化工原理第六章第四節(jié)講稿

化工原理第六章第四節(jié)講稿2023/7/31第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收塔的設計計算，一般的已知條件是：

1）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)

2）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關(guān)系；

3）出塔的氣體組成

需要計算：1）吸收劑的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度2023/7/31第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、吸收塔的物料衡算與操作線方程

1、物料衡算

目的：確定各物流之間的量的關(guān)系以及設備中任意位置兩物料組成之間的關(guān)系。對單位時間內(nèi)進出吸收塔的A的物質(zhì)量作衡算

2023/7/31第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收率混合氣中溶質(zhì)A被吸收的百分率

2、吸收塔的操作線方程式與操作線在m—n截面與塔底截面之間作組分A的衡算2023/7/31第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月——逆流吸收塔操作線方程在m—n截面與塔頂截面之間作組分A的衡算——逆流吸收塔操作線方程表明：塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L/V。

2023/7/31第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月并流吸收塔的操作線：

吸收操作線總是位于平衡線的上方，操作線位于平衡線下方，則應進行脫吸過程。

2023/7/31第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、吸收劑用量的確定液氣比Y1L/VBB*最小液氣比2023/7/31第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月最小液氣比的求法圖解法正常的平衡線

2023/7/31第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡線為上凸形時

2023/7/31第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月計算法適用條件：平衡線符合亨利定律，可用

表示

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(guān)系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試2023/7/31第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月求每小時送入塔內(nèi)的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O)22.53分壓Pa160020002427分析：求水量吸收劑用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常數(shù)解：1）平衡關(guān)系

2023/7/31第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）最小吸收劑用量：2023/7/31第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月其中：2023/7/31第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3）每小時用水量

三、塔徑的計算

—空塔氣速

2023/7/31第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、填料層高度的計算

1、填料層高度的基本計算式

對組分A作物料衡算

單位時間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A的物質(zhì)量為：2023/7/31第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為：

2023/7/31第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月低濃度氣體吸收時填料層的基本關(guān)系式為

氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)

物理意義：在推動力為一個單位的情況下，單位時間單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

1）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念

2023/7/31第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月的單位

稱為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，用

表示

——氣相總傳質(zhì)單元數(shù)

2023/7/31第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月—液相總傳質(zhì)單元高度，m；—液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次；依此類推，可以寫出通式：試寫出用膜系數(shù)及相應的推動力表示的填料層高度的計算式。填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)

2023/7/31第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月—氣膜傳質(zhì)單元高度，m

—氣膜傳質(zhì)單元數(shù)

—液膜傳質(zhì)單元高度，m—液膜傳質(zhì)單元數(shù)

2023/7/31第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）傳質(zhì)單元高度的物理意義

2023/7/31第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體流經(jīng)一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內(nèi)以氣相濃度差表示的總推動力的的平均值時，那么，這段填料層的高度就是一個氣相總傳質(zhì)單元高度。2023/7/31第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個傳質(zhì)單元所相當?shù)奶盍蠈痈叨仍酱蟆?/p>

傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難度，任務所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小，則意味著過程難度越大，此時所需的傳質(zhì)單元數(shù)越大。3、傳質(zhì)單元數(shù)的求法

平衡線為直線時

對數(shù)平均推動力法脫吸因數(shù)法平衡線為曲線時

圖解積分法近似梯級法2023/7/31第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1）平衡線為直線時a）脫吸因數(shù)法

平衡關(guān)系用直線

表示時，將代入2023/7/31第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月令

2023/7/31第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月——脫吸因數(shù)。平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次。S愈大，脫吸愈易進行。——吸收因數(shù)

2023/7/31第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：橫坐標

值的大小，反映了溶質(zhì)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，Y2愈小，橫坐標的數(shù)值愈大，對應于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推動力的大小

在氣液進出口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，若增大S值，也就是減小液氣比L/V，則溶液出口濃度提高，塔內(nèi)吸收推動力變小，NOG值增大。

2023/7/31第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對于一固定的吸收塔來說，當NOG已確定時，S值越小，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：

2023/7/31第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月b）對數(shù)平均推動力法

吸收的操作線為直線，當平衡線也為直線時

——直線函數(shù)

2023/7/31第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月其中：

——塔頂與塔底兩截面上吸收推動力的對數(shù)平均，稱為對數(shù)平均推動力。時，

當

相應的對數(shù)平均推動力可用算術(shù)平均推動力代替。寫出NOL、NG、NL的表達式。2023/7/31第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

例：某生產(chǎn)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(zhì)單元高度為1.5m，進料混合氣組成為0.04（組分的Amol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(guān)系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）L/V為(L/V)min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？2023/7/31第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月解：1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)2023/7/31第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）所需填料層高度脫吸因數(shù)法

2023/7/31第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對數(shù)平均推動力法2023/7/31第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

2023/7/31第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3）尾氣濃度下降后所需的填料層高度

尾氣濃度

2023/7/31第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）平衡線不為直線a）圖解積分法

AA*YY*XYY2Y12023/7/31第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月b）近似梯級法MM’M1F1F2023/7/31第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月分析梯級TF1F

在梯級

T*A*FT中，——平均推動力

2023/7/31第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月五、理論板層數(shù)的計算

1、圖解法

2023/7/31第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、解析法求理論板層數(shù)

1）理論板數(shù)的解析表達式

當吸收涉及的濃度區(qū)間內(nèi)平衡關(guān)系為直線

時

在

層板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算

若相平衡關(guān)系可采用

表示

2023/7/31第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月在板間任一截面到塔頂范圍內(nèi)作組分A的衡算

2023/7/31第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月將

代入，得：同理，可以推到第N與N+1板與塔頂，即塔頂與塔底間組分A的物料衡算式：兩端同減

2023/7/31第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月——克列姆塞爾方程2023/7/31第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月相對吸收率

溶質(zhì)的吸收率與理論最大吸收率的比值

分析相對吸收率與吸收率的區(qū)別與聯(lián)系2023/7/31第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）理論板數(shù)與NOG的關(guān)系

2023/7/31第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月當

時，

當

時，

當

時，

2023/7/31第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月六、吸收的操作型計算

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(guān)系為y=1.18x，吸收過程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)Kya與氣體流率的0.8次方成正比，1）今氣體流率增加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？2023/7/31第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月b）單位時間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？2）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：1）已知L/V、m、吸收率脫吸因數(shù)法求NOGV改變HOG變塔高不變求N’OG脫吸因數(shù)法求改變后的吸收率2）V不變脫吸因數(shù)法求改變后的S求LNOG不變Z不變2023/7/31第55頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月解：求原有條件下的傳質(zhì)單元數(shù)NOG其中：

2023/7/31第56頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月當時，

1）氣體流量增加20%時的操作