低组成气体吸收计算

1、气体吸收第四节 低组成气体吸收的计算2.4.1物料衡算与操作线方程一、收塔的物料衡算1.首先规定出衡算系统：规定出来的系统即认为与其它部分脱离而独立。此系统与其它设备或与周围空间之间的物流方向都用箭头表示出来，凡是指向系统的都属输入，凡是从此系统引出的，都属输出，而令。2.其次要规定出一个衡算准。在间歇操作中，一般以一次操作为基准；在连续操作中，则以时间（如1小时）为基准。3.物料衡算的基本原则是列出若干个独立的方程式，其数目与未知量的数目相等。4.物料衡算中物料的量可以重量表示，也可以用摩尔数表示，但一般都不宜用体积表示。只有理想气体及系统中温度、压强不变时，因体积与摩尔数成正比，物料衡算中

2、的物料量才可用体积来表示。用一句话讲：隔离体系定基准，未知量数方程同。根据质量守恒原则：入方物料=出方物料 单位时间通过吸收塔的惰气量单位时间通过吸收塔的吸收剂量、分别表示入塔、出塔气相中吸收质的比摩尔分率、分别表示入塔、出塔液相中吸收质的比摩尔分率将上式整理可得： 全塔物料衡算式一. 吸收塔的操作线方程与操作线将（1）可整理为： 全塔范围的操作线方程式溶质吸收率或回收率 用二式可求得塔底吸收液浓度。我们可以在塔截面任意高度取一截面入方出方某一截面的物料衡算、工艺上确定的与精馏操作线方程一样是斜截式方程此方程表示在吸收塔任一截面上，气液两相中吸收质的浓度关系，它在坐标图上为一条直线AB此直线斜

3、率为（即液气比）直线端点A表示塔底的液相浓度和气相浓度（叫浓端），端点B表示塔顶的液相浓度和气相浓度（叫稀端）。直线上的任一点（X、Y）则表示塔中相应的截面上液相和气相的浓度。AB线称为吸收操作线。（4）式则被称为操作线方程式。2.4.2吸收剂用量的确定由全塔操作线方程、一般是根据吸收的要求而事先确定了的，而吸收剂用量L和出塔液体则要终选择而定。、值既已确定，则吸收操作线必通过点而操作线斜率则取决于液气比当减小，操作线斜率也随之减小，而出塔液体浓度增大。吸收剂的理论上最小用量应该是出塔液体中吸收质浓度最大时吸收剂用量，也就是出塔液体被进塔气体饱和时的吸收剂用量。即为了确定吸收剂理论上的最小用量

4、，在图上画出气液平衡曲线 用相平衡常数表示的气液平衡方程也是亨利定律的形式之一。随，一定、操作线平衡线吸收推动力也逐渐减小，为了达到要求的吸收速率就需要增大气液的接触面积，增大吸收塔的尺寸。当操作线A点与平衡线有相交时或相切，此时吸收液气比为最小液气比。在塔底的推动力等于零。此时所需要的接触面积和吸收塔的尺寸为无限大。最小液气比： （全塔物料衡算）若平衡线可用直线表示则 精馏中最小的回流比当回流比减小到使两操作线交点正好落在平衡线时所需理论板层数就是无穷多，这种情况下的回流比称为最小回流比(有时相切即精馏操作线或提馏段操作线与平衡线相切)2.4.3 填料塔直径的计算一. 几个重要的概念1. 空

5、塔速度：无填料时气体在塔内的流速2. 空塔截面积：无填料时塔的截面积3. 填料的比表面积：每单位体积填料中填料的表面积4. 填料的有效比表面积：每单位体积填料所提供的有效吸收面积当操作良好，填料表面完全被润湿，可取填料的比表面积5. 填料的空隙率(自由空间或自由体积):单位体积填料中所具有的空隙体积6. 自由截面积:单位填料截面积上所具有的空隙面积7. 填料因子:填料的比表面积与空隙率的比值即亦称干填料因子;填料被液体润湿后称湿填料因子用表示.二. 塔径的计算 塔径操作条件下混合气体积流量有波动时取最大值一般以进塔底量为准而其它的也相应取塔底下的。2.4.4 填料层高度的计算一. 填料层高度的

6、基本计算式 以前所介绍的吸收速率方程式，都只适合吸收塔的任一截面，而不能直接用于全塔。对微元填料层作组分A衡算单位时间内由气相转入液相的A物质量为：对微元高度填料做组分物料衡算得：但气相由下而上本身为负值，液相由上而下本身为正值前加一负号。又 把厚度为的填料层视为任一塔截面。实际气相浓度与用代替，达到平衡时气相浓度用 视为定值则：将 得：代入（2）可得： 得以气相为例 又 同理可得 参阅谭元思化工原理下册41页，积分从塔顶到塔底二.传质单元高度与传质单元数 气相总传质单元高度 体积吸收系数 气相总传质单元数注意液相是从塔上积到塔下，即： 2.4.5 吸收推动力的计算 （吸收塔各截面上推动力不相

7、等）一. 当平衡线为直线时，可以用塔顶和塔底推动力的算术平均值或对数平均值作为平均推动力。当 （完全类似的求法）用液相浓度差所表示的推动力时，应该求操作线与平衡线之间的水平距离。二.平衡线为直线时填料高度的计算当吸收塔的平均推动力确定后，就可以根据吸收速率为方程式求算填料层的高度，若用气相浓度差作推动力表示全塔的吸收速率可写成：根据质量守恒定律： （全塔操作线方程）式中：填料的有效比表面积 塔的截面积 填料层高度 将（1）（2）（3）联立可得：由此可得：其中： 气相总传质单元高度 气相总传质单元数反映了单位塔截面上惰性气体的摩尔流量与体积吸收系数反映传质阻力的大小，填料性能的优劣及润湿情况的好

8、坏。总推动力与平均推动力比值反映吸收过程的难易程度。三. 传质单元：当气体流经某一段填料层，其浓度比恰好等于该填料层内的平均推动力时，则此段填料层称为一个传质单元，所对应的高度称为气相总传质单元高度。 即同理液相： 注意：对于对数平均浓度法计算传质单元数的方法只适用与平衡线为直线如曲线可用图解积分法。四. 传质单元数的求法1. 图解积分法（当平衡线为曲线时，常用这种方法）（1） 根据已知条件在坐标系上作出平衡线与操作线（2） 在与范围内任选若干个值，从图上读出相应的如并计算出值。（3） 在与的坐标系中给和相应的值（方格纸上绘图）（4） 算出 、及三条直线与函数曲线间所包围的面积即。小方格数乘以

9、其面积，二个不全的方格凑成完整方格。2. 解析法（适合平衡线为直线）（1） 脱吸因数式若平衡关系可用直线方程表示又 代入上式则： 令： 则 即平衡线的斜率与操作线斜率的比值脱吸因数 则上式可写为 由（1）知在半对数坐标系上以S为参数，标绘出与的函数关系。已知S的值和值，便可方便地读取的值。横坐标值反映溶质吸收率的高低，对一定的和，愈低，即要求的吸收率愈高，横坐标愈大，就愈大。S值反映吸收推动力的大小。在气液进口浓度及溶质吸收率恒定的条件下，横坐标之值便已确定，增大S值就意味着减小液气比，这将导致溶液出口浓度提高而吸收推动力变小。所以增大，如 一般吸收操作多着眼于提高溶质的吸收率，故S值应小于1

10、，所以是经济适宜的。由于S增大不利于吸收而有利于脱吸。故S称为脱吸因子。该图仅为估算用在及的范围内使用该图，读数才比较准确。（2） 对数平均推动力法因为操作线为 平衡线两式相减 依然是直线方程仿照传热，我们可将上式的推动力写为这样，对于填料层中任意截面的速率方程式可变为适用于整个填料层的吸收速率方程式。即：对于整个吸收塔则应满足如下关系，即：于是得：将与上式比较可得：同理可写出液相总传质单元数与液相对数平均推动力的计算式，即：当 或 时，可用算术平均推动力来代替对数平均值。3. 梯级图解法求（贝克法）梯级解图法是直接根据总传值单元的物理意义引出的一种近似的方法，也称贝克法。这种方法适用于在所涉

11、及的浓度范围内平衡关系为弯曲程度不大的曲线情况。前曾提及，如果气体流经一段填料层前后的溶质浓度变化恰好等于此段填料层内气相总推动力的平均值，那么这段填料层就可视为一个气相总传值单元。为平衡线，为操作线 分别表塔底，塔顶横截面上的气相总推动力中点联线为曲线。从代表塔顶的端点出发，作水平线交于点，延长至点使，过点作铅垂线交于点，在从点出发作水平线交于点，延长至点使，过点作铅垂线交于点。如此进行，直至达到或超过操作线上代表塔底的端点为止。所画出的梯级数即为气相总传质单元数。令在操作线与平衡线之间通过及两点的铅垂线分别为及因为所以（三角形中位线平行底边且等于底边）（梯形中位线平行于两底且等于两底和的一

12、半）代表此段内气相总推动力的算术均值表此段内气相浓度的变化，因为（如果气体流经一段填料层前后的溶质浓度变化恰好等于此段填料层内气相总推动力的平均值那么这段填料层就可视为一个气相总传质单元）故可表示一个气相总传质单元。2.4.6 理论板层数的计算填料层高度的计算，除前述的传质单元法外还可采用“等板高度法”即 理论板：离开该板的气液两相互相成平衡，而且塔板上的液相组成是均匀的。等板高度：与一层理论板传质作用相当的填料层高度以表示。一. 梯级图解法求理论板层数以为横坐标为纵坐标，在相图上画出平衡线，操作线由点开始梯级直到为止求理论板层数。上下两层板气液关系在操作线上，同一层理论板气液在平衡线上。适用范围：气液相任意浓度（高浓度、低浓度）、任意表示方法（摩尔分率、比摩尔分率）的气体吸收或脱吸过程。二、解析法求理论板层数对于低浓度气体吸收操作 平衡线可采用克列姆塞尔方程推倒同书 结论：克列姆塞尔方程 （1） 上式又写为： 为理论塔板数 当进塔液相为纯溶剂时， 上式可写为： 即 溶质的吸收率又可写为： （2） 及： （3）又（2）