第四节低浓度气体吸收.docx

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第四节低浓度气体吸收

第四节 低浓度气体吸收

§吸收进程的数学描述

大体方式：

物料衡算、热量衡算，列出吸收进程的速度式。

一、低浓度气体吸收的特点：

y≤5～10%，x亦<10%（塔内吸收的A量不多），可作假设：

1．G、L为常量

2．吸收进程为等温进程

因吸收量少，溶解热引发的液温升高不明显，因此进程是等温的，不需要作热量衡算。

3．传质系数为常量

G、L为常量，因此全塔的流动状况相同，又温度不变，故G、L也不变。

（kg、kL的阻碍因素为ρ、μ、u、d、D）

二、流体流动模型是理想的

1．每一截面上各点的浓度相同，只与轴向位置有关，

2．流体等速平行运动，互不混合，呈均匀散布。

三、物料衡算微分方程式

对象：

高度dH的微元填料层

∴

又设微元填料层内溶质的传质速度为

，

——提供的相间有效接触面积（相间传质面积），

不同于填料的比表面。

填料吸收塔中，在多数情形下，不是所有表面均被液体润湿，另外，也不是所有的润湿表面上传质活性都相同，在多数情形下，由于在液体表面上形成波纹，和部份液体呈滴状和飞沫状，因此活性表面（相际接触面积）可超过填料的比表面。

的大小一样由实验测定。

∴关于气体物衡为

关于液体物衡为

四、相际传质速度方程式

依照双膜理论，那么吸收塔内任一截面上气液两相浓度转变可用以下图表示：

则气相传质速率方程式

而

P——总压

关于液相传质速度方程式

而

——溶液摩尔浓度，

其中

，

假设物系服从亨利定律时：

 或 

现由∵

        =

 ∴  

          =

          =

令

  与液相浓度C相平稳的气液分压

∴

——与气相总吸收推动力

相对应的传质系数，气相总传质系数，

又 

=

=

=

令

∴

——与液相总吸收推动力

相对应的总传质系数，液相总传质系数

同理

——与气相总吸收推动力

相对应的传质系数，气相总传质系

——与液相总吸收推动力

相对应的传质系数，液相总传质系

其中

而关于解吸进程，那么解吸的速度方程为

解吸推动力与吸收推动力恰好相反。

五、传质速度方程的各类表达式

=单相的总吸收（传质）推动力×总传质系数

 =单相的分吸收（传质）推动力×分传质系数

=

=

=

相平稳方程

假设概念摩尔比

则 

=

§ 界面浓度与传质阻力分析

一、界面浓度的求取

∵

∴

或

（1）

～

知足直线关系

假设已知相平稳关系，那么

（2）相平稳方程

由

（1）、

（2）两式联立求解那么得（

，

）；

专门地，平稳关系知足亨利定律时，那么

与

（1）联立很容易求得

，

。

方式之二为作图法，即在x～y坐标中

a点为塔内任一截面处的x，y坐标；

b点则为界面，其坐标为

，

。

平衡曲线方程为

二、传质阻力分析——气膜阻力操纵和液膜阻力操纵

由于

——气相总传质阻力

——气相分传质阻力

——液相分传质阻力（

的m倍）

若

则

  气膜阻力操纵

而由

若

则

   液膜阻力操纵

传质强化方法：

气膜操纵（易溶气体），选择吸收设备和确信操作条件时要降低

增大气体流率，以降低

液膜操纵（难溶气体），选择吸收设备和确信操作条件时要降低

增大气体流率，以降低

若是

，二者相当，m值界于1～100，中等溶解能力，如

、丙酮蒸汽溶于水。

必需同时↑

或改变溶剂。

§低浓度气体吸收进程的计算

一、吸收进程的积分表达式

由物料衡算微分方程式

用

or

代入上二式，那么

∵G、T、L必然，

、

为常数

∴若m为常数，那么

、

也为常数。

又∵

不易求得，故将

与

归并为一个整体来实测。

——气相整体积传质系数，

——液相整体积传质系数，

设气相中溶质浓度转变为y1至y2，填料层高度侧从0至H，因此积分上式：

同理积分

二、传质单元数与传质单元高度

令

   传质单元数，无因次；

        传质单元高度，m；

则   

同理令

和

中所含的变量仅与物质的相平稳

和进出口的浓度条件

有关，而与设备的型式和设备中的操作条件（如流速）等有关。

和

反映了分离任务的难易程度。

如

或

的数值太大，或说明吸收剂性能太差，或说明分离要求太高。

和

与G、L及

、

有关，即与设备的型式、操作条件有关。

它是吸收设备效能高低的反映。

一样G↑→

↑（

～）或L↑→

↑（

～）

～  or  

～

或

值范围：

～。

具体数值须由实验测定。

又因NA的表达式不同，那么传质单元数和单元高度的表示也不同，见下表：

三、操作线与推动力的转变规律

要对

或

积分，须找到

或

随y、x的转变规律。

对图中虚框作物衡

此方程反映的是y～x之间关系，这种关系叫操作关系，此方程称为操作线方程。

=

y～x直线关系

当

，

点B

塔顶

，

点A

塔底（全塔物衡式）

在y～x图上作出操作线（AB线），附上平稳线

由图可见，推动力

或

的变化规律是由操作线与平衡线共同决定的。

并且，操作线远离平衡线，则

越大，

越大；反之亦真。

四、吸收剂再循环和返混

1．再循环

假设循环量

，那么

若

不变，那么

点，推动力下降，因此，一样情形下吸收剂再循环吸收不利。

可是，在以下两种情形下采纳吸收剂再循环将是有利的：

1）吸收进程有显著的热效应，大量吸收剂再循环不可降低吸收剂出塔温度，平稳线向下移动（如图中红线），那么全塔平均推动力反而有所提高。

2）吸收目的在于取得浓度x1较高的液相产物，按物料衡算所需的新鲜吸收剂量过少，以至不能维持塔内填料良好的润湿，现在采纳吸收剂再循环，推动力的降低将可由容积传质系数

的增加所补偿。

（

↓但

↓）

2．（轴向）返混

返混是指实际传质设备内部少量流体自身由下游返回至上游的现象。

产生返混的缘故有多种，要紧有下面两种：

1）能够由流体的流动速度不均匀产生。

流体流经截面的流体速度往往不均匀，存在必然的散布，不同于柱塞流，不均匀的流动速度会致使返混。

2）轴向扩散致使返混

现考察塔内液体局部返混对传质进程的阻碍。

轴向返混可形象地描述如以下图中：

在液气比及两相进出口浓度皆相同的条件下，液体局部存在轴向返混时，使推动力下降，从而使完成同一分离任务所需的塔高增加。

因此，返混对传质造成了不利了的阻碍。

§传质单元数的其它计算方式

一、吸收因数法（解析法）

以逆流操作为例

操作线方程

或

设平稳关系

则

=

=

=

=

令

解吸因数    

吸收因数

∴

专门地

即

两直线平行，那么

∴

同理

二、传质单元数的数值积分法

假设平稳线

为曲线，那么

不能用对数平均推动力法或解析法求取。

的计算可采纳数值积分法或图解法进行。

由定积分的物理意义知，

的数值积分法为：

Simpson积分法为在

至

间作偶等分，取得

然后按 

式中

为步长，

为偶数。

值愈大，计算结果愈准确。

三、传质单元数的梯级图解法

∵

塔高由

个

组成。

现讨论气体流经一个单元高度所产生的浓度转变：

∵

∴

由此可在y、x按以下步骤作图：

（以逆流操作为例）

Step1：

在y～x坐标中作出平稳线OE与操作线AB；（见以下图）

Step2：

在平稳线与操作线之间作曲线MN，使MN线恰好等分AB与OE两线间的垂直距离；

Step3：

自A点起作一水平线AD，此线交MN曲线于M1，且使

；

Step4：

自D点作垂直线DF，因图中△

和△ADF相似，能够证明

，

假设将平稳线

近似为直线，那么

又∵DF=

，

，

DF=

∵

、

相差不大，故

∴△ADF梯级为一个传质单元，即

Step5：

以此类推，由A至B点作出假设干个梯级，从而求得传质单元数

数量。

△   

∽△ADF

DF=

A1F1近似为直线，

=

∴

△   ADF梯级为一个传质单元

一样，假设在AB与OE之间作一曲线恰好平分其间的水平距离，仿照上述方式也可求出

。

§ 吸收塔的设计型计算

一、设计型计算的命题

设计要求：

计算达到指定的分离要求所需的塔高（填料层高度、塔有效高度）

给定条件：

，相平稳关系及分离要求

分离要求的表示有：

①   目的是除去有害的物质，一样规定

（残余浓度）

②   目的是回收有效物质，一样规定溶质的回收率

关于低浓度气体吸收，∵

，那么

为了要计算塔高H，须明白

（

）或

（

），

、

涉及吸收塔的类型及其在操作条件下的传质性能，一样由实验测得或由体会公式求得。