浙大化工原理第九章-气体吸收-第三次课.

第九章气体吸收GasAbsorption以逆流操作的填料塔为例：对溶质A，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—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。全塔物料衡算液相增加的速率气相减少的速率V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X物料衡算与吸收操作线方程吸收塔的计算2121XXLYYVV、Y1和Y2（或吸收率）由任务给定，)()(2121XXLYYVGA)1(12YY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12121YY1VYYYVGA又称为收塔的传质负荷吸收塔的计算VXXYYL2121)(2121YYLVXX22YXVLXVLY11YXXVLYXXLYYV11同理，从任一截面至塔顶，对溶质A作物料衡算，有V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X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。从填料层任一截面至塔底，对溶质A作物料衡算可得操作线方程与操作线吸收塔的计算当L/V一定，操作线方程在Y-X图上为以液气比L/V为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P线上任一点的坐标(Y，X)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。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。Y-Y*X*-X吸收塔的计算11YXXVLYV,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X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）。11YXXVLYYXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X吸收塔的计算2211XYYLVX——经济上的优化L/V，操作线斜率，传质推动力，完成一定分离任务所需塔高，设备费用；L/V，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度X1，循环和再生费用。吸收剂用量的确定吸收塔的计算YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BY-Y*X1’X1,maxCV,Y2V,Y1L,X1L,X2YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VA’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC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。——技术上的限制吸收塔的计算V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max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,maxX1*。2max,121minXXYYVL2max,121minXXYYVL最小液气比的计算式：吸收塔的计算min0.2~1.1VLVL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。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，一般取吸收塔的计算第57页：9.7，（9.10）作业[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？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）为塔截面积或塔径主要由空塔气速决定ZaF填料层高度的计算吸收塔的计算填料层高度的基本计算式uVSuVs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。uVDs44显然ZaNFNdGAAAdd微元段dz内传质速率为XLYVGAddd对高度为dz的微元填料层中溶质组份作物料衡算可得填料塔内气、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。ZaNVdYAdV,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX吸收塔的计算ZaNXLAdd将总的传质速率方程代入，则有对上两式沿塔高积分得在上述推导中，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。ZaYYKYVYdd*ZaXXKXLXdd**d12YYYaKVZYYYXXXaKLZXXX*d1212dYYiYYYYakVZ12dXXiXXXXakLZ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的特点气液流量基本恒定；吸收过程等温；传质系数为常量。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。12*dYYYYYYaKVZ12*dXXXXXXaKLZ低浓度气体吸收填料层高度的计算吸收塔的计算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。aKVHYGO12*dYYGOYYYNOGOGNHZaKLHXLO12*dXXLOXXXNOLOLNHZ12*dYYYYYYaKVZ12*dXXXXXXaKLZ传质单元数与传质单元高度吸收塔的计算这段填料层的高度就等于一个气相总传质单元高度HOG。1*abYYOGYYdYN吸收塔的计算zYaYbOGOGOGHNHz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。Y1Y2z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。aKVHYGOaKLHXLOHOG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。吸收塔的计算传质单元数NOG或NOL反映吸收过程的难易程度。12*dYYGOYYYN12*dXXLOXXXN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。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-XNOG(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。吸收塔的计算类似地当相平衡关系可用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GGNHZakVHYG12YYiGYYdYNLLNHZakLHXL12XXiLXXdXNOLOGHLMVHLGOGHLMVHHGLOLHMVLHH气相传质单元高度气相传质单元数液相传质单元高度液相传质单元数吸收塔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BMXY*22YXVLXVLYBYXVLXMVLYY22*XVLYddXMVLYYdd**d11dYYLVMY平衡线为直线时传质单元数的计算传质单元数的计算吸收塔的计算11YXXVLY12*dYYGOYYYN*22*11***ln11d11d*11*2212YYYYLVMYYYYLVMYYYNYYYYYYOG2121YYXXLV21*2*1XXYYM21*22*1121*2*111YYYYYYYYYYLVM以气相为基准的全塔的对数平均传质推动力上式说明了NOG的含意：对低浓度气体吸收是以全塔的对数平均推动力Ym作为度量单位，衡量完成分离任务（Y1-Y2）所需的传质单元高度的数目。mOGYYYYYYYYYYYYYN21*22*11*22*1121ln*22*11*22*11lnYYYYYYYYYm吸收塔的计算mOGYYYN21将操作线方程写为代入相平衡方程得22XYYLVX*2222*YYLMVYLMVBXYYLVMYLMVYYYYLMVLMV*22*211ln11令A=L/(MV)，即吸收因子代入NOG定义式并积分AYYYYAANOG111ln111*22*211212*22*1ddYYYYOGYYLMVYLMVYYYYN22XVLYXVLY吸收因子法吸收塔的计算12*dYYGOYYYN将NOG表示为两个无因次数群AYYYYAANOG111ln111*22*21A值越大，两线相距越远，传质推动力越大，越有利于吸收过程，NOG越小。A的倒数(MV)/L称为解吸因子，其值越大，对吸收越不利。吸收塔的计算平衡线斜率操作线斜率MVLMVLAYXoY=MXY1X2Y2B当用（X*-X）作传质推动力时，对平衡线为直线的情况，用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式mOLXXXN212*21*12*21*1lnXXXXXXXXXmAYYYYAAMVLYYYYMVLMVLNOL*11*21*11*211ln111ln111*12*2*ln11d12XXXXMVLXXXNXXOL吸收塔的计算图解积分法图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量Y相对应的被积函数的值。其步骤为(1)在操作线和平衡线上得若干组与Y相应的值1/(Y-Y*)；YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X12*dYYGOYYYN平衡线为曲线时传质单元数的计算吸收塔的计算(2)在Y1到Y2的范围内作Y~f(Y)曲线；(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数NOG。YoY1Y21/(Y-Y*)12*dYYGOYYYN吸收塔的计算将积分区间(Y1,Y2)等分为n个子区间=(Y1-Y2)/n，采用直观易行的复化梯形公式对函数曲线f(Y)=1/(Y-Y*)求积分值。