第4章-3化工原理

dx xe −
x
离
令H OL
=
L K xa
∫ NOL =
x1 dx x2 xe − x
∴ H = HOL × NOL
4、 传质单元数与传质单元高度
H = HOG ⋅ NOG = HOL ⋅ NOL
传质单元高度
H OG
=
G， K ya
H OL
=
L K xa
传质单元高度为完成一个传质单元所需 的塔高， HOG、HOL与设备形式、操作 条件有关，反映设备性能高低。
+
1⎤
A
⎥ ⎦
A
1、设计塔高的命题
设计要求：求达到指定分离要求所需的塔高。
给定条件：y1，G，相平衡关系（y=mx)，
分离要求(y2或η)。
y2
x2
被吸收的溶质量
回收率： η =
气体进塔的溶质量
= G1 y1 − G2 y2 = 1− y2
G1 = G2 = G
G1 y1
y1
尚须作设计条件选择。
G y1
4.5 低含量气体吸收 4.5.1 低含量气体吸收的特点
(1) G，L 为常量； (2) 过程等温； (3)传质系数为常量。
流经微元塔段 两相浓度变化
4.5.2 低含量气体吸收数学描述和操作线
1、物料衡算微分式 单位体积内的有效吸收表面 a m2/m3 微元段dh，则传质面积为 aAdh（A为截面积）
不变，1 A
↑ ，N OG？
1/A增大
N OG
=
1 1− 1
ln⎢⎣⎡⎜⎝⎛1 −
1 ⎟⎞ A⎠
y1 y2
− mx2 − mx2
+
1⎤
A
⎥ ⎦
A
由图可知，y1 − mx2 不变，
NOG
y2 − mx2
1 A
↑⇒
N OG
↑
（y1-mx2）/（y2-mx2）
NOG 与（y1-mx2）/（y2-mx2）关系曲线
，x1e = x max = y1/m
⎜⎛ L ⎟⎞ = y1 − yE
Δy1 = 0 ， H → ∞ 。 ⎝ G ⎠min x1 − xE
E
最小液气比
液气比的选择
最小液气比
( )L G
min
=
y1 − y2 x1e − x2
L/G↑，x1↓，△ym↑，NOG ↓， H ↓，设备费↓，但解吸操作费↑， 须优化选择。
y1
y1
y2 =（1−η）y1
G y1
L x1
逆 流 吸 传质速率积分式
Ldx=NAadh
( ) Gdy = N Aadh = K ya y − ye dh NA =Ky(y−ye)
K
Gdy ya（y −
ye）=
dh
NA = Kx(xe −x)
∫ H =
常用吸收设备的HOG约为0.15∼ 1.5m
H = HOG ⋅ NOG = HOL ⋅ NOL
∫ 传质单元数
N OG =
y1 dy y2 y − ye
∫ NOL =
x1 dx x2 xe − x
传质单元数NOG、NOL与相平衡及塔的进出 口浓度条件有关，反映了分离任务的难易。
若NOG、NOL太大 则表明吸收剂性能差，或者分离要求太高
对控制体作物料衡算：
气相量的减少 = 液相量的增加 G( y − y2 ) = L( x − x2 )
操作线：
y
=
L G
(x
−
x2
)+
y2
逆流吸收的操作
( ) y = L
G
x − x2
+ y2 -------操作线方程
塔底
操作点 y
塔顶
x
L 直线，斜率为 G （称为液 气比），并通过点 A(X2， Y2)，B(X1，Y1)总是位于 平衡线的上方；
• (2)出塔液体的浓度；
• (3)完成上述分离任务所需的气相总传质单 元数NOG。
解：1、本题属于低浓度吸收
y2 = y1 (1 − η ) = 0.03 × (1 − 95%) = 0.0015
m = y1 = 0.03 = 1 x1e 0.03
L = m =1=1
G
1 A
1
2、出塔浓度x1
液气比
y2 − mx2
y2
1−η
• 例题 在常压逆流接触的填料塔内，用纯溶 剂S吸收混合气中的可溶组分A。入塔气体 中A的摩尔分率为0.03，要求吸收率为95% 。已知操作条件下的解吸因数为1,相平衡关 系服从亨利定律，与入塔气体成平衡的液 相浓度为0.03（摩尔分率）。试计算：
• (1)操作线的斜率；
N OG
=
y1 y2
−1=
0.03 0.0015
− 1 = 19
• 例题 拟用一塔径为0.5m的填料吸收塔，逆 流操作，用纯溶剂吸收混合气中的溶质。 入塔气体量为100kmol/h，溶质浓度为0.01 （摩尔分率），要求回收率达到90%，液 气比为1.5 ，平衡关系为y = x 。试求：
• (1)液体出塔浓度；
传质单元数与传质单元高度
塔高计算式
H = HOG ⋅ NOG H = HOL ⋅ NOL H = HG ⋅ NG H = HL ⋅ NL
传质单元高度
H OG
=
G Kya
H OL
=
L Kxa
HG
=
G kya
HL
=
L kxa
传质单元数
∫ NOG =
y1 dy y2 y − ye
∫ NOL =
x1 dx x2 xe − x
经济上：x2↓，H ↓ ，设备费↓
但解吸操作费↑，须优化选择。 讨论2、平衡位置
当x2达到最高允许浓度,在哪 里达到平衡？ x2 = x2e=y2/m 此时△ym = 0， H→∞ ， 在塔顶达到平衡
4、吸收剂用量的确定和最小液气比
G y2
吸收塔设计中，吸收剂用量改变对吸收过程的影响：
L
L↓
↓
G
⎜⎛ L ⎜⎝ G
L x1
2、 流向选择 一般选逆流，△ym较大。在特殊情况
下，可考虑用并流。
并流吸收的操作线
y
=
y1
−
L G
(x
−
x1 )
3、吸收剂进口浓度的选择
y2一定，确定x2 的范围
x2 (进口溶剂浓度）范围： Min: x2=0
Max: x2 =y2/m
吸收剂进口浓度上限
讨论1、x2优化选择 技术上： x2↓,△ym ↑,NOG ↓ H ↓
，
ye
= mx
，
x=G L
y − y2
+ x2
N OG
=
1 1− 1
ln⎢⎣⎡⎜⎝⎛1 −
1 ⎟⎞ A⎠
y1 − mx2 y2 − mx2
+
1⎤
A
⎥ ⎦
A
1 A
=
m L
G
1/A 解吸因数 平衡线与操作线斜率之比
讨论1、逆流吸收，x2=0，NOG与η关系？
N OG
=
1 1− 1
ln⎢⎣⎡⎜⎝⎛1 −
N OG
=
y1 − y2 Δym
讨论1、当m
=
L G
,两线平行
NOG=?
当m = L ,两线平行， G
Δy1 = Δy2 = Δym ,
N OG
=
y1 − y2 Δym
=
y1 − y2 y2 − mx2
讨论2、并流的对数平均推动力？
Δym
=
Δy1 −Δy2 lnΔy1
=
(
y1
−
mx1)−(y2 − ln y1 −mx1
∫ NG =
y1 dy y2 y − yi
∫ NL =
x1 dx x2 xi − x
H OG
=
HG
+
mG L
HL
H OL
=
L mG
HG
+
HL
H OG
L mG
=
H OL
对一定操作条件下的填料吸收塔，如将
填N料OG层将增(高些) ，则塔的HOG将 ( )，
A、降低 C、不变
B、升高 D、不确定
CB
5、 操作线与推动力的变化规律 两相逆流接触，如图
操作线斜率越小，越靠近平衡线，
传质推动力越小，对传质不利。
4.5.3 传质单元数NOG的求解
1、对数平均推动力法
H
=
G K ya
⋅
N OG
Δym
=
Δy1 − Δy2 ln Δy1
Δy2
N OG
=
y1 − y2 Δym
平衡线为直线
Δy1 = y1 - mx1 Δy2 = y2 - mx2
Δym——以气相浓度表示 的全塔对数平均推动力
• (2)测得气相总体积传质系数Kya = 0.10kmol/(m3⋅s)，问该塔填料层高度为多少
解：1、低浓度气体吸收
y2 = y1 (1 − η ) = 0.01 × (1 − 90%) = 0.001
x1
=
y1 − y2 LG
+ x2
=
0.01 − 0.001 + 0 = 0.006 1.5
讨论3、NOL=? NOL与NOG关系？
N OL
=
1 1− A
⎡ ln⎢(
1
−
⎣
A)
y1 y1
− mx2 − mx1
+
⎤ A⎥