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1、第五节第五节 低含量低含量气体吸收气体吸收在吸收塔内，气、在吸收塔内，气、液两相可作逆流接触，液两相可作逆流接触，也可作并流接触，在同也可作并流接触，在同等条件下，逆流平均推等条件下，逆流平均推动力大于并流（和传热动力大于并流（和传热中平均温度差类似），中平均温度差类似），同时有利于提高出塔流同时有利于提高出塔流体浓度，减少吸收剂用体浓度，减少吸收剂用量，也有利于降低出塔量，也有利于降低出塔气体浓度，提高吸收率。气体浓度，提高吸收率。一般都采用逆流操作。一般都采用逆流操作。一般吸收浓度不高，吸收热可以不计算，传质分系数一般吸收浓度不高，吸收热可以不计算，传质分系数k kg g、k kL L可以
2、看作常数，可以看作常数，K Kg g、K KL L也可看作常数。也可看作常数。在被吸收气体组分及气体流量已知情况下，设定一个吸收在被吸收气体组分及气体流量已知情况下，设定一个吸收率，计算吸收剂用量和塔的尺寸（高、径），基本计算方法是：率，计算吸收剂用量和塔的尺寸（高、径），基本计算方法是：首先选定溶剂；首先选定溶剂；再根据已知的混合气体处理量，气体进出口浓度再根据已知的混合气体处理量，气体进出口浓度,通过平通过平衡关系、物料衡算、热量衡算计算出溶剂用量；衡关系、物料衡算、热量衡算计算出溶剂用量；最后由气体处理量和平衡关系决定塔的尺寸最后由气体处理量和平衡关系决定塔的尺寸;塔高决定于塔高决定于所
3、需填料体积，填料体积决定于所需有效接触面积，这一面积所需填料体积，填料体积决定于所需有效接触面积，这一面积取决于传质速率。取决于传质速率。一、一、低浓度气体吸收的特点：低浓度气体吸收的特点：y510%，x亦亦10%(塔塔内内吸吸收收的的A量量不不多多)，并并附附加加以以下假下假设设条件：条件：1G（V）、L为常量为常量2吸收过程为等温过程吸收过程为等温过程因吸收量少，溶解热引起的液温升高不明显，所以因吸收量少，溶解热引起的液温升高不明显，所以过程是等温的，不需要作热量衡算。过程是等温的，不需要作热量衡算。4 每一截面上各点的浓度相同，只与轴向位置有关。每一截面上各点的浓度相同，只与轴向位置有关
4、。5 流体等速平行运动，互不混合，呈均匀分布。流体等速平行运动，互不混合，呈均匀分布。3 传质系数为常量传质系数为常量G、L为常量，所以全塔的流动状况相同，又温度不变，为常量，所以全塔的流动状况相同，又温度不变，故故G、L也不变。也不变。（kg、kL的影响因素为的影响因素为、u、d、D）二、二、物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 根据给定的吸收任务根据给定的吸收任务(处理气量及其初、终浓度处理气量及其初、终浓度)，在选定溶剂，并，在选定溶剂，并得知其相平衡关系后，工艺计算主要内容有：得知其相平衡关系后，工艺计算主要内容有：（1）溶剂的用量）溶剂的用量(或循环量或循环量)及吸收液出口的浓度
5、；及吸收液出口的浓度；（2）填料塔的填料层高度或板式塔的塔板数目；）填料塔的填料层高度或板式塔的塔板数目；（3）塔直径的确定。由处理量和操作气速决定。）塔直径的确定。由处理量和操作气速决定。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,Y2V,YL,X讨论稳定逆流吸收过程，如图所示。对图中讨论稳定逆流吸收过程，如图所示。对图中虚线范围作衡算虚线范围作衡算(浓度采用摩尔比浓度采用摩尔比)：式式中：中：V惰性气体流量惰性气体流量kmol/s L溶剂流量溶剂流量kmol/s YY1塔内截面、塔底气相中溶质摩尔比塔内截面、塔底气相中溶质摩尔比kmol溶质溶质/kmol惰性气体惰性气体 XX1塔内截面、塔底液相中
6、溶质摩尔比塔内截面、塔底液相中溶质摩尔比kmol溶质溶质/kmol惰性液体惰性液体此此式为式为操作线方程，在稳定条件下操作线方程，在稳定条件下L、V、X1、Y1均为定均为定值。值。方程式斜率为方程式斜率为L/V，截距为（截距为（Y1LX1/V）上式中的上式中的X，Y如果用塔顶的组成如果用塔顶的组成X2，Y2代替，则成为全塔的代替，则成为全塔的物料衡算：物料衡算：对于低浓度气体的吸收通常有对于低浓度气体的吸收通常有Xx，Yy，则上式可写成：则上式可写成：三、三、吸收剂用量与最小液气比吸收剂用量与最小液气比当吸收的目的是除去气体中的有害物质时，一般直接规定气体中当吸收的目的是除去气体中的有害物质时
7、，一般直接规定气体中残余有害物质的组成。残余有害物质的组成。当吸收的目的是回收有用物质时，通常规定溶质的回收率当吸收的目的是回收有用物质时，通常规定溶质的回收率 当推动力趋于零，则塔高趋于无限大，此时所需的吸收剂用量当推动力趋于零，则塔高趋于无限大，此时所需的吸收剂用量达到最小，这时吸收剂用量称为最小吸收剂用量达到最小，这时吸收剂用量称为最小吸收剂用量Lmin。而此时的液气而此时的液气比称为最小液气比。其值可由物料衡算求得。比称为最小液气比。其值可由物料衡算求得。X1*可以由可以由Y1查得查得若平衡关系服从亨利定律，则有若平衡关系服从亨利定律，则有一般最适宜液气比按经验确定：一般最适宜液气比按
8、经验确定：四、四、填料塔高度的计算填料塔高度的计算在塔内，气液两相组成不断在塔内，气液两相组成不断变化，传质也发生变化，在变化，传质也发生变化，在塔内任取一微元高度塔内任取一微元高度dHdH,在微在微元内气液两相接触面积为：元内气液两相接触面积为：1、填料层高度的基本计算式、填料层高度的基本计算式在微在微元内气、液两相元内气、液两相传质的量为：传质的量为：对于气体物料衡算为：对于气体物料衡算为：对于液体物料衡算为：对于液体物料衡算为：kmol/m2skmol/m2s物料衡算微分方程式为物料衡算微分方程式为 N NA A,kmol/m2ss根根据据双双膜膜理理论论，则则吸吸收收塔塔内内任任一一截
9、截面面上上气气液液两两相相浓浓度度变化可用下图表示：变化可用下图表示：则气相传质速率方程式则气相传质速率方程式 对于液相传质速率方程式对于液相传质速率方程式对前两式沿塔高积分可得：对前两式沿塔高积分可得：代入代入物料衡算式得：物料衡算式得：a a 的大小除了与填料有关，还与流体的物理性质、流动状态有关，的大小除了与填料有关，还与流体的物理性质、流动状态有关，直接测定有困难，常把直接测定有困难，常把 a a 与传质系数与传质系数k kY Y、k kx x的乘积视为一体，称为的乘积视为一体，称为体积传质系数体积传质系数k kY Ya a 。测定也在一起测定，单位测定也在一起测定，单位kmol/mk
10、mol/m3 3s s。对于稳态吸收过程，气、液流量对于稳态吸收过程，气、液流量V、L等为定值，对于低等为定值，对于低浓度吸收，体积传质系数也为常数，也就是说，塔高计算中浓度吸收，体积传质系数也为常数，也就是说，塔高计算中的前一部分为常数。的前一部分为常数。为了方便，把上式改写为两部分，前面部分为为了方便，把上式改写为两部分，前面部分为传质单元高度，后一部分为传质单元数。传质单元高度，后一部分为传质单元数。气相总传质单元数气相总传质单元数气相传质单元数气相传质单元数液相传质单元数液相传质单元数液相总传质单元数液相总传质单元数2、传质单元数与传质单元高度、传质单元数与传质单元高度即可将这些填料高
11、度计算式写成下列通用表达式：即可将这些填料高度计算式写成下列通用表达式：填料层高度填料层高度=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数（1）传质单元数）传质单元数 整个传质过程的气相溶质组成变化，相当于几个气相整个传质过程的气相溶质组成变化，相当于几个气相平均传质推动力，即为几个传质单元。平均传质推动力，即为几个传质单元。（2）传质单元高度）传质单元高度（3）各种传质单元高度之间的关系）各种传质单元高度之间的关系 是气相溶质组成变化为平均传质推动力的高度，是气相溶质组成变化为平均传质推动力的高度，HOG与体积传质系数与体积传质系数KYa成反比，可以把成反比，可以把HOG视为传质阻视为传质阻
12、力。力。HOG小，则表示传质阻力小，所需填料层高度就小，则表示传质阻力小，所需填料层高度就小，一般在小，一般在0.1至至1.0m之间。为了降低，应设法减小传之间。为了降低，应设法减小传质阻力。质阻力。当气液平衡的斜率为当气液平衡的斜率为m时，利用前式可推导出总传时，利用前式可推导出总传质单元高度与传质单元高度之间的关系。质单元高度与传质单元高度之间的关系。同理，由式：同理，由式：式中的式中的A为吸收因数为吸收因数(absorption faction)，量纲为一。它是操作线斜率量纲为一。它是操作线斜率L/V与平衡线斜率之比，其比值较大时，对吸收有利，故称为吸收因子。与平衡线斜率之比，其比值较大
13、时，对吸收有利，故称为吸收因子。各项乘以各项乘以得出得出即即3.传质单元数计算传质单元数计算（1）对数平均推动力法）对数平均推动力法 当气液平衡关系服从亨利定律时，可当气液平衡关系服从亨利定律时，可用用 Y*=mX(或或Y*=mX+b)来描述，即平衡来描述，即平衡线为直线。因为操作线与平衡线均为直线，线为直线。因为操作线与平衡线均为直线，任意截面上的推动力任意截面上的推动力Y=(Y-Y*)与与Y也一也一定成直线关系。定成直线关系。X1X2X*2X*2Y*2Y1Y2Y*1 由塔底浓端推动力由塔底浓端推动力Y1=(Y1-Y1*)与塔顶推动力与塔顶推动力Y2=(Y2-Y2*)求出全塔的平均推动力。求
14、出全塔的平均推动力。X1X2X*2X*2Y*2Y1Y2Y*1同理，可导得液相传质单元数为：同理，可导得液相传质单元数为：（2）吸收因素法）吸收因素法 当气液平衡关系服从亨利定律，即可用当气液平衡关系服从亨利定律，即可用 Y*=mX(或或Y*=mX+b)来来描述时。可用吸收因素法求出传质单元数。描述时。可用吸收因素法求出传质单元数。在塔内任一截面与塔顶稀端之间作物料衡算，得：在塔内任一截面与塔顶稀端之间作物料衡算，得：式中式中 A=(mV/L)-脱脱吸收因素。为了吸收因素。为了便于计算，以便于计算，以A为为参变量，标绘出参变量，标绘出NOG与与(Y1-mX2)/(Y2-X2)的的关系图。关系图。
15、图5-21关系图下面对该式作如下几点说明：下面对该式作如下几点说明：图5-21关系图 由图可知，对一定的由图可知，对一定的(Y1-mX2)/(Y2-mX2)值，当吸收剂用值，当吸收剂用量增量增L大，即大，即A减小，减小，NOG就减小，因而填料层高度就减小，因而填料层高度Z可降低。可降低。当当L一定，即一定，即A一定时，增高气相入口组成一定时，增高气相入口组成Y1，或降低出口组或降低出口组成成Y2，即即(Y1-mX2)/(Y2-X2)增大，则增大，则NOG增大，填料层需增高。增大，填料层需增高。（3）图解积分法与数值积分法）图解积分法与数值积分法 如图（如图（a），当气、液两相平衡关系当气、液两
16、相平衡关系Yf(x)为曲线时，操作线为曲线时，操作线为直线在为直线在Y1与与Y2之间的操作线上选取若干点，每一点代表塔内某之间的操作线上选取若干点，每一点代表塔内某截面上气液两相组成。分别从每一点作垂线，与平衡线相交，得截面上气液两相组成。分别从每一点作垂线，与平衡线相交，得出相对应的出相对应的Y与与Y，并作图（并作图（b）.(a)YY2Y1(b)求出各点的传质推动力求出各点的传质推动力(Y-Y*)和和1/(Y-Y*)。作。作1/(Y-Y*)对对Y的曲线，如图的曲线，如图b，曲线下曲线下面的面积即为面的面积即为NOG的值。的值。在在Y2与与Y1间作偶数等分（间作偶数等分（n）,对每一个对每一个
17、Y值算出值算出1/(Y-Y*),用用Y0代替代替Y2，Yn代替代替Y1，计算计算:YY2Y1(b)图解积分法较繁，且不易准图解积分法较繁，且不易准确，因此可用采用数值积分确，因此可用采用数值积分法计算，下面介绍一种常用法计算，下面介绍一种常用的辛普生的辛普生(Simpson)数值积分数值积分法法。实际也是求面积，只是分条分别计算，两条为一组，如实际也是求面积，只是分条分别计算，两条为一组，如近似图解法：近似图解法：第一步，划出工作直线和平衡曲线；第一步，划出工作直线和平衡曲线；第二步，找出中点轨迹线（垂直线中第二步，找出中点轨迹线（垂直线中点连线）；点连线）；第三步，划梯度线（从第三步，划梯度线（从A开始，中点线开始，中点线两边等长）。两边等长）。作业：9,15