5.4吸收的物料衡算（课件）-《化工单元操作（第三版） 》同步教学（化工版·2022）

第5章 气体吸收 5.4 吸收的物料衡算 低浓度气体吸收的特点 1.贯穿填料层（以后简称全塔）的气液相摩尔流率V、L均可视为常量，其单位为：kmol/(m2.s) ； 2.全塔可视为等温吸收（略去了溶解热效应）； 3.传质分系数k y 、 k x在全塔不同截面处均可视为常量。 设计型计算：给定混合气体处理量、Y1和回收率(Y2)选择适宜的吸收剂、操作条件吸收剂的最小用量实际用量选择填料操作流速塔径传质系数填料层高度……。 计算类型：设计型计算、操作型计算 吸收剂和惰性气体的量通过 吸收塔前后无变化. 气体:自下而上 液体:自上而下 V– 惰性气体的摩尔流量，kmol(B)/s(h) L – 吸收剂的的摩尔流量，kmol(S)/s(h) Y – 气体中溶质的摩尔比，kmol(A)/kmol(B); X-- 液体中溶质的摩尔比，kmol(A)/kmol(S); 一、全塔物料衡算 3 设吸收过程无物料损失,根据质量守恒定律 4 L/V—液气比 即处理1kmol惰性气体的原料所用纯吸收剂量的kmol数. 吸收率φ :分离指标 即气相中被吸收的吸收质的量与气相中原有的吸收质的量之比. 由前面的式子可得:Y2=Y1(1-φ) 生产中,V、L、Y1、X2为已知,若再知φ，即可求出出口液浓度X1。 5 二、吸收操作线 在吸收塔上任取一截面， 气液相浓度为Y、X， 又物料衡算： VY1+LX=VY+L X1 整理可得：下式 6 吸收塔的操作线方程，操作线在X –Y 坐标系内是一条直线，操作线斜率为 L/V，称为液气比。 7 8 关于操作线的说明： ①吸收操作线方程是由物料衡算得出的，与液气比和塔一端的气液组成有关，与吸收速率、温度、压力、接触状态、塔型无关。 ②操作线与平衡线的垂直距离表示总推动力△Y，水平距离距离表示总推动力△X，操作线与平衡线的距离越远，其传质推动力越大。 ③吸收操作线位于平衡线的上方，脱吸操作线位于平衡线的下方（精馏操作线位于平衡线的下方）； 9 ④逆流吸收塔塔底为浓端，塔顶为稀端；并流操作吸收塔塔顶截面Y大、X小，塔底截面Y小、X大； ⑤降低吸收剂的温度、提高总压；选择对溶质溶解度大的吸收剂；改物理吸收为化学吸收都将使平衡线下移，从而增大吸收推动力，提高吸收速率。 10 三、吸收剂用量 一、吸收剂用量的确定 1、已知V、Y1、Y2、和X2，确定L； L/V= （Y1-Y2)/（X1-X2） 2、吸收剂用量对吸收的影响： V由生产任务确定,T点固定,L↑,L/V↑ ,A点沿Y=Y1左移,则操作线离平衡线距离变远，推动力↑，对一定的分离任务,则可减少所需的传质面积，设备费用↓,但吸收剂用量、运输及回收等操作费用↑； 11 L↓,L/V↓ ,A点沿Y=Y1右移,则操作线离平衡线距离变近，推动力↓，对一定的分离任务,则要增加所需的传质面积，设备费用↑,当L/V↓，与平衡线相交时，X=X1*,塔底流出液浓度与刚进混合气中吸收质浓度平衡，吸收推动力为零，传质面积无限大，实际生产无法达到，是吸收的一种极限，此时的液气比为最小液气比。如下图所示： 12 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 13 最佳吸收剂用量：使设备费和操作费总和最少。 吸收剂的经验法确定： 3、确定最小液气比（L/V）min（或Lmin）； ① 操作线与平衡线相交，B点移至B* 处，X1=X1*； 14 ② 操作线与平衡线相切， X1=X1*。 式中：X1* -- 与Y1平衡的液相组成或切线上与Y1对应的液相组成； 平衡关系符合亨利定律 X1* = Y1/m； 4、确定实际液气比 L/V（或L）； L/V = （1.1～2.0）(L/V)min ； L =(1.1 ～2.0) Lmin; 选择吸收剂用量时应考虑以下两方面： （1）因吸收剂用量的大小与吸收塔的操作费和设备费密切相关，所以应通过经济核算选择一适宜液气比。 （2）吸收剂用量除了应大于最小用量之外，还应满足能将全部填料表面充分润湿这一要求。 16 二、塔径的计算 塔径计算式为 D—吸收塔的塔径；m VS—混合气体的体积流量,应以进塔气体的体积流量计m3/s； u—空塔气速，通常取液泛气速的0.6～0.8倍，即u=(0.6～0.8)umax； 计算的塔径应按我国压力容器公称直径的标准进行圆整。 17 练习题 1、用纯水吸收混合气中的丙酮。如果吸收塔混合气进料为200kg/h，丙酮摩尔分数为10%，纯水进料为1000kg/h，操作在293K和101.3kPa下进行，要求得到无丙酮的气体和丙酮水溶液。设惰性气体不溶于水（MB=29kg/kmol），试问吸收塔溶液出口浓度为若干？ 2、用清水吸收混合气体中的氨