1、2023-1-7第第第第第第5 5 5 5 5 5章章章章章章 气体吸收气体吸收气体吸收气体吸收气体吸收气体吸收5.5.1 物料衡算与操作线方程 5.5.2 吸收剂用量的确定5.5.3 塔径的计算 5.5.4 填料层高度的计算 5.5.5 高浓度气体的吸收5.5.6 解吸过程及其计算5.5 吸收塔的计算吸收塔的计算2023-1-7吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；3）出塔的气体组成 需要计算：需要计算：1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2）
2、塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度2023-1-72023-1-7一、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：确定各物流之间的量的关系以及设备中任意位置两物料组成之间的关系假设：定态、溶剂不挥发、惰性气体不溶解 对单位时间内进出吸收塔的溶质A的物质的量作衡算 1221LXVYLXVY2023-1-7)()(2121XXLYYV2、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 mn截面与塔底截面之间作组分A
3、的衡算LXVYLXVY11/L)Y-Y(VXX2121度为：塔底排出液中溶质的浓吸收率混合气中溶质A 被吸收的百分率)1(12YY2023-1-7)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程在mn截面与塔顶截面之间作组分A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2023-1-7说明：（1）定态连续操作时，若L、V一定，则吸收操作线为通过塔顶和塔底的一条直线（2）操作线与吸收操作的液气比、塔底及塔顶溶质的组成有关（3）吸收操作线总是位于平衡线的上方，操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。2023-1-7二、吸收剂用量的确定二
4、、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、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(VLVL2023-1-7计算法计算法适用条件：平衡线符合亨利定律，或可用 mXY*表示 2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL最小液气比的求法最小液气比的求法2023-1-7图解法图解法正常的平衡线 2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL2023-1-7平衡线为上凸形时2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL例：用清水洗涤含SO2气体，吸收塔的操作温度为
5、20oC，压力为101.3kPa，混合气的流量为1000m3/h，其中SO2体积分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；（2）当用含SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持SO2回收率不变，吸收剂用量为多少？塔底吸收液的组成？解：2023-1-70.0990.09-10.09y-1yYSO2111的组成为进塔气体中0.00990.9)-0.099(1)-1YYSO212（的组成为出塔气体中h37.85kmol/0.09)-(12027327322.41000V量进塔惰性气体的摩尔流由表5-9中XY
6、数据，采用插入法得到与气相进口组成Y1相平衡的液相组成X1*=0.00322023-1-71054kmol/h0.00320.0099)-937.85(0.09X2-XY2-Y1VLmin (1)*1实际吸收剂用量L1.2Lmin=1.21054=1265kmol/h塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X1=X2+V(Y1-Y2)/L=0+37.85(0.099-0.0099)/1265=0.00267(2)吸收率不变，即Y20.0099，而X20.00031163kmol/h0.00030.00320.0099)-937.85(0.09X2-XY2-Y1VL*1min所以：2023-1-
7、7 实际吸收剂用量L1.2Lmin=1.21163=1395kmol/h 塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X1=X2+V(Y1-Y2)/L=0.0003+37.85(0.099-0.0099)/1395=0.00272在（2）的基础上，如果将SO2吸收率提高到95%，其他条件不变，则吸收剂用量为多少？塔底吸收液的组成将如何变化？L1473kmol/h；X10.002722023-1-7三、塔径的计算三、塔径的计算 uVDS 4u空塔气速 2023-1-7四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算 1、填料层高
8、度的基本计算式、填料层高度的基本计算式 对溶质A作物料衡算 单位时间内由气相转入液相的A的物质量为：LdXVdYdGAdANdGAA)(dZaNA2023-1-7微元填料层内的吸收速率方程式为：)()(*XXKNYYKNXAYA及dzaYYKdGYA)(*dzaXXKdGXA)(*dzaYYKVdYY)(*dzaXXKLdXX)(*dZVaKYYdYY*dZLaKXXdXX*ZYYYdZVaKYYdY0*12ZXXXdZLaKXXdX0*122023-1-7低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为 12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及aKaKXY,气相总体积传质系数及液相总体
9、积传质系数 物理意义物理意义：在单位推动力下，单位时间、单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 填料层高度计算基本公式填料层高度计算基本公式2023-1-7aKVY的单位/23msmkmolskmolm称为“气相总传质单元高度气相总传质单元高度”，用 OGH表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN气相总传质单元数气相总传质单元数 OGOGNHZ 2023-1-7OLOLNHZ OLH液相总传质单元高度，m；aKLHxOLOLN液相总传质单元数，无因次；12*XXOLXXdXN依
10、此类推，可以写出通式：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 传质单元数NOG、NOL等计算式（积分式）中的分子为气相或液相组成变化，即分离效果（分离要求）；分母为吸收过程的推动力。所以传质单元数反映了吸收过程的难易程度。2023-1-712*YYOGYYdYN2023-1-71)(*21*12mYYOGYYYYYYdYN 传质单元的意义当气体流经一段填料，其气相（或液相）中溶质组成变化（Y1Y2）等于该段填料平均吸收推动力（YY*)m，即NOG=1或NOL=1，该段填料即为一个传质单元。2023-1-7 传质单元高度完成一个传质单元分离效果所需的填料高度。它反映了
11、吸收设备传质效能的高低。传质单元高度越小，吸收设备传质效能越高，完成一定分离任务所需的填料层高度越小。体积总传质系数(KY)与传质单元高度(HOG)的关系传质单元高度在工程中应用更加广泛，主要是由于：（1）传质单元高度的单位与填料层高度单位相同，避免了传质系数单位的复杂换算；（2）流体流量对HOG的影响较小，一般Ky V0.70.8，而HOG V0.20.3。2023-1-7 各种传质单元高度之间的关系当气液平衡关系符合亨利定律或在操作范围内平衡线为直线，则有：OLOGLGOLLGOGHLmVHHHmVLHHLmVHH2023-1-73、传质单元数的求法、传质单元数的求法 平衡线为直线时 对数
12、平均推动力法脱吸因数法平衡线为曲线时 图解积分法近似梯级法2023-1-71）平衡线为直线时）平衡线为直线时a）对数平均推动力法 前提：吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时 BAY*YYY直线函数 2121A)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY2023-1-712*YYOGYYdYN)(122121YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212023-1-7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
13、均，称为对对数平均推动力数平均推动力。时，当 22121YY相应的对数平均推动力可用算术平均推动力代替。2023-1-7mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXm2023-1-7b）脱吸因数法 平衡关系用直线 bmXY*表示时，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX将代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYN2023-1-712)()1(22YYbmXYLmVYLmVdY)1ln(112221LmVmXYmXYLmVLmV2023-1-7)1ln(112221SmXYmXYSSNOGLmVS 解吸因数解吸因数
14、(脱吸因数脱吸因数)。平衡线斜率和操作线斜率的比值，无因次。S愈大，越不易吸收。AmVLS1吸收因数吸收因数 令 SLmV2023-1-72221mXYmXY2023-1-7)1ln(111121AmXYmXYAANOLOGOLNSN液相总传质单元数NOL2023-1-7例：在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为98%，已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍，操作温度（293K）下的汽液平衡关系为Y*=0.75X，气相总体积吸收系数为0.088kmol/(
15、m3s)，试求：（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度；（3）用吸收因数法求出所需填料层高度。(4)当氨的吸收率提高到99.5%时，请问该填埋塔是否还适用？解2023-1-700002680)9801(01340)1(013400132010132010132031013331)1(2121111X.-.-YY.-.-yy Y.y220.5m0.80.785 47.7kmol/h0.0132)-(1291400V 29kg/kmolM，故因混合气中氨含量很少kmol/h.L.实际吸收剂用量Lkmol/h.-.-.-XX-YYV）得：由式（*08490635414106350
16、75001340)000268001340(747L 825min2121min2023-1-70Y0.009580.01280.75X0.75Y0.0128)2680.000-(0.01348049.47.70)Y-(YLVXX (2)*21*121212680.0000-2680.000Y-YY0.003820.00958-0.0134Y-YY*222*1110013400002680003820ln0002680003820ln2121.-.YYY-YYm2023-1-78.900134000026800134021.-.Y-YYNmOG0.30m0.50.08847.7/3600KVH
17、YOGm2.940.309.8HNZOGOG5000.75-0.00026800.75-0.0134mX-YmX-Y290.749.0847.70.75LmVS (3)222181.9290.750)290.7-ln(1290.7-11SmX-YmX-YS)-ln(1S-11N2221OG如果改用HOL、NOL计算，结果如何？2023-1-7m2.940.3019.8HNZOGOG时当0.995)4(此塔不能满足要求,32.435.143.036.1411ZZmNHZNOGOGOG2023-1-72）平衡线不为直线）平衡线不为直线图解积分法 AA*YY*XYYY1Y2Y112YYYYdY高浓度
18、气体吸收的特点气液两相的摩尔流量沿塔高变化较大这种变化对吸收过程的传质系数带来较大的影响过程常伴有显著的热效应 温度的变化会导致物性参数发生变化，从而影响传质系数高浓度气体吸收的计算吸收过程的相平衡和操作线方程不在是直线，而是曲线。因此它的计算需要对系统的物料衡算、热量衡算、气液相间的传质速率方程和传热速率方程以及相平衡方程联立求解2023-1-75.5.5 高浓度气体的吸收解吸的目的获得所需的较纯的气体溶质使溶剂再生解吸过程的推动力解吸过程的推动力及必要条件与吸收过程相反解吸的必要条件：yAyA*或pApA*解吸过程的推动力：（yA*-yA）或（pA*-pA）2023-1-75.5.7 解吸
19、过程及其计算气提解吸（载气解吸）吸收液从解吸塔塔顶喷淋而下，载气从解吸塔底靠压差自下而上与吸收液逆流接触，载气不含溶质或含溶质量极少减压解吸若吸收过程是在加压条件下进行的，可通过对吸收液降压处理来实现解吸加热解吸通常溶质在溶剂中的溶解度随温度的升高而降低，因而将吸收液加热，降低它的溶解度，即提高它的平衡分压，使其满足解吸条件2023-1-75.5.7.1 解吸方法最小气液比和载气流量的确定操作线方程2023-1-75.5.7.2 解吸过程的计算)(11XVL-YXVLY最小气液比1*212minY-YX-X)LV(实际气液比min)LV(2.01.1LV）（解吸填料层高度传质单元数法2023-
20、1-721XXOLXOLOLOLX-X*dXNKLHHNZ 当平衡线和解吸操作线均为直线时，传质单元数可以采用平均推动力法计算或吸收因数法计算12121212lnXXX-X-XXX-XXNmOLA)-(1ln111112A-XX-XX-AN*OL 例：在一吸收解吸联合流程中，吸收塔内用洗油逆流吸收煤气中含苯蒸气。入塔气体中苯的浓度为0.03（摩尔分数，下同），吸收操作条件下，平衡关系为Y*=0.125X，吸收操作液气比为0.2444，进塔洗油中苯的浓度为0.007，出塔煤气中苯的浓度降到0.0015，气相总传质单元高度为0.6。从吸收塔排出的液体升温后在解吸塔内用过热蒸气逆流解吸，解吸塔内操作
21、气液比为0.4，解吸条件下的相平衡关系为Y*=3.16X，气相总传质单元高度为1.3m。试求：（1）吸收塔填料层高度；（2）解吸塔填料层高度。2023-1-7 解：（1）吸收塔2023-1-70.0310.03-10.03y-1yY 111已知 0.00150.0015-10.0015y-1yY 2220.51150.24440.125LmVS6.510.51150.0070.125-0.00150.0070.125-0.0310.5115)-ln(10.5115-11SmX-YmX-YS)-ln(1S-11N2221OG3.9m0.606.51HNZOGOG(2)解吸塔2023-1-70.12770.0015)-(0.030.244410.007 )Y-(YLVXX2121出吸收塔吸收液的浓度0Y 0.007XX0.1277XX12112溶液出口浓度溶液进口浓度对于解吸塔0.7910.43.161mVLA2023-1-77.300.79100.00700.12770.791)-(1ln0.79111)()(A)-(1ln111112-AX-XX-X-AN*OLm 1.6431.30.7911SHHOGOL11.99m 1.6437.30HN ZOLOL解吸塔塔高：
