化工原理第八章第三节、第四节.ppt

1、2020/7/27,1,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,第八章 气体吸收,8.3.1 膜吸收速率方程,2020/7/27,2,一、气膜吸收速率方程,气膜内的吸收速率方程可表示为,气膜阻力,2020/7/27,3,比较得,由道尔顿分压定律,一、气膜吸收速率方程,2020/7/27,4,二、液膜吸收速率方程,液膜阻力,液膜内的吸收速率方程可表示为,2020/7/27,5,比较得,由,二、液膜吸收速率方程,2020/7/27,6,稳态下，气、液两膜中的传质速率相等，即,直线,通过定点A (c，p),斜率kL / kG,三、界面组成的确定,2020/7/

2、27,7,界面组成的确定,2020/7/27,8,8.3 吸收过程的速率关系,8.3.1 膜吸收速率方程,第八章 气体吸收,8.3.2 总吸收速率方程,2020/7/27,9,一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程,设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线,根据双膜模型，相界面上两相互成平衡,2020/7/27,10,由此得,整理得,由,相加得,一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,11,令,则,KG,气相总吸收系数，kmol/(m2skPa),总阻力,液膜阻力,气膜阻力,气相总吸收 速率方程式,一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程,2020

3、/7/27,12,对于易溶气体，H值很大,液膜阻力,气膜阻力控 制整个吸收 过程的速率,气膜 控制,示例：水吸收氨,气膜阻力,气膜控制示意图,一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,13,设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线,根据双膜模型，相界面上两相互成平衡,二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,14,由此得,整理得,由,相加得,二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,15,令,则,KL,液相总吸收系数，m/s,总阻力,气膜阻力,液膜阻力,液相总吸收 速率方程式,二、以(c*- c)表示的总吸收速率

4、方程,2020/7/27,16,对于难溶气体，H值很小,气膜阻力,示例：水吸收氧,液膜阻力,液膜控制示意图,液膜阻力控 制整个吸收 过程的速率,液膜 控制,二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,17,同理，可导出,Ky,气相总吸收系数，kmol/(m2s),气相总吸收 速率方程式,三、以(y- y*)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,18,同理，可导出,Kx,液相总吸收系数，kmol/(m2s),液相总吸收 速率方程式,四、以(x*- x)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,19,同理，可导出,KY,对于低浓度吸收,气相总吸收系数，kmol/(m2s),气

5、相总吸收 速率方程式,五、以(Y- Y*)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,20,同理，可导出,KX,对于低浓度吸收,液相总吸收系数，kmol/(m2s),液相总吸收 速率方程式,六、以(X*- X)表示的总吸收速率方程,2020/7/27,21,8.3 吸收过程的速率关系,8.3.1 膜吸收速率方程,第八章 气体吸收,8.3.2 总吸收速率方程,8.3.3 吸收速率方程小结,2020/7/27,22,吸收速率方程小结,使用吸收速率方程式应注意以下几点:,（1）上述的各种吸收速率方程式是等效的。采用任何吸收速率方程式均可计算吸收过程速率。,（2）任何吸收系数的单位都是kmol/(m2s

6、单位推动力)。,（3）必须注意各吸收速率方程式中的吸收系数与吸收推动力的正确搭配及其单位的一致性。,2020/7/27,23,（4）上述各吸收速率方程式都是以气液组成保持不变为前提的，因此只适合于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率。在塔内不同横截面上的气液组成各不相同，其吸收速率也不相同。,（5）在使用与总吸收系数相对应的吸收速率方程式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关系须为直线。,吸收速率方程小结,2020/7/27,24,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1

7、 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,2020/7/27,25,一、全塔物料衡算,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，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。,2020/7/27,26,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,V (kmolB/s),Y1 (kmolA/kmolB),L (kmolS/s),X2 (kmolA/kmolS),L(kmolS/s),X1(kmolA/kmolS),m,n,Y,X,V (kmolB/s),Y2 (k

8、molA/kmolB),填 料 塔,2020/7/27,27,在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算,溶质A的吸收率,气体出塔时的组成Y2,一、全塔物料衡算,2020/7/27,28,二、操作线方程与操作线,吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与X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。,在 m-n 截面与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，可得,逆流吸收塔 操作线方程,2020/7/27,29,同理，在 m-n 截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡算，得,操作线方 程为直线,斜率,B (X1，Y1),T (X2，Y2),二、操作线方程与操作线,逆流吸收塔 操作线方程,过点,塔底,塔顶

9、,2020/7/27,30,逆流吸收塔中的操作线,Y*=f(X),操作线,推动力,斜率 （液气比）,2020/7/27,31,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,2020/7/27,32,一、最小液气比,在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比 。,液气比 的确定方法是，先求出吸收过程的最小液气比 ，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。,2020/7/27,33,吸收塔的最小液气比,Y*=f(X）,2020/7/27,34,

10、最小液气比可用图解法求得 ：,一、最小液气比,最小液气比,最小溶剂用量,纯溶剂吸收,2020/7/27,35,吸收塔的最小液气比 （非正常曲线）,Y*=mX,2020/7/27,36,二、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,推动力,适宜液气比,适宜溶剂用量,处理量 一定,动力消耗,2020/7/27,37,作 业,书上p82 习题: 4、5,2020/7/27,38,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,2020/7/27,39,塔径的计算,工业上的吸收塔通常为圆柱

11、形，故吸收塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算：,注意,计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。,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,计算塔径时， 采用操作状态下的数据。,2020/7/27,40,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,8.4.4 吸收塔有效高度的计算,一、传质单元数法,二、等板高度法,2020/7/27,41,一、传质单元数法,1. 基本计算公式,填料塔为连续接触式设备，随着吸收的进行，沿填料层高度气液两相的组成均不断变化，塔内各截面上的吸收速率并不相同

12、。为解决填料层高度的计算问题，需要对微元填料层进行物料衡算。,微元填料层的物料衡算,2020/7/27,42,在微元填料层内对组分A作物料衡算：,填料总比 表面积,填料润湿比表面积aW,填料有效比表面积a,一、传质单元数法,填料有效比表面积 m2/m3,吸收塔截面积 m2,2020/7/27,43,由吸收速率方程式,代入可得,一、传质单元数法,2020/7/27,44,整理可得,在全塔范围内积分,一、传质单元数法,填料层高度基 本计算公式,2020/7/27,45,2. 传质单元高度与传质单元数,比较：换热器的换热管长度基本计算公式,一、传质单元数法,传热单 元长度,传热单 元数,传热单 元长

13、度,传热单 元数,2020/7/27,46,一、传质单元数法,分析,令,气相总传质 单元高度,气相总传 质单元数,2020/7/27,47,令,液相总传质 单元高度,液相总传 质单元数,一、传质单元数法,填料的有效比表面积 a 很难确定，通常将 KY a 及KX a 作为一体看待。,kmol/(m3s),KX a, 液相总体积吸收系数,KY a, 气相总体积吸收系数,2020/7/27,48,HOG 的物理意义,KY,NA,HOG,HOG 是反映吸收速率大小因数，HOG 越小，吸收速率越大。,一、传质单元数法,2020/7/27,49,NOG 是反映吸收分离难易程度的因数，NOG 越大，吸收分

14、离的难度越大。,Z,NOG,HOG 一定,吸收分离的难度,一、传质单元数法,NOG 的物理意义,2020/7/27,50,3. 传质单元数的求法,(1) 解析法, 脱吸因数法,设平衡关系为,由操作线方程，可得,一、传质单元数法,直线 关系,2020/7/27,51,一、传质单元数法,由,代入得,2020/7/27,52,令,脱吸因数为平衡线斜率 与操作线斜率的比值 。,一、传质单元数法,脱吸因数,则,2020/7/27,53,积分并化简，可得,适用条件,一、传质单元数法,同理，可导出,吸收因数,吸收因数为操作线斜率 与平衡线斜率的比值 。,平衡关系为直线,2020/7/27,54,计算填料层高

15、度,计算尾气浓度,计算吸收剂用量,2020/7/27,55, 对数平均推动力法,由于,所以,一、传质单元数法,2020/7/27,56,可导出,令,则,一、传质单元数法,对数平均推动力,2020/7/27,57,同理，可导出,其中,一、传质单元数法,适用条件,平衡关系为直线,2020/7/27,58,若,一、传质单元数法,或,则,或,可用算术平均值代替对数平均值,2020/7/27,59,(2) 数值积分法,辛普森(Simpson)数值积分法,一、传质单元数法,适用条件,平衡关系为曲线,2020/7/27,60,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,

16、8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,8.4.4 吸收塔有效高度的计算,一、传质单元数法,二、等板高度法,2020/7/27,61,二、等板高度法,1. 基本计算式,等板高度法是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。,设填料层由N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。,2020/7/27,62,吸收塔的理论级模型,Ym,Xm,平衡 关系,Ym1,Xm,操作 关系,2020/7/27,63,设完成指定分离任务所需理论级为NT，则所需的填料层高度可按下式计算：,填料层等板高度的意

17、义：分离效果与一个理论级的作用相当的填料层高度。,二、等板高度法,理论 级数,等板高度,2020/7/27,64,2. 理论级数的确定,(1) 逐级计算法,设 平衡关系,(a),操作关系,(b),二、等板高度法,2020/7/27,65,由 YI =Y2,XI,Y,X,Y,XN,YN+1,Y1,二、等板高度法,(a),(b),(a),(a),(a),(b),(b),逐级计算过程如下,2020/7/27,66,(2) 梯级图解法,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，在操作线与平衡线之间，从塔顶(或塔底)开始逐次画阶梯直至与塔底(或塔顶)的组成相等或超过此组成为止。如此所画出的阶梯数，就是吸收塔所需的理论级数。,二、等板高度法,2020/7/27,67,Y*=f(X),梯级图解法求NT