化工原理第九章-气体吸收-第三次课

V, Y2
L, X2
o
X1
X
X2
X*
X
吸收塔的计算
吸收剂用量的确定
V X 1 Y1 Y2 X 2 L
L, X2 V, Y2
L/V ，操作线斜率 ， 传质推动力 ，完成一 定分离任务所需塔高 ， Y 设备费用 ； L/V ，吸收剂用量 ， Y1 吸收剂出塔浓度 X1 ， 循环和再生费用 。
第九章 气 体 吸 收 Gas Absorption
吸收塔的计算
物料衡算与吸收操作线方程 以逆流操作的填料塔为例：
下标“1”代表塔内填料层下底截面， 下标“2”代表填料层上顶截面。 V, Y2 V — 惰性气体B的摩尔流率kmol/s； L — 吸收剂S的摩尔流率kmol/s； Y — 溶质A在气相中的比摩尔分数； X— 溶质A在液相中的比摩尔分数。
Y A Y1 Y Y2 Y* o X2 X X1 X* X B P Y*=f(X)
X*-X
Y- Y*
吸收塔的计算
类似地 气相传质单元高度
HG
V kY a
Y1
气相传质单元数
液相传质单元高度 液相传质单元数
dY NG Y2 Y Y i L HL k X a NL
X1 X2
Y1 dY V Z KY a Y2 Y Y *
X1 L dX Z K X a X 2 X * X
H OG
V KY a
Y1
HOL
NO L
X1
L K X a
NOG
dY Y2 Y Y *
X2
dX X X*
Z H OG NOG
Z H OL NOL
吸收塔的计算 对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内任一截面与 塔顶（浓端）构成的控制体作物料衡算，可得并流时 的操作线方程，其斜率为（-L/V）。Y L X X Y
V
1 1
L, X1 V, Y1
Y Y1 Y A P X*-X B
Y*=f(X)
V, Y
L, X
Y2 Y*
Y- Y*
L Y X X 1 Y1 V Y1 Y L X1 X V
L, X2
V, Y2 V, Y
L, X V, Y1
同理，从任一截面至塔顶，对溶质 A 作物料衡算，有
L L Y X X 2 Y2 V V
L, X1
上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内 任一截面上的气、液两相组成 Y 、X 之间的关系。 （L/V）称为吸收塔操作的液气比。
两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*； 两线在中间某个浓度处相切时， X1,max<X1* 。 最小液气比的计算式：
Y1 Y2 L V min X 1,max X 2
Y1 Y2 Lmin V X 1,max X 2
吸收塔的计算 实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设 备费用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则 来选取。 根据生产实践经验，一般取


LdX K X X * X adZ
L dX K X a X * X


对上两式沿塔高积分得
Z
Y1 Y2
V dY K Y a Y Y *
Z
X1
X2
在上述推导中，用相内传质速率方程替代总的传质速 率方程可得形式完全相同的填料层高度 Z 的计算式。
V dY Z Y2 k a Y Y Y i
体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积 a 的乘积（Kya 及 KXa）作为一个完整的物理量看待，称为 体积传质系数或体积吸收系数，单位为 kmol/(s· m3) 。 体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单 位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。
吸收塔的计算
传质单元数与传质单元高度
[思考题]
若实际操作时的液气比小于或等于最小液气比， 吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？
吸收塔的计算 填料层高度的计算 填料层高度的基本计算式 传质面积：若塔的截面积为 （m2），填料层高度为 Z（m）， 单 位 体 积 的 填 料 所 提 供 的 表 面 积 为 a （m2/m3），则该塔所能提供的传质面积 F（m2）为
HOG — 气相总传质单元 高度，m； NOG — 气相总传质单数， 无因次。
HOL — 液相总传质单元 度，m； NOL — 液相总传质单元 数，无因次。
吸收塔的计算
N OG
Ya Yb

dY 1 * Y Y

Y2
z HOG NOG HOG
这段填料层的高度就等于一 个气相总传质单元高度HOG。 因此，可将 NOG 看作所需填 料层高度 Z 相当于多少个传质 单元高度 HOG。
V, Y2
L, X2
V, Y1
L, X1
Y
L/V
Y1
(L/V)’ (L/V)min A A’ C
Y2
o
B
Y*=f(X) X
X2
X1
X1 ’
X1,max
吸收塔的计算
Y Y*=f(X) C (L/V)min
Y
Y*=f(X)
Y1
Y1
(L/V)min
C
Y2
o
B
Y2
X1,max=X1* X o
B
X2
X2
X1,max X1* X
L, X2
V, Y
L, X
全塔物料衡算 对溶质A， 气相减少的速率 液相增加的速率
V Y1 Y2 L X1 X 2
V, Y1 L, X1
吸收塔的计算
GA V (Y1 Y2 ) L( X 1 X 2 )
GA又称为收塔的传质负荷
V、Y1 和Y2 （或吸收率）由任务给定，
——经济上的优化
Y2 o B
V, Y1 L, X1
A
C
Y- Y* Y*=f(X) X1 X1’ X1,ma X
x
X2
吸收塔的计算 当 L/V 下降到某一值时， 操作线将与平衡线相交 （或相切），塔底气、液 两相浓度达到平衡。此时 吸收推动力为 0 ，所需塔 高将为无穷大，对应的 L/V 称 为 最 小 液 气 比 ， (L/V)min ，而对应的 X1 则 用 X1,max 表示，相应的吸 收剂用量为最小吸收剂用 量 Lmin 。 ——技术上的限制
Z H G NG
dX Xi X
Z H L NL源自文库
当相平衡关系可用 Y*=MX 或 Y=MX+B 表示时，利用不 同基准的总传质系数之间的换算关系，以及总传质系数 与相内传质系数之间的关系，可导出如下关系式
H OG MV H OL L H OG MV HG HL L H OL L HL HG MV
z
z
Ya Yb
Y1
吸收塔的计算
H OG V KY a
HOL
L K X a
总传质单元高度 HOG 或 HOL 代表了吸收塔传质性能的 高低，主要与填料的性能和塔中气、液两相的流动状 况有关。
HOG 或 HOL 值小，表示设备的性能高，完成相同传质单元数的 吸收任务所需塔的高度小。 用传质单元高度 HOG、HOL 或传质系数 KYa、Kxa 表征设备的传 质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变 Kya 或 Kxa 的值 变化较大，一般流率增加，KYa（或KXa）增大。 HOG 或 HOL 因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。 一般吸收设备的传质单元高度在 0.15~1.5m 范围内。
吸收塔的计算
NOG dY Y2 Y Y *
Y1
NO L
X1
X2
dX X X*
传质单元数 NOG 或 NOL 反映吸收过程的难易程度。 NOG (NOL)与气液两相进、 出塔的浓度，液气比及物 系的平衡关系有关，而与 设备形式和设备中两相的 流动状况等无关。
在设备选型前可先计算出过程所需 的 NOG (NOL) 。NOG (NOL)值大，分离 任务艰巨，为避免塔过高应选用传 质性能优良的填料。若 NOG 或 NOL 值过大，就应重新考虑所选溶剂或 液气比 L/V 是否合理。
吸收塔的计算 传质单元数的计算 平衡线为直线时传质单元数的计算 对数平均推动力法 设平衡线方程为 逆流吸收操 作线方程为
*
NOG
dY Y2 Y Y *
Y1
Y
Y * MX B
L X X 1 Y1 V
L dX V
*
L L Y X X 2 Y2 V V
dY
L L Y Y M X X 2 Y2 B V V
L d Y Y M dX V


1 dY d Y Y* 1 VM L


吸收塔的计算
NOG
Y1
* Y1 Y1* d Y Y dY 1 1 Y1 Y1* ln * * Y2 Y Y * Y Y 2 2 1 VM L Y Y 1 VM L Y2 Y2*


V X1 X 2 L Y1 Y2
Y1* Y2* M X1 X 2
VM Y1* Y2* Y1 Y1* Y2 Y2* 1 1 L Y1 Y2 Y1 Y2



NOG
Ym
Y Y Y
1 * 1
Y1 Y2 Y1 Y1* Y1 Y2 ln * * * Y1 Y1 Y2 Y2 Y2 Y2 Ym
Y1
Z
L dX X 2 k a X X X i
X1
用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应组 成表示的填料层高度 Z 的计算式。
吸收塔的计算 低浓度气体吸收填料层高度的计算 低浓度气体吸收的特点 气液流量基本恒定； 吸收过程等温； 传质系数为常量。
Y1 V dY Z K Y a Y2 Y Y * X1 L dX Z K X a X 2 X * X
F Za
塔截面积或塔径主要由空塔气速决定
VS u
Vs u D 4 4Vs u
塔截面积确定后，求传质面积就转化为求所需的填料 层高度。
吸收塔的计算
填料塔内气、液组成 Y、X 和传质推 动力Y（或X）均随塔高变化，故塔 内各截面上的吸收速率也不相同。 对高度为 dz 的微元填料层中溶质组份 作物料衡算可得
dG A VdY LdX
V, Y2
L, X2
Y X Z
dZ
Y+dY X+dX
微元段dz 内传质速率为
dGA N AdF N AadZ
显然
VdY N AadZ LdX N AadZ
V, Y1
L, X1
吸收塔的计算 将总的传质速率方程代入，则有
VdY KY Y Y * adZ
* Y 2 2 Y1 Y1* ln Y2 Y2*

N OG
Y1 Y2 Ym
吸收塔的计算
Y
L Y X X 1 Y1 V
Y*=f(X)
当L/V一定，操作线方程在 A Y-X 图上为以液气比 L/V 为斜 Y1 X*-X P 率，过塔进、出口的气、液 Y 两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2) Y- Y* B 的直线，称为吸收操作线。 Y2 线上任 一点的坐标 ( Y，X) Y* 代表了塔内该截面上气、液 o X X1 X* X X2 两相的组成。 操作线上任一点 P 与平衡线间的垂直距离(Y-Y*)为塔内该 截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平 距离(X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。 两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显 示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。
L L 1.1 ~ 2.0 V V min
注意：为了使填料表面能被液体充分润湿以保证两相 均匀分散并有足够的传质面积，所取吸收剂用 量 L 值还应不小于所选填料的最低润湿率，即 单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小 于某一最低允许值。
作业 第57页： 9.7，（9.10）
Y2 Y1 (1 )
V Y1 Y2 Y2 1 VY1 Y1
利用全塔物料衡算式可以确定吸收剂用量 L 或液相出 口浓度 X1
L Y1 Y2 V X1 X 2
V X 1 X 2 (Y1 Y2 ) L
吸收塔的计算 操作线方程与操作线 从填料层任一截面至塔底，对溶质 A 作物料衡算可得