化工原理吸收塔的计算.ppt

第4讲 9 5 4吸收塔的设计型计算1 吸收塔吸收剂用量和填料层高度 2 吸收剂再循环的分析及应用 3 解吸塔设计型计算 第9章气体吸收 12学时 1 1 计算公式 1 吸收塔吸收剂用量和填料层高度 9 5 4吸收塔的设计型计算 物料衡算式 相平衡方程式 吸收基本方程式 2 2 吸收塔设计型计算的命题 1 达到分离要求最合理的溶剂用量 2 达到分离要求所需要的塔高 填料层高 3 塔径 暂不计算 设计要求 给定条件 y1 G 相平衡关系 分离要求 y2或 回收率 3 3 设计条件的选择 1 流向选择 一般选择逆流操作 2 吸收剂进口浓度选择 4 部分吸收剂再循环的定常态操作 2 吸收剂再循环的分析及应用 5 吸收剂入塔浓度 物料衡算 有吸收剂再循环 1 实际吸收剂入塔浓度增加 2 塔内操作线斜率稍有增加 若平衡线不变 吸收推动力一般要减小 6 1 吸收过程有显著的热效应 大量吸收剂再循环可降低吸收剂出塔温度 平衡线发生明显的向下移动 尽管操作线向下移动 但是 塔内传质的推动力增大 2 吸收的目的在于获得较浓的液相产物 按物料衡算所需的新鲜吸收剂量过少 以至不能保持塔内填料良好的润湿 吸收剂再循环 传质表面积增加 传质系数增大 遇到如下两种情况应采用溶剂再循环 7 在一定的液体流量下 当上升气体流速达到一定值时 整个塔段上同时发生大量液体返混 液体在塔顶被出口气体带出塔外 即发生了不正常的液泛现象 返混 8 在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨 空气混合气中的氨 混合气流量为0 025kmol s 混合气入塔含氨摩尔分数为0 02 出塔含氨摩尔分数为0 001 吸收塔操作时的总压为101 3kPa 温度为293k 在操作浓度范围内 氨水系统的平衡方程为y 1 2x 总传质系数Kya 0 0522kmol s m3 若塔径为1m 实际液气比是最小液气比的1 2倍 求所需塔高为多少 例9 5 吸收塔高 填料层高 的计算 解题分析 已知y1 y2 x2 Ky m qn D 9 根据吸收过程基本方程 填料层高度计算式 平均推动力法求传质单元数 因此需要求取出塔液相含氨摩尔分数x1 物料衡算式 qn已知 A可以计算求取 10 解 求液相出口摩尔分数 最小液气比 实际操作液气比 解得液相出口摩尔分数 11 求传质单元数 平均推动力 传质单元数 12 求传质单元高度 气相流率 传质单元高度 所需填料层高度为 13 方法2 14 例 一逆流操作的常压填料吸收塔 用清水吸收混合气中的溶质A 入塔气体中含A2 摩尔分数 经吸收后溶质A被回收了90 此时水的用量为最小用量的2倍 平衡线为Y 2X 气相总传质单元高度为0 8m 试求填料层所需高度 解 15 16 3 解吸 脱吸 解吸剂 吸收的逆操作 1 解吸方法 减压解吸 闪蒸 在第十章中介绍 应用解吸剂进行解吸 常用的解吸剂有惰性气体 水蒸气或贫气等 2 汽提或提馏 解吸剂用惰性气体或贫气 解吸剂用水蒸汽 1 气提 17 解吸塔的设计型问题 气提 1 解吸塔物料衡算式 全塔物料衡算 操作线方程 规定浓度下标 塔顶1 塔底2 18 已知 L x1 y2 规定x2 2 解吸塔的最小气液比 19 3 解吸塔填料层高度的计算 20 如果气液平衡关系满足亨利定律 平均推动力法求传质单元数 21 解吸因数法求传质单元数 22 例题解吸塔设计型计算 用煤油从空气与苯蒸汽的混合气中吸收苯 所得吸收液在解吸塔中用过热水蒸汽进行解吸 待解吸的液体中含苯0 05 摩尔分率 下同 要求解吸后液体中苯的浓度不超过0 005 在解吸操作条件下 平衡关系为y 1 25x 塔内液体流量为0 03kmol m2 s 填料的体积传质系数为Kya 0 01kmol m3 s 过热蒸汽的用量为最小用量的1 2倍 试求 1 过热蒸汽的用量 2 所需填料层的高度 23 解 24 25 例9 6解吸气流量的计算 含苯摩尔分数为0 02的煤气用平均相对分子量为260的洗油在一填料塔中作逆流吸收 以回收其中95 的苯 煤气的流量为120kmol h 塔顶进入的洗油中含苯摩尔分数为0 005 洗油的流率为最小用量的1 3倍 吸收塔在101 3kPa下操作 此时气液平衡关系为y 0 125x 富油由吸收塔底出口经加热后被送入解吸塔塔顶 在解吸塔底送入过热水蒸气使洗油脱苯 脱苯后的贫油由解吸塔底排除被冷却至27 再进入吸收塔使用 水蒸汽用量取最小量的1 2倍 解吸塔在101 3kPa 120 下操作 此时的气液平衡关系为y 3 16x 求洗油的循环流率和解吸时的过热蒸汽耗量 26 解 吸收塔吸收塔出口煤气中含苯摩尔分数为 洗油在吸收塔底的最大摩尔分数为 吸收塔的最小液气比 27 实际液气比 煤气量 洗油循环量 28 洗油出塔摩尔分数为 解吸塔因过热蒸汽不含苯 y2 0 解吸塔顶气相中苯的最大含量 29 解吸塔的最小气液比 操作气液比 过热蒸汽用量 30 分析HOGHOLNOGNOL的关系 31 例2 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收 可溶组分的回收率为 操作采用的液气比是最小液气比的 倍 物系平衡关系服从亨利定律 试以 两个参数列出计算NOG的表达式 解 32 例3 用清水吸收混合气中的SO2 气体经两塔后总的回收率为0 91 两塔的用水量相等 且均为最小用水量的1 43倍 两塔的传质单元高度均为1 2m 在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律 试求两塔的塔高 33 解 34 35 第5讲 9 5 5吸收塔的操作型问题吸收塔的操作型计算9 5 6吸收操作的调节综合例题 第9章气体吸收 12学时 36 1 操作型计算的命题 1 第一类命题 求操作结果 9 5 5吸收塔的操作型计算 吸收塔的高度及其他有关尺寸 气液两相流量 进口含量 平衡关系及流动方式 两相总传质系数Ky 或Kx 给定条件 计算目的 气 液两相的出口含量 37 2 第二类命题 求操作条件 给定条件 吸收塔的高度及其他有关尺寸 气相流量及进 出口含量 吸收液的进口含量 平衡关系及流动方式 两相总传质系数Ky 或Kx 吸收及的用量及其出口含量 计算目的 38 全塔物料衡算式G y1 y2 L x1 x2 相平衡方程式ye f x 吸收过程基本方程式 当平衡线在操作范围内可视为直线时 第一类命题可将基本方程线性化 第二类命题须试差求解 2 计算方法 39 例9 7气体处理量的变化对吸收操作的影响某吸收塔在101 3kPa 293K下用清水逆流吸收丙酮 空气混合物种的丙酮 当操作液气比为2 1时 丙酮回收率可达95 已知物系在低含量下的平衡关系为y 1 18x 操作范围内总传质系数Ky 近似于气体流率的0 8次方成正比 气体流率增加20 而液体量及气液进口摩尔分数不变 试求 丙酮的收率有何变化 单位时间内被吸收的丙酮量增加多少 吸收塔的平均推动力有何变化 40 解 新工况丙酮的收率原工况由回收率定义可求出气体出口摩尔分数 由物料衡算世可计算液体出口摩尔分数 41 吸收塔的平均推动力 传质单元数 42 新工况传质单元高度 传质单元数 由物料衡算式 43 由吸收过程基本方程 44 由 a b 两式求得 新工况的丙酮回收率 在单位时间内新 旧工况所回收的丙酮量之比为 45 新工况下的平均推动力 结论 气相传质控制时 适当增加气体的流量 增加设备的生产能力 尽管吸收率有所减小 但是吸收的绝对量增加 由于传质速率增加所致 有着实际意义 46 例2 在高度为6m的填料塔内用纯溶剂吸收某混合气体中的可溶组分 在操作条件下相平衡常数为0 5 L G 0 8 回收率为90 现改换另一种填料 装填高度仍为6m 在相同操作条件下 经测定回收率提高到95 试计算新填料的体积传质系数Kya是原填料体积传质系数的多少倍 解 原工况 47 新工况 48 49 例3 某填料吸收塔用含溶质x2 0 0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分 采用的液气比为3 入塔气体中可溶组分的摩尔分率y1 0 01 回收率为90 已知操作条件下物系的相平衡关系为y 2x 现因解吸操作不良 使吸收剂入塔的浓度x2升到了0 00035 试求 1 回收率变为多少 2 塔底流出液的浓度x1变为多少 解 填料不变 气相流率 液相流率不变 HOG不变 所以NOG不变 即 50 51 物料衡算 52 例4 在15oC 101 3kPa下用大量的硫酸逆流吸收空气中的水汽 入塔空气中含水汽的摩尔分数为0 0145 硫酸进 出塔的浓度 摩尔 均为80 这种浓度的硫酸溶液液面上所产生的平衡水汽的摩尔分数为ye 1 05 10 4 已知该塔的容积传质系数Kya与气相流量的0 8次方成正比 空气通过该塔被干燥至含水汽摩尔分数0 000322 现将空气的流量增加一倍 则出塔空气中的水汽含量变为多少 解 原工况 53 求出 54 新工况 55 结论 气相传质控制时 适当增加气体的流量 增加设备的生产能力 尽管吸收率有所减小 但是吸收的绝对量增加 由于传质速率增加所致 有着实际意义 实际吸收水汽量的变化 56 例5 在填料层高为6m的塔内用洗油吸收煤气中的苯蒸汽 混合气流速为200kmol m2h 其初始苯体积含量为2 入口洗油中不含苯 流量为40kmol m2h 操作条件下相平衡关系为y 0 13x 体积传质系数Kya近似与液量无关 值为0 05kmol m3 s 若希望苯的吸收率不低于95 问 1 能否满足要求 2 若保证回收率达到95 所需洗油量为多少 3 若因故洗油中苯的初始含量变为2 5 摩尔 仍保证回收率达到95 则所需洗油量变为多少 2 3 为第二类操作型问题 57 解 1 58 2 增加L 不变 在塔内H 6m 达到95 回收率所需的传质单元数 试差迭代解得 59 则S减小 由S计算出L L将增加 3 60 例6 一填料塔 内装二段填料 每段的高度均为5 5m 处理二股溶质浓度不同的混合气体 其摩尔流率皆为0 02kmol m2 s 初始浓度分别为5 和1 v 吸收剂不含溶质 其摩尔流速为0 04kmol m2 S 已知操作条件下相平衡关系为y 0 8x 吸收过程的Kya 0 32G0 7kmol m3 s G的单位为kmol m2 s 若要求出塔气体浓度小于0 1 问 1 较稀的气体由塔中部 二段填料中间 进入 能否满足要求 2 若二股气体事先混合后 再由塔底进入塔内 则结果又如何 思路 达到分离要求所需要的h与塔中实际的h做比较 61 解 先设能够满足分离要求 气体出口浓度ya 0 001 自塔2段计算起 仍根据填料层高度是否够用为判断依据 另一思路求yc 62 63 塔的1段 64 塔顶出口浓度可以达到 65 2 若二股气体事先混合好由塔底进入 66 即 塔顶气体出口浓度 结论 组成不同的物料之间的混合对吸收是不利的 在实际生产中 采取塔中间某处进料时 应使得进料处的塔内气体组成等于此股气体的组成 这样分离效果最好 或达到预定分离要求 所需的填料层高度最小 67 9 5 6吸收操作的调节 调节的目的 增大吸收率 调节的方法 改变吸收剂的入口条件 包括 流量L 浓度x2 温度t三方面 1 流量L的调节 68 流量L的调节作用是有限的 69 分析最大吸收率的问题 70 2 x2的调节 x2的调节主要受解吸过程的限制 3 温度t的调节 温度t受到冷却器换热能力的限制和冷却剂用量的限制 71 例1 一填料吸收塔吸收某低浓度混合气体中可溶组分 现因故x2升高了 保持其他操作条件不变 则y2x1将如何变化 采用近似分析法 例2 在一填料塔中用清水吸收空气 氨混合气中的低浓度氨 若L加大 其余操作条件不变 则y2x1将如何变化 采用近似