大学物理化学第九章-02.ppt

化工原理 2 第九章气体吸收Chart9Absorptionofgas第四节低浓度吸收 或脱吸 塔的计算 对填料吸收塔进行数学描述的基本方法 物料衡算方程热量衡算方程相平衡关系过程速率方程 YA mXA NA KY YA YA KX XA XA 填料塔设计命题 如图 工艺条件 T P G yb工艺要求 Ya或吸收率 A A Yb Ya Ya工程决策 xa L计算目标 h 或N DT 一 物料衡算与操作线方程 1 填料塔吸收过程分析 如图 对稳态逆流过程 G 单位面积上的气体摩尔流量 L 单位面积上的液体摩尔流量 Yb Ya 塔底 塔顶气体中溶质组分的摩尔比 Xb Xa 塔底 塔顶液体中溶质组分的摩尔比 惰性组分B的摩尔流量GB G 1 yA 溶剂流动流量LS L 1 xA 2 物料衡算与操作线方程 物料衡算关联吸收塔内 不同截面处相遇气 液相的组成关系 Y X 操作关系 假设 稳态逆流操作 如图所示 对塔内任一截面 X Y 以上的溶质A作物料衡算 GBY LSXa GBYa LSX 全塔作物料衡算 即取X Xb Y Yb GB Yb Ya LS Xb Xa 在X Y坐标上 上式为一条斜率为LS GB 液气比 的直线 该直线就是吸收操作线 操作线位于平衡线上方 操作线上每点与塔内某截面气液相组成X Y相对应 3 操作线斜率越小 越靠近平衡线 传质推动力越小 对传质越不利 5 对于低浓气体 通常yb 10 4 操作线方程由物料衡算得到 只与操作方式 逆 并流 有关 而与相平衡关系 T P及塔结构无关 稳态并流操作 如图所示 对图中红框范围作物料衡算 GBYb LSXb GBY LSX 二 吸收剂用量的确定 全塔物料衡算 GB Yb Ya Xa决定于生产任务和要求 可变量只有Xb和LS 1 最小液气比 LS LS GB Xb X h 动力消耗增加 脱吸塔负荷增加 LS LS GB Xb X h 动力消耗减小 脱吸塔负荷减小 LS继续 Xb 直至Xb X b X 0 h 此时得到最小液气比 Xa GB Yb Ya LS Xb Xa 如果气液相平衡关系为Y mX 2 适宜液气比 理论上综合设备大小 能量消耗等因素 以总费用最低为目标函数确定最适宜液气比Lopt 最小液气比只对设计型问题有意义 可以 能 但达不到指定的吸收要求 思考 实际操作时的液气比可否小于或等于最小液气比 此时吸收塔是否能操作 将会发生什么现象 三 低浓度吸收计算 低浓度气体吸收yA 5 10 为简化计算 作了几点假设 1 填料层高度基本计算式 吸收传质速率方程 NA KY Y Y KX X X kmol m2 s 吸收塔中X Y沿塔变化 Y Y X X 也变化 NA随塔高度变化 需要采用微分物料衡算进行计算 传质面积与填料层高度 a 单位体积填料层中的有效传质面积 m2 m3 塔横截面积 m2 距塔顶h处取微元体dh 微元体体积 dh 传质面积为 adh 以单位时间为基准 在此dh内对组分A作物料衡算 稳态条件下有 1 对气相中溶质作物料衡算 B C h 0 Y Ya h h0 Y Yb 填料层高度基本计算式 气相传入液相的溶质 气相所失溶质 液相所得溶质 低浓度吸收 G Ky视为常数 则 积分可得 2 对液相中溶质作物料衡算 NAa dh L dX 速率方程为 NA KX X X B C h 0 X Xa h h0 X Xb KXa X X dh LdX 低浓度吸收 L KX视为常数 则 2 填料层高度计算 1 平均推动力法 设 平衡线为直线即 Y mX 操作线为直线 如 Y L G X g 那么 DY Y Y L G m X g也是直线 dY L G dX d DY L G m dX B C Y YaDY DYaY YbDY DYb 积分 则 Y L G X g DY Y Y L G m X g 同理以液相摩尔分率为推动力时 填料层高度为 2 传质单元 的意义 分离程度 yb ya 为平均推动力 ym的倍数 若将Dym作为一个传质单元 h0 HOGNOG 对于平均推动力法 定义 气相总传质单元数和总传质单元高度 气相总传质单元高度 m h0 HOLNOL 若以液相摩尔分率计算塔高h0 定义 对于平均推动力法 定义 液相总传质单元数和总传质单元高度 定义 定义 NA ky y yAi NAadh Gdy NAadh Ldx NA kx xAi x 气膜传质单元数和气膜传质单元高度 液膜传质单元数和液膜传质单元高度 h0 HGNG h0 HLNL HOG HG SHL HOL AHG HL SHOL SAHG SHL HG SHL HOG HOG SHOL AHOG HOL 或 h0 HOGNOG HOLNOL SNOG NOL NOG ANOL 或 各种传质单元之间的关系 传质单元高度与传质单元数的物理意义 传质单元高度 完成一个传质单元效果所需的塔高 是吸收设备传质效能高低的反映 反映传质阻力的大小 填料性能的优劣以及填料表面湿润的好坏 传质阻力越大 填料有效比表面积越小 传质单元所相当的填料层高度越大 传质单元数 NOG 反映了吸收过程进行的难易程度 生产要求气体组成变化越大 吸收平均推动力越小 过程进行的难度越大 此时所需的传质单元数也就越大 设平衡线符合符合Henry定律y mx 操作线 3 吸收因子法 解析法 积分得 上面式子有三个无因次数群 可以用图表示 见p37图9 11 图9 11的适用范围 当xa 0时 同理推导可得到 同理也可证明 NOL SNOG 两种方法的比较 对数平均推动力法 形式简单 两线都是直线 需要四个组成 已知其中三个 另一个要通过物料衡算求出 吸收因数法 形式较繁 如求NOG 只需知道三个组成 仅适于逆流操作方式 4 图解 数值 积分法 根据NOG定义 可采用如右图解积分 曲线下的面积即为NOG 此时h HOGNOG中的HOG G KYa KYa需由实验测定 而不用下式计算 图解积分法适于平衡线弯曲较大的情况 作图步骤如下 在操作线AB和平衡线OE之间作曲线MM 使该线恰好等分AB与OE两线之间的垂直距离 自A点起作一水平线 交MM 于M1 并延长至D 使AM1 M1D 过点D作垂线交AB于点F 至此完成一个梯级法ADF M1 如此类推 可继续作出第二个梯级 直至越过点B的横坐标xb为止 D F E 梯级总数 NOG如图所示 梯级数为2 8个 亦称为贝克 Baker 法 5 近似梯极法 对平衡线是直线或弯曲不大的情况 可采用此法 M1 D F A 证明 为什么梯级数就是气相总传质单元数NOG 可见 每一个梯级都满足 M1 D F 思考 根据近似梯级法判断操作线距平衡线越近 则NOG如何变化 操作线越靠近平衡线 梯级数越多 故NOG越大 讨论 填料层高度基本方程是物料衡算 传质速率方程综合应用于微元填料层的结果 它关联了影响填料层高度的各种因素 将填料层高度的计算处理为等于传质单元高度乘以传质单元数 是一种工程处理方法 它把一多变量的较复杂过程 组合分离成相互独立的两部分 工艺部分 设备部分 这有利于对过程的分析与计算 传质单元数有多种计算方法 要注意每种方法的适用场合 汇总 或 操作条件 气液流量 气液进口浓度 操作温度 压力等 例1 逆流操作的填料塔中 用清水吸收某可溶性气体 其平衡关系用摩尔分率表示为y 0 06x 已知 溶质在进出塔气体中的组成分别为yb 0 009和ya 0 001 溶质在出塔液体中的组成为xb 0 08 体积传质总系数Kya 0 06kmol m3 s 气体流率G 0 0216kmol m2 s 试解答下列问题 为满足上述操作条件 清水流率L应为多少kmol m2 s 该吸收过程的气相总传质单元数NOG 该吸收过程的气相总传质单元高度HOG 填料高度h 若维持yb xa L G和平衡关系不变 而将塔内的填料高度h增加 那么xb和ya将如何变化 解 采用平均推动力法 h HOG不变 NOG 分离效果增强 ya 再据物料衡算式可知 xb 讨论题1 解 h HOGNOG 已知xa h NOG用何式计算 进出口四个组成不全 应采用吸收因数法 即 则h0 HOGNOG 0 8 7 5 6m 此时有 则 h0 0 8 36 6 29 3m h 23 3m 在逆流操作的填料吸收塔中 用清水吸收焦炉气中的氨 氨的浓度为8g Nm3 混合气体处理量为4500Nm3 h 氨的回收率为95 吸收剂用量为最小用量的1 5倍 空塔气速为1 2m s 气相体积总吸收系数KYa 0 06kmol m3 h 且KYa G0 7 操作压强为101 33kPa 温度为30 在操作条件下气液平衡关系为Y 1 2X 试求 用水量 kg h 塔径和塔高 m 若混合气处理量增加25 要求吸收率不变 应采取什么措施 假设空塔气速仍为适宜气速 讨论题2 解 用水量 kg h 最小用水量 其中 所以 塔径和塔高 m 塔径D 填料层高度 若混合气处理量增加25 要求吸收率不变 应采取什么措施 假设空塔气速仍为适宜气速 可采取的措施 增加用水量 增加填料层高度 增加用水量 塔高一定 提高G HOG和NOG均发生变化 h0 HOGNOG 不变 当G 1 25G时 KYa G0 7 可得 L 0 1215kmol s 用水量提高 提高填料层高度 G 1 25G 用吸收 解吸 因数法 h HOG NOG h 0 855 9 76 5 1 3 24m 增加用水量是简单可行的办法 此外 提高操作压强或降低温度 改善填料性能 提高KYa 也可提高处理量 在逆流操作的填料吸收塔中 对某一低浓气体中的溶质组分进行吸收 现因故 1 吸收剂入塔浓度变大 2 吸收剂用量变小 而其它操作条件均不变 试分析出塔气体 液体浓度如何变化 快速分析法作图 排除法吸收因数法 解 1 吸收剂入塔浓度变大 xa变大 将使全塔浓度均变大 因此xb也将变大 而且全塔传质推动力将变小 故不利于吸收 因此 ya变大 快速分析法 讨论题3 快速分析作图 排除法吸收因数法 作图 排除法 L G不变 影响因素 流动状况 物系 填料特性和操作条件 与h0不变相矛盾 故假设不成立 a 假设ya不变 b 假设ya变小 作图知此时操作线为红线 可见NOG h0 快速分析作图 排除法吸收因数法 作图 排除法 与h0不变相矛盾 故假设不成立 b 假设ya变小 作图知此时操作线为红线 可见NOG h0 因此 ya只能 快速分析作图 排除法吸收因数法 作图 排除法 关于xb 与ya的分析类似 假设xb不变 变小 作图可知NOG将变小 故h0将变小 与h0一定相矛盾 因此 xb 1 吸收剂入塔浓度变大 吸收因数法 NOG yb mxa ya mxa 由题意可知 由右图可知 又xa变大 故ya变大 快速分析作图 排除法吸收因数法 1 吸收剂入塔浓度变大 NOG yb mxa ya mxa 至于xb 仍需用排除法判定 略 快速分析作图 排除法吸收因数法 建议 上述三种方法中 首先推荐使用 快速分析法 如果此法不行 建议使用 吸收因数法 如果还不行 再使用 作图 排除法 解 2 当吸收剂用量变小时 吸收剂用量变小时 不利于吸收 因此 ya变大 快速分析法 快速分析作图 排除法吸收因数法 至于xb的变化 可以这样理解 L 将导致全塔液相浓度变大 故xb 2 当吸收剂用量变小时 吸收因数法 由题意可知 NOG h0 HOG变小或不变 由右图可知 ya Kya变小或不变 2 当吸收剂用量变小时 至于xb 仍需用排除法判定 a 假设xb不变 b 假设xb变小 NOL 作图知 NOG 与h0不变相矛盾 故假设不成立 与h0不变相矛盾 故假设不成立 1 气体入塔浓度yb变小 快速分析法 yb ya必 yb 将导致入塔溶质量减少 且传质推动力变小 因而传质量变小 故xb 吸收因数法 查图可知 至于xb的变化仍需