吸收习题课的题

1、吸收剂部分再循环对塔高的影响
常压逆流连续操作的吸收塔，用清水吸收空气-氨混合气中的氨，混合气的流率为0.02kmol/（m 2
.s ），入塔时氨的浓度为0.05（摩尔分率，下同），要求吸收率不
低于95%，出塔氨水的浓度为0.05。

已知在操作条件下气液平衡关系为y *
=0.95x ，，气相体积传质总系数K y a=0.04kmol/（m 3
.s ），且K y a ∝G 0.8。

（1）所需填料层高度为多少？
（2）采用部分吸收剂再循环流程，新鲜吸收剂与循环量之比L/L R =20，气体流率及新鲜吸收剂用量不变，为达到分离要求，所
需填料层的高度为多少？
（3）示意绘出带部分循环与不带循环两种情况下的操作线与平衡线。

（4）求最大循环量L R(max) 。

解： (1) 低浓气体吸收，y Y x X ≈≈,
()()y y a b =-=-⨯=1109500500025η...
液气比：
L G y y x x =--=-=b a b a 00500025005
095....
而 m L
G
==095.，所以S =1 ∆∆y y y m a a ===00025.
N y y y OG b a m =
-=-=∆00500025
00025
19... 又 H G K a y OG m ===002004
05...
∴==⨯=h H N 0051995OG OG m ..
(2) 吸收剂再循环 此时吸收剂入口浓度：
00238.01
2005
.0R b R a a
=+=++='L L x L Lx x
塔内 '=+=+
=L L L L L L R 1
20
105.
95.005.11
'
===
'L
mG S
因为为易溶气体，且K a G y ∝08.
所以L 再循环后，K a y 不变，即H G
K a
y OG m =
=05.不变
()()'=
-'-'-'-'+'⎡⎣⎢⎤⎦
⎥=
---⨯-⨯+⎡⎣⎢⎤
⎦⎥=N S S y mx y mx S OG b a a a 1
11110951095005095000238000250950002380954784ln .ln .........
∴'='=⨯=h H N 005
47842392OG OG m ... （3）见上图。

（4）当循环量加大，↑'a x ，当m
y x x a
a =
='*
a 时，气液两相在塔顶平衡，0=∆a y ，达到分离要求，塔高无限，此时，循环量为最大循环量。

'(max)(max))(a R b R a x L L x L Lx +=+，00263.095
.00025.0*
a
===='m y x x a a s)kmol/(m 10055.100263
.005.000263
.095.002.023'
'
(max)⋅⨯=-⨯⨯=
-=-a
b a R x x Lx L
从计算结果可以看出，吸收剂部分再循环，吸收塔进口液体溶质浓度增加，
平均传质推动力减小，若过程为气膜控制，循环吸收剂流量增加，传质系数a K y 不变，所以导致吸收塔塔高增加。

问题：从上述结果看吸收剂部分循环对吸收是不利的，但工业上为什么有时还采用这种操作呢？
在下列情况下采用循环总的看来是有利的：（1）若吸收过程的热效应很大，以至吸收剂进吸收塔前需要塔外冷却来降低吸收温度，这样相平衡常数m 降低，全塔平均推动力提高，祢补了因部分再循环吸收塔进口液体溶质浓度增加导致的平均传质推动力减小。

（2）若吸收工艺要求较小的新鲜吸收剂用量，以至不能保证填料被很好的润湿，致使单位体积填料有效传质面积降低，此时采用吸收剂部分再循环，提高单位体积填料有效传质面积，即提高体积传质系数，补偿了因循环而降低吸收推动力，如果总体上仍使塔高降低，使用再循环是有意义的。

2、提高吸收率的具体措施
在填料高度为4m 的常压填料塔中，用清水吸收尾气中的可溶组分。

已测得如下数据：尾气入塔组成为0.02，吸收液排出的浓度为0.008（以上均为摩尔分率），吸
收率为0.8，并已知此吸收过程为气膜控制，气液平衡关系为y *
=1.5x 。

（1）计算该塔的H OG 和N OG ；
（2）操作液气比为最小液气比的倍数；
（3）若法定的气体排放浓度必须 ≤0.002，可采取哪些可行的措施？并任选其中之一进行计算，求出需改变参数的具体数值；
（4）定性画出改动前后的平衡线和操作线。

解： (1) y b =<0025%10%.~可当作低浓气体吸收，y Y x X ≈≈, ()()y y a b =-=-⨯=11080020004η...
L G y y x x =--=-=b a b a 00200040008
2...
S mG L =
==152
075.
.
()()N S S y mx y mx S OG b a a a =
----+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=--+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=1
1111075107500200040752773
ln .ln .....
∴=
==H h N OG OG m 04
2773
1443.. (2)
L G y y x x y y y m x ⎛⎝ ⎫
⎭⎪
=--=--=⨯=*min ...b a b a
b a b a
150812 ∴
⎛⎝ ⎫⎭
⎪⎛⎝ ⎫
⎭⎪=
=L G L G min
.
.2
121667 (3) 可采取的措施： a.增加填料层高度 H G
K a
y OG =不变（G 不变，气膜控制K a y 不变）
S mG
L
=
=075.不变
()()'=
---'-+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=--+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=N S S y mx y mx S OG b a a a 1
1111075107500200020754715
ln .ln .....
∴'='=⨯=h H N 01443
4715680OG OG m ...
∴
'==∆h h 0028
4
70%.
b.增大用水量
因为G 不变，气膜控制，所以K a y 不变，H OG 不变 又h 0不变，所以N OG 也不变
即 ()'=-'-'-'-+'⎡⎣⎢⎤⎦
⎥N S S y mx y mx S OG
b a a a 1
11ln ()27731110020002.ln ..=
-'-'+'⎡⎣⎢⎤
⎦
⎥S S S 试差'=S 027. 或由N S y mx y mx OG b a
a a
~~--图，查得'=S 027.
'='==L L S S 075027
278... c.其它操作条件不变，降低操作温度，m 变小，↓=L
mG
S ，而塔高、气相总传质单元高度、气相总传质单元数不变，根据()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+----=S mx y mx y S S N a a a b OG 1ln 11的关系图可知，↑⎥⎦
⎤⎢⎣⎡a b y y ，y b 不变，故气体出口浓度y a 降低。

d.其它操作条件不变，增大操作压力，由p E m =
，m 变小，↓=L
mG
S ，而塔高、气相总传质单元高度、气相总传质单元数不变，根据()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----=
S mx y mx y S S N a a a
b OG 1ln 11的关系图可知，↑⎥⎦
⎤
⎢
⎣⎡a b y y ，y b 不变，故气体出口浓度y a 降低。

e.其它条件不变，选用对溶质溶解度大的吸收剂，即m 小。

与c 、d 分析相同，得到y a 降低。

f. 其它条件不变，改用另一种吸收性能较好的填料，提高吸收总传质系数及单位体积填料的有效传质面积增大，即↑a K Y ，气相总传质单元高度变小，塔高不变，气相总传质单元数变大，又因S 也不变，故根据()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+----=S mx y mx y S S N a a a
b OG 1ln 11的关系图可知，↑⎥⎦
⎤⎢⎣⎡a b y y ，y b 不变，故气体出口浓度y a 降低。

从本题的结果看：工业上提高吸收率，降低出口气体浓度的具体措施可以从
吸收过程的设计方面入手，如增加塔高、改换吸收剂及改用性能良好的填料。

另外一方面从吸收操作方面入手降低气体出口浓度更为方便，如降低吸收温度、提高吸收压力、适度增大吸收剂用量，若非清水为吸收剂，还可降低吸收剂入口浓度。

3、气液流动方式对吸收过程的影响
用吸收操作除去某气体混合物中的可溶有害组分，在操作条件下的相平衡关系为Y *
=1.5X ，混合气体的初始浓度为0.1（摩尔比，下同），吸收剂的入塔浓度为0.001，液气比为2.0。

已知在逆流操作时，气体出口浓度为0.005，试计算在操作条件不变的情况下改为并流操作，气体的出口浓度为多少？逆流操作时所吸收的可溶组分是并
流操作的多少倍？计算时近似认为K Y a 与流动方式无关。

解： 原工况：逆流操作时 ()()X G L Y Y X b B S b a a =
-+=-+=1
2
010005000100485.... ∆Y Y mX a a a =-=-⨯=000515000100035.... ∆Y Y mX b b b =-=-⨯=010048515002725....
()
∆∆∆∆∆Y Y Y Y Y m b a b a ln =
-⎛⎝
⎫⎭⎪=-=00272500035
00272500035001157..ln ...
∴=
-=-=N Y Y Y OG b a m ∆010005
001157
821.... 新工况：并流操作时 h H N H N 0==OG OG OG OG 逆逆并并
H G
K a
y OG =
不变，所以N OG 不变 即并流后'=N OG 821.
物料衡算：()()L X X G Y Y S b
a B a
b '-=-'
()()∴'=
-'+=-'+=-'X G L Y Y X Y Y b B S a b a b b 1
2
010*********....
（1） ∆'=-Y Y mX a a a
∆'='-'Y Y mX b b b
()()()()∆∆∆∆∆'=
'-'
''⎛⎝
⎫⎭⎪=--'-'-'-'⎛⎝ ⎫⎭⎪=
-'+'--'-'⎛⎝ ⎫⎭⎪Y Y Y Y Y Y mX Y mX Y mX Y mX Y Y m X X Y mX Y mX m a b a b a a b b a a b b a b b a a a b b
ln ln ln
()()
()()
∴=
-''=-'-'+'--'-'=-'-'+-'
-'-'
=+
-'-'N Y Y Y Y Y Y Y m X X Y mX Y mX Y Y Y Y mG L
Y Y Y mX Y mX mG L
Y mX Y mX OG a b m a b a b b a
a a
b b a b a b a b a a b b a a b b ∆ln ln
ln
1
1
∴=
+
-⨯'-'82111152
01150001
15..ln ....Y X b b
'-'=⨯-Y X b b 1556717
108.. (2)
式(1)和(2)联立：
'=Y b 00437.，'=X b 00292.
逆流与并流所吸收溶质量之比：
()()m m G Y Y G Y Y 逆并
=--'=--=B b a
B a b 010005
01
004371687.....
从本题的结果可以看出，在同一吸收塔内，若操作条件完全相同，逆流操作的吸收效果好于并流操作，吸收液从塔底流出之前与入塔气接触，可得到浓度较高的吸收液。

这是由于逆流操作可获得较大的吸收推动力，从而提高吸收过程的传质速率。

所以工业上多采用逆流吸收操作。

4、浓度不同的多股吸收剂混合进塔和分别进塔对塔高的影响
空气和CCl 4混合气中含0.05（摩尔比，下同）的CCl 4，用煤油吸收其中90%的CCl 4。

混合气流率为150kmol 惰气/（m 2
.h ），吸收剂分两股入塔，由塔顶加入的一股CCl 4组成为0.004，另一股在塔中一最佳位置（溶剂组成与塔内此截面上液相组成相等）加入，其组成为0.014，两股吸收剂摩尔流率比为1：1。

在第二股吸收剂入口以上塔内的液气比为0.5，气相总传质单元高度为1m ，在操作条件下相平衡关系为Y*=0.5X ，吸收过程可视为气膜控制。

试求：
（1）第二股煤油的最佳入塔位置及填料层总高度；
（2）若将两股煤油混合后从塔顶加入，为保持回收率不变，所需填料层高度为多少？
（3）示意绘出上述两种情况下的操作线，并说明由此可得出什么结论？ 解： (1) Y b =005.
()Y Y a b =-=⨯=1005010005η...
在上半段进行物料衡算：
()()
G Y Y L X X B i a S1i a1-=-
因为最佳位置进入，所以X X i a2==0014.
()()∴=+
-=+-=Y Y L G X X i a S1
B
i a100505
00140004001..... ∆Y Y mX a a a =-=-⨯=00050500040003....
L G m S1
B
==05. ∆∆Y Y m a ==0003.
∴=
-==N Y Y Y OG i a m 上上－∆0010005
0003
1667....
H OG m 上＝1
∴==h H N 01667上上上OG OG m .
在下半段进行物料衡算： ()()
G Y Y L X X B b i S b a2-=- ()()054.0014.001.005.02
5.01a2i b S B
b =+-⨯=+-=
X Y Y L G X ∆Y Y mX b b b =-=-⨯=0050500540023....
∆Y i =0003.
()
∆Y m 下=
-=00230003
00230003
000982..ln ...
∴=
-=-=N Y Y Y OG b i m 下下∆005001
000982
4073.... ∵气膜控制，G 不变，K a y 不变，所以H OG 不变 ∴=⨯=h 0140734073下..m
∴=+=+=h h h 00016674073574上下...m
(2) 当两股吸收剂混合进料时
'=
+=X a 00140004
2
0009...
出口：()
()'=-+'=
⨯-+=X G L Y Y X b B S b a a 1
205005000500090054.
.... ∆Y Y mX a a a =-'=-⨯=000505000900005.... ∆Y Y mX b b b =-=0023.
()
∆Y m =
-=002300005
0023
00005
000588..ln ...
N Y Y Y OG b a m =
-=-=∆0050005
000588
7653....
∴==h H N 07653OG OG m .
（3）吸收剂分别进塔时，上段吸收操作线为BC ，其斜率为5.0B
S1
=G L ；下段吸收操作线为BA ，其斜率为
125.02B
S1
=⨯=G L 。

两段的操作线如图ABC 线所示。

吸收剂混合后进塔，吸收操作线为ABD ，其斜率为125.02B
S1
=⨯=G L ，如图所示。

由此可见，吸收剂混合后进塔，操作线靠近平衡线，传质推动力下降，故所
需填料层高度较高。

不同浓度的两股吸收剂之间混合即返混与分离的目的是背道而驰的，混合过程降低了吸收过程的推动力，对吸收分离是不利的，增加吸收塔高。

5、吸收-解吸联合流程的有关计算
逆流吸收-解吸系统，两塔的填料层高度相同。

已知吸收塔入塔的气体组成为0.02，要求回收率为95%，入塔液体组成为0.006（均为摩尔分率）。

操作条件下吸收系统的气液平衡关系为y *
=0.125x ，液气比为最小液气比的1.4倍，气相总传质单元高度为0.5m ；解吸系统用过热蒸汽吹脱，其气液平衡关系为y *
=2.5x ，汽液比为0.4，试求：
（1） 吸收塔出塔液体组成； （2） 吸收塔的填料层高度；
（3） 解吸塔的气相总传质单元高度。

（4） 欲将吸收塔的回收率提高到96%，应采取哪些措施？（定性分析）
解：流程图如上。

(1)
L G y y x x ⎛⎝ ⎫
⎭⎪
=--=--=*min ......b a b a
00200010020125000601234 ()()y y a b =-=-⨯=110950020001η...
L G L G ⎛⎝ ⎫⎭⎪=⎛⎝ ⎫
⎭⎪=⨯=14
140123401728 (i)
由全塔物料衡算：()()L x x G y y b a b a -=-
()()x x G L y y b a b a =+
-=+-=00061
0172800200010116..
... (2) 计算N OG ∆y y mx a a a =-=-⨯=00010125000600003.... ∆y y mx b b b =-=-⨯=0020125011600055....
()
∆∆∆∆∆y y y y y m b a b a ln =
-⎛⎝
⎫⎭⎪=-=⨯-0005500003
00055000031788103..ln ...
N y y y OG b a m =
-=-⨯=-∆0020001178810
11133.... 填料层高度：h H N 00511135565==⨯=OG OG m ... (3) 解吸塔
物料衡算：()()
L x x G y y b a b a -=''-' ()()∴'='+
'-=-=y y L G x x b a b a 104
011600060275.... ∆'='-'=⨯=y m x y a a a 2500060015... ∆'='-'=⨯-=y m x y b b b 25011602750015.... ∆'=y m 0015.
'=
'-''
==N y y y OG b a m ∆027*********... ∵吸收塔与解吸塔填料层高度相同。

∴'=
'
==H h N OG OG m 0556518330304... （4）提高吸收塔回收率的措施：
1）其它条件不变，增大吸收塔内的液气比，吸收塔出塔气体的极限浓度为与入吸收塔
液体组成0.006相平衡的气相组成*
a y ，当006.0=a x 时，其平衡的气相组成
00075.0006.0125.0*=⨯=a y 。

吸收率为96%时，()()0008.002.096.011b a =⨯-=-=y y η。

*a a y y > 所以增加液气比的措施是可行的。

2）在液体流量不变的情况下，降低吸收剂浓度，即通过增加解吸塔过热蒸气量，提高解吸塔的解吸效果，有关具体计算需要采用试差法。

由此题结果可以看出，吸收和解吸过程是紧密相连的，两过程组成了一个完
整的分离过程，吸收操作的变动要求解吸操作要进行相应的变化，吸收的效果直接依赖于解吸，吸收与解吸过程的成本主要在解吸。