吸收第五節(jié)講稿

1、2021-10-31第八章 氣體吸收第五節(jié)第五節(jié) 低含量氣體吸收低含量氣體吸收一一 吸收過程的數學描述吸收過程的數學描述二二 吸收劑用量的確定吸收劑用量的確定三 填料層高度計算填料層高度計算四四 塔徑的計算塔徑的計算 五五 吸收的操作型計算吸收的操作型計算 2021-10-31吸收塔的設計型計算吸收塔的設計型計算已知條件：已知條件： 1）氣體混合物中溶質A的組成（mol分率）以及 氣相流量G (kmol/m2.s) ；2）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關系； 3）出塔的氣體組成。待計算：待計算：1）吸收劑用量L (kmol/m2.s) ；2）塔的工藝尺寸、塔徑和填料層高度。2021-10-31

2、低濃度氣體(貧氣)吸收：進塔氣濃度ye，故操作線總是位于平衡線上方；操作線位于平衡線下方，則應進行脫吸過程。 2021-10-31121211進塔氣體中的溶質量 被吸收的溶質yyyyy量液氣比(L/G):單位混合氣消耗的吸收劑量。1 吸收率 定義：)1 (yy122021-10-312 最小液氣比(L/G)min L，操作線與平衡線相交或相切，推動力為零，此時操作線斜率為(L/G)min。2021-10-311） 圖解法圖解法 正常的平衡線 2e121minxxyy)GL(2e121minxxyyGL 平衡線為上凸形221minxxyy)GL(1221minxxyyGL12021-10-312

3、） 計算法計算法適用條件：平衡線符合亨利定律，可用 y=mx表示 平衡關系2121minxm/yyy)GL(2121minxm/yyyGL3 適宜液氣比適宜液氣比 min適宜)GL)(0 . 21 . 1 ()GL(2021-10-31例：例：空氣與氨的混合氣體，總壓為101.33kPa，其中氨的分壓為1333Pa，用20的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回收率為99%，每小時的處理量為1000kg空氣。物系的平衡關系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試求每小時送入塔內的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3分壓Pa 1600 2000 24272021-10-31

4、分析：分析：求水量吸收劑用量L已知L/Lmin求Lmin平衡常數解：解：1）平衡關系 Ppyee0158. 01033.101106 . 1330207. 017/218/10017/2x763. 00207. 00158. 0 xymexy763. 0:平衡關系為2021-10-31 采用不同的平衡數據，m相同。 2）最小吸收劑用量： 2121minxmyyyGL其中： hkmol/5 .34空氣291000G 0132. 033.101333. 1y112y)99. 01 (y0132. 001. 0000132. 00 x2763. 0m 2021-10-312121minxmy)yy(

5、GL0763. 00132. 0)000132. 00132. 0(5 .34h/kmol1 .262121minxmy)yy(GL或myGy11 Gm99. 0763. 05 .34h/kmol1 .263）每小時用水量 Lmin2L1 .262h/kmol2 .52h/kg6 .9392021-10-31三 填料層高度計算a: 填料的有效比表面積，m2/m3;A: 塔截面積。LdxGdy 1 基本計算式在塔內微元高度dh對A組分作物料衡算由速率方程可得對氣相adhyyKadhNGdyeyA)( 對液相adhxxKadhNLdxexA)(2021-10-31在全塔范圍內積分 120yyeyH

6、yydyaKGdhH120 xxexHxxdxaKLdhHKy a, Kx a : 氣相總體積吸收系數及液相總體積吸收 系數，kmol/m3s。 定態(tài)低濃度吸收，G、L、a、A為定值，不隨時 間和位置而變，Kx、Ky可視為常數。 2021-10-31討論討論 a總是小于填料的比表面積at操作中溶液不能潤濕填料的所有表面；液體停滯不動等原因而不能有效地傳質； a難以測定與填料性質、設備、流體物性和流動狀態(tài)有關； G/Ky a （L/Kx a) 與流率基本無關Ky a (Kx a)隨流率G（L)增加而增加。2021-10-312 傳質單元高度與傳質單元數傳質單元高度與傳質單元數 (1) 傳質單元數

7、與傳質單元高度傳質單元數與傳質單元高度令 氣相總傳質單元數 12yyeOGyydyN液相總傳質單元數 氣相總傳質單元高度 液相總傳質單元高度 12xxeOLxxdxNaKGHyOGaKLHXOLOLOLOGOGNHNHH2021-10-31物理意義：位的單aKGy s .m/kmol s .m/kmol32m（1）總傳質單元數 只與相平衡關系及進出口的濃度有關，反映了推動 力的大小，即反映了吸收過程進行的難易程度,與 吸收塔的結構以及氣液流動狀況無關；（2）總傳質單元高度 只與設備填料性能及操作條件有關，反映了吸收設 備效能的高低。2021-10-313 3 傳質單元數的計算傳質單元數的計算平

8、衡線為直線對數平均推動力法吸收因數法平衡線為曲線圖解積分法近似梯級法（1）平衡線為直線）平衡線為直線 1）對數平均推動力法 前提：1）氣液平衡關系服從亨利定律（或在研究范圍內 為一直線）即mxyeb;mxy或e2）操作線為直線。 2021-10-31塔底推動力：bmxymxyyyyeee或,1111111塔頂推動力：bmxymxyyyyeee或,22222222021-10-31令12m12lnyyyyy 12121212d()d(),ddyyxxyxyyyxxx112212121OGe12122dd()lnyyyyyyyyyyyNyyyyyyyy氣相對數平均推動力 則12OGmyyNy202

9、1-10-31同理 111e11e1e1222e22e2e2,yybxxx xxmmyybxxx xxmm或或112212121OLe12122dd()lnxxxxxxxxxxxNx xxxxxxx 12OLmxxNx液相對數平均推動力 時，或當2xx212yy212121用算術平均代替對數平均值。例85 作業(yè)8，152021-10-312）吸收因數法前提:同對數平均推動力法，平衡線和操作線均為直線。1212)(yyyyeOGbmxydyyydyN22)(xyyLGx: 吸收因數mGLA 令LmGAS1: :脫吸因數S愈大，脫吸愈易進行。 2021-10-311bmxybmxy)A1ln(1A

10、111N2221OGA積分可得 1yyyy)A1ln(1A1112e22e1ASyyyyS)ln(1S112e22e1同理 bmxybmxyA)ln(1A11112112AxxdxNxxeOLyyyyA)ln(1A111e12e1A2021-10-312021-10-31討論：討論：橫坐標橫坐標 2221mxymxy值的大小，反映了溶質吸收率的高低值的大小，反映了溶質吸收率的高低 在氣液進出口濃度一定的情況下，吸收率愈高，吸收率愈高，y2愈小，愈小， 橫坐標的數值愈大，對應于同一橫坐標的數值愈大，對應于同一S值的值的NOG愈大。愈大。S反映吸收推動力的大小反映吸收推動力的大小 在氣液進出口濃度

11、及溶質吸收率已知的條件下，若增大若增大S值值，也就是減小液氣比L/G，則溶液出口濃度提高，塔內吸溶液出口濃度提高，塔內吸收推動力變小，收推動力變小， NOG值增大。值增大。 2021-10-31對于一固定的吸收塔來說，當NOG已確定時，S值越小，值越小，2221mxymxy愈大，愈能提高吸收的程度。愈大，愈能提高吸收的程度。 減小S增大液氣比 吸收劑用量增大，能耗加大，吸收液濃度降低 適宜的S值： 8 . 07 . 0SS1, 即m1, 即mL/G, 塔底平衡。 y1 y2 y=mxx1 x2 2021-10-312）平衡線不為直線）平衡線不為直線A 圖解積分法2021-10-31 當平衡線為

12、曲線，NOG為1/(y-ye) y曲線在y2到y1 范圍內的面積。步驟： 1 在y-x圖上作平衡線和操作線； 2 在y1，y2間任取n個值，讀出y-ye值； 3 計算1/(y-ye)值； 4 繪制1/(y-ye)y關系圖； 5 計算曲線下陰影面積NOG。B 數值積分法 p33作業(yè) 16 2021-10-31 例例：某生產車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質單元高度為1.5m，進料混合氣組成為0.04（A組分的mol分率，下同），出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關系為y=2.5x，試求：1）L/G為(L/G)mi

13、n的多少倍？2）所需填料層高度。3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至0.0033，求此時所需填料層高度為若干米？ 2021-10-31解：解： 1）L/G為(L/G)min的倍數2121xxyyGL00128. 000533. 004. 071. 22121min)(xmyyyGL)1 (12yym)04. 000533. 01 (5 . 217. 225. 1)/()(minGLGL2021-10-31)1ln(112221SyyyySSNeeOGLmGS 71. 25 . 2922. 02）所需填料層高度脫吸因數法 922. 0000533. 004. 0)922.

14、01ln(922. 011OGN26. 5OGOGNHZ26. 55 . 189. 72021-10-31對數平均推動力法mOGyyyN21my00533. 004. 02121lnyyyyymeeeeyyyyyyyy22112211ln)()(00533. 00128. 05 . 204. 0ln)000533. 0()0128. 05 . 204. 0(00657. 0mOGyyyN2100657. 000533. 004. 027. 52021-10-313）尾氣濃度下降后所需的填料層高度 )1ln(1121SyySSNOG0033. 004. 021yy1 .12922. 01 .12

15、)922. 01ln(922. 011OGN99. 7OGOGNHZ99. 75 . 1m98.112021-10-31四四 塔徑的計算塔徑的計算 qv：混合氣體積流量，m3/s；u：空塔速度，m/s；算出的D應按壓力容器公稱直徑標準進行圓整。例87， 88 作業(yè)20，21，222021-10-31五五 吸收的操作型計算吸收的操作型計算 例：例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣混合物中的丙酮，操作液氣比為2.1時,丙酮回收率可達95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關系為y=1.18x，吸收過程為氣膜控制，總傳質系數Kya與氣體流率的0.8次方成正比，1)今

16、氣體流率增加20%,而流體及氣液進出口組成不變,試求：a）丙酮的回收率有何變化？b）單位時間內被吸收的丙酮量增加多少？2021-10-312）若氣體流率，氣液進出口組成，吸收塔的操作溫度和壓強皆不變，欲將丙酮回收率由原來95%的提高至98%，吸收劑用量應增加到原用量的多少倍？思路：思路：1）已知L/G、m、吸收率脫吸因數法求NOGG改變HOG變塔高不變求NOG脫吸因數法求改變后的吸收率2）G不變脫吸因數法求改變后的S求LNOG不變H不變2021-10-31解：解：求原有條件下的傳質單元數 NOG)1ln(112221SmxymxySSNOG其中： LmGS 1 . 218. 1562. 022

17、21mxymxy21yy)1 (11yy112021-10-31時當95. 02095. 0112221mxymxy562. 020)562. 01ln(562. 011OGN097. 51）氣體流量增加20%時的操作效果 aKGHyOGaKGGGGGy8 . 0)/ ()/ (OGHGG2 . 0)(2021-10-31OGOGHH04. 12 . 12 . 0OGOGOGOGHNHNOGOGHH04. 1091. 59 . 4/GLmS 2 . 1/1 . 228. 1731. 0731. 011)731. 01ln(731. 019 . 4%912021-10-31在單位時間內，氣量提高

18、后的丙酮回收量之比為： )()(2 . 12121yyGyyG)95. 01 ()91. 01 ( 2 . 11111yyyy149. 1 2）當吸收率由95%提高至98%，由于氣體流率未變，因此對于氣膜控制的吸收過程HOG不變，塔高是一定的，故NOG仍為5.097 11)1ln(11097. 5SSS 2021-10-3198. 011)1ln(11SSS 用試差法求解 301. 0 S故液氣比應提高到： 92. 3301. 018. 1 GL吸收劑用量應增至： 1 . 292. 3 LL87. 12021-10-31習題課習題課 某廠擬安裝填料吸收塔，用水回收尾氣中的組分A。每小時處理20

19、00m3（標準狀態(tài)）含5(體積百分比)A的空氣尾氣 。塔頂送出的尾氣含0.263A(體積百分率)，塔底送出的每公斤溶液含61.2g A，在此操作條件下，平衡關系為y=2.0 x，問:1）每小時能回收多少A？2）若在此操作條件下傳質單元高度為0.7m，填料高為多少？ 已知A的分子量為58。3) 欲使A的回收量增加2，填料高應增加多少？2021-10-31解解：4 .222000G1）回收A量：NA=G(y1-y2)=89.28(0.05-0.00263) = 4.23kmol/h18/ )2 .611000(58/2 .6158/2 .611x111mxyy2121lnyyyyymhkmol/2

20、8.890198. 00198. 0205. 00104. 000263. 00104. 0ln00263. 00104. 000565. 02）2021-10-31mOGyyyN21H=HOGNOG=8.380.7 = 5.89m3）NA=1.02NA 即1.02NA=G(y1-y2)1.024.23=89.28(0.05-y2)解得 y20.0016x1=G/L(y1-y2)212111yyyyxx00565. 000263. 005. 038. 800263. 005. 00016. 005. 002. 12021-10-31x1=1.02x1=1.020.0198 = 0.020221

21、21yyyyNNAA212111yyyyxx或 111mxyy222mxyy11yy02. 102. 102. 10198. 0205. 00096. 00016.02021-10-311212lnyyyyym0016. 00096. 0ln0016. 00096. 00046. 012mOGyyyN85.10OGOGNHHHHH7 . 085.10m6 . 79 . 56 . 7m7 . 12021-10-31已知：吸收塔G0.5kmol/s，y10.05，y20.005（摩爾分率），塔徑為0.8m，Kya0.85kmol/m3.s，x2=0，采用液氣比L/G=1.5(L/G)min，平衡關

22、系為y=1.5x，試求：1）出塔液體組成x1？2）填料高度為多少？3) 若填料層高度增加2m，則回收率為多少？解解：1）2121min/xmyyyGLL/G =1.5(L/G)min=1.51.35 = 2.2055 . 105. 0005. 005. 035. 12021-10-31x1=G/L(y1-y2)= (0.05-0.005)/2.025 = 0.0222AKGHyaOG2121lnyyyyymmOGyyyN21OGOGNHH85. 08 . 045 . 02m171. 1005. 0)0222. 05 . 105. 0(ln005. 0)0222. 05 . 105. 0(0097. 00097. 0005. 005. 064. 417. 164. 4m43. 52）2021-