高浓度气体吸收填料层高度的计算

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1、高浓度气体吸收填料层高度的计算 高浓度气体吸收过程分析高浓度气体吸收过程分析 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 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：高浓度气体吸收过程分析同理，高浓度气体吸收液相传质系数可表示为 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，传质系数与气

2、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。 等温吸收时 Z 的计算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： 等温吸收时 Z 的计算同理可得：

3、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。 等温吸收时 Z 的计算图解积分求解步骤（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/(1y)和Ls=L/(1x) 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；（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

4、(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。 等温吸收时 Z 的计算因数群 Vs/(kya) 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 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。非等温吸收时 Z 的计算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

5、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。非等温吸收时 Z 的计算据此简化，对微元段 dZ 做

6、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。Ls, x, tLs+dLs x+dx t+dt dZdLs 与 Ls 相比要小得多，故 dLsx、dLscmLt 与 LSdx、LscmLdt 相比 可忽略。于是上式可简化为 非等温吸收时 Z 的计算 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 tn1，则任意段 n 的热量 衡算式可近似写成 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

7、溶液浓度有关的量。式中微分溶解热 可取 xn1 与 xn 之间的平均值。 非等温吸收时 Z 的计算 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。 若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

8、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 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。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。 吸收塔的调节与操作型计算吸收塔的调节与操作型计算 吸收剂用量 L增

9、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，气体出塔浓度 Y2 降低，分离程度增加。 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。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

10、可以下移，传质推动力增大， 有利于吸收。 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 吸收剂再循环流程若 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。 吸收过程计算吸收过程计算 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

11、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，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

12、算方法：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

13、何变化？（2）气体流率增加20%，而溶剂量以及气、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）原工况新工况（2）（3）由上式试差得：【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%，溶液出口浓度x1= 0.0004，混合气体处理量为2240Nm3 / h（操作状态 ），亨利常数E = 200MPa，液相体积总传质系数Kca = 50 kmol / （m3h (kmol / m3)），塔径为1.5m，求每小时用水量和填

14、料层高度。解：（1）求L：（2）求z：例 某厂有一填料吸收塔，直径为880mm，填料层高6m，所用填料为50mm拉 西 环，每小时处理2000m3丙酮-空气混合气（T = 298.15 K，P = 101.3 kPa），其中含丙 酮5%（体积%）；水作溶剂。塔顶放出废气中含丙酮0.263%（体积%），塔底排除的 溶液每kg含丙酮61.2g；在此操作条件下，平衡关系Y = 2.0X。根据上述测得数据试计算： （1）气相体积总传质系数KYa； （2）每小时回收多少丙酮； （3）若保持气液流量V、L不变，将填料层高度加高3m，可以多回收多少丙酮。解：（1）求KYa（2）（3）解吸塔的计算 解吸是吸收

15、的逆过程，相际传质推动力为 (y*y) 或 (xx*)； 减压、加温和降低气相主体的溶质分压有利于解吸过程的进行； 工业解吸过程通常是将溶液由塔顶引入，惰性气体或蒸汽由塔底引 入，两相在塔内逆流接触，此过程也称为气提或汽提。若溶质不溶 于水，用水蒸汽解吸，混合蒸汽在塔顶冷却后，溶质与水发生分层 ，从而可得纯溶质； 适用于吸收操作的设备同样适用于解吸操作，前述的气液传质理论 和吸收过程的计算方法均可用于解吸过程，相应的计算式也类似；解吸塔的最小气液比 对逆流解吸塔的虚线框作物料衡算，得到解吸操作线方程，当溶液的 处理量 L、进出塔浓度 X1、X2 以及解吸气进塔组成 Y2 确定后，气体用 量 V

16、 与气体出塔浓度 Y1 直接相关。 解吸塔的最小气液比 当解吸用气量 V 减小时，气体出塔浓度 Y1 增大，操作线的 A 点向平 衡线靠拢，传质推动力下降。当操作线与平衡线相交或相切时，解吸 操作线斜率（液气比）最大，即气液比最小对操作线与平衡线相切（平衡线呈上凹形状），最小气液比由过 B 点所作的操作线与平衡线的切线斜率确定。传质系数 任何化工单元操作，过程速率是决定该单元设备大小的关键因素。过 程速率正比于过程推动力，反比于过程阻力。传质速率概括为 传质系数包含了传质过程中一切复杂的、不易确定的影响因素，其数 值的大小主要取决于：物系的性质、操作条件及设备的性能（填料特 性）三个方面。由于影响因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理 论模型解决，迄今为止也尚无通用的计算方法可循。 传质系数的获取途径：（1）实验测定； （2）针对特定体系的经验公式； （3）适用范围更广的准