化工原理第五章(吸收塔的計(jì)算)

第四節(jié)吸收塔的計(jì)算一、物料衡算與操作線方程二、吸收劑用量確實(shí)定三、填料層高度的計(jì)算第五章吸收2024/1/23整理課件【吸收塔的計(jì)算內(nèi)容

】1、設(shè)計(jì)型計(jì)算〔1〕吸收塔的塔徑；〔2〕吸收塔的塔高等。2、操作型計(jì)算〔1〕吸收劑的用量；〔2〕吸收液的濃度；〔3〕在物系、塔設(shè)備一定的情況下，對(duì)指定的生產(chǎn)任務(wù)，核算塔設(shè)備是否合用。2024/1/23整理課件一、物料衡算和操作線方程1、物料衡算G——單位時(shí)間通過(guò)任一塔截面惰性氣體的量，kmol/s；L——單位時(shí)間通過(guò)任一塔截面的純吸收劑的量，kmol/s；Y——任一截面上混合氣體中溶質(zhì)的摩爾比，X——任一截面上吸收劑中溶質(zhì)的摩爾比。

物料衡算示意圖2024/1/23整理課件【假設(shè)】溶劑不揮發(fā)，惰性氣體不溶于溶劑〔即操作過(guò)程中L、G為常數(shù)〕。以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，在全塔范圍內(nèi)，對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算得：——全塔的物料衡算式〔進(jìn)入量＝引出量〕或2024/1/23整理課件【溶質(zhì)的回收率】【定義】【計(jì)算公式】——塔底、塔頂組成與回收率之間的關(guān)系【吸收液的濃度】【有關(guān)計(jì)算】2024/1/23整理課件2、吸收操作線方程與操作線

逆流吸收塔內(nèi)任取mn截面，在截面mn與塔頂間對(duì)溶質(zhì)A進(jìn)行物料衡算：GY+LX2=GY2+LX或

2024/1/23整理課件假設(shè)在塔底與塔內(nèi)任一截面mn間對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算，那么得到：或

【吸收操作線方程式的作用】說(shuō)明了塔內(nèi)任一截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關(guān)系。2024/1/23整理課件【逆流吸收操作線方程的有關(guān)討論的特點(diǎn)】

〔1〕當(dāng)定態(tài)連續(xù)吸收時(shí)，假設(shè)L、G一定，Y1、X1恒定，那么該吸收操作線在X～Y直角坐標(biāo)圖上為一直線，通過(guò)塔頂A〔X2，Y2〕及塔底B〔X1，Y1〕，其斜率為L(zhǎng)/G?！径x】L/G稱為吸收操作的液氣比。2024/1/23整理課件YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收操作線0塔頂塔底斜率＝L/G2024/1/23整理課件〔2〕吸收操作線僅與液氣比、塔底及塔頂溶質(zhì)組成有關(guān)，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、塔型及操作條件T、p無(wú)關(guān)?！?〕吸收操作時(shí)，Y>Y*或X*>X，故吸收操作線在平衡線Y*＝f(X)的上方，操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大；〔4〕對(duì)于解吸操作，Y<Y*或X*<X，故解吸操作線在平衡線的下方。2024/1/23整理課件YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收推動(dòng)力0X*Y*吸收推動(dòng)力Y－Y*吸收推動(dòng)力X*－X2024/1/23整理課件二、吸收劑用量與最小液氣比

1、最小液氣比【定義】對(duì)于一定的別離任務(wù)、操作條件和吸收物系，當(dāng)塔內(nèi)某截面吸收推動(dòng)力為零時(shí)〔氣液兩相平衡Y－Y*＝0〕，到達(dá)別離要求所需塔高為無(wú)窮大時(shí)的液氣比稱為最小液氣比，以〔L/G〕min表示。式中FA——單位時(shí)間溶質(zhì)的吸收量，mol/s；

A——?dú)庖合嘟佑|面積，m2。2024/1/23整理課件【特點(diǎn)】操作線與平衡線相交或相切。【問(wèn)題】如果進(jìn)一步減小液氣比，將會(huì)出現(xiàn)什么狀況？最小液氣比下的操作線Y1*Y1－Y1*=0Y－Y*=02024/1/23整理課件2、操作液氣比對(duì)吸收操作的影響

【設(shè)備費(fèi)用降低】增大吸收劑用量，操作線的斜率變大，操作線往上抬。在此情況下，操作線遠(yuǎn)離平衡線，吸收的推動(dòng)力增大，假設(shè)欲到達(dá)一定吸收效果，那么所需的塔高將減小，設(shè)備費(fèi)用會(huì)減少?！静僮髻M(fèi)用增加】吸收劑用量增加到一定程度后，塔高減小的幅度就不顯著，而吸收劑消耗量卻過(guò)大，造成輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用劇增。〔1〕增大吸收劑用量對(duì)吸收操作的影響2024/1/23整理課件【設(shè)備費(fèi)用增加】減少吸收劑用量，操作線的斜率變小，操作線往下壓。在此情況下，操作線靠近平衡線，吸收的推動(dòng)力減小，假設(shè)欲到達(dá)一定吸收效果，那么所需的塔高將增大，設(shè)備費(fèi)用會(huì)增加。【操作費(fèi)用降低】隨著吸收劑用量的減少，吸收后所獲得的吸收液濃度會(huì)增大，降低了解吸工段的難度；同時(shí)吸收劑消耗量也會(huì)較少，輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用減少。〔2〕減少吸收劑用量對(duì)吸收操作的影響2024/1/23整理課件【確定原那么】應(yīng)選擇適宜的液氣比，使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最小?！敬_定方法】根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常吸收劑用量為最小用量的1.1～2.0倍，即：3、吸收劑用量確實(shí)定L適宜=〔1.1～2.0〕Lmin或2024/1/23整理課件LL適宜

費(fèi)用

總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)

操作費(fèi)L適宜=〔1.1~2.0〕Lmin2024/1/23整理課件4、最小液氣比確實(shí)定〔1〕圖解法【方法一】〔1〕在X-Y圖上分別畫出平衡線與操作線；〔2〕根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算：斜率＝（L/G）min操作線平衡線2024/1/23整理課件〔1〕過(guò)點(diǎn)〔X2，Y2〕作平衡線的切線；〔2〕水平線Y＝Y(jié)1與切線相交于點(diǎn)〔X1,max，Y1〕，那么可按下式計(jì)算最小液氣比：【方法二】操作線與平衡線相切，那么：2024/1/23整理課件〔2〕解析法假設(shè)平衡關(guān)系符合亨利定律，那么采用以下解析式計(jì)算最小液氣比：由于Y1Y2X2X1*2024/1/23整理課件【例】用清水在常壓塔內(nèi)吸收含SO29%(mol)的氣體。溫度為20℃，逆流操作，處理量為1m3/s。要求SO2的回收率為95%，吸收劑用量為最小吸收劑用量的120%。求吸收后吸收液的濃度和吸收用水量。操作條件下的氣液平衡關(guān)系為Y*=31.13X2024/1/23整理課件【解】y1＝0.09η＝95％＝0.95∴

Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495

據(jù)Y*＝31.13X

知：m＝31.13據(jù)∴

2024/1/23整理課件據(jù)

∴

可解得吸收液的濃度為X1=0.00265∵故吸收用水量為：L＝35.5G＝35.5×37.85＝1343(mol/s)＝1.343(kmol/s)∵L＝120％Lmin＝1.2Lmin∴2024/1/23整理課件三、吸收塔填料層高度的計(jì)算

1、填料塔的高度封頭塔頂空間塔底空間裙座【說(shuō)明】填料塔的高度主要決定于填料層高度。2024/1/23整理課件H——塔高(從A到B，不包括封頭、裙座高)，m；Z——填料層高．m；Hf——裝置液體再分布器的空間高，m；Hd——塔頂空間高(不包括封頭局部)，m，一般取Hd=0.8～1.4m；Hb——塔底空間高(不包括封頭局部)，m，一般取Hb=1.2～1.5m；n——填料層分層數(shù)H＝Hd十Z十(n—1)Hf十Hb

HdHfHb2024/1/23整理課件【說(shuō)明】由于液體再分布器、噴淋裝置、支承裝置、捕沫器等的結(jié)構(gòu)不同時(shí)其高度不同，當(dāng)一時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確確定時(shí)，也可采用下式近似計(jì)算塔高：H=1.2Z+Hd+Hb

Hd——塔頂空間高(不包括封頭局部)，m；Hb——塔底空間高(不包括封頭局部)，m?！咎盍纤叨鹊慕朴?jì)算】2024/1/23整理課件2、填料層高度的根本計(jì)算式【計(jì)算依據(jù)】〔1〕物料衡算式；〔2〕傳質(zhì)速率方程式?！静僮魈攸c(diǎn)】在填料塔內(nèi)任一截面上的吸收的推動(dòng)力〔Y－Y*〕均沿塔高連續(xù)變化，所以不同截面上的傳質(zhì)速率各不相同?！咎幚矸椒ā坎荒軐?duì)全塔進(jìn)行計(jì)算，只可首先對(duì)一微分段計(jì)算，得到微分式，然后得到積分式運(yùn)用于全塔。2024/1/23整理課件逆流吸收塔內(nèi)的吸收推動(dòng)力【特點(diǎn)】任一截面上的吸收的推動(dòng)力均沿塔高連續(xù)變化。2024/1/23整理課件其中a——單位體積填料所具有的相際傳質(zhì)面積，m2/m3；稱為有效比外表積?！脖晃談駶?rùn)的填料外表積〕Ω——填料塔的塔截面積，m2。微分填料層的傳質(zhì)面積為：【吸收塔填料層高度微分計(jì)算式】2024/1/23整理課件拉西環(huán)填料比外表積＝填料的數(shù)量×單個(gè)填料的外表積2024/1/23整理課件堆放在塔內(nèi)的填料有效比外表積a——被吸收劑濕潤(rùn)的填料外表積2024/1/23整理課件

定態(tài)吸收時(shí)，氣相中溶質(zhì)減少的量等于液相中溶質(zhì)增加的量，即：式中FA——單位時(shí)間吸收溶質(zhì)的量，kmol/s；

NA——為微元填料層內(nèi)溶質(zhì)的傳質(zhì)速率，在微分層內(nèi)可視為定值，kmol/m2·s；——物料衡算式微分填料層dZ段內(nèi)吸收溶質(zhì)的量為：——傳質(zhì)速率計(jì)算式2024/1/23整理課件將吸收速率方程

代入上式得

與dFA＝GdY

聯(lián)立后可得：——吸收塔填料層高度微分計(jì)算式

2024/1/23整理課件【計(jì)算前提】〔1〕當(dāng)吸收塔定態(tài)操作時(shí)，G、L、Ω、a既不隨時(shí)間而變化，也不隨截面位置變化?！?〕低濃度吸收，在全塔范圍內(nèi)氣液相的物性變化都較小，通常KY、KX可視為常數(shù)，將前式積分得：——低濃度定態(tài)吸收塔填料層高度積分計(jì)算式

【吸收塔填料層高度積分計(jì)算式】2024/1/23整理課件3、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)〔1〕傳質(zhì)單元高度【確定方法】分別確定各物理量的大小，通過(guò)定義式直接計(jì)算其數(shù)值的大小?！獑挝粸閙。稱為氣相總傳質(zhì)單元高度。【定義】2024/1/23整理課件【結(jié)論】〔1〕體積傳質(zhì)系數(shù)KYa與填料性能和填料潤(rùn)濕情況有關(guān)。傳質(zhì)單元高度的數(shù)值反映了吸收設(shè)備傳質(zhì)效能的上下；〔2〕HOG愈小，吸收設(shè)備的傳質(zhì)阻力愈小，傳質(zhì)效能愈高，完成一定別離任務(wù)所需填料層高度愈小。——傳質(zhì)阻力

由：【傳質(zhì)單元高度對(duì)吸收的影響】2024/1/23整理課件【體積傳質(zhì)系數(shù)〔KYa〕——參數(shù)歸并法】〔1〕有效比外表積〔a〕與填料的類型、形狀、尺寸、填充情況有關(guān)，還隨流體物性、流動(dòng)狀況而變化，其數(shù)值不易直接測(cè)定；〔2〕通常將a與傳質(zhì)系數(shù)〔KY〕的乘積合并為一個(gè)物理量KYa〔單位kmol/m3·s〕，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其數(shù)值；〔3〕在低濃度吸收的情況下，體積傳質(zhì)系數(shù)在全塔范圍內(nèi)為常數(shù)，或可取平均值。2024/1/23整理課件〔2〕傳質(zhì)單元數(shù)因此，根據(jù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義，填料層高度可表示為：稱為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)?！獰o(wú)因次。

【定義】2024/1/23整理課件〔3〕填料層高度計(jì)算通式計(jì)算通式

Z＝傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)

假設(shè)用不同的總傳質(zhì)系數(shù)及氣、液相傳質(zhì)系數(shù)對(duì)應(yīng)的吸收速率方程進(jìn)行推導(dǎo)，可得：【說(shuō)明】（1）可以使用其中任何一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，并且結(jié)果相同；（2）根據(jù)已知條件選用計(jì)算式。2024/1/23整理課件——液相總傳質(zhì)單元數(shù)式中

——液相總傳質(zhì)單元高度2024/1/23整理課件〔4〕傳質(zhì)單元的物理意義以NOG為例，由積分中值定理得知：【結(jié)論】當(dāng)氣體流經(jīng)填料塔的某一塔段，其氣相中溶質(zhì)組成變化〔Ya－Yb〕等于該填料塔的平均吸收推動(dòng)力〔中值〕〔Y－Y*〕m，即NOG＝1時(shí)，那么該塔段為一個(gè)傳質(zhì)單元。2024/1/23整理課件傳質(zhì)單元的物理意義YaYb【問(wèn)題】一個(gè)吸收塔內(nèi)有多少個(gè)傳質(zhì)單元？2024/1/23整理課件〔5〕傳質(zhì)單元數(shù)對(duì)吸收操作的影響【決定因素】NOG的分子〔Y1－Y2〕為氣相組成變化，即別離效果〔別離要求〕；分母〔Y－Y*〕m為吸收過(guò)程的推動(dòng)力。其值的大小取決于被別離的物系的性質(zhì)、結(jié)果與操作條件，而與塔設(shè)備無(wú)關(guān)?！咀兓厔?shì)】別離任務(wù)〔Y1－Y2〕越高，吸收的平均推動(dòng)力〔Y－Y*〕m愈小，傳質(zhì)單元數(shù)就愈大?！窘Y(jié)論】傳質(zhì)單元數(shù)反映了吸收過(guò)程的難易程度。即傳質(zhì)單元數(shù)越大，吸收過(guò)程的難度越大。2024/1/23整理課件〔6〕傳質(zhì)單元高度的物理意義可以看出：NOG＝1時(shí)，Z＝HOG。【結(jié)論】完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度。以HOG為例，由式：YaYb2024/1/23整理課件3、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算〔1〕傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算的方法當(dāng)氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律時(shí)：①對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法；②吸收因數(shù)法。當(dāng)氣液平衡關(guān)系不滿足亨利定律時(shí)：①圖解積分法；②數(shù)值積分法〔辛普森Simpson法〕。2024/1/23整理課件〔2〕對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法【前提】氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律?！痉椒ā扛鶕?jù)積分中值定律，先確定中值的數(shù)值，以此計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)。式中2024/1/23整理課件Y1*＝mX1——與X1相平衡的氣相組成；Y2*＝mX2——與X2相平衡的氣相組成；ΔYm——塔頂與塔底兩截面上吸收推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均值，稱為對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力?！局兄荡_實(shí)定】G,Y2L,X2G,Y1L,X12024/1/23整理課件YY1Y2XX1X2Y=f(X)對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法0ΔYmΔY1ΔY2塔頂塔底2024/1/23整理課件同理，液相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算式為：X1*——與Y1相平衡的液相組成；X2*——與Y2相平衡的液相組成。式中

G,Y2L,X2G,Y1L,X12024/1/23整理課件【兩點(diǎn)討論】〔1〕當(dāng)ΔY1/ΔY2＜2、ΔX1/ΔX2＜2時(shí)，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力替代，產(chǎn)生的誤差小于4%，這是工程允許的；（2）當(dāng)平衡線與操作線平行，即L/mG＝1時(shí)：

此時(shí)有：2024/1/23整理課件〔2〕吸收〔解吸〕因數(shù)法【方法】由于氣液平衡關(guān)系服從亨利定律，首先建立起函數(shù)關(guān)系式[f(Y－Y*)～Y]，根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)的定義式直接積分，導(dǎo)出其解析式。式中

——解吸因數(shù)（脫吸因數(shù)）【說(shuō)明】一般情況下，可直接用該式計(jì)算。2024/1/23整理課件【方法】為方便計(jì)算，以S為參數(shù)；為橫坐標(biāo)；

NOG為縱坐標(biāo)。

在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪公式的函數(shù)關(guān)系，得到吸收（解吸）因素法關(guān)系圖。此圖可方便地查出NOG值。【吸收〔解吸〕因素法關(guān)系圖——簡(jiǎn)捷計(jì)算】【特點(diǎn)】NOG的數(shù)值與解吸因數(shù)S、有關(guān)。

2024/1/23整理課件解吸因素法關(guān)系圖【方法】（1）由m、L/G計(jì)算S：（2）由m、Y1、Y2、

X2計(jì)算：（3）由圖中查的NOG。2024/1/23整理課件圖解積分法的步驟如下：①由平衡線和操作線求出假設(shè)干個(gè)點(diǎn)〔Y，Y－Y*〕；②在Y2到Y(jié)1范圍內(nèi)作Y1/〔Y－Y*〕曲線；③在Y2與Y1之間，Y1/〔