章吸收吸收塔的计算传质单元数

章吸收吸收塔的计算传质章吸收吸收塔的计算传质单元数单元数中国矿业大学化工学院化工系吸收塔吸收塔设计计算设计计算的的已知条件已知条件一般如下：一般如下：Y1Y2X2X1X1X2Y2Y1 (1)混合气中溶质混合气中溶质A 的组的组成成Y1和处理气中惰性组分流和处理气中惰性组分流量量V kmol/h；(2)吸收剂种类，操作的吸收剂种类，操作的T、P平衡关系平衡关系；(3)吸收剂中溶质吸收剂中溶质A 的组的组成成X2；(4)分离要求分离要求，或，或 A。中国矿业大学化工学院化工系设计计算设计计算的的任务任务：以以逆逆流流操操作作的的填填料料塔塔为为例例，在在选选定定吸吸收收剂剂后后进进行吸收塔的计算。行吸收塔的计算。确确定定合合适适的的吸吸收收剂剂用用量量L kmol/h ；或或液液气比气比 L/V。计算塔径计算塔径 D；计算填料塔计算填料塔有效填料层高度有效填料层高度或板式塔的或板式塔的板数板数。中国矿业大学化工学院化工系2-3-1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程V,Y2V,Y1L,X2L,X1一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算作溶质作溶质 A 的物料衡算的物料衡算:V Y1+L X2=V Y2+L X1 或或 V(Y1Y2)=L(X1X2)(2-51)Y2=Y1(1 A)(2-52)（低浓时）（低浓时）中国矿业大学化工学院化工系二、吸收塔的操作线方程与操作线二、吸收塔的操作线方程与操作线对溶质对溶质 A作塔内任一截面与塔任一端的物料衡算作塔内任一截面与塔任一端的物料衡算:V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn 与塔底与塔底：VY1+LX=VY+LX1 与塔顶与塔顶：(2-53a)或或(2-53)Y1 (L/V)X1=Y2(L/V)X2中国矿业大学化工学院化工系操作线方程是一条操作线方程是一条斜率斜率为：为：L/V 的直线，的直线，端点分别是端点分别是(X1,Y1)和和(X2,Y2)。Y1X1BY*=f(X)YXAY2X2T 气相的气相的Y与液相浓与液相浓度度X达平衡的达平衡的Y*=f(X)。吸收操作线在平衡线的吸收操作线在平衡线的上方。反之，解吸操上方。反之，解吸操作线将在平衡线的下方。作线将在平衡线的下方。Y*将并流操作线画在将并流操作线画在XYXY图上？图上？中国矿业大学化工学院化工系并流操作线方程是一条并流操作线方程是一条斜率斜率为：为：-L/V 的直线，的直线，端点分别是端点分别是(X1,Y1)和和(X2,Y2)。Y1X1BY*=f(X)YXAY2X2一般，逆流吸收性能优于并流一般，逆流吸收性能优于并流V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn中国矿业大学化工学院化工系2-3-2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 由由任务给定的参数任务给定的参数可知：可知：操作线操作线稀端稀端T和和浓端浓端B的的Y1根据：根据：Y1L/VBL/VBL L X1X1Y*=f(X)Y2X2TX1=(V/L)(Y1Y2)+X2则则 X1 和和L/V相互制约。相互制约。X1随随塔内吸收剂用量塔内吸收剂用量 L 的大小在的大小在 Y=Y1 线上左右位移。线上左右位移。L L/V 操线距离操线距离推动力推动力完成分离任完成分离任务需塔高务需塔高 X1 ；反之；反之.中国矿业大学化工学院化工系最小液气比最小液气比（L/V）min要达到分离要求的液气要达到分离要求的液气比减小是有限的，当比减小是有限的，当L/V降低到某值，操作线和降低到某值，操作线和平衡线平衡线相交或相切相交或相切，此，此时时L/V对应的值为最小液对应的值为最小液气比气比（L/V）min，而对应，而对应的是最大的的是最大的X1值为值为 X1*Y1X1*L/VBL X1Y*=f(X)Y2X2T(Lmin/V)中国矿业大学化工学院化工系当平衡线当平衡线向下弯曲向下弯曲或为或为直线直线时：时：Y1Y2X2TX 1(2-55,57)当溶液组成很低时，符合拉乌尔定律则：当溶液组成很低时，符合拉乌尔定律则：中国矿业大学化工学院化工系经验证明，适宜的吸收剂用量：经验证明，适宜的吸收剂用量：或或 最小液气比下，塔的某一界面下的气液平衡，推动力为零，塔需要无穷高才可完成吸收任务，所以实际液气比是兼顾设备费用和操作费用，达到总费用最低。中国矿业大学化工学院化工系p113 例例2-8 洗洗油油吸吸收收芳芳烃烃。t=27，P=106.7kPa,焦焦炉炉气气流量流量G =850m3/h,其中芳烃其中芳烃 y1=0.02(摩尔摩尔%,下同下同),回回收收率率 A95%。吸吸收收剂剂含含芳芳烃烃 x2=0.005 若若取取溶溶剂剂用量为理论最小用量的用量为理论最小用量的1.5倍。倍。求：求：吸收剂用量吸收剂用量L(含含A)kmol/h;吸收液组成吸收液组成X1。操作条件下，气液平衡关系：操作条件下，气液平衡关系：中国矿业大学化工学院化工系解：解：将题中各量的单位取一致将题中各量的单位取一致 惰性气体流量惰性气体流量V：其中有其中有y1=0.02摩尔分率的芳烃，惰性气体量摩尔分率的芳烃，惰性气体量 V=V(1-y1)=36.372(1-0.02)=35.64kmol(B)/h设焦炉气为理想气体设焦炉气为理想气体中国矿业大学化工学院化工系各组成的各组成的摩尔分率摩尔分率摩尔比摩尔比中国矿业大学化工学院化工系(2)求求吸收剂量吸收剂量L：切线求斜率：切线求斜率：由由中国矿业大学化工学院化工系洗油量：洗油量：吸收液浓度吸收液浓度X1：由全塔由全塔 A 组分物料衡算求出：组分物料衡算求出：中国矿业大学化工学院化工系2-3-3 塔径的计算塔径的计算 对对于于吸吸收收，进进塔塔的的气气体体量量最最大大。VS以以进进塔塔的的气体量为计算基准。气体量为计算基准。(2-58)对对于于蒸蒸馏馏，也也应应以以塔塔内内最最大大的的气气体体体体积积流流量量为计算基准。为计算基准。中国矿业大学化工学院化工系2-3-4 填料层高度的计算填料层高度的计算 1.理论级模型法理论级模型法 Z=HETP NT HETP当当量量高高度度。是是关关于于物物系系物物性性，操操作作条件条件，填料的，填料的结构参数结构参数、表面性状表面性状等的参数。一等的参数。一般由实际吸收装置般由实际吸收装置实测实测或取近似条件的或取近似条件的经验值经验值。2.传质速率模型法传质速率模型法 根据根据“吸收速率方程吸收速率方程”求填料层高度求填料层高度 Z=HOG NOG又称又称“传质单元高度传质单元高度”和和“传质单元数传质单元数”法法中国矿业大学化工学院化工系一、基本关系式的导出一、基本关系式的导出 联立联立物料衡算物料衡算、相平衡相平衡和和传质速率传质速率三个关系式三个关系式 前前面面介介绍绍的的所所有有传传质质速速率率方方程程都都适适用用于于稳稳定定操操作作的的吸收塔中的吸收塔中的“某一横截面某一横截面”。对对于于整整个个吸吸收收塔塔，各各个个横横截截面面上上气气、液液的的浓浓度度分布和传质推动力都沿塔高变化，吸收速率也在变分布和传质推动力都沿塔高变化，吸收速率也在变化化。所所以以要要从从分分析析填填料料层层的的某某一一微微分分段段dZ内内溶溶质质的吸收过程入手。的吸收过程入手。中国矿业大学化工学院化工系dZ内溶质的传质面积为：内溶质的传质面积为：dZZX+dX LV,YY+dY VL,XL,X2V,Y1V,Y2L,X1dA=a d Z 有有效效的的单单位位体体积积传质面积传质面积,m2/m3 对对dZ 微元填料层作微元填料层作 A 组组分的分的物料衡算物料衡算：VY+L(X+dX)LdX=VdY=dGA kmol/h(2-59)V(Y+dY)+LX=中国矿业大学化工学院化工系(2-61)(2-62)及及 dGA=KY(YY*)dA=KX(X*X)dA dGA=NA dAKY a 或或 KX a体积吸收系数体积吸收系数dA=a dZ代入上两式代入上两式LdX=VdY=dGA 对对dZ 微元填料层作微元填料层作 传质传质速率计算速率计算：中国矿业大学化工学院化工系对对(2-61/62)积分积分 式中，式中，V、L、在全塔都是常数。在全塔都是常数。当当A在在气气相相中中的的浓浓度度很很低低时时，气气、液液相相的的物物性性变变化化(甚甚至至V、L的的变变化化)较较小小,各各截截面面的的“体体积积传质系数传质系数KY a变化不大，可取平均值。变化不大，可取平均值。(2-63)(2-64)中国矿业大学化工学院化工系二、传质单元高度和传质单元数二、传质单元高度和传质单元数 若若将将不不同同的的传传质质速速率率方方程程式式代代入入dGA=NAdA，可可以以得得到到：以以不不同同形形式式的的推推动动力力表表示示的的膜膜的的或或(两两相相)总总的的填填料料层层高高度度的的积积分分式式。它它们们将将有有一一个个共共同形式：同形式：下面以下面以为例，分析：为例，分析：塔高塔高 Z=H N中国矿业大学化工学院化工系由过程条件所决定的由过程条件所决定的“单元高度单元高度”。又。又其推其推动力为总的气相摩尔比动力为总的气相摩尔比(YY*)被称作被称作“气相总气相总传质单元高度传质单元高度”，表示为：，表示为：(2-65)的单位：的单位：中国矿业大学化工学院化工系 积积分分号号内内的的分分子子、分分母母具具有有相相同同单单位位，整整体体为为无无因因次次值值。可可以以认认为为：Z是是HOG的的“倍倍数数”。相相应应该该倍数称为倍数称为“气相总传质单元数气相总传质单元数”。(2-66)液相的计算式，请自读液相的计算式，请自读p108(2-6768)。的单位：的单位：中国矿业大学化工学院化工系HOG的物理意义的物理意义 假假设设某某吸吸收收过过程程所所需需填填料料层层高高度度恰恰好好等等于于一一个个传传质质单单元元高高度度：Z=HOG，此时的此时的HOGZY2Y1(Y-Y*)mY1X1Y2X2中国矿业大学化工学院化工系在填料层在填料层 I 段中，段中，即即 (Y1-Y2)I=(Y-Y*)I,m 如果说，气体流经一段填料后，如果说，气体流经一段填料后，气体浓度变化量气体浓度变化量YI=(Y1-Y2)I=该该I 段段填填料料层层内内推推动动力力的的平平均均值值(Y-Y*)I,m，则则该该段段填填料料层层的的高高度就是一个传质单元高度度就是一个传质单元高度HOG的的物理意义物理意义 总能找到一处的推动力具有该段填总能找到一处的推动力具有该段填料的平均推动力料的平均推动力(Y-Y*)I,m。代入积分项成。代入积分项成:ZiZHOGI中国矿业大学化工学院化工系三、传质单元数的求解三、传质单元数的求解 鉴于气、液平衡关系呈鉴于气、液平衡关系呈直线直线（或操作范围内是（或操作范围内是直线）、直线）、弯曲程度弯曲程度大大或或不大不大的情况，相应地有四种求的情况，相应地有四种求解方法。解方法。1.平衡关系为直线时的解法平衡关系为直线时的解法 包包括括过过程程涉涉及及的的浓浓度度范范围围内内平平衡衡关关系系可可以以用用线线性性方方程程 Y*=mX+b (注注：b可可以以/0)表表示示的的情情况况。此时有两种解法。此时有两种解法。中国矿业大学化工学院化工系(1)脱吸因数脱吸因数S法法对于对于逆流吸收逆流吸收操作：操作：则：则：Y*=mX+bS=m/(L/V)中国矿业大学化工学院化工系经积分，并整理经积分，并整理p119 Fig.2-18给出了上式的关系图。给出了上式的关系图。NOG反映反映 A的大小，值的大小，值分离程度分离程度NOG S 反映推动力的大小，值反映推动力的大小，值分离难度分离难度NOG。中国矿业大学化工学院化工系(2)对数平均推动力法对数平均推动力法 对于都是直线的平衡线和操作线，它们的差值对于都是直线的平衡线和操作线，它们的差值Y=YY*与与Y 将呈将呈线性关系线性关系(类似传热时的类似传热时的tm)。b2Y2X2 YX Y与与X呈线性关系呈线性关系 操线表示成操线表示成：Y=k1X+b1 平衡线为平衡线为:Y*=k2X+b2 则则:Y-Y*=(k1-k2)X+(b1-b2)Y1X1Y中国矿业大学化工学院化工系Y与与Y 将操作关系将操作关系 X=(Y b1)/k1 代入上式，则：代入上式，则：YY*=(k1-k2)(Y b1)/k1+(b1 b2)=(k1 k2)/k1Y (k1 k2)/k1b1+(b1 b2)k1,k2都是常数都是常数,(k1 k2)/k1也是常数。也是常数。(k1 k2)/k1=1 k2/k1 =1 m/(L/V)=1 S=K Y=Y Y*=KY (K 1)b1+b2 Y-Y*=(k1-k2)X+(b1-b2)中国矿业大学化工学院化工系Y 随随Y 的变化率的变化率=Ym,则则:(2-71)中国矿业大学化工学院化工系例：例：清水吸收丙酮，填料塔，进塔气清水吸收丙酮，填料塔，进塔气V/=70kmol(B)/(h.m2)，其中丙酮，其中丙酮Y1=0.02，要求，要求 A=90%，P=101.3kPa，t=293K。操作条件下，。操作条件下，Y=1.18X。取液气比为最小液气比的。取液气比为最小液气比的1.4倍，倍，Kya=2.210-2kmol/(s.m2),求所需填料层高度。求所需填料层高度。L/V=1.41.044=1.462解：解：Y2=Y1(1-A)=0.020.1=0.002中国矿业大学化工学院化工系用对数平均推动力法求用对数平均推动力法求NOGY1*=1.180.0123填料层高度填料层高度Z=HOG NOG=0.965.2=4.99 m中国矿业大学化工学院化工系用脱吸因数用脱吸因数 S 法法求求NOG解吸因数解吸因数两种方法所求一致。若查图误差会很大。两种方法所求一致。若查图误差会很大。中国矿业大学化工学院化工系2.平衡关系为曲线时的解法平衡关系为曲线时的解法(1)图解积分法图解积分法 适用于任何平衡关系适用于任何平衡关系取值取值Y*=f(X)YiYi*Y1Y2X2X1Xi作作图图法法平衡线平衡线：Y*=mX（稀溶液）（稀溶液）公式法公式法操作线操作线：Xi Yi Yi*数据处理：数据处理：图解图解Y2Y1 1 Y-Y*1/(Yi-Yi*)中国矿业大学化工学院化工系(2)近似图解法近似图解法(贝克法贝克法,梯级图解法梯级图解法)适适于于平平衡衡关关系系可可以以用用直直线线或或弯弯曲曲程程度度不不大大的的曲曲线表示的情况。该法是线表示的情况。该法是根根据据传传质质单单元元高高度度HOG的的物物理理意意义义引引出出的的一一种种“近近似似”求解法求解法.Y1X1MNTBY2X2F F中国矿业大学化工学院化工系一个梯级表示一个一个梯级表示一个传质单元数的说明传质单元数的说明 TF=FF=1/2TF,YY2XX2MNTFF T*A*HH*AC 则则TT*A*A为一个梯为一个梯形，中线形，中线HH*=(TT*+AA*)/2F点点与与T点点具具有有相相同同的的Y值值，AF代代表表着着该该段段内内气气相浓度的相浓度的变化值变化值Y=(YA-YT)。且且HH*AA*。有有AF=2HF=HH*。视视T*A*为直线，为直线，THFTAF,而而HH*是该梯形段内气相总是该梯形段内气相总推动力推动力(Y-Y*)i的算术平均值的算术平均值中国矿业大学化工学院化工系p104 例例2-9 在填料塔中进行例在填料塔中进行例2-8的吸收操作的吸收操作例例2-8洗洗油油吸吸收收芳芳烃烃。t=27，P=106.7kPa,焦焦炉炉气气流流量量G =850m3/h,其中芳烃其中芳烃y1=0.02(摩尔摩尔%,下同下同),回收回收率率 A95%。吸吸收收剂剂含含芳芳烃烃 x2=0.005 若若取取溶溶剂剂用用量量为为理论最小用量的理论最小用量的1.5倍。倍。操作条件下，气液平衡关系：操作条件下，气液平衡关系：又知，又知，HOG=0.875m。分别用图解积分法和近似图。分别用图解积分法和近似图解法求解法求Z。由例由例2-8求得求得:X2=0.00503,X1=0.119中国矿业大学化工学院化工系(1)图解积分法图解积分法操作线：操作线：气液平衡关系：气液平衡关系：X2=0.00503,X1=0.119中国矿业大学化工学院化工系Z=HOG NOG =0.8758.64 =7.56 m每大格每大格=0.005 500=2.5中国矿业大学化工学院化工系(2)近似图解法近似图解法中国矿业大学化工学院化工系图表中各线的数据图表中各线的数据NOG=8.7Z=HOG NOG=0.8758.7=7.61 m中国矿业大学化工学院化工系2-3-5 吸收时理论板数的计算吸收时理论板数的计算 与精馏一样，只要有与精馏一样，只要有操作关系操作关系和和平衡关系平衡关系就可以就可以用用逐板计算法逐板计算法和和梯级图解法梯级图解法求取。求取。1.逐板计算法逐板计算法或或V,Y2V,Y1L,X2L,X1YnXn-1 在吸收塔的任意两板间在吸收塔的任意两板间(n和和n+1)分别与分别与塔顶塔顶或或塔底塔底的衡算范围内，对溶的衡算范围内，对溶质质A作物料衡算。得操作线方程：作物料衡算。得操作线方程：中国矿业大学化工学院化工系逐板计算法步骤：逐板计算法步骤：(1)由进塔气相组成由进塔气相组成Y1和和 A求尾气组成求尾气组成Y2；(2)由给定条件确定浓端由给定条件确定浓端(X1,Y1)和稀端和稀端(X2,Y2)及操作线方程；及操作线方程；(3)从从塔底塔底(或塔顶或塔顶)开始进行逐板计算，开始进行逐板计算，Y=Y2(尾气尾气)平平：X=，XNX1为止。为止。平衡关系使用次数平衡关系使用次数理论级数。理论级数。平平：X=Y/m，操操：中国矿业大学化工学院化工系2.图解法求理论级数图解法求理论级数Y2X2Y1X1 此此法法不不受受气气液液浓浓度度表表示示形形式式的的限限制制，也也不不受受气气液平衡关系形状的约束。液平衡关系形状的约束。既既可可以以从从塔塔顶顶也也可可以以从从塔塔底底由由操操作作线线向向平平衡线开始画梯级。衡线开始画梯级。中国矿业大学化工学院化工系3.解析法求理论级数解析法求理论级数（自学）（自学）适适用用于于过过程程涉涉及及的的浓浓度度范范围围内内平平衡衡关关系系可可以以用用Y*=mX+b表示的情况。此法由表示的情况。此法由克列姆塞尔克列姆塞尔等人提出。等人提出。A克列姆塞尔方程克列姆塞尔方程(2-77e)(2-77f)中国矿业大学化工学院化工系概念题概念题1、通常所讨论的吸收操作中，当吸收剂用量趋于最、通常所讨论的吸收操作中，当吸收剂用量趋于最小用量时，小用量时，。A：回收率趋向最高：回收率趋向最高 B：吸收推动力趋向：吸收推动力趋向最大最大C：操作最为经济：操作最为经济 填料层高度趋向无穷大。填料层高度趋向无穷大。2.对对接接近近常常压压的的低低浓浓度度溶溶质质的的气气液液平平衡衡系系统统，当当总总压压增增加加时时，亨亨利利系系数数 ，相相平平衡衡常常数数m ，溶解度系数溶解度系数H 。中国矿业大学化工学院化工系3.在气体流量，气相进出口组成和液相进口组成不变时，在气体流量，气相进出口组成和液相进口组成不变时，若减少吸收剂用量，则传质推动力将若减少吸收剂用量，则传质推动力将 ，操作线将，操作线将 .平衡线，设备费用平衡线，设备费用 。对对一一定定操操作作条条件件下下的的填填料料吸吸收收塔塔，如如将将塔塔料料层层增增高高一一些些，则塔的则塔的HOG将将 ，NOG将将 (增加，减少，不变增加，减少，不变)。4.选择题：选择题：(按按 a 增加、增加、b减少、减少、C不变填入括号内不变填入括号内)含低浓度溶质的气体在逆流吸收塔中进行吸收操作，含低浓度溶质的气体在逆流吸收塔中进行吸收操作，若其他操作条件不变，而入口气体量增加，则对于气膜控若其他操作条件不变，而入口气体量增加，则对于气膜控制系统：制系统：其出口气体组成其出口气体组成y2将将()；出口液体组成出口液体组成x1将将()；溶质回收率将溶质回收率将()。5.计算吸收塔的填料层高度需要应用计算吸收塔的填料层高度需要应用 、三个方面的关系联合求解。三个方面的关系联合求解。中国矿业大学化工学院化工系计算题：计算题：1、在在常常压压填填料料吸吸收收塔塔中中，用用清清水水吸吸收收废废气气中中的的氨氨气气。废废气气流流量量为为2500m3/h（标标准准 状状态态），废废气气中中氨氨的的浓浓度度为为15g/m3，要要求求回回收收率率不不低低于于98%。若若吸吸收收剂剂用用量量为为3.6m3/h，操操作作条条件件下下的的平平衡衡关关系系为为Y=1.2X，气气相总传质单元高度为相总传质单元高度为0.7m。试求：。试求：A：塔底、塔顶及全塔的吸收推动力（气相）；：塔底、塔顶及全塔的吸收推动力（气相）；B：气相总传质单元数；：气相总传质单元数；C：总填料层高。：总填料层高。中国矿业大学化工学院化工系2、气气体体混混合合物物中中含含丙丙酮酮3%（体体积积百百分分率率）。要要在在逆逆流流填填料料吸吸收收塔塔内内用用水水吸吸收收丙丙酮酮的的98%，若平衡关系为，若平衡关系为 y*=1.05x，试求：，试求：用用含含0.01%（摩摩尔尔百百分分率率）丙丙酮酮的的水水作作吸吸收收剂剂，且且液液气气比比为为2，则则所所需需的的传传质质单单元元数数应应为为多少？多少？若若气气液液两两相相进进料料组组成成不不变变，液液气气比比变变为为1.04，当当填填料料层层无无限限高高时时，丙丙酮酮的的极极限限回回收收率率为为多少？多少？注：计算中可用摩尔分率代替摩尔比。注：计算中可用摩尔分率代替摩尔比。