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1、知识点2-3低浓度气体吸收的计算【学习指导】1. 学习目的通过本知识点的学习，应掌握低浓度 气体吸收过程的计算方法。2. 本知识点的重点(1) 物料衡算与操作线方程。(2) 最小液气比与适宜液气比。(3) 用传质单元数法计算填料层高度。3. 本知识点的难点传质单元高度与传质单元数概念的理解。4.应完成的习题2-8在1013kPa、20C下用清水在填料塔 内逆流吸收空气中所含的二氧化硫气 体。单位塔截面上混合气的摩尔流量 为0.02 kmol/ (m2s),二氧化硫的体积 分率为003。操作条件下气液平衡常 数 m 为 34.9, K a为 0.056 mol/(m3.s)。 若吸收液中二氧化硫
2、的组成为饱和组 成的75%,要求回收率为98%。求吸 收剂的摩尔流速及填料层高度。2-9已知某填料吸收塔直径为1m,填料层 高度为4m。用清水逆流吸收某混合气 体中的可溶组分，该组分进口组成为8%,出口组成为1% (均为mol%)。 混合气流率为30kmol/h,操作液气比Y=2Xo试求：1. 操作液气比为最小液气比多少倍;2. 气相总体积吸收系数Ka；3. 填料层高度为2m处的气相组成。2-10在101.3kPa及27C下，在吸收塔内用清水吸收混于空气中的丙酮蒸汽。混 合气流量为32kmol/h,丙酮的体积分率为0.01,吸收剂流量为120kmol/ho 若要求丙酮的回收率不低于96%,求所
3、需理论级数。操作条件下气液平衡关系为Y* = 2.53 X o一、物料衡算与操作线万程1. 物料衡算2. 吸收塔的操作线方程二、吸收剂用量的确定1. 最小液气比2. 适宜的液气比三、塔径的计算（一）传质单元数法1. 基本计算式2. 传质单元高度与传质单元数3. 传质单元数的求法（二）等板高度法1. 基本计算式2. 理论级数的确定【例题与解题指导】本知识点将以低浓度气体吸收过程 为对象，讨论吸收过程的计算，关于高 浓度气体吸收过程的计算可参考其它有 关书籍。在工业生产中，吸收操作多采用塔 式设备，既可采用气液两相在塔内逐级 接触的板式塔，也可采用气液两相在塔 内连续接触的填料塔。工业生产中，以
4、采用填料塔为主，故本知识点对于吸收 过程计算的讨论结合填料塔进行。一、物料衡算与操作 线方程1.物料衡算图2-15所示为一个处于稳态 操作下的逆流接 触吸收塔。下标 “1”表示塔底截 面，下标“2”表示 塔顶截面,m-n代 表塔内任一截面。團1-15迹洽处收填的畅料禽算示意團V单位时间通过吸收塔的惰性气体量，kmol(B)/s； L 位时间通过吸收塔的溶剂量，kmol(S)/s； 岭、Y2进塔、出塔气体中溶质组分的摩尔比， kmol(A)/kmol(B)；kmol(A)/kmol(S)。X、X出塔、进塔液体中溶质组分的摩尔比，在吸收塔的两端面间，对溶质A作物 料衡算，可得冯+冬二吒+必或卩由-
5、动=臥尽花）(2-67)通常，进塔混合气的组成与流量是由血二瑚-如）|(2-68)式中e.溶质A的吸收率或回收率。A由此，V、Y、L、底排出吸收液的组成均为已知，吸收任务规定的，而吸收剂的初始组成和 流量往往根据生产工艺要求确定。如果吸 收任务又规定了溶质回收率e A,则气体出 塔时的组成匚为 A2.吸收塔的操作线方程i=i吸收塔内任一横截面上，气液组成Y 与X之间的关系称为操作关系，描述该关 系的方程即为操作线方程。在稳态操作的 情况下，操作线方程可通过对组分A进行 物料衡算获得。在m-n截面与塔底端面之 间对组分A进行衡算，可得卩F+丄産1二卩$ + LXX +(2-69)同理，1在mn截
6、面与塔顶端面之间作组分A的衡算，得式2-69与式J2-70是等效流吸收塔的操作线方程。由操作线T方程可知，塔 内任一横截面 上的气相组成Y与液相组成X成线性关系，直线的斜率 为L/V,该直线通过点B(X, Y)及点T(X2, Y2)o图片2-16中的直线BT即为逆流吸收 塔的操作线。操作线BT上任一点A的坐 标(X, Y)代表塔内相应截面上液、气组成 X、Y,端点B代表填料层底部端面，即塔 底的情况，该处具有最大的气液组成，故 称之为“浓端”；端点T代表填料层顶部端 面，即塔顶的情况，该处具有最小的气液 组成，故称之为“稀端”。图2-16中的曲线 OE为相平衡曲线Y*=f(X)当进行吸收操 作
7、时，在塔内任一截面上，溶质在气相中1=11=1的实际组成Y总是高于与其相接触的液相平衡组成Y*,所以吸收操作线BT总是位 于平衡线OE的上方。反之，若操作线位 于相平衡曲线的下方，则应进行脱吸过程。1=1二、吸收剂用量的确定应予指出，以上的讨论都是针对逆流 操作而言的。对于气、液并流操作的情况, 吸收塔的操作线方程及操作线可采用同 样的办法求得。无论是逆流操作还是并流 操作的吸收塔，其操作线方程及操作线都 是由物料衡算求得的，与吸收系统的平衡 关系、操作条件以及设备的结构型式等均 无任何牵连。1=1在吸收塔的计算中，通常气体处理量 是已知的，而吸收剂的用量需要通过工艺 计算来确定。在气量一定的
8、情况下，确定 吸收剂的用量也即确定液气比缈。仿照精 馏中适宜（操作）回流比的确定方法，可 先求出吸收过程的最小液气比，然后再根 据工程经验，确定适宜（操作）液气比。1.最小液气比操作线斜率L/V称为液气比,它反映 了单位气体处理量的溶剂消耗量的大小。如图2-17(a)所示，在yi、Y及X2已知的 情况下，操作线的端点T已固定，另一端 点B则可在Y=Y1的水平线上移动。B点 的横坐标将取决于操作线的斜率LV,若 V值一定，则取决于吸收剂用量L的大小。在V值一定的情况下，吸收剂用量L 减小，操作线斜率也将变小，点B便沿水 平线Y=Y1向右移动，其结果是使出塔吸 收液的组成增大，但此时吸收推动力也相
9、 应减小。当吸收剂用量减小到恰使点B移 至水平线Y=Y1与平衡线OE的交点B* 时，X尸X*即塔底流出液组成与刚进塔 的混合气组成达到平衡。这是理论上吸收 液所能达到的最高组成，但此时吸收过程1=1i=ji=ii=ji=的推动力已变为零，因而需要无限大的相际接触面积，即吸收塔需要无限高的填料 层。这在工程上是不能实现的，只能用来 表示一种极限的情况。此种状况下吸收操 作线TB*的斜率称为最小液气比，以 (L/V).表示；相应的吸收剂用量即为最 小吸收剂用量，以L .表示。min最小液气比可用图解法求得。由图2-17(a)可得i=ii=ji=imin厅丿込牙乏(2-71)“7(2-71a)若平衡
10、关系可用YFX表示，则可直接用下式计算最小液气比,-込一血 I卩丿min亘一花(2-72)Am.ii _2-17(b )所(2-72a)如果平衡曲线呈现如图片: 示的形状，则应过点T作平衡曲线的切 线，找到水平线Y=Y1与此切线的交点 B,从而读出点B，的横坐标X1,的数 值，然后按下式计算最小液气比，即(2-73)(2-73a)屁 花卩2.适宜的液气比i=i在吸收任务一定的情况下，吸收剂用 量越小，溶剂的消耗、输送及回收等操作 费用减少，但吸收过程的推动力减小，所 需的填料层高度及塔高增大，设备费用增 加。反之，若增大吸收剂用量，吸收过程 的推动力增大，所需的填料层高度及塔高 降低，设备费减
11、少，但溶剂的消耗、输送|=|用量的1.12.0倍是比较适宜的，即丹5闫min(2-74)或 = (1.12.0)(2-74a)必须被液体润湿，才能起到传质作用。为保证填料表面能被液体充分润湿，液体量不得小于某一最低允许值。如果按式2-74算出的吸收剂用量不采满较充的液气填。及回收等操作费用增加。由以上分析可 见，吸收剂用量的大小，应从设备费用与 操作费用两方面综合考虑，选择适宜的液 气比，使两种费用之和最小。根据生产实 践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小三 塔径的计算s兀ui 口工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸 收塔的直径可根据圆形管道内的流量公 式计算，即兀(2-75)4 D 2 u =
12、V 或 D =式中D吸收塔的直径，m；V操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；S一空塔气速，即按空塔截面计算的混合气体的线速度，m/s。应予指出，在吸收过程中，由于溶质 不断进入液相，故混合气体流量由塔底至 塔顶逐渐减小。在计算塔径时，一般应以 塔底的气量为依据。四由式2-75可知,计算塔径的关键在于 确定适宜的空塔气速。适宜的空塔气速 u的确定方法可参考有关书籍。四、吸收塔有效高度的计算吸收塔的有效高度是指塔内进行气 液传质部分的高度，也即填料层的高度。 填料层高度的计算可分为传质单元数法 和等板高度法，现分别予以介绍。（一）传质单元数法传质单元数法是依据传质速率方程 来计算填料层高度，故
13、又称为传质速率模要塔。元解决填料行物料衡计算问题，需变，塔内各截面上的吸收速率并不相同。 因此，前面所讲的吸收速率方程式，都只 适用于塔内任一截面，而不能直接应用于如图2-18所示,在填料吸收塔内任意 位置上选取微元填料层高度dZ，在此微元 填料层内对组分A作物料衡算，可得dGA = -VdY= -LdX （2-76） 式dGA 位时间内由气相转入液相的溶质A的量，kmol/ s。A在微元填料层内，因气、液组成变化 很小，故可认为吸收速率N为定值，则AdGA 二 NAdA 二虬！ QdZ）（2-77） 式中dA微元填料层内的传质面积，m2；a填料的有效比表面积（单位体积填料层所提供的有效传 质面积），m2/m3；W吸收塔截面积，m2。由吸收速率方程式Na =瓷丫了-严）=乜区X） 将此式代入式277可得dGA =也辽）及 dGA 二疋工(T* -X)(aQdZ) 再将式2-76代入以上二式，可得-VdY= KY-YiadZ1) 及-丄羽二恳工区産沧忠侶)| 整理可得-dYK-F*(2-78)-羽_心也弦及X-X 丄(2-79)在稳态操作条件下，对于低组成吸收 过程，L、V、a以及W皆不随时间而变 化，且不随截面位置而改变，Ky及KX也 可视为常数。于是，对式2-78y和式乞79 在全塔范围内积分dY可得心屈找Y-Y(2-80)(2-81)式
