青海大学吸收吸收塔的计算.pptx

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1、2023/3/22吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算v本节讨论的重点是：按连续接触连续接触原理操作的填料塔填料塔，至于板式塔则在上一章的基础上结合吸收特点作简单讨论。v填料填加在塔内形成填料层，填料层有两个特点填料层有两个特点：一是空空隙体积隙体积所占比例相当大，便于气体在其内部迂回曲折通过并提高湍动程度，二是单位体积内有很大的单位体积内有很大的固体表面积固体表面积。液体沿固体壁面呈膜状膜状流下，因而填料塔内的气液接触面比空塔内大得多。v塔内气液流动方式一般呈逆流逆流，气体自塔底通入，液体从塔顶洒下，推动力较大，吸收速率大；推动力较大，吸收速率大；溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体

2、相接触，可使溶液的浓度尽量提高，减可使溶液的浓度尽量提高，减少吸收剂用量少吸收剂用量。经吸收后的气体从塔顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降低，提高吸使出塔气体中溶质浓度尽量降低，提高吸收率收率。第1页/共63页2023/3/22吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算设设计计的的主主要要内内容容是是算算出出设设备备的的基基本本尺尺寸寸，对对填填料料塔塔来来说说，就就是是设计塔径设计塔径D与填料层高度与填料层高度Z。吸吸收收塔塔的的设设计计中中，已已知知气气体体的的处处理理量量V、进进口口浓浓度度Y1和和出出口口浓度浓度Y2（或溶质的回收率（或溶质的回收率）都是作

3、为设计条件而规定的。都是作为设计条件而规定的。设设计计时时首首先先是是选选定定溶溶剂剂（吸吸收收剂剂），随随后后就就是是决决定定吸吸收收剂剂的的用用量量。吸吸收收剂剂用用量量与与气气体体处处理理量量之之比比（液液、气气比比）由由物物料料衡衡算与平衡关系两者结合起来决定。算与平衡关系两者结合起来决定。由由混混合合气气体体的的处处理理量量（体体积积流流率率V）与与合合理理的的气气体体线线速速度度（u）可以算出塔的截面积，由此可确定可以算出塔的截面积，由此可确定塔径（塔径（D）。塔塔径径确确定定后后，填填料料层层高高度度（Z）则则取取决决于于所所需需填填料料层层体体积积，而而所所需需的的填填料料层层

4、体体积积又又取取决决于于所所需需的的有有效效气气液液接接触触面面积积，这这个面积主要是通过个面积主要是通过传质速率传质速率来决定的。来决定的。第2页/共63页2023/3/22吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算设计计算的主要内容与步骤(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)确定塔的高度；(6)塔的流体力学计算及校核；(7)塔的附件设计。计算依据：相平衡关系 吸收速率方程 物料衡算式和操作线方程第3页/共63页2023/3/22一、一、吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程（一）物料衡算（一）物料

5、衡算（一）物料衡算（一）物料衡算已知：气体的处理量已知：气体的处理量V V、进口浓度、进口浓度Y Y1 1和出口浓度和出口浓度Y Y2 2（或溶质的回收率（或溶质的回收率A A）目的：计算给定吸收任务下所需的计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量吸收剂用量L L或或吸收剂出口浓度吸收剂出口浓度X X1 1。混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断收，故气体的总量沿塔高而变，液体

6、也因其中不断收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔通过塔通过塔通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。的惰性气体量和溶剂量是不变的。的惰性气体量和溶剂量是不变的。的惰性气体量和溶剂量是不变的。第4页/共63页2023/3/22以逆流操作的填料塔为例：以逆流操作的填料塔为例：下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。V 单位时间通过塔的惰性气体量；单位时间通过塔的惰性气体量；kmol(B)/s ；L 单位时间通过吸收

7、塔的溶剂量；单位时间通过吸收塔的溶剂量；kmol(S)/s ；Y 任任一一截截面面的的混混合合气气体体中中溶溶质质与与惰惰性性气气体体的的摩摩尔比；尔比；kmol(A)/kmol(B)；X 任任一一截截面面的的溶溶液液中中溶溶质质与与溶溶剂剂的的摩摩尔尔比比；kmol(A)/kmol(S)。V,YL,XV,Y2V,Y1L,X1L,X2对稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收的溶质A的量必须等于液相吸收的量。通过对全塔通过对全塔A物质量作物料衡算，可得：物质量作物料衡算，可得：第5页/共63页2023/3/22 若GA为吸收塔的传质负荷，即气体通过填料塔时，单位时间内溶质被吸收剂吸收的量kmo

8、l/s，则 V,YL,XV,Y2V,Y1L,X1L,X2进塔气量 V 和组成 Y1 是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成 X2 一般由工艺条件所确定，出塔气体组成 Y2 则由任务给定的吸收率 求出 在填料塔内，对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操作，气、液组成沿塔高连续变化；在塔的任一截面接触的气、液两相组成是相互制约的；全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔内具有最高气、液浓度的截面“1”（浓端），或具有最低气、液浓度的截面“2”（稀端）的气、液浓度关系。第6页/共63页2023/3/22（二）吸收塔的操作线方程与操作线（二）吸收塔的操作线方程与操作线V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL

9、,X若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体，则所得溶质A 的物料衡算式为 同理，若在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算，有 上两式均称为吸吸收收操操作作线线方方程程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成 Y 和 X 之间的关系。（L/V）称为吸收塔操作的液气比液气比。精馏塔的操作线方程精馏塔的操作线方程第7页/共63页2023/3/22逆流逆流操作线方程与操作线操作线方程与操作线当L/V一定，操作线方程在Y-X图上以液气比L/V 为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点B(Y1，X1)和T(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线吸收操作线。YXoY1X1X2Y2Y

10、XX*Y*Y*=f(X)BPTY-Y*X*-X线上任一点的坐标(Y，X)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离(Y-Y*)为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离(X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。第8页/共63页2023/3/22并流并流操作线方程与操作线操作线方程与操作线对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）构成的控制体作物料衡算，可得并流时的操作线方程，其斜率为（-L/V）。并流操作线方程V,Y1V,

11、Y2L,X2L,X1V,YL,XYXoY1X1X2Y2YXX*Y*Y*=f(X)TBPX*-XY-Y*第9页/共63页2023/3/22（三）吸收塔内物料流向的选择（三）吸收塔内物料流向的选择 在Y1至Y2范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择分析结果是一致的。v塔内气液呈逆流流动逆流流动，溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体相接触，可使溶液的浓度尽量提高，减少吸收

12、剂用量可使溶液的浓度尽量提高，减少吸收剂用量。经吸收后的气体从塔顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔使出塔气体中溶质浓度尽量降低，提高吸收率气体中溶质浓度尽量降低，提高吸收率。v工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊说明，均为逆流吸收逆流吸收。与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流动的液体产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。第10页/共63页2023/3/22二、二、吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定吸收剂用量L或液气比L/V在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量V，

13、以及进、出塔组成Y1、Y2 由设计任务给定，吸收剂入塔组成 X2 则是由工艺条件决定或设计人员选定。由全塔物料衡算式 可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量L是相互制约的。选取的L/V，操作线斜率，操作线与平衡线的距离，塔内传质推动力，完成一定分离任务所需塔高,设备费用；但操作费用;L/V，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度X1，循环和再生费用；若L/V，吸收剂出塔浓度 X1，塔内传质推动力，完成相同任务所需塔高，设备费用，但操作费用 。YoY1X1X2Y2X1X1,maxXL/V(L/V)(L/V)minAACB BY*=f(X)Y-Y*经济核算第11页/共63页2023/3/22吸收剂用量的确定吸收剂

14、用量的确定 要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量GA=V(Y1-Y2)，L/V 的减小是有限的。YoY1X1X2Y2X1X1,maxXL/V(L/V)(L/V)minAACB BY*=f(X)Y-Y*当 L/V 下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的 L/V 称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对应的 X1则用 X1,max 表示。不同液气比 L/V 下的操作线图直观反映了这一关系。YoY1X2Y2X1*X1,maxXY*=f(X)B(L/V)minC第12页/共63页2023/3/22最小液气比最小液气比(L/V)min的求解的求解 随 L/V 的减小，操作线

15、与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。YoY1X2Y2X1,max=X1*XY*=f(X)B(L/V)minCYoY1X2Y2X1*X1,maxXY*=f(X)B(L/V)minC两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*=Y1/m；两线在中间某个浓度处相切时，X1X1*。最小液气比的计算式：第13页/共63页2023/3/22吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和

16、操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取。根据生产实践经验，一般取 注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量 L 值还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。第14页/共63页2023/3/22例例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量

17、的2倍，试求每小时送入塔内的水量。溶液浓度(gNH3/100gH2O)2 2.5 3分压Pa 1600 2000 2427分析：分析：求水量吸收剂用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常数解：解：1)平衡关系 第15页/共63页2023/3/222)最小吸收剂用量：其中：第16页/共63页2023/3/223)每小时用水量 第17页/共63页2023/3/22三、三、塔径的计算塔径的计算DD塔径，塔径，塔径，塔径，mm；V VS S 操作条件下混合气体的体积流量，操作条件下混合气体的体积流量，操作条件下混合气体的体积流量，操作条件下混合气体的体积流量，mm3 3/s/s；uu空塔气速，空塔气速，

18、空塔气速，空塔气速，m/sm/s；计算时计算时计算时计算时以塔底气量为依据以塔底气量为依据以塔底气量为依据以塔底气量为依据，因塔底气量大于塔顶。，因塔底气量大于塔顶。，因塔底气量大于塔顶。，因塔底气量大于塔顶。第18页/共63页2023/3/22四、四、填料层高度的计算填料层高度的计算（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式 计算填料层高度，应根据混合气体中溶质浓度的高低而采用不同计算填料层高度，应根据混合气体中溶质浓度的高低而采用不同计算填料层高度，应根据混合气体中溶质浓度的高低而采用不同计算填料层高度，应根据混合气体中

19、溶质浓度的高低而采用不同的方法。在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可的方法。在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可的方法。在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可的方法。在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可溶组分洗涤下来，属于低浓度气体的吸收。本节重点讨论溶组分洗涤下来，属于低浓度气体的吸收。本节重点讨论溶组分洗涤下来，属于低浓度气体的吸收。本节重点讨论溶组分洗涤下来，属于低浓度气体的吸收。本节重点讨论低浓度低浓度低浓度低浓度吸收中填料层高度的计算吸收中填料层高度的计算吸收中填料层高度的计算吸收中填料层高度的计算。填料层高度填料层高度填料层高度填料层高

20、度z z z z取决于填料层体积与塔截面积（取决于填料层体积与塔截面积（取决于填料层体积与塔截面积（取决于填料层体积与塔截面积（填料层体积填料层体积填料层体积填料层体积/塔截面塔截面塔截面塔截面积积积积），而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和），而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和），而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和），而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和每立方米填料所提供的气液有效接触面积每立方米填料所提供的气液有效接触面积每立方米填料所提供的气液有效接触面积每立方米填料所提供的气液有效接触面积（填料体积填料体积填料体积填料体积=总

21、传质面积总传质面积总传质面积总传质面积/有效接触面积有效接触面积有效接触面积有效接触面积/每米每米每米每米3 3填料填料填料填料），），），），而而而而总传质面积总传质面积总传质面积总传质面积=塔吸收负荷塔吸收负荷塔吸收负荷塔吸收负荷（kmol/skmol/s）/传质速率（传质速率（传质速率（传质速率（kmol/mkmol/m2 2s s）。塔的。塔的。塔的。塔的吸收负荷吸收负荷吸收负荷吸收负荷依据依据依据依据物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算关系关系关系关系，传质速率传质速率传质速率传质速率依据依据依据依据吸收速率方程吸收速率方程吸收速率方程吸收速率方程，而吸收速率中的，而吸收速率中的，而吸收

22、速率中的，而吸收速率中的推动力总是推动力总是推动力总是推动力总是实际浓度与某种平衡浓度之差额实际浓度与某种平衡浓度之差额实际浓度与某种平衡浓度之差额实际浓度与某种平衡浓度之差额，因此须知相平衡关系。下面具，因此须知相平衡关系。下面具，因此须知相平衡关系。下面具，因此须知相平衡关系。下面具体来分析填料层高度之计算方法。体来分析填料层高度之计算方法。体来分析填料层高度之计算方法。体来分析填料层高度之计算方法。填料层高度的计算仍然离不开填料层高度的计算仍然离不开填料层高度的计算仍然离不开填料层高度的计算仍然离不开物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算，另外还与，另外还与，另外还与，另外还与传质速率方程传质

23、速率方程传质速率方程传质速率方程和和和和相平衡关系相平衡关系相平衡关系相平衡关系有关。有关。有关。有关。第19页/共63页2023/3/22填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式 填料塔内气、液组成Y、X和传质推动力Y（或X）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。对填料层中高度为dZ的微分段作物料衡算可得溶质A在单位时间内由气相转入液相的量 dGA 若dZ微元段内传质速率为NA，填料提供的传质面积为 dA=adZ，则通过传质面积dA溶质 A 的传递量为 此传质量也就是在dZ段内溶质A由气相转入液相的量。因此 L,X1V,Y2V,Y1L,X2YXY+dYdZX+dX第20页/共6

24、3页2023/3/22填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式 将以摩尔比表示的总的传质速率方程代入，则有 对上两式沿塔高积分得 在上述推导中，用单相内传质速率方程替代总的传质速率方程可得形式完全相同的填料层高度 Z 的计算式。若采用 NA=kY(Y-Yi)和 NA=kX(Xi-X)可得：用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应相组成表示的填料层高度 Z 的计算式。第21页/共63页2023/3/22低浓度气体吸收填料层高度的计算低浓度气体吸收填料层高度的计算 特点：低浓度气体吸收（y110%）因吸收量小，由此引起的塔内温度和流动状况的改变相应也小，吸收过程可视为等等温温过过程程，传质

25、系数kY、kX、KY、KX 沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条件下的平均值。填料层高度 Z 的计算式：对高浓度气体，若在塔内吸收的量并不大（如高浓度难溶气体吸收），吸收过程具有低浓度气体吸收的特点，也可按低浓度吸收处理。体积吸收系数：实际应用中，常将吸收系数与比表面积a的乘积（KYa及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为 kmol/(s.m3)。体积吸收系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。第22页/共63页2023/3/22（二）传质单元高度与传质单元数（二）传质单元高度与传质单元数（二）传质单元高度与传质单元数（二）传质

26、单元高度与传质单元数对气相总传质系数和推动力：若令 HOG 气相总传质单元高度，m；NOG 气相总传质单元数，无因次。对液相总传质系数和推动力：若令 HOL 液相总传质单元高度，m；NOL 液相总传质单元数，无因次。第23页/共63页2023/3/22传质单元高度定义传质单元高度定义定义传质单元高度和传质单元数来表达填料层高度Z，从计算角度而言，并无简便之利，但却有利于对Z的计算式进行分析和理解。下面以NOG 和 HOG 为例给予说明。NOG中的dY表示气体通过一微分填料段的气相浓度变化，(Y-Y*）为该微分段的相际传质推动力。如果用(Y-Y*)m 表示在某一高度填料层内的传质平均推动力，且气

27、体通过该段填料层的浓度变化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m，即有 由 Z=HOGNOG可知，这段填料层的高度就等于一个气相总传质单元高度HOG。因此，可将NOG看作所需填料层高度Z相当于多少个传质单元高度 HOG。第24页/共63页2023/3/22传质单元数传质单元数传质单元数NOG 或NOL反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面。NOG与气相或液相进、出塔的浓度，液气比以及物系的平衡关系有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。在设备选型前可先计算出过程所需的NOG或NOL。NOG或NOL 值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传

28、质性能优良的填料。若NOG 或NOL值过大，就应重新考虑所选溶剂或液气比 L/V是否合理。第25页/共63页2023/3/22传质单元高度传质单元高度 总传质单元高度 HOG 或 HOL 则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，主要与填料的性能和塔中气、液两相的流动状况有关。HOG 或HOL值小，表示设备的性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。用传质单元高度 HOG、HOL 或传质系数 KYa、KXa 表征设备的传质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变 KYa 或 KXa 的值变化较大，一般流率增加，KYa（或KXa）增大。HOG 或 HOL

29、 因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。一般吸收设备的传质单元高度在 0.151.5m 范围内。第26页/共63页2023/3/22传质单元数与传质单元高度传质单元数与传质单元高度 类似地气相传质单元高度气相传质单元数液相传质单元高度液相传质单元数当相平衡关系可用 Y*=mX 或 Y=mX+B 表示时，利用不同基准的总传质系数之间的换算关系，以及总传质系数与相内传质系数之间的关系，可导出如下关系式 第27页/共63页2023/3/221、解析法(1)脱吸因数法平衡关系用直线表示将代入（三）传质单元数的求法（三）传质单元数的求法（三）传质单元数的求法（三）传质单元数的求法对于低浓度的气体吸

30、收，用总传质单元数计算填料层高度对于低浓度的气体吸收，用总传质单元数计算填料层高度 Z 时，可避开界面组成时，可避开界面组成 Yi 和和 Xi。若若平平衡衡线线为为直直线线或或在在所所涉涉及及的的浓浓度度范范围围内内为为直直线线段段，直直接接积积分分就就可可得得 NOG 或或 NOL 的的解解析析式式，其求解方式主要有对数平均推动力法和吸收因子法。下面以求解其求解方式主要有对数平均推动力法和吸收因子法。下面以求解 NOG 为例。为例。第28页/共63页2023/3/22令 脱吸因数脱吸因数,是平衡线斜率和操作线斜率的比值,无因次。S愈大，吸收愈难进行 吸收因数吸收因数 第29页/共63页202

31、3/3/22分析分析 ：在气液进出口浓度一定的情况下，吸吸收收率率愈愈高高，Y2愈愈小小，横横坐坐标标的的数数值值愈愈大大，对对应应于于同同一一S值的值的NOG愈大。愈大。S反映吸收推动力的大小反映吸收推动力的大小 在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，若若增增大大S值值，也就是减小液气比L/V，则溶溶液液出出口口浓浓度度提提高高，塔塔内内吸吸收收推推动动力力变变小小，NOG值增大。值增大。横坐标 值的大小，反映了溶质吸收率的高低。对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，值越小，愈大，愈能提高愈大，愈能提高吸收的程度。吸收的程度。第30页/共63页2023/3/22减小S增大液

32、气比 吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低 适宜的S值：同理高吸收率为目的时，高吸收率为目的时，S1S1S1BTBT吸收因数A=L/(mV)是操作线与平衡线斜率的比值。A 值越大，两线相距越远，传质推动力越大，越有利于吸收过程，NOG 越小。A 的倒数(mV)/L 即为脱吸因数S，S值越大，对吸收越不利，由图可知，NOG 越大。第31页/共63页2023/3/22(2)对数平均推动力法吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时 第32页/共63页2023/3/22其中：塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均值，称为对数平均推动力对数平均推动力。时，当 相应的对数平均推动力可用算术平均推动力代替

33、。第33页/共63页2023/3/22写出NOL、NG、NL的表达式。第34页/共63页2023/3/22 例例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分A的mol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y*=2.5X（X、Y均为摩尔比）。试求：1)L/V为(L/V)min的多少倍？2)所需填料层高度；3)若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？第35页/共63页2023/3/22解：解：1

34、)L/V为(L/V)min的倍数第36页/共63页2023/3/222）所需填料层高度脱吸因数法 对数平均推动力法第37页/共63页2023/3/223)尾气浓度下降后所需的填料层高度 尾气浓度 第38页/共63页2023/3/22第39页/共63页2023/3/222、积分法(1)图解积分法当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量 Y 相对应的被积函数的值。其步骤为(1)在操作线和平衡线上得若干组与 Y 相应的值 1/(Y-Y*)；(2)在 Y1 到 Y2 的范围内作 1/（Y-Y*)Y曲线；(3)

35、计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数 NOG。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-XYoY1Y21/(Y-Y*)第40页/共63页2023/3/22(2)数值积分法利用定步长辛普森(Simpson)数值积分公式求解。适用情况：平衡关系符合曲线且已知函数关系 图解积分法虽为一种理论上严格的方法，但计算起来特别繁琐。可采用数值积分法进行计算，例如采用辛普森(Simpson)数值积分法。其方法是：在Y1和Y2之间作偶数等分，对每一个Yi值计算出对应的f(Yi)，并令Y0=Y2(塔顶气相组成)，Yn=Y1(塔底气相组成)，然后按下式进行求解：此外可采用龙贝格方法

36、、高斯积分法等第41页/共63页2023/3/22MMF1F3、近似梯级图解法第42页/共63页2023/3/22分析三角形TF1A 在梯级 T*A*AT中，平均推动力 MMF1F所以，所以，TFTF1 1A A梯级即为一个传质单元高度梯级即为一个传质单元高度第43页/共63页2023/3/22解：已知则又知所以则第44页/共63页2023/3/22例例：在一填料层高度为4m的逆流操作吸收塔内，用清水吸收混合气体中的A组分。混合气的摩尔流速为30koml/(m2h)，组分A的体积分率为5%，要求吸收率为98%。清水的摩尔流速为60koml/(m2h)，已知操作条件下的平衡关系为Y=0.8X。吸

37、收过程为气膜控制，气相总体积吸收系数KYa近似与空气摩尔流速的0.7次方成正比。若塔径，吸收率及其他操作条件不变时，试求以下两种情况下所需的填料层高度：(1)操作压强增加一倍；(2)混合气摩尔流速增加20%。第45页/共63页2023/3/22（四）（四）等板高度法求填料层高度等板高度法求填料层高度 设设填填料料层层由由N N级级组组成成，吸吸收收剂剂从从塔塔顶顶进进入入第第I I级级，逐逐级级向向下下流流动动，最最后后从从塔塔底底第第N N级级流流出出；原原料料气气从从塔塔底底进进入入第第N N级级，逐逐级级向向上上流流动动，最最后后从从塔塔顶顶第第1 1级级排排出出。在在每每一一级级上上，

38、气气液液两两相相的的组组成成达达到到平平衡衡，溶溶质质组组成成由由气气相相向向液液相相转转移移。若若离离开开某某一一级级时时，气气液液两两相相的的组组成成达达到到平平衡衡，则则称称该该级级为为一一个个理理论论级，或称为一层理论板，级，或称为一层理论板，N NT T。等等板板高高度度：分分离离效效果果达达到到一一个个理理论论级级所所需需的的填填料层高度。料层高度。Z Z=HETP=HETPN NT TN NT T完完成成分分离离任任务务，所所需需的的理理论论级级数数（理理论论板板层数）；层数）；HETPHETP等板高度，由实验测定或经验公式计算。等板高度，由实验测定或经验公式计算。Y2=YIX2

39、=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN第46页/共63页2023/3/221 1、解析法求理论板层数、解析法求理论板层数（1）理论板层数的解析表达式（逐板计算法）理论板层数的解析表达式（逐板计算法）当吸收涉及的浓度区间内平衡关系为直线 时 在 层板间任一截面到塔顶范围内作组分A的衡算 平衡关系表示 在 层板间任一截面到塔顶范围内作组分A的衡算 Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN理论板层数的求解理论板层数的求解第47页/共63页2023/3/22将 代入，得：同理，可以推到第N与N+1板与塔

40、顶，即塔顶与塔底间组分A的物料衡算式：两端同减 第48页/共63页2023/3/22克列姆塞尔方程克列姆塞尔方程：溶质的吸收率与理论最大吸收率的比值 相对吸收率相对吸收率 分析相对吸收率与吸收率的区别与联系当X2=0时,A第49页/共63页2023/3/22第50页/共63页2023/3/22第51页/共63页2023/3/22理论板层数理论板层数NT与传质单元数与传质单元数NOG的关系的关系 当 时，当 时，当 时，第52页/共63页2023/3/22（2 2）梯级图解法求理论板层数）梯级图解法求理论板层数第53页/共63页2023/3/22吸收系数是是反反映映吸吸收收过过程程物物系系及及设

41、设备备传传质质动动力力学学特特性性的的参参数数，是设计计算的基本数据，其大小主要受受物物系系的的性性质、操作条件及设备结构质、操作条件及设备结构等三方面的影响等三方面的影响。由于影响因素十分复杂，目前还无通用的计算方法和计算公式。一般是针对具体的物系，在一定的操作条件和设备条件下进行实验，将实验数据整理成相应的经验公式或准数关联式，供计算时使用。获取途径（1）实验测定 （2）经验公式 （3）准数关联式五、吸收系数五、吸收系数第54页/共63页2023/3/22（一）吸收系数的测定（一）吸收系数的测定吸收系数的测定是采用与生产条件相近吸收系数的测定是采用与生产条件相近的吸收塔以及操作条件下进行的

42、吸收塔以及操作条件下进行，这种测定方法依据全塔内的吸收速率方程式进行，因而得到的吸收系数值实际是全塔的平均值。例如当吸收过程在所涉及的浓度范围内平衡关系为直线时，只要测定出气液两相流量及其浓度组成，便可根据填料层高度的计算公式得到平均的总体积吸收系数KYa。VP-填料层体积V,YL,XV,Y2V,Y1L,X1L,X2第55页/共63页2023/3/22吸收系数的经验公式是根据特定系统及一定条件下的实验数据整理而来，因而运用范围较窄。某些体积吸收系数经验公式如下：（二）吸收系数的经验公式（二）吸收系数的经验公式第56页/共63页2023/3/22（三）吸收系数的准数关联式三）吸收系数的准数关联式

43、对吸收过程进行理论分析，将影响因素归纳为几个准数。然后进行实验，确定准数之间的函数关系，从而得到相应的准数关联式，使用时注意应用条件和范围。1.传质过程中常用的4个准数施伍德施伍德(Sherwood)Sherwood)准数准数ShSh它包含待求的膜吸收系数，为反映吸收过程进行难易程度的准数。第57页/共63页2023/3/22施密特(Schmidt)准数Sc它反映物性对吸收过程影响的准数。雷诺(Reynolds)准数Re反映流体流动时湍动程度的准数。伽利略(Gallilio)准数Ga反映液体受重力作用而沿填料表面向下流动时，所受重力与粘滞力相对关系的准数 第58页/共63页2023/3/222

44、.计算气膜吸收系数的准数关联式3.计算液膜吸收系数的准数关联式4 4.气相及液相传质单元高度的计算式气相及液相传质单元高度的计算式第59页/共63页2023/3/22六、强化吸收过程的措施六、强化吸收过程的措施 强强化化吸吸收收过过程程即即提提高高吸吸收收速速率率。吸吸收收速速率率为为吸吸收收推推动动力力与与吸吸收收阻阻力力之之比比，故故强强化化吸吸收收过过程程从从以以下下两两个个方方面面考考虑虑：提高吸收过程的推动力；降低吸收过程的阻力。提高吸收过程的推动力；降低吸收过程的阻力。1 1提高吸收过程的推动力提高吸收过程的推动力（1 1）逆流操作）逆流操作 （2 2）提高吸收剂的流量）提高吸收剂

45、的流量 通通常常混混合合气气体体入入口口条条件件由由前前一一工工序序决决定定，即即气气体体流流量量V V、气气体体入入塔塔组组成成一一定定，如如果果吸吸收收操操作作采采用用的的吸吸收收剂剂流流量量L L提提高高，即即L/VL/V提提高高，则则吸吸收收的的操操作作线线上上扬扬，气气体体出出口口浓浓度度下下降降，吸吸收程度加大，吸收推动力提高，因而提高了吸收速率。收程度加大，吸收推动力提高，因而提高了吸收速率。第60页/共63页2023/3/22（3 3）降低吸收剂入口温度）降低吸收剂入口温度 当当吸吸收收过过程程其其它它条条件件不不变变，吸吸收收剂剂温温度度降降低低时时，相相平平衡衡常常数数将将

46、减减小小，吸吸收收的的操操作作线线远远离离平平衡衡线线，吸吸收收推推动动力力增增加加，从而导致吸收速率加快。从而导致吸收速率加快。（4 4）降低吸收剂入口溶质的浓度）降低吸收剂入口溶质的浓度 当当吸吸收收剂剂入入口口浓浓度度降降低低时时，液液相相入入口口处处吸吸收收的的推推动动力力增增加，从而使全塔的吸收推动力增加。加，从而使全塔的吸收推动力增加。2 2降低吸收过程的传质阻力降低吸收过程的传质阻力（1 1）提高流体流动的湍动程度）提高流体流动的湍动程度吸收的总阻力包括：吸收的总阻力包括：气相与界面的对流传质阻力；气相与界面的对流传质阻力；溶质组分在界面处的溶解阻力；溶质组分在界面处的溶解阻力；

47、液相与界面的对流传质阻力。液相与界面的对流传质阻力。第61页/共63页2023/3/22通通常常界界面面处处溶溶解解阻阻力力很很小小，故故总总吸吸收收阻阻力力由由两两相相传传质质阻阻力力的的大大小小决决定定。若若一一相相阻阻力力远远远远大大于于另另一一相相阻阻力力，则则阻阻力力大大的的一一相相传传质质过过程程为为整整个个吸吸收收过过程程的的控控制制步步骤骤，只只有有降低控制步骤的传质阻力，才能有效地降低总阻力。降低控制步骤的传质阻力，才能有效地降低总阻力。降低吸收过程传质阻力的具体有效措施降低吸收过程传质阻力的具体有效措施：1 1）若若气气相相传传质质阻阻力力大大（气气膜膜控控制制），提提高高气气相相的的湍湍动动程度，如加大气体的流速，可有效地降低吸收阻力；程度，如加大气体的流速，可有效地降低吸收阻力；2 2）若若液液相相传传质质阻阻力力大大（液液膜膜控控制制），提提高高液液相相的的湍湍动动程度，如加大液体的流速，可有效地降低吸收阻力。程度，如加大液体的流速，可有效地降低吸收阻力。（2 2）改善填料的性能）改善填料的性能因因吸吸收收总总传传质质阻阻力力可可用用 表表示示，所所以以通通过过采采用用新新型型填填料料，改改善善填填料料性性能能，提提高高填填料料的的相相际际传传质质面面积积a，也也可降低吸收的总阻力。可降低吸收的总阻力。第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页