化工原理-5-第八章-气体吸收

课后习题
P70页 5、6、7 下周上课前交
8.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析 无论是设计型问题还是操作型问题，其求解的方法都是通过联立 求解全塔物料衡算和填料层高度计算式以及相平衡关系式。下面 分别讨论： 一、填料塔的设计型计算 设计型计算的特点：给定进口气体的溶质浓度yb、进塔混合气的 流率G、相平衡关系及分离要求，计算达到指定的分离要求所需 要的塔高度。 要完成设计型计算还要解决以下问题： ①确定传质系数； ②气液两相流向的选择，通常采取逆流操作； ③吸收剂进口浓度的确定； ④吸收剂用量的确定。
* 故： yb yb yb 0.05 0.14 0.224 0.01864
m 2 .s

* y a y a y a 4 10 4 0.14 0.002 0.00372
0.01864 0.00372 y m 9.258 10 3 0.01864 ln 0.00372
H 1.1508 4.96 5.65m
二、填料塔的操作型计算
特点：塔设备已给定（对填料塔高度h已知），基本类型有：
①校核现有的塔设备对指定的生产任务是否适用，如已知T、 P、H、G、L、xa、yb，校核ya是否满足要求； ②考察某一操作条件改变时，吸收结果的变化情况或为达到 指定的生产任务应采取的措施。如对给定的吸收塔，若气体处 理量增加（其余条件不变），分析ya、yb的变化趋势或此时应 采取什么措施才有可能使ya保持不变。
G y ya L
mG m 2G mG 1 y b mx a L y a L xa L 1 ln mG y a mx a 1 L
最后整理得：
mG y b mx a mG 1 ln 1 mG L y a mx a L 1 L L A ，A称为吸收因数 引入概念：令 mG 其几何意义为：操作线斜率L/G与平衡线斜率m之比；而 N OG
例：在填料层为6m的塔内用清水吸收含氨1.5%（体积分数）的气 体混合物（余位惰性气体），混合气体流率为0.024kmol/(m2.s)， 入口清水流率为0.023kmol/(m2.s)。操作条件下相平衡关系为 y=0.8x，总体积传质系数Kya为0.06kmol/(m3.s.⊿y)。试问： ①若希望氨的吸收率不低于99%，问能否满足要求？ ②该塔的实际收率为多少？
N OG
0.05 4 10 3 4.9687 3 9.258 10
H 1.1508 4.9687 5.72m
②吸收因数法
脱吸因数：S mG 0.14 0.04 0.675 L 0.008288
N OG
y b mx a 1 ln 1 S S 1 S y a mx a 1 0.05 0.14 0.002 ln 1 0.675 0.675 1 0.675 0.004 0.14 0.002 4.96
dy y y*
令 y y* y 以下将证明 y和y之间成线性关系! 因为：y y y* y mx b
根据操作线方程： y y a Lx xa G
G 则： xa y y a ，将该式代入 y 中，得： x L
G y y y* y m x a y y a b L mG mG 1 ya b y mx a L L
故： y 和y之间成线性关系！因为是线性关系，两边对y求导数，则：
mG dy mG dy 1 ， dy 1 L dy L
mG 两边积分： dy 1 dy ya ya L
yb yb
mG y b y a 即： 1 L yb y a
现设平衡关系服从亨利定律，y* mx ，代入上式，则：
ห้องสมุดไป่ตู้
N OG
yb
yb
ya
dy y mx
x 又：根据逆流操作线方程： xa
则： N OG
dy ya G y m x a y y a L yb dy ya mG mG y a mx a 1 y L L
由于： N OG y
又因为： N OG
yb y a y m
故平均推动力为： y m
y b y a y ln b y a
y m 称为气相对数平均传质推动力。
以图表示：
同理，对于液相，相应地有：
N OL
式中： x m
xb x a xb xb x a ln xb x a x a x m
S mG ，为脱吸因数，显然，S=1/A。 L y b mx a 1 则：N OG ln 1 S S 1 S y a mx a
也可写成：
N OG
A 1 y b mx a 1 ln 1 1 A A y a mx a A
y m
y b y a 为求出⊿ym，必须要知道吸收塔进出口处气液两相组成。 y b ln y a
如上图所示，根据回收率定义： 1
3 则：y a 1 yb 1 0.92 0.05 4 10
Gy a y 1 a Gy b yb
三、传质单元数的计算 根据相平衡关系的不同，传质单元数的计算可以选择不同的计算方法。 1、对数平均推动力法 在吸收操作所涉及的组成范围内，若相平衡关系可用直线方程表示， 即相平衡关系服从亨利定律 y* mx 或在操作组成范围内平衡关系为直线 y* mx b 因为：N OG y
yb a
y b mx a 进塔组成yb、xa一定时，若要求吸收率高，则yb小，相应的 y a mx a
y b mx a 表示吸收的要求或吸收的程度，当气液两相的 y a mx a
值大，对于一定的S值，则NOG也大，即所需的填料层高度高；反之亦然。
y b mx a 一定，NOG与S之间的关系 ② y a mx a
yib yb yib， yia y a yia ；
xib xib xb ， xia xia x a
2、吸收因数法
因为， OG N

yb
ya
分子dy所做的工作，现在吸收因数法则主要是对分母进行变化。
dy ，上面对数平均推动力法实际上是对积分项中 y y*
y b y a 0.05 4 10 3 L 0.1295 又： 0.05 x * xa G min 0.002 0.14 L 则： 1.6L 1.6 0.1295 0.04 0.008288 kmol
m in

G xb xa yb y a 0.224 L
解： H N OG H OG
H OG G K ya
G 41
1 1 0.04 kmol 2 m .s 3600 2 0.6 4


H OG
0.04 1.1508 m 0.035
①对数平均推动力法
N OG
yb
ya
yb y a dy y y* y m
若以液相浓度差为总推动力，则： xb dx N OL xa x * x 平衡线：
y mx *
操作线： G y y a Lx xa
L y y a x xa G
N OL
整理，最后得：
xb xa
xb mdx xa y mx
mdx ya L x xa mx G
x b x a x ln b x a
xm 称为液相对数平均传质推动力。
若以分传质推动力表示，则有： y b y a y y ib y ia NG ， im y y im ln ib y ia
x xia xb x a xim ib NL ， x xim ln ib xia
N OL
y b mx a S ln 1 S S SN OG 1 S y a mx a
若平衡关系不能满足亨利定律，但可近似地表示成如下直线形式：
y mx b
则：
N OG
* yb y a 1 ln 1 S S * 1 S ya ya
下面通过例题来阐述设计型计算的过程：
例：在一填料吸收塔中，用平均相对分子质量为170的煤油逆流吸 收含苯5%（体积分率）的煤气，煤气的流量为41kmol/h，要求苯 的回收率为92%。已知塔顶进入的煤油含苯0.2%（摩尔分数，下 同），煤油的耗用量为最小耗用量的1.6倍。吸收塔在常温、常压 下操作，在操作浓度范围内，系统的气、液平衡关系式为y=0.14x， 总体积传质系数Kya=0.035kmol/(m3.s)。已知塔径为0.6m，问所 需塔高为多少？
N OL
* yb y a S ln 1 S S * 1 S ya ya
式中：
* y a mx a b
3、其他计算法 以 N OG
yb
ya
dy 为例： y y*
如果平衡线不是直线，则以上两种方法皆不适用，这时应当知道， NOG的计算实质上是求上式等号右边的定积分问题，定积分的计算 可以采用近似方法解决的，如数值积分中的梯形法、辛普森法、龙 贝格法等等。
对上式进行分析：
y b mx a 以上两式实际上由三个数群NOG、1/A（S）、 y a mx a
y b mx a 构成，以NOG为纵坐标，以 为横坐标（对数坐标）， y a mx a
S为参变量，作图如下：
①S一定，NOG与
y b mx a 之间的关系 y a mx a