化工原理第六章第四節(jié)講稿duo

1、2022-5-3第六章第六章第六章第六章第六章第六章 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、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算 第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié) 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2022-5-3吸收塔的設(shè)計計算，一般的已知條件是：吸收塔的設(shè)計計算，一般的已知條件是： 1）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關(guān)系； 3）出

2、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2022-5-3一、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(guān)系以及設(shè)備中任意位置兩物料組成之間的關(guān)系。 對單位時間內(nèi)進(jìn)出吸收塔的A的物 質(zhì)量作衡算 1221XqYqXqYqnLnGnLnGqnGqnGqnLqnL2022-5-3)()(2121XXqYYqnLnG2211XqqYX

3、qqYnGnLnGnL吸收率A混合氣中溶質(zhì)A 被吸收的百分率 )1 (12121121AnGnGnGAYYYYYYqYqYq進(jìn)塔氣體的溶質(zhì)量被吸收的溶質(zhì)量2、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11XqYqXqYqnLnGnLnG2022-5-3)(22XqqYXqqYnGnLnGnL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的衡算逆流吸收塔操作線方程逆流吸收塔操作線方程表明 ： 塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為qnL/qnG。 22XqYqXqYqnLnGnLnG)(1

4、1XqqYXqqYnGnLnGnL2022-5-32022-5-3并流吸收塔的操作線：并流吸收塔的操作線： 吸收操作線總是位于平衡線的上方，操作線位于平衡線下方，則應(yīng)進(jìn)行脫吸過程。 )(11XqqYXqqYnGnLnGnL)(22XqqYXqqYnGnLnGnL2022-5-3二、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Y1qnL/qnGBB*min)(nGnLqq最小最小液氣比液氣比min)(0 . 21 . 1 (nGnLnGnLqqqq2022-5-3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

5、平衡線 2*121min)(XXYYqqnGnL2*121min)(XXYYqqnGnL2022-5-3平衡線為上凸形時 2121min)(XXYYqqnGnL2121min)(XXYYqqnGnL2022-5-3計算法計算法適用條件：平衡線符合亨利定律，可用 mXY*表示 2121min)(XmYYYqqnGnL2121min)(XmYYYqqnGnL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(guān)系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試2022-5-

6、3求每小時送入塔內(nèi)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qnL求(qnL)min已知qnL/(qnL)min平衡常數(shù)解：解：1）平衡關(guān)系 *1yyY*pPp333106 . 11033.101106 . 101604. 02022-5-318/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0XY757. 0:平衡關(guān)系為2）最小吸收劑用量： 2121min)(XmYYYqqnGnL2022-5-3其中： 291000nGqhkmol/5 .34空氣333. 133.101333

7、. 11Y0133. 012)99. 01 (YY0133. 001. 0000133. 002X757. 0m0757. 00133. 0)000133. 00133. 0(5 .34hkmol/8 .252121min)(XmYYYqqnGnL2022-5-33）每小時用水量 nLqmin)(2nLq8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .928三、塔徑的計算三、塔徑的計算 uVDS4u空塔氣速 2022-5-3四、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

8、式 對組分A作物料衡算 單位時間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A的物質(zhì)量為：dXqdYqdGnLnGAdANdGAA)(dhaNAhGGh2022-5-3微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為： )()(*XXKNYYKNXAYA及dhaYYKdGYA)(*dhaXXKdGXA)(*dhaYYKdYqYnG)(*dhaXXKdXqXnL)(*dhqaKYYdYnGY*dhqaKXXdXnLX*hnGYYYdhqaKYYdY0*12hnLXXXdhqaKXXdX0*122022-5-3低濃度氣體吸收時填料層的基本關(guān)系式為 1212*YYYYYYnGYYdYaKGYYdYaKqh1212*XXXXXXnLXXdXaK

9、LXXdXaKqh及aKaKXY,氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù) 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(nèi)吸收的溶質(zhì)量。2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù) 2022-5-3aKGaKqYYnG的單位 /23msmkmolskmolm稱為“氣相總傳質(zhì)單元高度氣相總傳質(zhì)單元高度” ，用 OGH表示 aKqHYnGOG12*YYOGYYdYN氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元數(shù) OGOGNHh 1）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念 2022-5-3OLOLNHh OLH液相總傳質(zhì)單元高度，m ；aKLaKqHxx

10、nLOLOLN液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次 ；12*XXOLXXdXN依此類推，可以寫出通式：試寫出用膜系數(shù)及相應(yīng)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(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù) 2022-5-32）傳質(zhì)單元高度的物理意義）傳質(zhì)單元高度的物理意義 112*YYOGYYdYN2022-5-31)(1212*YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm氣體流經(jīng)一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內(nèi)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(zhì)單元高度。2022-5-3 吸收過

11、程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個傳質(zhì)單元所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨仍酱蟆?傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難度，任務(wù)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(zhì)單元數(shù)越大。3、傳質(zhì)單元數(shù)的求法、傳質(zhì)單元數(shù)的求法 平衡線為直線時 對數(shù)平均推動力法脫吸因數(shù)法平衡線為曲線時 圖解積分法近似梯級法2022-5-31）平衡線為直線時）平衡線為直線時a）脫吸因數(shù)法 平衡關(guān)系用直線 bmXY*表示時，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYqqXXnLnG將代入12)(22YYnLnGOGbXYYqqmYdYN2022-5-312)()1 (22YY

12、nLnGnLnGbmXYqmqYqmqdY令 SqmqqqmnLnGnGnL12)()1 (*22YYOGYSYYSdYN)()1 ()()1 (ln11*222*221YSYYSYSYYSS2022-5-3)1 (ln11*22*22*2*21YYSYSYSYYYSS)()1 ()1 (ln11*22*22*21YYYYSYSYSS)1ln(11*22*21SYYYYSSNOGnLnGqmqS 脫吸因數(shù)。脫吸因數(shù)。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(jìn)行。 AmqqSnGnL1吸收因數(shù)吸收因數(shù) 2022-5-32022-5-3分析分析 ：橫坐標(biāo) *22*21YYYY值的大小，

13、反映了溶質(zhì)吸收率的高低。 在氣液進(jìn)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(biāo)的數(shù)值愈大，對應(yīng)于同一橫坐標(biāo)的數(shù)值愈大，對應(yīng)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(jìn)出口濃度及溶質(zhì)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qnL/qnG，則溶液出口濃度提高，塔內(nèi)溶液出口濃度提高，塔內(nèi)吸收推動力變小，吸收推動力變小， NOG值增大。值增大。 2022-5-3對于一固定的吸收塔來說，當(dāng)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

14、增大，能耗加大，吸收液濃度降低 適宜的S值： 8 . 07 . 0S)1ln(11*11*21AYYYYmqqmqqNnGnLnGnLOLOGOLNSN2022-5-3b）對數(shù)平均推動力法 吸收的操作線為直線，當(dāng)平衡線也為直線時 *YYY)(Yf直線函數(shù) 2121)(YYYYdYYd)(2121YdYYYYdY*222*111,YYYYYY2022-5-312*YYOGYYdYN)(122121YYYdYYYYY122121YYYYdYYYY212121lnYYYYYY212121lnYYYYYYNOGmYYY212022-5-3其中： 2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)(

15、)(YYYYYYYY塔頂與塔底兩截面上吸收推動力的對數(shù)平均，稱為對對數(shù)平均推動力數(shù)平均推動力。時， 當(dāng) 22121YY相應(yīng)的對數(shù)平均推動力可用算術(shù)平均推動力代替。2022-5-3 例例：某生產(chǎn)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(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)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(guān)系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）qnL/qnG為(qnL/qnG)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.

16、0033，求此時所需填料層高度為若干米？ 2022-5-3解：解：04. 0104. 01Y0417. 00053. 010053. 02Y00533. 00128. 010128. 01X01297. 0 1） qnL/qnG為(qnL/qnG)min的倍數(shù)2121XXYYqqnGnL001297. 000533. 00417. 0804. 22022-5-32121min)(XmYYYqqnGnL)1 (12YYm)0417. 000533. 01 (5 . 218. 2286. 1)/()(minnGnLnGnLqqqq2）所需填料層高度脫吸因數(shù)法 )1ln(11*22*21SYYYYS

17、SNOGnLnGqmqS 804. 25 . 2892. 02022-5-3892. 0000533. 000417. 0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHh11. 55 . 167. 7對數(shù)平均推動力法mOGYYYN21mY00533. 00417. 02022-5-32121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY0053. 001297. 05 . 20417. 0ln)000533. 0()01297. 05 . 20417. 0( 007117. 0mOGYYYN21007117. 000533. 00417. 011. 5

18、2022-5-33）尾氣濃度下降后所需的填料層高度 尾氣濃度 0033. 010033. 02Y00331. 0)1ln(1121SYYSSNOG00331. 00417. 021YY6 .12892. 06 .12)892. 01ln(892. 011OGN52. 7OGOGNHh52. 75 . 1m28.112022-5-32）平衡線不為直線）平衡線不為直線a）圖解積分法 AA*YY*XYYY1Y2Y112YYYYdY2022-5-3五、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算五、吸收的操作型計算 例：例：某吸收塔在101.3kPa

19、，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(dá)95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關(guān)系為y=1.18x，吸收過程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)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(jìn)出口組成不變，試求：a）丙酮的回收率有何變化？2022-5-3b）單位時間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？2）若氣體流率，氣液進(jìn)出口組成，吸收塔的操作溫度和壓強(qiáng)皆不變，欲將丙酮回收率由原來95%的提高至98%，吸收劑用量應(yīng)增加到原用量的多少倍？思路：思路：1）已知qnL/qnG、m、吸收率脫吸因數(shù)法求NOGqnG改變HOG變塔高不變求NOG脫吸因數(shù)法求改變后的吸收率2） qnG不變脫吸因數(shù)法求改變后的S求qnLNOG不變h不變2022-5-3解：解：