(minVLVL2）所需填料层高度）所需填料层高度解吸因数法解吸因数法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804.25.2892.02022-11-16892.0000533.000417.0)892.01ln(892.011OGN11.5OGOGNHZ11.55.167.7对数平均推动力法对数平均推动力法mOGYYYN21mY00533.00417.02022-11-162121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY0053.001297
21、.05.20417.0ln)000533.0()01297.05.20417.0(007117.0mOGYYYN21007117.000533.00417.011.52022-11-163）尾气浓度下降后所需的填料层高度）尾气浓度下降后所需的填料层高度 尾气浓度尾气浓度 0033.010033.02Y00331.0)1ln(1121SYYSSNOG00331.00417.021YY6.12892.06.12)892.01ln(892.011OGN52.7OGOGNHZ52.75.1m28.112022-11-162）平衡线不为直线）平衡线不为直线a）图解积分法图解积分法 AA*YY*XYYY1
22、Y2Y112YYYYdY2022-11-16b）近似梯级法近似梯级法MMM1F1F2022-11-16分析梯级分析梯级TF1F 11111/,FFHMFMTM*112HHHMFF在梯级在梯级 T*A*FT中，中，)(21*11*FFTTHH平均推动力平均推动力 FYYYYdY2*mFFYYY2*1HHFF1 211112*FFFYYYYYYYYdYYYdYYYdY 11OGN2022-11-16五、理论板层数的计算五、理论板层数的计算 1、图解法、图解法 2022-11-162、解析法求理论板层数、解析法求理论板层数 1）理论板数的解析表达式）理论板数的解析表达式 当吸收涉及的浓度区间内平衡关
23、系为直线当吸收涉及的浓度区间内平衡关系为直线 bmXY*时时 在在 III 层板间任一截面到塔顶范围内作组分层板间任一截面到塔顶范围内作组分A的衡算的衡算 IIIVYLXLXVY10IIIYXXVLY)(01若相平衡关系可采用若相平衡关系可采用 bmXY*表示表示 2022-11-16mbYXmbYXII*00,IIIIYmYYVLY)(*0AmVLIIIIYYYAY)(*0*0)1(AYYAYIII2022-11-16在在IIIII 板间任一截面到塔顶范围内作组分板间任一截面到塔顶范围内作组分A的衡算的衡算 IIIIIIVYLXLXVY0IIIIIIYXXVLY)(0IIIYmbYmbYVL
24、)(*0IIIYmYYVL)(*0IIIYYYA)(*02022-11-16将将*0)1(AYYAYIII代入，得：代入，得：IIIIIYYAYYAAY)1(*0*0*022)()1(YAAYAAI 同理，可以推到第同理，可以推到第N与与N+1板与塔顶，即塔顶与塔底间组板与塔顶，即塔顶与塔底间组分分A的物料衡算式：的物料衡算式：*0111)()1(YAAAYAAAYNNINNN 两端同减两端同减*0Y2022-11-16211,YYYYIN*22*0YbmXY111*2121TTNNAAAYYYY相对吸收率相对吸收率 溶质的吸收率与理论最大吸收率的比值溶质的吸收率与理论最大吸收率的比值*212
25、1YYYY分析相对吸收率与吸收率的区别与联系分析相对吸收率与吸收率的区别与联系2022-11-16)(1(*011YYAAAYINNN )1()1(AA)(11*01YYAAIN111*01*02NNAAYYYY11111*01*0NNIAAYYYY111*011NNNINAAAYYYY克列姆塞尔方程克列姆塞尔方程2022-11-16111TTNNAAA1ln1lnAANT11AATN*2121*21211YYYYYYYYA)()()()(21*2121*21YYYYYYYYA1)1(*22*21YYYYA2022-11-161 1)1ln(ln1*22*21YYYYAANT1)11ln(ln
26、1*22*21AYYYYAA2）理论板数与）理论板数与NOG的关系的关系)1ln(11*22*21SYYYYSSNOGSANNOGT11ln1ASln1AAln11AAAAAln1SSln12022-11-16当当 1A时，时，1OGTNNTOGNN当当 1A时，时，1OGTNNTOGNN当当 1A时，时，11ln1)ln()1(AAAAOGTNN2022-11-16六、吸收的操作型计算六、吸收的操作型计算 例：例：某吸收塔在某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空气下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作混合物中的丙酮，操作液气比为液气比为2.1时，丙酮时，丙酮回收率可
27、达回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为y=1.18x，吸收过程为气膜控制，总传质系数吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率与气体流率的的0.8次方成正比，次方成正比，1）今气体流率增加）今气体流率增加20%，而流体及气液进出口组成不变，而流体及气液进出口组成不变，试求：试求：a）丙酮的回收率有何变化？丙酮的回收率有何变化？2022-11-16b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？2）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆
28、不变，欲将丙酮回收率由原来压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至的提高至98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？思路：思路：1）已知）已知L/V、m、吸收率吸收率解吸因数法解吸因数法求求NOGV改变改变HOG变变塔高不变塔高不变求求NOG解吸因数法解吸因数法求改变后的吸收率求改变后的吸收率2）V不变不变解吸因数法解吸因数法求改变后的求改变后的S求求LNOG不变不变Z不变不变2022-11-16解：解：求原有条件下的传质单元数求原有条件下的传质单元数 NOG)1ln(112221SmxymxySSNOG其中：其中：LmVS 1.218.1562.022
29、21mxymxy21yy)1(11AyyA112022-11-16当当%95A时，时，2095.0112221mxymxy562.020)562.01ln(562.011OGN097.51）气体流量增加）气体流量增加20%时的操作效果时的操作效果 aKVHyOGaKVVVVVy8.0)/()/(OGHVV2.0)(OGOGHH04.12.12.02022-11-16OGOGOGOGHNHNOGOGHH04.1091.59.4VLmS/2.1/1.228.1731.0731.011)731.01ln(731.019.4A%91A2022-11-16在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：在单
30、位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：)()(2.12121yyGyyG)95.01()91.01(2.11111yyyy149.1 2）当吸收率由当吸收率由95%提高至提高至98%，由于气体流率没变，因，由于气体流率没变，因此对于气膜控制的吸收过程此对于气膜控制的吸收过程HOG不变，塔高是一定的，故不变，塔高是一定的，故NOG仍为仍为5.097 11)1ln(11097.5SSSA 2022-11-1698.011)1ln(11SSS 用试差法求解用试差法求解 301.0 S故液气比应提高到：故液气比应提高到：92.3301.018.1 VL吸收剂用量应增至：吸收剂用量应增至：1.292.3 LL87.12022-11-16
