高浓度气体吸收填料层高度的计算.ppt

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1、myBmyBmyykpPkpPRTDPk11通常为非等温吸收，由于溶质A的溶解量大，产生的溶解热能使吸收剂温度显著升高，相平衡关系也将沿塔高变化，温度升高，溶质的溶解度下降，对吸收不利。传质系数沿塔高变化大，吸收过程为 A 组分通过停滞的 B 组分的扩散过程，气相传质系数为 miiBiBBiBBmyPyyyyPppppp111ln11ln高浓度吸收浓度变化大，溶质溶解量大，从塔底至塔顶气体流率变化也大，这使得高浓度吸收过程有以下特点：同理，高浓度气体吸收液相传质系数可表示为 mxxxkk11低浓度吸收 P/pBm 1或 1/(1-y)m 1，所以 ky ky。高浓度吸收总体流动的影响不可忽略，

2、传质系数与气相浓度 y 有关，因 y 沿塔高变，所以 ky 也沿塔高变。等温吸收时，沿塔高相平衡关系不变，填料层高度 Z 的计算可采用前面介绍的计算式；各传质系数沿塔高的变化不可忽略，因而不能提出积分号外，这使得 Z 的计算变繁；因传质系数中的漂流因子要涉及到界面浓度yi 或 xi，Z 的计算式通常采用相内传质速率方程推导；高浓度气体吸收 Z 的计算一般采用摩尔分数的表达式。若用比摩尔分数，被积函数更复杂。高浓度吸收填料层高度 Z 的计算式要注意引入漂流因子的影响。高浓度气体吸收 Z 计算只能由数值积分或图解积分求得。被积函数为：iiiyyyyYY11miyiyYyyykyykk1111121

3、d1ddyyyyY21d1d1212yyyyyakVYYYakVZimyyyiYYY 211yyyyakVyfimy121221d1dxxixmiXXXxxxakxxLXXXakVZ 211xxxxakLxfimx同理可得：被积函数为：积分时还需用到如下关系式：操作线方程 传质速率方程 平衡线方程 以及体积传质系数 kya，kxa 与气、液质量流率的关联式。22221111xxVLyyxxVLyy xfyexxkyykixiy图解积分求解步骤（1）将 y1 至 y2 的区间分成 n 等份，得 n+1 个 y；（2）由操作线方程算出所取 y 对应的 x；（3）由 Vs=V/(1-y)和Ls=L/

4、(1-x)计算浓度为 y、x 截面的气液流率；（4）由传质系数关联式计算出 y、x 截面处对应的 kya，kxa；（5）由四式联立求解出气液界面浓度 yi、xi；21d1d1212yyyyyakVYYYakVZimyyyiYYYmyyykk11xxkk xxkyykixiy ieixfy（6）将以上与 y 对应的各值 代入f(y)，求得该 y 值对应的被积函数值，即求得了f(y)y 曲线上一点；（7）重复(1)(6)(n+1)次，求得(n+1)个与 y 值对应的函数值f(y)；（7）作f(y)y 图，计算曲线与 y1、y2 区间所围成图形的面积，由此求得填料层高度 Z。因数群 Vs/(kya)

5、随 Vs 的变化小，因此沿塔高变化不大，可取塔顶和塔底的平均值，从而可将其提出积分号外当气相浓度不是太高时，(1-y)m 可用算术平均值代替 GGyyimysNHyyyyyakVZd1112akVHysGyyyyyNyyimGd1211 imyyy112111211ln2112yyyydyNyyiG第一项为低浓度气体吸收时的传质单元数，第二项则表示高浓度气体吸收时漂流因子的影响。若忽略吸收塔内气液两相温度升高对传质系数的影响，非等温气体吸收填料层高度的计算与等温过程相比，除必须考虑气液两相温度所引起的相平衡关系变化这一因素外，其计算公式和计算方法与高浓度等温吸收过程的计算完全相同。只要求得了非

6、等温吸收的实际相平衡关系，按上述填料层高度的计算公式与求解步骤，就可求得 Z 值。溶质溶解时释放出的溶解热不仅使液体升温，也会使气体升温和部分溶剂汽化，设备的散热也将耗去部分溶解热。同时进行的传热传质使过程的热量衡算变得较为复杂。简化假设：（1）由于气体的热容小，且溶剂的蒸汽压较低，汽化量不大，气体升温和部分溶剂汽化耗用的溶解热可忽略不计。（2）过程可视为绝热，溶解热将全部用于液体温度的升高。据此简化，对微元段 dZ 做热量衡算，有 式中：cmL 溶液平均摩尔热容kJ/(kmolK)；Ls 吸收液流率kmol/s；微分溶解热；dLs 吸收的溶质量引起的吸收液量增加。ttcLLxLxLtcLmL

7、ssssLmsddddtcLtcLxLxLmLsmLsssddddxtcmLddLs,x,tLs+dLs x+dx t+dt dZdLs 与 Ls 相比要小得多，故 dLsx、dLs-cmLt 与 LSdx、Ls-cmLdt 相比可忽略。于是上式可简化为 若将吸收塔中液相组成 x 的变化范围分成若干等分段，离开和进入该段的液相温度分别为 tn 和 tn-1，则任意段 n 的热量衡算式可近似写成 1800.1 0.2 0.3 0.4 0.5氨在水中的摩尔分数x图9-18 氨在水中的微分溶解热36343230 1032826242220 103/（kJ/kmol)微分溶解热11nnnnmLxxtt

8、cxcttLmnn1微分溶解热 代表 1 kmol 溶质溶解于浓度为 x 的大量溶液中时所产生的热量，是一个与溶液浓度有关的量。式中微分溶解热 可取 xn-1 与 xn 之间的平均值。由进塔的液相浓度 x0 和温度 t0 为初始条件，可逐段算出不同组成 x 下的液相温度 t，然后根据每一组 x，t 值，由热力学数据确定与之平衡的气相浓度 y，从而确定出塔内两相的实际平衡关系。图9-19 绝热吸收平衡线的作法12n-1nNy0,V0 x0,t0,L0yN,VNxN,tN,LNxn,tn,Lnyn,Vna axn-1,tn-1,Ln-1yn-1,Vn-1t4x4x3x2x1x0t0t1t2t3b若

9、已知溶质在不同温度下的溶解度曲线，可由每一组 t，x 数据直接从图上读出与之对应的 y 值，连接交点所得的曲线称为绝热吸收平衡线。生产过程中的各种参数经常是波动的。吸收塔在运行过程中可能变化的参数有：入塔气体的流量V和浓度Y1如 果不加调节，必将引起出塔气体浓度Y2的变化。调节的方法：在允许条 件下改变吸收剂流量L，从而改变传质推动力，使Y2稳定不变。吸收塔和解吸塔为联合操作，改变吸收剂流量，必将改变解吸塔的操 作特性，使解吸塔的出口浓度和温度发生变化，反过来对吸收塔产生作 用。因此，必须进行综合分析。吸收剂用量 L增大，L/V 增大，操作线斜率和推动力增大。当气、液入塔浓度 Y1 和 X2

10、不变时，出口气体 Y2 下降，吸收率增大。操作线由线变为线，X1 下降。图9-20 增大对出塔气液组成的影响VLY1Y2Y2IIIVLVL如果吸收剂用量增大使再生不良或冷却不够，吸收剂进塔浓度 X2 和温度 t2 都可能升高，这两者都会造成传质推动力下降，抵销吸收剂用量增大的作用。吸收剂用量 L增大吸收剂入塔浓度由 X2 降至 X2，在 Y1 和 L/V 不变的条件下，操作线向左平移，传质推动力增大，吸收液出塔浓度将由 X1 降至 X1，气体出塔浓度降至 Y2，吸收率增加。改变了物系的平衡关系，气体溶解度增大，平衡线下移，传质推动力也增大。当气、液进塔浓度 Y1、X2 以及液气比L/V不变时，

11、气体出塔浓度 Y2 降低，分离程度增加。图9-21 降低X2对出塔气液组成的影响Y1Y2Y22X1 降低吸收剂入塔浓度X2 降低吸收剂入塔温度 t2适当调节上述三个参数均可强化吸收传质过程，提高分离程度。但实际生产过程的影响因素较多，对具体问题要作具体分析。1212XXX但对于有显著热效应的吸收过程，大量吸收剂再循环可减小吸收剂在塔内的温升，因而平衡线可以下移，传质推动力增大，有利于吸收。图9-22 吸收剂再循环的操作X2L,X2L,X1冷却器L,X1V,Y2V,Y1Y1Y2X2X2X1X XY Y0 0a ab b设吸收剂再循环量与新鲜吸收剂加入量 L 的比值为 ，两股吸收剂混合后浓度为 吸

12、收剂再循环流程LL若 增加，吸收剂入塔浓度增大，传质推动力下降，塔的吸收能力要下降。设计型计算命题设计要求：计算完成指定分离任务所需的塔高给定条件：气体流率 气体入塔浓度 平衡关系 分离要求 规定有害物质浓度Y2规定产品回收率12121)1(YYYYY说明：为求高度，必须先求HOG和NOGHOG与设备形势和操作条件有关，NOG与平衡关系和进出口浓度有关，要计算平均推动力，必须选定流向，气液两相可逆流操作也可并流操作，进出口浓度相同时，逆流推动力大于并流推动力，逆流优于并流，但逆流操作气流阻碍液流流动，需要加大液体流量的吸收可以采用并流。吸收剂浓度过低，加大溶剂再生的解析负荷量，吸收剂浓度过高，

13、传质推动力减小，使塔高增加，所以，X2的选择是一个经济优化的问题。（1）流向选择（2）吸收剂浓度的选择吸收塔操作存在一个最小液气比，实际操作液气比应大于最小液气比，注意：最小液气比是针对规定的分离要求而言的，并不是说吸收它不能在最小液气比以下操作，只不过在最小液气比以下操作不能达到规定的分离要求。实际液气比的选择也是一个经济优化的问题。命题计算目的：预测给定条件下的出口浓度X1、Y2已知条件：V,L,Y1,X2,Z,平衡关系，传质单元高度或传质系数计算方法：)(d22YY12XfYXVLYXVLYYYYaKVZeY操作型计算是联立求解上述方程组，当上述方程组联解的结果变为下式LMVYYYYLM

14、VLMVNOG22211ln11由上式求得Y2后，再由物料衡算求X1。（3）吸收剂用量的选择吸收塔的操作型计算【例】某填料吸收塔用溶质含量为0.02%（比摩尔分数，下同）的溶剂吸收混合气中的可溶组分，采用的液气比为3.2，气体入塔溶质的含量为2.0%，回收率可达95%。已知在操作范围内物系的平衡关系为Y=2X，吸收过程为气膜控制，总体积传质系数KYa与气体摩尔流率的0.8次方成正比。受前后工序操作状况的影响，该吸收塔的工艺参数也常有波动，试对以下几种情况进行计算。（1）当解吸不良使吸收剂入塔含量增高至0.04%时，溶质的回收率下降至多少？塔内传质推动力有何变化？（2）气体流率增加20%，而溶剂

15、量以及气、液进口组成不变？溶质的回收率有何变化？单位时间被吸收的溶质量增加多少？（3）入塔气体溶质含量增高至2.5%时，为保证气体出塔组成不变，吸收剂用量应增加为原用量的多少倍？解：（1）AYYYYAANOG111ln111*22*21AYYYYAANOG111ln111/*2/2/*21/*2/2/*21*22*21YYYYYYYY02.01Y001.0)95.01(02.0)1(12YY0004.00002.02*2 MXY 0008.00004.02*2 MXY00139.02Y%05.9302.000139.002.01/21YYY原工况新工况8.0VaKYOGYYYOGHakVakV

16、aKVH04.12.12.12.12.08.004.1/OGOGOGOGOGNHHNN6.122.3/MVLA625.01A 81.6625.00004.0001.00004.002.0625.01ln625.011111ln111*22*21AYYYYAANOG）（55.604.181.6/OGN（2）OGOGOGOGNHNH33.12.16.12.12.1/AMVLMVLA 752.01/A55.6752.00004.00004.002.0752.01ln752.0112Y00152.02Y%4.9202.000152.002.01/21YYYMVALAMVL smolVVYYVYYVGA/0032.0001.002.000152.002.02.12.12121k（3）81.6/OGOGNNMVLA/81.610004.0001.00004.0025.011ln111/AAA81.614111ln111/AAA576.01/A088.16.174.1/AAAMVMVALL由上式试差得：74.1A【例】混合气中含CO25%（体积），其余为空气。于30及2MPa下用水吸收，回收率为90