55 吸收塔的计算.docx
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1、5. 5吸收塔的计算本节教学要求1、重点掌握的内容:吸收剂用量的确定、传质单元数的计算(平均推动力、吸收因数法)2、熟悉的内容:吸收操作线、吸收操作线的特点、传质推动力、最小液气比及计算、体 积传质系数、传质单元数的定义及物理意义、传质单元高度的定义及物理意义、吸收因数及 物理意义、解吸因数、吸收过程的设计(吸收条件的确定)及计算(吸收剂用量、填料层高 度的计算、塔径的计算、塔核算)、吸收过程的强化措施;解吸的特点、解吸的计算;3、了解的内容:传质单元数的计算(图解法)、理论级的计算;4、难点:吸收过程的操作分析与计算。逐级接触式工业上通常在塔设备中实现气液传质。塔设备一般分为连续接触式本章以
2、连续接触操作的填料塔为例,介绍吸收塔的设计型和操作型计算。吸收塔的设计型计算包括:吸收剂用量、吸收液浓度、塔高和塔径等的设计计算。吸收塔的操作型计算包括:(1)在物系、塔设备一定的情况下,对指定的生产任务,核算塔设备是否合用;(2)操作条件发生变化,吸收结果将怎样变化等问题。气液平衡关系设计型和操作型计算的依据:|物料衡算吸收速率方程5. 5. 1物料衡算和操作线方程1 .物料衡算定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图5-13所示,图中符号定义如下:V一单位时间通过任一塔截面惰性气体的量,kmol/s;L一单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂的量,kmol/s;K任一截面上混合气体中溶质的摩尔比,II
3、L,X2V, Y1L, X1图5-13物料衡算示意图任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。(5-70)(5-71)在定态条件下,假设溶剂不挥发,惰性气体不溶于溶剂。以单位时间为基准,在全塔范 围内,对溶质A作物料衡算得:V(Y1 Y2)立(X1X2)溶质回收率定义为:吸收溶质A的量门=、一 / ,二:_一 混合气体中溶质A的量所以:Y2=Y1(1一门) 由式(5-70)可求出塔底排出液中溶质的浓度X=x2+v (y1-y2)/L2. 吸收操作线方程与操作线图5-15逆流吸收操作线推导示意图逆流吸收塔内任取mn截面,在截面mn与塔顶间对溶质A进行物料衡算:VY+LX2=VY2+LX或Y = VLX +
4、 (Y2 - Lx2)(5-72)若在塔底与塔内任一截面mn间对溶质A作物料衡算,则 得到VY + LX = VY + LX1或Y = = X + (Y - = X )(5-73)V 1 V 1由全塔物料衡算知,方程(5-72)与(5-73)等价。操作关系:塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。逆流吸收操作线方程:方程(5-72)与(5-73)称为逆流吸收操作线方程式。逆流吸收操作线具有如下特点:(1)当定态连续吸收时,若L、V一定,YX2恒定,则该吸收操作线在XY直角坐标图LL上为一直线,通过塔顶A (X2, Y2)及塔底B (X,七),其斜率为v,见图5-16。v称 为吸收操作的
5、液气比(2) 吸收操作线仅与液气比、塔底及塔顶溶质组成有关,与系统的平衡关系、塔型及操作 条件T、p无关。(3) 因吸收操作时,y 尸或X* X,故吸收操作线在平衡线Y* = f (X)的上方,操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大;解吸操作时,YY*或X* L. 、。皆不随时间而变化,也不随截面位置变化。对于低浓度吸收,在全塔范围内气液相的物性变化都较小,通常气、K可视为常数,将式(5-80)积分得Z七w_ =工j七工y2 KaQ(Y - Y*)K,aQ % Y - Y*(5-81)低浓度定态吸收填料层高度计算基本公式。体积传质系数:a值与填料的类型、形状、尺寸、填充情况有关,还随流体物性、流
6、动状 况而变化。其数值不易直接测定,通常将它与传质系数的乘积作为一个物理量,称为体积传质系数。如、a为气相总体积传质系数,单位为kmol/(m3s)。体积传质系数的物理意义:在单位推动力下,单位时间,单位体积填料层内吸收的溶质量。注意:在低浓度吸收的情况下,体积传质系数在全塔范围内为常数,可取平均值。2.传质单元数与传质单元高度(1)气相总传质单元高度定义:式(5-81)中了的单位为m, K aQYV故将称为气相K aQY总传质单元高度,以hog表示,即HOG K aQY(5-82)(2)气相总传质单元数定义:式(5-81)中定积分jy dYYi yy?是一无因次的数值,工程上Y2以nog表示
7、,称为气相总传质单元数。即N顼工OGy2 Y - Y *因此,填料层高度Z = Ng.H og(5-83)(5-84)(3)填料层高度计算通式Z=传质单元高度X传质单元数若式(5-78)用液相总传质系数及气、液相传质系数对应的吸收速率方程计算,可得:(5-85)(5-86)式中NOLHOL K aQX(4)传质单元数意义NOG、N。、N G、N(5-87)LkOQ、Hl = k 分别为液相总传质单元高度及 YX气相、液相传质单元高度,m; Y1 YdYY、Nl=xX 一分别为液相总传质Y Y IX X X222I2 I单元数及气相、液相传质单元数。计算式中的分子为气相或液相组成变化,即分离效果
8、(分离要求);分母为吸收过程的推动力。若吸收要求愈高,吸收的推动力愈小,传质单元数就愈大。所以传质单元数反映了吸收过程的难易程度。当吸收要求一定时,欲减少传质单元数,则应设法增大吸收推动力。(5)传质单元的意义以Nog为例,由积分中值定理得知:N =j*MOGy2 Y Y*(Y Y*)当气体流经一段填料,其气相中溶质组成变化(Ya- *)等于该段填料平均吸收推动力(Y-Y*)m,即NOG = 1时该段填料为一个传质单元。(6)传质单元高度意义以HOG为例,由式(5-84)看出,Nog=1时,Z = HOG。故传质单元高度的物理意义为完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度。因在H=-中,二为传
9、质OG K aQK a阻力,体积传质系数Ka与填料性能和填料润湿情况有关。故传质单元高度的数值反映了吸收设备传质效能的高低,Hog愈小,吸收设备传质效能愈高,完成一定分离任务所需填料层高度愈小。HOG与物系性质、操作条件、及传质设备结构参数有关。为减少填料层高度,应减少传质阻力,降低传质单元高度。(7)体积总传质系数与传质单元高度的关系体积总传质系数与传质单元高度同样反映了设备分离效能,但体积总传质系数随流体流 量的变化较大,通常 K a氐G0.7-0.8,而传质单元高度受流体流量变化的影响很小,H = ? X G03-0.2,通常H的变化在0.151.5m范围内,具体数值通过实验确定,oG
10、K aog故工程上常采用传质单元高度反映设备的分离效能。(8)各种传质单元高度之间的关系11mV当气液平衡线斜率为m时,将式K =心+心 各项乘以尽得Y YXV V mV L =+ K aQ k aQ k aQ LHOG=Hg+ 牛 Hl(5-88)同理由式KX11=+ 导出kX mkYH ol=Hl+ Rh g(5-89)式(5-88 )与(5-89)比较得H OL =牛 H OG其中 牛 为解吸因数,其倒数一、为吸收因数,LmV吸收因数的意义:为吸收操作线的斜率与平衡线斜率的比。3.传质单元数的计算根据物系平衡关系的不同,传质单元数的求解有以下几种方法:(1)对数平均推动力法dYY - Y
11、当气液平衡线为直线时,% =je* =十广(5-90)式中AYmAY - AYIn AY1AY2AY =匕-Y*AY2 = Y2 - Y*Y:*与X:相平衡的气相组成;Y2*与X2相平衡的气相组成。Ym 塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均值,称为对数平均推动力。同理液相总传质单元数的计算式NOLX X。 _XX4=TX 2InX2X2Xm(5-91)式中X XX 2 lnX2X*1X*2X*1与Y相平衡的液相组成;X*与y2相平衡的液相组成。注意:(1)当一 2、一 2时Y2X2对数平均推动力可用算术平均推动力替代,产生的误差小于4%,这是工程允许的;(2)当平衡线与操作线平行,即S=1时
12、,Y Y* Y: Y:* Y2 Y;为常数,对式(5-83)积分得:NOGY Y,Y: Y:YY,丫:丫:*(2)吸收因数法若气液平衡关系在吸收过程所涉及的组成范围内服从亨利定律,即平衡线为通过原点的 直线,根据传质单元数的定义式(5-86)可导出其解析式。(5-92)N ln1 SY1 mX2Sog 1 SY2 mX 2式中S = m,为解吸因数(脱吸因数)。L由式(5-92)可以看出,N 的数值与解吸因数S、J 吃2有关。为方便计算,以OGY2 - mX 2S为参数, mX2为横坐标,N 为纵坐标,在半对数坐标上标绘式(5-92)的函数关 Y2 - mX 2OG系,得到图5-2!所示的曲线
13、。此图可方便地查出NOG值。讨论:(1) 5- m:2值的大小反映了溶质AY2 - mX 2吸收率的高低。当物系及气、液相进口浓度一定时,吸收率愈高,Y愈小,JmX愈大,则2 Y 一 mX对应于一定S的Nog就愈大,所需填料层高度愈高。当X一=0时,(2)参数S反映了吸收过程推动力的大小,Y j mXzY 2 一mX:其值为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。当溶质的吸收率和气、液相进出口浓度一定时,S越大,吸收操作线越靠近平衡线,则吸收过程的图 5-21NOGY-mX 匕mX关系图推动力越小,Nog值增大。反之,若S减小,则Nog值必减小。注意:当操作条件、物系一定时,S减少,通常是靠增大吸收
14、剂流量实现的,而吸收剂流量增大会使吸收操作费用及再生负荷加大,所以一般情况,S取0.70.8m是经济合适的。1 - A)Y1- mX2 + AY - mX液相总传质单元数也可用吸收因数法计算,其计算式为:(5-93)N =-lnOL 1 - AL式中A二、称为吸收因数mV【例5-8】在一塔径为0.8m的填料塔内,用清水逆流吸收空气中的氨,要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h,气体总压为101.3kPa,其中氨的分压为1.333 kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍,操作温度(293K)下的气液相平衡关系为Y*=0.75X,气相总体积吸收系数为0.0
15、88kmol/m3 s,试求(1)每小时用水量;(2)用平均推动力法求出所需填料层高度。解1.333y = 0.01321 101.3y11 - y1.132 = 0.01341 - 0.0132Y2 = Y (1 -门)=0.0134(1 - 0.995) = 0.0000669因混合气中氨含量很少,故M = 29kg/kmolV = 1400 (1 - 0.0132) = 47.7kmol/h29Q= 0.785 x 0.82 = 0.5 tf由式(5-75)得Lmin=V Y1 一 Y2 = 47.7(0.0134 -0.0000669) = 35.6kmol/hX* - X0.0134
16、-0120.75 实际吸收剂用量L=1.4Lmin=1.4X35.4=49.8kmol/h(2)X1 = X2+V(Y1-YJ/W0134 一 = 0.012849.8Y = 0.75X1 = 0.75 x 0.0128 = 0.00953Y2* = 0AY =匕-咋=0.0134 - 0.00953 = 0.00387AY2=Y - Y2* = 0.0000669 - 0 = 0.0000669AYmAY1-AY2 = 0.00387 -0.0000669 = 0.000936i AY|0.00387lnlnAY0.00006692NOGYTAYm-Y 0.0134 - 0.0000669=
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