吸收吸收塔的计算物料衡算与操作线方程

吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积(a)越小
，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，任务所要求的气体浓度
变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越 大，此时所需的传质单元数越大。
3、传质单元数的求法
对数平均推动力法 平衡线为直线时
脱吸因数法 图解积分法 平衡线为曲线时 近似梯级法
二、吸收剂用量的确定
Y1 液气比
B
L/V
L
( V
)min
B*
最小 液气比
L V

(1.1 ~
2.0)( L V
)min
29
最小液气比的求法: 图解法
正常的平衡线
(L V
)min

Y1 Y2 X1* X 2
•平衡线为上凸形时
(L V
)
min

Y1 Y2 X1 X 2
计算法
适用条件：平衡线符合亨利定律，可用Y * mX 表示
*

Y1
Y2
(Y
dY Y *)m
1
NOG

(Y
1 Y *)m
Y1
Y2
dY

Y1 Y2 (Y Y *)m
1
(Y Y )m Y1 Y2
气体流经一段填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层
内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时，这段填 料层的高度就是一个气相总传质单元高度。
u
u —空塔气速
四、填料层高度的计算
1、填料层高度的基本计算式
对组分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：
dGA VdY LdX
dGA NAdA N A (adZ)
微元填料层内的吸收速率方程式为：
N A KY (Y Y * )及N A K X ( X * X )
Lmin

V (Y1 Y2 )
Y1 m

X2
34.5(0.0133 0.000133) 0.0133 0 0.757
25.8kmol/ h
3）每小时用水量
L 2Lmin 2 25.8 51.6kmol/ h 928.8kg / h
三、塔径的计算 D 4VS
ln Y1 Y2
Y1 Y2 Ym
其—中—：塔Y顶m 与塔Y底ln1 两YY截12Y面2 上 吸(Y收1 推Yln动1*YY力)21的(Y对YY122数**平Y2均* )值，称为
对数平均推动力。
当 1 Y1 2 时，相应的对数平均推动力可用算术平均 2 Y2
1 S

L mV

A
—吸收因数
• 横坐标
Y1 Y2* 值的大小，反映了溶质吸收率的高低。 Y2 Y2*
• 在气液进出浓度（Y1，X2）一定的情况下，吸收率愈高，
Y2愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一S值的NOG愈大。
• S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，若增大
Yi2
Y2 Yi2
NL

X1 X2 X im
X im

X i1 X i2 ln X i1

( X i1
Xi2) (Xi2 ln X i1 X1

X2)
X i2
Xi2 X2
例：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 A， 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0.04（组分的mol分率，下同）， 出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条 件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：
分压 （ Pa ）
2 1600
2.5 2000
3 2427
分析： 求水量
吸收剂用量L 已知L/Lmin 求Lmin
平衡常数
解： 1）平衡关系
Y*

1
y* y*

1
p* p*

1.6 103
101.33103 1.6 103
0.01604
X 2 /17 0.0212 100 /18
m Y * 0.01604 0.757 X 0.0212
平衡关系为: Y 0.757X
2）最小吸收剂用量：
Lmin
V
Y1 Y2
Y1 m

X2
其中： V
1000 29
34.5kmol空气/ h
Y1

1.333 101.33 1.333

0.0133
Y2 (1 0.99)Y1 0.01 0.0133 0.000133 X 2 0 m 0.757
1）平衡线为直线时
a）脱吸因数法
平衡关系用直线Y * mX b 表示时，
NOG

Y1
Y2
dY Y Y*

YY21 Y
dY (mX
b)
将
X

X2
V L
(Y
Y2 )
代入上式，得：
NOG

Y1
Y2
Y

m[V L
(Y
dY Y2 )

X2]b

Y1
Y2
(1
mV L

0.892]
5.11
Z HOG NOG 1.5 5.11 7.67
• 对数平均推动力法
S值（减小液气比L/V），则溶液出口浓度提高，塔内吸收推
动力变小， NOG值增大。
• 对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，
Y1 Y2* 愈大，愈能提高吸收的程度。 Y2 Y2*
减小S
增大液气比
吸收剂用量增大，能耗加大，吸 收液浓度降低
适宜的S值： S 0.7 ~ 0.8
推动力代替。
写出NOL、NG、NL的表达式。
NOL

X1 X2 X m
X m

X1 X 2 ln X1 X 2

(
X
* 1

X1)

(
X
* 2

ln
X1*
X
* 2

X1 X2
X2)
NG

Y1 Y2 Yim
Yim

Yi1 Yi2 ln Yi1

(Y1
Yi1) (Y2 Yi2 ) ln Y1 Yi1
Y1

L V
X1

Y2

L V
X2
吸收率 A ：混合气中溶质A 被吸收的百分率
Y2 Y1(1A)
2、吸收塔的操作线方程式与操作线
在 m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算
VY LX1 VY1 LX
Y

L V
X
(Y1

L V
X1)
——逆流吸收塔操作线方程
在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算
)
/(
L V
)
min
1.286
2）所需填料层高度
• 脱吸因数法
NOG

1 1 S
ln[( 1
S) Y1 Y2
Y2* Y2*

S]
S mV 2.5 0.892 L 2.804

NOG

1
1 0.892
ln[( 1
0.892)
0.0417 0 0.00533 0
1）L/V为(L/V)min的多少倍？
2）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
浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？
解：
Y1

0.04 1 0.04

0.0417
Y2
0.0053 1 0.0053
0.00533
X1

0.0128 1 0.0128
dGA KY (Y Y * )adz
VdY KY (Y Y *)adz
dY Y Y*

KY a V
dZ
Y1
Y2
Y
dY Y*

KY a V
0Z
dZ
dGA K X ( X * X )adz
LdX K X (X * X )adz
dX X* X

HOL —液相总传质单元高度，m
；
HOL

L K xa
NOL
—液相总传质单元数，无因次
； NOL

X1
X2
X
dX *
X
依此类推，可以写出通式：
填料层高度 吸收单元数 吸收单元高度
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。
Z HG NG
HG

V k y a
—气膜传质单元高度，m
2、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
V KY a
的单位:
[k
[kmol mol / m3
/
s] s][
m2
]

[m]
称为“气相总传质单元高度” ，用HOG 表示
HOG
Hale Waihona Puke V KY aNOG

Y1
Y2
Y
dY Y*
——气相总传质单元数
Z HOGNOG
Z HOLNOL
)Y

dY mV [ L Y2

(mX 2

b)]
令 mV S L
NOG

Y1
Y2
(1
S )Y
dY (SY2
Y2* )
1 ln[ (1 S)Y1 (SY2 Y2* ) ] 1 S (1 S)Y2 (SY2 Y2* )
1 ln[ (1 S)Y1 Y2* SY2* SY2 SY2* ]
K X a dZ L
X1
X2
dX X*
X

K
X a L
0Z
dZ
低浓度气体吸收时填料层高度的基本关系式为:
Z

V KY a
Y1
Y2
Y
dY Y*
及Z

L K X a
X1
X2
X
dX *
X
KY a, KX a 气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数
物理意义 ： 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。
NG

Y1
Y2
Y
dY Yi
—气膜传质单元数
Z HL NL
HL

L k x a
—液膜传质单元高度，m
NL

X1
X2
dX Xi X
—液膜传质单元数
2）传质单元高度的物理意义
假定某吸收过程： Z=HOG
则： NOG
Y1 dY Y2 Y Y * 1
Y1
Y2
Y
dY Y
Y1 Y1 Y1*, Y2 Y2 Y2*
Y1 Y2
NOG

Y1
Y2
Y
dY Y
*

YY21
Y1 Y2 Y
d (Y )

Y1 Y1
Y2 Y2
Y1
Y2
dY Y
Y1 Y2 ln Y1 Y1 Y2 Y2
NOG

Y1 Y2 Y1 Y2
第六章 吸收
第三节 吸收塔的计算
一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算 四、填料层高度的计算 五、理论板层数的计算 六、吸收的操作型计算
吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：
1）混合气体中溶质A的组成及流量; 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 ;
需要计算的量：
NOL

1 1 L
ln[( 1
L ) Y1 mV Y1
Y2* Y1*

A]
mV
NOL S NOG
b）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：
Y Y Y * f (Y ) ——直线函数
d (Y ) Y1 Y2
dY
Y1 Y2
dY Y1 Y2 d (Y ) Y1 Y2
1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)； 2）塔径和填料层高度
一、吸收塔的物料衡算与操作线方程
1、物料衡算
• 确定各物流之间的量的关系；
• 确定设备中任意位置两物料
组成之间的关系。
对单位时间内进出吸收塔的A的 量作衡算 ：
VY1 LX2 VY2 LX1
V (Y1 Y2 ) L(X1 X 2 )
(L V
) m in

Y1 Y2
Y1 m

X2
例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分 压为1333Pa，用20℃的水吸收混合气中的氨，要求氨的回 收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关 系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试
求每小时送入塔内的水量。 溶液浓度(gNH3/100gH2O)

0.01297
1）L/V为(L/V)min的倍数
L Y1 Y2 0.0417 0.00533 2.804
V X1 X2
0.01297 0
(L V
)
m
in

Y1 Y2
Y1 m

X2

m(1

Y2 Y1
)

2.5(1

0.00533) 0.0417
2.18
(L V
VY LX2 VY2 LX
Y

L V
X

(Y2

L V
X2)
——逆流吸收塔操作线方程 表明 ：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线
关系，直线的斜率为L/V。
并流吸收塔的操作线：
Y

L V
X

(L V
X1
Y1)
注意：
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。
1 S
Y2 Y2*
1 ln[ (1 S)Y1 (1 S)Y2* S(Y2 Y2* )]
1 S
Y2 Y2*
NOG

1 1 S
ln[(1
S) Y1 Y2
Y2* Y2*

S]
S mV —脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值
L
无因次。S愈大，脱吸愈易进行。