化工基础 5 吸收 5-4 03

1、第四节第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算 Ga ya La xa D H Gb yb Lb xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 计算项目主要有：计算项目主要有：u吸收剂用量吸收剂用量La、液相出塔浓度、液相出塔浓度xbu塔的主要工艺尺寸：塔的主要工艺尺寸： 塔径塔径D、填料层高度、填料层高度H或塔板数或塔板数N2/97一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程 Ga ya La xa Gb yb Lb xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 对溶质对溶质 A，有，有液液相相的的增增加加速速率率气气相相的的减减少少速速率率 abSa

2、bBXXLYYG aabBSbYXXGLY GBYa LS Xa GBYb LS XbGB-kmolB/s or kmolB/(m2s) ；LS -kmolS/s or kmolS/(m2s) ； Y（或（或X）-摩尔比；摩尔比；aabbaabbxLxLyGyG 全塔物料衡算全塔物料衡算-可求解液相出塔浓度可求解液相出塔浓度xb-此式使用不方便，因为摩尔分率此式使用不方便，因为摩尔分率x、y的定义基准从塔底到塔顶均在变化。的定义基准从塔底到塔顶均在变化。 将将x、y换成摩尔比换成摩尔比X、Y可解决这个问题。可解决这个问题。回收率回收率 为：为： bababYYYYY 1 一、物料衡算和操作线方

3、程一、物料衡算和操作线方程 GBYa LS Xa GBY LSX GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 液相量的增加速率液相量的增加速率气相量的减少速率气相量的减少速率 aSaBXXLYYG aaBSYXXGLY 对塔上部任一段作质量衡算（对塔上部任一段作质量衡算（A组分）组分）-可求解全塔浓度分布可求解全塔浓度分布-操作线方程操作线方程一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程 GBYa LS Xa GBY LSX GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 aaBSYXXGLY aabBSbYXXGLY 操作线斜率越小，越靠操作线斜率越小

4、，越靠近平衡线，传质推动力近平衡线，传质推动力越小，对传质越不利。越小，对传质越不利。操作点操作点XYOXbYb塔底塔底XaYa塔顶塔顶直线，直线，BSGL过塔顶点过塔顶点A(Xa，Ya)，塔底，塔底 B (Xb，Yb)总是位于平衡线的上方；总是位于平衡线的上方；-液气比液气比斜率为斜率为-操作线方程操作线方程操作线方程：操作线方程：一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程G Ga Gb GB，L La Lb LS，Y y，X x，于于是是， Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算

5、逆流吸收塔的物料衡算 aabbyxxGLy aayxxGLy 对于低浓气体（通常对于低浓气体（通常yb10%），）， aabBSbYXXGLY aaBSYXXGLY 二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定 Y Y B B Yb B B B Yb P YE E Ya A Ya A 0 Xa Xb 0 Xa XE Xb LS BSGL min BSGLmin)0 . 22 . 1( BSoptBSGLGL Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算仅从能耗上看，希望吸收剂用量

6、越小越好，但是仅从能耗上看，希望吸收剂用量越小越好，但是-最小液气比最小液气比此时，塔内必有一处达到相此时，塔内必有一处达到相平衡，塔高需无穷高才行。平衡，塔高需无穷高才行。二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定最小液气比只对设计型问题有意义。最小液气比只对设计型问题有意义。 Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算可以，可以，能，能，但达不到指定的吸收要求但达不到指定的吸收要求思考：思考：实际操作时的液气比可否小于或等于最小液气比？此时吸实际操作时的液气比可否小于或等

7、于最小液气比？此时吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？收塔是否能操作？将会发生什么现象？二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定 Y Y B B Yb BB B Yb YE E Ya A Ya A 0 Xa Xb 0Xa XE XbababBSXXYYGL minEbEbBSXXYYGL min最小液气比的计算：最小液气比的计算：低浓时：低浓时：ababxxyyGL minEbEbyyyyGL minmin)0 . 22 . 1( BSBSGLGL低浓时：低浓时：三、塔径的计算三、塔径的计算uVDS 4 u为空塔气速，为空塔气速，m/s，Vs为混合气体的体积流量，为混合气体的体积流量，m3/s

8、。 Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算 ya xa y x h G-dG dh h0 G y+dy x+dx A Gb yb xb 微微元元填填料料段段的的物物料料衡衡算算 引引入入填填料料体体积积质质面面积积填填料料层层所所具具有有的的有有效效传传 a AydGGdyyG)()( GyAd1、填料层高度的一般计算式、填料层高度的一般计算式 LxAd AN aAdh气相中溶质气相中溶质A的减少速率的减少速率 液相中溶质液相中溶

9、质A的增加速率的增加速率从气相到液相的传质速率从气相到液相的传质速率注意：注意：G、L-kmol/(m2 s)对微元段填料对微元段填料dh作物料衡算：作物料衡算：四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算 ya xa y x h G-dG dh h0 G y+dy x+dx A Gb yb xb 微微元元填填料料段段的的物物料料衡衡算算 底底顶顶底底顶顶aNLxdaNGyddhhAAH00 底底顶顶底底顶顶xxaKLxdyyaKGydhxy0akmakaKxyy 11将总吸收速率方程将总吸收速率方程 代入得：代入得： xxKyyKNxyA 2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时vG、L为常数为常数v

10、Ky、Kx可视为常数可视为常数va也可视为常数：也可视为常数： a与填料形状、尺寸及填充状况有关与填料形状、尺寸及填充状况有关 aNLxdaNGyddhAA 气相、液相气相、液相总体积传质系数总体积传质系数（适用于高、低浓吸收）（适用于高、低浓吸收）2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时 bayyyyydyaKGh0OGOGNH baxxxxxdxaKLh0OLOLNH GGNH bayyiyyydyakGh0 baxxixxxdxakLh0LLNH bayyOGyydyN气相总传质单元数，无因次气相分传质单元高度，m 气相分传质单元数，无因次aKGHyOG 气相总传质单元高度气相总传质单元高度H

11、TU ，m（Height of Transfer Unit） 流动状况、物系、填料特性和操作条件流动状况、物系、填料特性和操作条件思考：思考：影响传质单元高度影响传质单元高度HTU的因素？的因素？2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时什么是传质单元？什么是传质单元？ kmkkyyyy,1 ya xa y yb yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN ,xN-1 N x yb xb 气相总传质单元 1 2 o相平衡关系相平衡关系 如图，将填料层分成若干段，如图，将填料层分成若干段，1、2、N段。每一段填料均需满足以下条件：段。每一段填料均需满足以下

12、条件：该段气相（或液相）总的平该段气相（或液相）总的平 均推动力均推动力每一段气相（或液相）组成的变化量每一段气相（或液相）组成的变化量这一段填料就是一个传质单元这一段填料就是一个传质单元2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时o相平衡关系相平衡关系 bayyOGyydyNaKGHyOG 传质单元高度？传质单元高度？常用吸收设备的常用吸收设备的HTU约为约为0.2 1.5m-每个传质单元对应的填料层高度，每个传质单元对应的填料层高度，m一个（气相总）传质单元OGOGNHh 0思考：思考： HTUHTU越大越好，还是越大越好，还是越小越好？越小越好？HTUHTU越小越好越小越好传质单元数？传质单元数？

13、-传质单元的个数，传质单元的个数， 如图，为如图，为N个。个。 ya xa y yb yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN ,xN-1 N x yb xb 气相总传质单元 1 2 2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时为什么为什么NOG就是传质单元数就是传质单元数N？ bayyOGyydyNaKGHyOG kmkkyyyy,1 1,kkyykOGyydyN 1,1 kmkkyyyy每个传质单元具有：每个传质单元具有：)(111个个N bNkkayyyyyyyyyydyyydyyydyyydy1211 bayyOGyydyNOGOGNHh 0 y

14、a xa y yb yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN ,xN-1 N x yb xb 气相总传质单元 1 2 o相平衡相平衡关系关系一个（气相总）传质单元2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时传质单元数传质单元数NOG的两种计算方法：的两种计算方法：吸收因数法吸收因数法对数平均推动力法对数平均推动力法（1）平衡线为直线时）平衡线为直线时aKGHyOG bayyOGyydyN图解（或数值）积分法图解（或数值）积分法近似梯级法近似梯级法（2）平衡线非直线时）平衡线非直线时OGOGNHh 02、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时 babayyaayy

15、OGySyySdyyydyN1传质单元数传质单元数NOG的两种计算方法：的两种计算方法： aaxyyLGx aayxxGLy bmxy aayyySLmGS 脱吸因数，无因次mGLA 吸收因数，无因次（1）平衡线为直线时）平衡线为直线时代入代入 中积分得：中积分得： bayyOGyydyNaKGHyOG bayyOGyydyN bmxyyLGmaa 吸收因数法吸收因数法对数平均推动力法对数平均推动力法OGOGNHh 02、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时回回收收率率 为为： （低低浓浓）babababyyYYYYY 11 SyyyySSNaaabOG1ln11-吸收因数法吸收因数法OGOLSNN

16、 类似可推得：类似可推得：2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时 aayxxGLy bmxy yyy与与 y 关关系系也也为为直直线线函函数数关关系系常数常数 ababyyyydyydabababyyababOGyyyyyyydyyyyyNba ln1 yb=yb yb ya=ya ya aKGHyOG bayyOGyydyN yb ya传质单元数传质单元数NOG的两种计算方法：的两种计算方法：（1）平衡线为直线时）平衡线为直线时吸收因数法吸收因数法对数平均推动力法对数平均推动力法OGOGNHh 0 yb B ya A xa xb 2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时ababmyyyyy lnmab

17、OGyyyN aKGHyOG bayyOGyydyNabababyyababOGyyyyyyydyyyyyNba ln1 yb=yb yb ya=ya ya yb ya-对数平均推动力对数平均推动力-对数平均推动力法对数平均推动力法 yb B ya A xa xb 2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时mabOLxxxN imabGyyyN imabLxxxN ababmxxxxx lnbbbxxx aaaxxx 同理，得：同理，得：式中：式中：2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时对数平均推动力法与吸收因数法的对比：对数平均推动力法与吸收因数法的对比： 相同点相同点：都适用于低浓、平衡线为直线的情况

18、都适用于低浓、平衡线为直线的情况 不同点：不同点：前者涉及四个浓度，后者涉及三个浓度，前者涉及四个浓度，后者涉及三个浓度， 故后者特别适用于操作型问题的求解。故后者特别适用于操作型问题的求解。mabOGyyyN SyyyySSNaaabOG1ln112、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时 bayyOGyydyN传质单元数传质单元数NOG的两种计算方法：的两种计算方法：图解（或数值）积分法图解（或数值）积分法近似梯级法近似梯级法（2）平衡线非直线时）平衡线非直线时 y 1 y-y* yb B E A y-y* B ya A O xa xb x O ya yb y 图解法求 NOG2、低浓气体吸收时、

19、低浓气体吸收时传质单元数传质单元数NOG的两种计算方法：的两种计算方法：图解（或数值）积分法图解（或数值）积分法近似梯级法近似梯级法（2）平衡线非直线时）平衡线非直线时作图步骤如下作图步骤如下： 在操作线在操作线AB和平衡线和平衡线OE之间之间作曲线作曲线MM ，使该线恰好等分，使该线恰好等分AB与与OE两线之间的垂直距离。两线之间的垂直距离。自自A点起作一水平线，交点起作一水平线，交MM 于于M1，并延长至，并延长至D，使，使AM1=M1D。过点过点D作垂线交作垂线交AB于点于点F。至。至此完成一个梯级法此完成一个梯级法ADF。MM M1如此类推，可继续作出第二个如此类推，可继续作出第二个梯

20、级，直至越过点梯级，直至越过点B的横坐标的横坐标xb为为止。止。DF梯级总数梯级总数 = NOG 如图所示，梯级数为如图所示，梯级数为2.8个。个。亦称为贝克（亦称为贝克（Baker）法）法 y B yb ya A O xa xb x 近近似似梯梯阶阶法法 E2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时近似梯级法近似梯级法 亦称为贝克（亦称为贝克（Baker）法）法CCCM 12MM M1DF梯级内的气相浓度变化FD FFAA 21梯级内的平均推动力CC CC F A 证明：证明：为什么梯级数就是气为什么梯级数就是气 相总传质单元数相总传质单元数NOG？总总平平均均传传质质推推动动力力或或液液相相该该段

21、段气气相相组组成成的的变变化化量量或或液液相相每每一一段段气气相相)()( 可见，每一个梯级都满足：可见，每一个梯级都满足： y B E yb ya A O xa xb x 2、低浓气体吸收时、低浓气体吸收时MM M1DFCC F 思考：思考：根据近似梯级法判断操根据近似梯级法判断操作线距平衡线越近，则作线距平衡线越近，则NOG如如何变化？何变化？操作线越靠近平衡线，梯级数操作线越靠近平衡线，梯级数越多，故越多，故NOG越大。越大。 y B E yb ya A O xa xb x 例例 发酵法生产酒精时所排出的气体中含有乙醇，其余为二发酵法生产酒精时所排出的气体中含有乙醇，其余为二氧化碳、氮、

22、氧等惰性气体。乙醇含量为氧化碳、氮、氧等惰性气体。乙醇含量为 (乙醇乙醇)=0.01，在常压和在常压和40下，用回收的水吸收气体中的乙醇，回收水下，用回收的水吸收气体中的乙醇，回收水中含乙醇中含乙醇x=0.0001。要求乙醇回收率达。要求乙醇回收率达90%，水的用量为，水的用量为最小液气比的最小液气比的 1.4倍。倍。 气液平衡关系可近似的用气液平衡关系可近似的用Y=1.068X表示。试求吸收所需的传质单元数。表示。试求吸收所需的传质单元数。解：求进出口气液组成解：求进出口气液组成1110.010.010111 0.01yYy20.01011 0.900.0010Y 10.01010.0096

23、41.068X20.00010.00011 0.0001X y1=0.01，=0.90，x2=0.0001,121YYY21111YYYY421.068 0.0001 1.068 10Yy1y2x2x1最小液气比：最小液气比：1212( )0.01010.00100.972( )0.009460.0001nMnqLYYq VXX实际液气比为最小液气比的实际液气比为最小液气比的1.4倍：倍：121210.0101 0.00100.972 1.40.0001YYXXX10.00679X 11.068 0.006790.00725Y 11221122lnmYYYYYYYYY440.0101 0.007250.0010 1.068 100.0101 0.00725ln0.0010 1.068 1031.686 1012GmYYnY30.0101 0.00101.686 105.4GGmYnnhYYYaAKVqH210