低组成气体吸收计算

1、低组成气体吸收计算 8.1 8.1 吸收过程概述吸收过程概述 8.2 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系 8.3 吸收过程的速率关系吸收过程的速率关系 8.4 低组成气体吸收的计算低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 第八章第八章 气体吸收气体吸收 低组成气体吸收计算 一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算 在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可 采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采 用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以 采

2、用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨 论结合填料塔进行。论结合填料塔进行。 低组成气体吸收计算 逆流吸收塔的物料衡算 原料气：AB 吸收剂：S 尾气：B(含微量A) 溶液：S+A qn,V (kmolB/s) Y1 (kmolA/kmolB) qn,L (kmolS/s) X2 (kmolA/kmolS) qn,L(kmolS/s) X1(kmolA/kmolS) mn Y X qn,V (kmolB/s) Y2 (kmolA/kmolB) 填 料 塔 低组成气体吸收计算 在吸收塔的两端面间，对溶质在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算作物料衡算

3、1,2,2,1, XqYqXqYq LnVnLnVn 21,21, XXqYYq LnVn 溶质溶质A的吸收率的吸收率 1 21 Y YY A 气体出塔时的组成气体出塔时的组成Y2 A YY1 12 一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算 低组成气体吸收计算 二、操作线方程与操作线二、操作线方程与操作线 吸收塔内任一横截面上，气液组成吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与与X之间的关系之间的关系 称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。 XqYqXqYq LnVnLnVn,1,1, 1 , , 1 , , X q q YX q q Y Vn Ln Vn

4、 Ln 在在 m-n 截面与塔底端面之间对组分截面与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，进行衡算， 可得可得 逆流吸收塔逆流吸收塔 操作线方程操作线方程 低组成气体吸收计算 同理，在同理，在 m-n 截面与塔顶端面之间作组分截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡的衡 算，得算，得 2 , , 2 , , X q q YX q q Y Vn Ln Vn Ln 操作线方操作线方 程为直线程为直线 斜率斜率 B (X1，Y1) T (X2，Y2) 二、操作线方程与操作线二、操作线方程与操作线 逆流吸收塔逆流吸收塔 操作线方程操作线方程 Vn Ln q q , , 过点过点 塔底塔底 塔顶塔顶 低组成气体吸

5、收计算 逆流吸收塔中的操作线逆流吸收塔中的操作线 2 X 2 Y 1 Y 1 X T B X Y *Y Y*=f(X) 操作 线 推动 力 斜率 （液气比） VnLn qq , / 低组成气体吸收计算 8.4 低组成气体吸收的计算低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 第八章第八章 气体吸收气体吸收 8.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 低组成气体吸收计算 吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比 2 X 2 Y 1 Y T 1 X B B 1 X *B * 1 X Vn Ln q q , , min , , )( Vn Ln q q Y*=f(X） )

6、( , , Vn Ln q q 低组成气体吸收计算 最小液气比可用图解法求得最小液气比可用图解法求得 ： 21 21 2 * 1 21 min , , /XmY YY XX YY q q Vn Ln VnLn q XX YY q , 2 * 1 21 min, A Vn Ln m Y YYm q q 1 21 min , , )( 一、最小液气比一、最小液气比 最小液气比 最小溶剂用量 纯溶剂纯溶剂 吸收吸收 低组成气体吸收计算 吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比 （非正常曲线）（非正常曲线） 21 21 min , , XX YY q q Vn Ln VnLn q XX YY q , 21

7、 21 min, Y*=mX 低组成气体吸收计算 二、二、适宜的液气比适宜的液气比 操作 费用 设备 费用 填料层 高度 根据生产实践经验，取根据生产实践经验，取 min , , , , )(0 . 21 . 1 Vn Ln Vn Ln q q q q min, 0 . 21 . 1 LnLn qq 推动 力 适宜液气比适宜液气比 适宜溶剂用量适宜溶剂用量 Ln q , Vn Ln q q , , 处理量处理量 一定一定Vn q , 动力 消耗 低组成气体吸收计算 8.4 8.4 低组成气体吸收的计算低组成气体吸收的计算 8.4.1 8.4.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 第八章

8、第八章 气体吸收气体吸收 8.4.2 8.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 8.4.3 8.4.3 塔径的计算塔径的计算 低组成气体吸收计算 塔径的计算塔径的计算 工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直 径可根据圆形管道内的流量公式计算：径可根据圆形管道内的流量公式计算： 注意注意 v计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。 u q D VV , 4 v计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u 。 吸收塔直径计算式吸收塔直径计算式 v计算塔径时，计算塔径时， 采用操作状态下的

9、数据。采用操作状态下的数据。 VV q , 低组成气体吸收计算 练练 习习 题题 目目 思考题思考题 作业题作业题: 5 5 1 1. .如何判断吸收过程是属于哪种过程控制？如何判断吸收过程是属于哪种过程控制？ 2 2. .总吸收速率方程与膜吸收速率方程有何不同？总吸收速率方程与膜吸收速率方程有何不同？ 3 3. .何为吸收过程的操作线，操作线如何获得？何为吸收过程的操作线，操作线如何获得？ 4.4.吸收剂的用量如何确定？吸收剂的用量如何确定？ 低组成气体吸收计算 8.4 低组成气体吸收的计算低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 第八章第八章 气体吸收气体

10、吸收 8.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 8.4.3 塔径的计算塔径的计算 8.4.4 吸收塔有效高度的计算吸收塔有效高度的计算 低组成气体吸收计算 一、一、传质单元数法传质单元数法 1 1. . 基本计算公式基本计算公式 填料塔为连续接触填料塔为连续接触 式设备，随着吸收的进式设备，随着吸收的进 行，沿填料层高度气液行，沿填料层高度气液 两相的组成均不断变化，两相的组成均不断变化， 塔内各截面上的吸收速塔内各截面上的吸收速 率并不相同。为解决填率并不相同。为解决填 料层高度的计算问题，料层高度的计算问题， 需要对微元填料层进行需要对微元填料层进行 物料衡算。物料衡算。微元填料层的物

11、料衡算微元填料层的物料衡算 低组成气体吸收计算 在微元填料层内对组分在微元填料层内对组分A作物料衡算：作物料衡算： dXqdYqdq LnVnGn A , dZaNdANdq AAGn A , 填料总比填料总比 表面积表面积 填料润湿比填料润湿比 表面积表面积aW 填料有效比填料有效比 表面积表面积a t a 一、一、传质单元数法传质单元数法 填料有效比表面填料有效比表面 积积 m2/m3 吸收塔截面积吸收塔截面积 m2 低组成气体吸收计算 由吸收速率方程式由吸收速率方程式 XXKYYKN XYA * 代入可得代入可得 dYqdZaYYKdq VnYGn A , * dXqdZaXXKdq L

12、nXGn A , * 一、一、传质单元数法传质单元数法 低组成气体吸收计算 整理可得整理可得 dZ q aK YY dY Vn Y , * dZ q aK XX dX Ln X , * 在全塔范围内积分在全塔范围内积分 1 2* , Y Y Y Vn YY dY aK q Z 1 2* , X X X Ln XX dX aK q Z 一、一、传质单元数法传质单元数法 填料层高度基填料层高度基 本计算公式本计算公式 低组成气体吸收计算 一、一、传质单元数法传质单元数法 分析分析 令令 aK q H Y Vn OG , 气相总传质气相总传质 单元高度单元高度 气相总传气相总传 质单元数质单元数 Z

13、HN OGOG 1 2* Y Y OG YY dY N m )(m/ms)(m(kmol/m (kmol/s) 2322 , aK q Y Vn 低组成气体吸收计算 令令 aK q H X Ln OL , 1 2 * X X OL XX dX N 液相总传质液相总传质 单元高度单元高度 液相总传液相总传 质单元数质单元数 OLOLN HZ 一、一、传质单元数法传质单元数法 填料的有效比表面积填料的有效比表面积 a 很难确定，通常将很难确定，通常将 KY a 及及 KX a 作为一体作为一体 kmol/(m3s) KX a 液相总体积吸收系数液相总体积吸收系数 KY a 气相总体积吸收系数气相总

14、体积吸收系数 低组成气体吸收计算 HOG 的的物理意义物理意义 aK H Y OG 1 KY NA HOG HOG 是反映吸收速率大小因数，是反映吸收速率大小因数，HOG 越小，吸收越小，吸收 速率越大。速率越大。 *)(YYKN YA 一、一、传质单元数法传质单元数法 低组成气体吸收计算 NOG 是反映吸收分离难易程度的因数，是反映吸收分离难易程度的因数，NOG 越越 大，吸收分离的难度越大。大，吸收分离的难度越大。 OGOGN HZ ZNOG HOG 一定一定 吸收分离的难度吸收分离的难度 一、一、传质单元数法传质单元数法 NOG 的的物理意义物理意义 低组成气体吸收计算 3 3. . 传

15、质单元数的求法传质单元数的求法 (1) (1) 解析法解析法- -适用于平衡关系为直线的体系适用于平衡关系为直线的体系 脱吸因数法脱吸因数法 设平衡关系为设平衡关系为 bmXY* 由操作线方程由操作线方程，可得，可得 2 , , 2 YY q q XX Ln Vn 一、一、传质单元数法传质单元数法 直线直线 关系关系 低组成气体吸收计算 1 2 * Y Y OG YY dY N 1 2 22 , , Y Y Ln Vn OG bXYY q q mY dY N 一、一、传质单元数法传质单元数法 由由 代入得代入得 低组成气体吸收计算 Ln Vn q mq S , , 令令 脱吸因数为平衡线斜率脱

16、吸因数为平衡线斜率 与操作线斜率的比值与操作线斜率的比值 。 一、一、传质单元数法传质单元数法 脱吸脱吸 因数因数 1 2)(1 * 22 Y Y OG YSYYS dY N则则 低组成气体吸收计算 积分并化简，可得积分并化简，可得 S YY YY S S NOG * 22 * 21 1ln 1 1 适用条件适用条件 一、一、传质单元数法传质单元数法 同理，可导出同理，可导出 A YY YY A A NOL * 11 * 21 1ln 1 1 Vn Ln mq q A , , 吸收吸收 因数因数 吸收因数为操作线斜率吸收因数为操作线斜率 与平衡线斜率的比值与平衡线斜率的比值 。 平衡关系平衡关

17、系 为直线为直线 低组成气体吸收计算 NOG * 22 * 21 YY YY 关系曲线图 OG N 2 Y S 计算填料 层高度 计算尾 气浓度 计算吸 收剂用 量 低组成气体吸收计算 对数平均推动力法对数平均推动力法 由于由于 21 * 2 * 1 21 21 21 * 2 * 1 , , YY YY YY XX XX YY q q mS Ln Vn 21 21 21 * 22 * 11 1 YY YY YY YYYY S 所以所以 一、一、传质单元数法传质单元数法 低组成气体吸收计算 2 1 21 21 ln Y Y YY YY NOG 可导出可导出 令令 * 22 * 11 * 22 *

18、 11 2 1 21 ln ln YY YY YYYY Y Y YY Ym 则则 m OG Y YY N 21 一、一、传质单元数法传质单元数法 对数平均对数平均 推动力推动力 低组成气体吸收计算 同理，可导出同理，可导出 N XX X OL m 12 2 * 2 1 * 1 2 * 21 * 1 2 1 21 ln ln XX XX XXXX X X XX X m 其中其中 一、一、传质单元数法传质单元数法 适用条件适用条件平衡关系为直线平衡关系为直线 低组成气体吸收计算 若若 2 21 YY Ym 一、一、传质单元数法传质单元数法 2 2 1 2 1 Y Y 或或 2 2 1 2 1 X

19、X 则则 或或 2 21 XX X m 可用算术平均值可用算术平均值 代替对数平均值代替对数平均值 低组成气体吸收计算 n YfYfY 0 3/ ( (2) 2) 数值积分法数值积分法 辛普森辛普森( (Simpson) )数值积分法数值积分法 Nf Y dY OG Y Yn 0 131 4 n YfYfYf Y YY n n 0 * 1 YY Yf 242 2 n YfYfYf 一、一、传质单元数法传质单元数法 适用条件适用条件平衡关系为曲线平衡关系为曲线 低组成气体吸收计算 二、二、等板高度法等板高度法 1 1. . 基本计算式基本计算式 等板高度法是依据理论级的概念来计算填料等板高度法是

20、依据理论级的概念来计算填料 层高度，故又称为理论级模型法。层高度，故又称为理论级模型法。 设填料层由设填料层由N级组成，在每一级上气液两相级组成，在每一级上气液两相 密切接触，溶质组分由气相向液相转移。若离开密切接触，溶质组分由气相向液相转移。若离开 某一级时，气液两相的组成达到平衡，则称该级某一级时，气液两相的组成达到平衡，则称该级 为一个理论级。为一个理论级。 低组成气体吸收计算 吸收塔的理吸收塔的理 论级模型论级模型 Ym Xm 平衡 关系 Ym1 Xm 操作 关系 低组成气体吸收计算 设完成指定分离任务所需理论级为设完成指定分离任务所需理论级为NT，则所需则所需 的填料层高度可按下式计

21、算：的填料层高度可按下式计算： HETPNZ T 填料层等板高度的意义：分离效果与一个理论级的填料层等板高度的意义：分离效果与一个理论级的 作用相当的填料层高度。作用相当的填料层高度。 二、二、等板高度法等板高度法 理论理论 级数级数 等板等板 高度高度 低组成气体吸收计算 2 2. . 理论级数的确定理论级数的确定 (1) (1) 逐级计算法逐级计算法 设设 平衡关系平衡关系 mXY *(a) 操作关系操作关系 (b) )( 2 , , 2 , , X q q YX q q Y Vn Ln Vn Ln 二、二、等板高度法等板高度法 低组成气体吸收计算 由由 YI =Y2 XIY X Y XN YN+1Y1 二、二、等板高度法等板高度法 (a)(b) (a) (a) (a) (b) (b) 逐级计算过程如下逐级计算过程如下 低组成气体吸收计算 (2) (2) 梯级图解法梯级图解法 梯级图解法求理论级数的具体步骤是：首先在梯级图解法求理论级数的具体步骤是：首先在 直角坐标系中标绘出操作线及平衡关系曲线，然后，直角坐标系中标绘出操作线及平衡关系曲线，然后， 在操作线与平衡线之间，从塔顶在操作线与平衡线之间，从塔顶( (或塔底或塔底) )开始逐次开始逐次 画阶梯直至与塔底画阶梯直至与塔底( (