化工吸收塔的物料衡算与操作线方程

Ga,ya La,xa
如何衡算？
V,y
L,x
找一固定量
吸收剂和惰性气体的量
V1,Y1 L1,xb
逆流吸收塔的物料衡算
V、L；比摩尔分率。
1、物料衡算
确定各物流之间的量的关系以及设备进出口两物料组成之间的关系。
2013-7-10
对单位时间内进出吸收塔的A的物质量作衡算
稀端
VY1 LX 2 VY2 LX 1
X2 0
Lmin
m 0.757
V (Y1 Y2 ) 34.5(0.0133 0.000133) 0.0133 Y1 0 X2 0.757 m
25.8kmol/ h
2013-7-10
3）每小时用水量
L 2Lmin 2 25.8 51.6kmol/ h 928.8kg / h
并流吸收塔的操作线：
L L Y X ( X 1 Y1 ) V V
L L Y X ( X 2 Y2 ) V V
2013-7-10
二、吸收剂用量的确定
Y1 L/V 液气比
L ( ) min V
B
B* 最小 液气比
L L (1.1 ~ 2.0)( ) min V V
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操作点
P p
气 相 总 传 质 推 动 力
液相总传 质推动力
E
P
pi
pG
组成
pi
传质方向
p

液相分传 质推动力 气相分传 质推动力
Ci
气相主体 液相主体
G
L
距离
CL z
O
c
c i c
c
双膜模型
p p c c N A A Ai Ai A p A p A 1 1 1 kG kL 2013-7-10 K G
求水量
解：
吸收剂用量L 已知L/Lmin 求Lmin
平衡常数
1）平衡关系
y* 1.6 10 3 p* 0.01604 Y* * * 3 3 p p 101.33 10 1.6 10 1 y
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2 / 17 0.0212 X 100 / 18
平衡关系为 : Y 0.757 X
2）最小吸收剂用量：
Lmin
Y1 Y2 V Y1 X2 m
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其中：
1000 V 34.5kmol空气 / h 29
1.333 Y1 0.0133 101.33 1.333
Y2 (1 0.99)Y1 0.01 0.0133 0.000133
上节内容复习
NA = 单相的分吸收（传质）推动力×分传质系数 = 双相的总吸收（传质）推动力×总传质系数 与膜系数相对应的吸收速率式 吸收速率方程 与总系数对应的速率式
用一相主体与界面的浓 度差表示推动力 用一相主体的浓度与其平 衡浓度之差表示推动力
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1、气膜吸收速率方程式
N A k G ( p pi ), N A k y ( y yi ), N A kY (Y Yi )
或根据平衡数据求平均值
Y * 0.01604 m 0.757 0.0212 X
平衡关系为 : Y 0.757 X
2）最小吸收剂用量：
Lmin
Y1 Y2 V Y1 X2 m
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2 / 17 0.0212 X 100 / 18
Y * 0.01604 m 0.757 0.0212 X
思考：
若实际操作时，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？
能，但达不到指定的吸收要求
最小液气比只对设计型问题有意义。
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计算法 适用条件：平衡线符合亨利定律，可用 Y * mX 表示
Y1 Y2 L ( ) min Y1 V X2 m
Lmin
c c A A 1 KL
传质推动力的图示
增加气相分压或减小溶质在液相中的浓度
2．关于传质阻力
1）溶解度很大时的易溶气体 气膜控制（易溶体系）： H很大，m值很小 1 1 1 m kG Hk L ky kx
p p* p pi y y* y yi
气膜 液膜
p* pi
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2、吸收塔的操作线方程式与操作线
目的 ：塔中任意截面上气液组成Y和X 之间的关系 在 m—n截面与塔底截面之间作组分A 的衡算
T
VY LX1 VY1 LX
B
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L L Y X (Y1 X 1 ) V V
——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
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吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：
1 ） 气 体 混 合 物 中 溶 质 A 的 组 成 （ mol 分 率 ） 以 及 流 量 kmol/(m2.s)
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 （分离要求已定）
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• 计算：
1、操作型：
对已有吸收塔的操作条件和吸收效果间的关系进行分析计算 1）给定操作条件，求吸收效果，即气液两相出口浓度 2）给定吸收效果，确定操作条件
VY LX 2 VY2 LX
L L Y X (Y2 X 2 ) V V
——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。
2013-7-10
2013-7-10
• 表示塔中任一截面的气、液相组成Y、X之间呈直线 关系，斜率为L/V，称为液气比，为溶剂摩尔流量/ 惰性气体摩尔流量，反映单位气体处理量的溶剂耗 用量的大小 • 操作线位置仅决定于塔顶、塔底两端的气液相组成， B点称为‘浓端’，T称为‘稀端’
D 4 A aV aZ a

4
Z
为此考虑：
微元填料层高度dZ
微元体积ΩdZ
相界面面积aΩdZ
气相传入到液相的溶质量为NAaΩdZ 单位时间传递的溶质量为NAaΩdZ
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物料衡算
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
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所以填料层高度的计算将涉及到物料衡算、传质速率与相平衡三种关系式的应用
但是： N A KY (Y Y *)
NA KX (X *X )
只适合于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的 速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率。 塔内各界面上的吸收速率并不相同。
另外： A（气液接触面积）难于测定
一、物料衡算与操作线方程
第二章
吸收
二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算
第三节 吸收塔的计算
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
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研究逆流操作的填料塔
吸收塔逆流操作的优点
1、可获得较大的平均推动力，提高吸收速率。 2、塔底液体与刚进塔的混气接触，有利于提高出塔吸收 液的浓度，从而减少吸收剂用量 3、塔顶气体与刚进塔的吸收剂接触，有利于降低出塔气 体浓度，提高溶质吸收率。
Y1 Y2 V Y1 X2 m
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
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求每小时送入塔内的水量。 溶液浓度(gNH3/100gH2O) 分压Pa 分析： 2 1600 2.5 2000 3 2427
2、液膜吸收速率方程式
N A k L (ci c), N A k x ( xi x), N A k X ( X i X )
3、总吸收速率方程式
N A K G ( p p* ), N A KY (Y Y * ), N A K y ( y y* )
N A K L (c* c), N A K X ( X * X ), N A K X ( x* x)
组成
pi
传质方向
Ci
气相主体 液相主体
C
故
1 1 K L kL
1 1 K x kx
p
组成
ZL
ZG z
距离
气膜
双膜模型
液膜
双膜控制（中等溶解度体系）
气膜阻力和液膜阻力均不 可忽略，称其为双膜控制。
如用水吸收SO2
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pi
传质方向
ci
气相主体 液相主体
c ZG ZL z
距离
双膜模型
三、适宜的液气比
1、经济核算：设备费和操作费
2、经验值：
L L (1.1 ~ 2)( ) 源自文库in V V
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四、塔径的计算
D 4VS u
u为空塔气速，m/s， Vs为混合气体的体积流量，m3/s。
Vs由塔底到塔顶逐渐减少，一般取全塔中最大的体积流量
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五
填料层高度（对低浓度气体的计算）
2、设计型：
根据分离和工艺要求，确定塔的尺寸或估计吸收剂用量 • 1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)； • 2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度
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一、吸收塔的物料衡算与操作线方程
稳态逆流
参数：V1、V2；L1、L2；V、 L(kmol/m2· s)；y1、y2(kmol(A)/kmol (A+B))；x1、 x2(kmol(A)/kmol (A+S))；x、y。 气 液 y、V1 x 、L1
*
LdX K X ( X * X )adz
dY KY a dZ * V Y Y KY a Z Y1 dY Y2 0 dZ * V Y Y
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K X a dX dZ * L X X
X1 X 2
K X a Z dX 0 dZ * L X X
V (Y1 Y2 ) L( X1 X 2 )
L L Y1 X 1 Y2 X 2 V V
吸收剂浓度X1的确定 吸收率 A 混合气中溶质A 被吸收的百分率 物料衡算方程
浓端
A
Y1 Y2 Y1 V X 1 X 2 Y1 A L
Y2 Y1 (1 A )
低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为
L dX X1 V Y1 dY 及Z X 2 * Z Y2 K X a X X KY a Y Y *
传质方向
p
组成
pi ci
气相主体 液相主体
1 故 1 K y ky
1 1 K G kG
c ZG ZL z
距离
1 1 m Ky ky kx
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1 1 1 K G kG Hk L
双膜模型
液膜控制（难溶体系）：
p
气膜
液膜
1 1 kx mk y
1 H kL kG
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4、吸收系数关系
1 1 1 K G kG Hk L
1 H 1 K L kG k L
总阻力=气膜阻力+液膜阻力
KY K G P
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5、吸收速率方程的分析（传质速率的影响因素）:
1．关于传质推动力
操作点 P 离平衡线越近， 则总推动力就越小
气膜 液膜
• 操作线通过物料衡算确定，仅与L、V及两相组成有 关，而与塔型及压强、温度等无关
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• 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 • 任一截面上的传质推动力为该截面上一相的组成 与另一相的平衡组成之差，为操作线与平衡线的 垂直距离和水平距离，相距越远，推动力越大。
最小液气比的求法
图解法
•正常的平衡线
Y1 Y2 L ( ) min * V X1 X 2
Lmin V
Y1 Y2
* X1
X2
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•平衡线为上凸形时
Y1 Y2 L ( ) min V X 1 X 2
Lmin
Y1 Y2 V X X
1
2
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为什么要计算填料层高度？
目的：保证其中有效气液接触面积能满足传质任务。
怎样算Z?
传质所需的面积（为完成一任务）
Z
V
D塔径
A V a
单位体积有效传质面积
N A A GA
物料衡算（吸收负荷）（任务） 吸收速率方程式
相平衡关系
推动力
总是实际浓度与某种平衡浓度的差额 (x*-x)或(y-y*)
dGA N AdA N A (adZ )
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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 )
dG A K Y (Y Y * )adz
dG A K X ( X * X )adz
VdY KY (Y Y )adz