化工原理——吸收

第六章吸收【例6-1】总压为101.325kPa、温度为20C时，1000kg水中溶解15kgNH3,此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求此时之溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。解：首先将此气液相组成换算为y与x。NH3的摩尔质量为17kg/kmol，溶液的量为15kgNH3与1000kg水之和。故x“a“a15/1700156n“a“b15/171000/18*y*Pa2.2660.0224P101.325m*y0.02241.436x0.0156由式（6-11）E=P•m=101.325X1.436=145.5kPa或者由式(6-1)E匹2.266145.3kPax0.0156溶剂水的密度ps=1000kg/m3，摩尔质量Ms=18kg/kmol，由式(6-10)计算HHs10000.382kmol/(m3•kPa)EMs145.318H值也可直接由式6-2算出，溶液中NH3的浓度为Ca比mA/MA15/170.869kmol/mVmAms/s151000/1000所以HCaH*0.8690.383kmol/(m3•kPa)Pa2.266【例6-2】在20C及101.325kPa下CO?与空气的混合物缓慢地沿NazCOs溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透过厚1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。气体中CO2的摩尔分数为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收，故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计。CO2在空气中20C时的扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2的扩散速率是多少？解：此题属单方向扩散，可用式6-17计算。扩散系数D=0.18cm2/s=1.8X10-5m2/s扩散距离Z=1mm=0.001m，气相总压力P=101.325kPa气相主体中CO2的分压力pA1=PyA1=101.325X0.2=20.27kPa气液界面上CO2的分压力pA2=0气相主体中空气（惰性气体）的分压力PB1为Pb1PPA1101.32520.2781.06kPa气液界面上空气的分压力PB2=101.325kPa空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为pBmPb2pbi101.32581.0690.8kPa代入式NaIn陀Pb181.06(6-17),得DPRTZPBmPa1PA21.810咤20.27090.88.3142930.0011.67104kmol/(m2•s)【例6-3】含氨极少的空气于101.33kPa,20C被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.15X10-6kmol/（m2•s•kPa）,液膜传质系数kL=1.81X10-4kmol/（m2•s-kmol/m3）,溶解度系数H=1.5kmol/（m3•kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数Kg、Ky；液相总传质系数Kl、Kx。KgkGHkL3.151061.51.811043.24105解：因为物系的气液平衡关系服从亨利定律，故可由式（6-37）求KgKg=3.089x10-6kmol/(m2•s•kPa)由计算结果可见KgqkG此物系中氨极易溶于水，溶解度甚大，属“气膜控制”系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收总系数与气膜吸收分系数极为接近。依题意此系统为低浓度气体的吸收，Ky可按式（KyPKg101.333.0891063.13106-36)来计算。4kmol根据式丄K?(6-37)求1HkLkGKl11.811041.53.151064.815105Kl2.08106/2kmol/(m2.s•kmol)m3同理，对于低浓度气体的吸收，可用式（6-36）求KxKx=Kl-c由于溶液浓度极稀，c可按纯溶剂一一水来计算。s1000...3c—55.6kmol/mMs18Kx=Kl-c=2.08x10-6X55.6=1.16X10-4kmol/(m2•s)【例6-4】由矿石焙烧炉出来的气体进入填料吸收塔中用水洗涤以除去其中的SO2。炉气量为1000m3/h,炉气温度为20C。炉气中含9%（体积分数）SO2,其余可视为惰性气体（其性质认为与空气相同）。要求SO2的回收率为90%。吸收剂用量为最小用量的1.3倍。已知操作压力为101.33kPa,温度为20C。在此条件下SO2在水中的溶解度如附图所示。试求：（1）当吸收剂入塔组成X2=0.0003时，吸收剂的用量（kg/h）及离塔溶液组成X1。（2）吸收剂若为清水，即X2=0，回收率不变。出塔溶液组成X1为多少？此时吸收剂用量比（1）项中的用量大还是小？解：将气体入塔组成（体积分数）y0.091__y1~0.09=0.099kmol（二氧化硫）9%换算为摩尔比/kmol（惰性气体）所以根据回收率计算出塔气体浓度回收率丫一丫L90%丫1丫2丫2=丫1(1—n)=0.099(1-0.9)=0.0099kmol(二氧化硫)惰性气体流量V-1000273V10.0922.427320气体)/h/kmol（惰性气体）37.85kmol（惰性14X1Q-11330例@4附图=0.0105kmol（惰性气体）从例6-4附图查得与丫1相平衡的液体组成X1*=0.0032kmol（SO2）/kmol（1）X2=0.0003时，吸收剂用量根据式（6-44）可求得/s(H2O)L丫1丫2LVminX1X2V13VrLV1.3因为L丫1丫2VX1X2所以X1丫1丫21.3L/VX2LVminLVmin0.0990.00990.00320.000330.739.9137.8539.911830.727155kg/h0.0990.009939.910.0003（二氧化硫）/kmol（水）（2）X2=0，回收率n不变时回收率不变，即出塔炉气中二氧化硫的组成丫2不变，仍为Y2=0.0099kmol（二氧化硫）/kmol（惰性气体）LVmin吸收剂用量=0.00253kmolY1丫2X!0.0990.009927.840.0032LL1.3V1.337.8527.841824630kg/h出塔溶液组成XiY,Y20.0990.0099Xi-2X20L/V36.2=0.00246kmol(SO2)/kmol(H2O)由(1)、(2)计算结果可以看到，在维持相同回收率的情况下，吸收剂所含溶质浓度降低，溶剂用量减少，出口溶液浓度降低。所以吸收剂再生时应尽可能完善，但还应兼顾解吸过程的经济性。【例6-5】用SO2含量为0.4g/100gH20的水吸收混合气中的SO2。进塔吸收剂流量为37800kgH20/h，混合气流量为100kmol/h，其中SO2的摩尔分率为0.09,要求SO2的吸收率为85%。在该吸收塔操作条件下SO2-H2O系统的平衡数据如下：x5.62X10-51.41X10-42.81X10-44.22X10-45.62X10-4*y3.31X10-47.89X10-42.11X10-33.81X10-35.57X10-3x8.43X10-41.40X10-31.96X10-32.80X10-34.20X10-36.98X10-3*y9.28X10-31.71X10-22.57X10-23.88X10-26.07X10-21.06X10-1OG。求气相总传质单元数N解：吸收剂进塔组成吸收剂进塔流量气相进塔组成X20-4/641.13103100/18L~37800/18=2100kmol/h0.0929.891010.09气相出塔组成进塔惰气流量丫2=9.89X10-2X(1-0.85)=1.48X10-2出塔液相组成V=100X(1-0.09)=91kmol/hXVY丫2X22100919・89“81021.131034.77103由X2与X1的数值得知，在此吸收过程所涉及的浓度范围内，平衡关系可用后六组平衡数据回归而得的直线方程达。回归方程为Y*=17.80X-0.008即m=17.80,b=-0.008ef。与此式相应的平衡线见本例附图中的直线操作线斜率为—^!002308V91与此相应的操作线见附图中的直线ab。脱吸因数SmY!2型077L23.08'依式6-61计算Nog：Y1*=mX1+b=17.80X0.00477—0.008=0.0769Y2*=mX2+b=17.80X0.00113-0.008=0.0121Y1=Y1-Y1*=0.0989-0.0769=0.0220丫2=丫2—丫2*=0.0148-0.0121=0.0027Ym0.00920.00200.00270.0220InNog0.09890.01480.00920.00279.1或依式6-59计算NogNogcln10.77ln0.09890.01210.00270.779.1【例6-6】含NH31.5%(体积)的气体通过填料塔用清水吸收其中的NH3,气液逆流流动。平衡关系为Y=0.8X，用水量为最小用水量的1.2倍。单位塔截面的气体流量为0.024kmol/(m2•s),体积总传质系数KYa=0.06kmol/(m3•s),填料层高为6m，试求：出塔气体NH3的组成；拟用加大溶剂量以使吸收率达到99.5%，此时液气比应为多少？解：(1)求丫2应用式(6-64)求解。mvln1mV丫1mX2mVL丫2mX2L1(6-64)已知V/Q=0.024kmol/(m2•s),Kva=0.06kmol/(m3•s),Z=6m,求得HVHOG°.°240.4mKYa0.06NogLNogZ0.415Hog(a)Y1=0.015,m=0.8,X2=0,丄V求得LY1丫2丫1丫20.015Y20.80.015Y2*VminX1X2Y1X20.01500.015m0.8mVmm0.80.0125LL/V1.2L/Vmin1.20.80.015丫20.015丫2已知1.2丄Vmin0.015£mX20.01500.015Y2mX2Y20Y2(b)(c)式(a)、(b)及(c)代入式(5-65),得150.01250.0150.01250.01250.015丫20.015丫2丫20.015丫2用试差法求解丫2,可直接先假设丫2,也可先假设回收率（吸收率）n，由吸收率定义式n=丫1丫2求出丫2,代入上式，看符号右侧是否等于左侧的15,即Nog=15。若等于15，丫1则此假定值即为出塔气体的浓度，计算见本题附表。可得mV~L~0.8~L0.80.8480.943例6-6附表nY2Y1/Y2mV/LNog0.90.0015100.9266.90.950.00075200.8779.80.990.000151000.84217.80.9830.00025558.80.84815（2）吸收率提高到99.5%，应增大液气比。原来液气比由0.848当n=99.5%时丫2=丫1(1-n)=0.015X(1-0.995)=7.5X10-5Y^Xi7.510500.005,Nog=15丫mX20.0150从图6-23查得L/mV=13.5，贝UL/V=13.5Xm=13.5X0.8=1.08即吸收率提高到99.5%时，液气比应由0.943增大到1.08。【例6-7】用洗油吸收焦炉气中的芳烃，含芳烃的洗油经解吸后循环使用。已知洗油流量为7kmol/h，入解吸塔的组成为0.12kmol（芳烃）/kmol（洗油），解吸后的组成不高于0.005kmol（芳烃）/kmol（洗油）。解吸塔的操作压力为101.325kPa，温度为120C。解吸塔底通入过热水蒸气进行解吸，水蒸气消耗量V/L=1.5（V/L）min。平衡关系为Y*=3.16X，液相体积传质系数Kxa=30kmol/（m3•h）。求解吸塔每小时需要多少水蒸气？若填料解吸塔的塔径为0.7m，求填料层高度。解：水蒸气不含芳烃，故丫2=0；X1=0.12VX1X20.120.005nQHQ*0.303LminY1丫23.16120V1.5-1.50.3030.455LLmin水蒸气消耗量为V=0.455L=0.455X7=3.185kmol/h=3.185X18=57.3kg/hXiY2/mXiX2Y2/mX20.120.00524mV3.160.4550.696,mV10.6960.304Nol—1In1—mVmVX1Y2/mX2Y2/mmV1ln0.3040.304240.6966.84用(X2-Y2/m)/(X1—Y2/m)=0.0417、mV/L=1.44，从图6-23查得Nol=6.9，与计算值接近。HOL1-0.303mKxa300.724填料层高度Z=Hol•Nol=0.303X6.84=2.07m【例6-8】在一填料层高度为5m的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气中溶质组分。当液气比为1.0时，溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为Y=0.5X。现改用另一种性能较好的填料，在相同的操作条件下，溶质回收率可提高到95%，试问此填料的体积吸收总系数为原填料的多少倍？解：本题为操作型计算，Nog宜用脱吸因数法求算。原工况下：因X2=0则：丫勺mX2丫11丫2mX2丫21110.910NogIn10.5100.510.53.41Nog1In1S丫-1sy2mX2SmX2其中cmVS0.5L气相总传质单元高度为：53.411.466VZHOGKyaNog新工况（即新型填料）下:Nog丄In0.510.50.510.954.703HogVZ51.063KYaNog4.703KYaHog14661.381.063KYaHog即新型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。讨论：对一定咼度的填料塔，在其它条件不变下，米用新型填料，即可提咼KYa，减小传质阻力，从而提高分离效果。【例6-9】在一逆流操作的填料塔中，用循环溶剂吸收气体混合物中溶质。气体入塔组成为0.025（摩尔比，下同），液气比为1.6,操作条件下气液平衡关系为Y=1.2X。若循环溶剂组成为0.001，则出塔气体组成为0.0025,现因脱吸不良，循环溶剂组成变为0.01，试求此时出塔气体组成。解：两种工况下，仅吸收剂初始组成不同，但因填料层高度一定，Hog不变，故Nog也相同。由原工况下求得Nog后，即可求算出新工况下出塔气体组成。原工况（即脱吸塔正常操作）下：吸收液出口组成由物料衡算求得：X,VYY2X2°0250.00250.0010.0151L1.6吸收过程平均推动力和Nog为：Y1=Y1-mX1=0.025-1.2X0.0151=0.00688丫2=丫2—mX2=0.0025-1.2X0.001=0.0013YmIn0.006880.0013,0.00688In0.00130.00335丫1丫2NOG°.°25°.00256.720.00335新工况（即脱吸塔不正常）下;设此时出塔气相组成为物料衡算可得：丫2'，出塔液相组成为X1',入塔液相组成为X1VLY1丫2迴玉0.0!1.6X2'，则吸收塔（a）Nog由下式求得Nog1,丫1mX1In1mV丫2mX2L1,0.0251.2X1In[12Y21.20.011.64ln咤込6.72丫20.0120.025-1.2X1’=5.366（丫2‘一0.012）联立式（a）和式（b）,解得：丫2‘=0.0127X1‘=0.0177吸收平均推动力为：YmY1丫2Nog0.0250.01270.001836.72讨论：计算结果表明，当吸收-脱吸联合操作时，脱吸操作不正常，使吸收剂初始浓度升高，导致吸收塔平均推动力下降，分离效果变差，出塔气体浓度升高习题已知在25C时，100g水中含1gNH3,则此溶液上方氨的平衡蒸气压为986Pa,在此浓度以内亨利定律适用。试求在1.013X105Pa(绝对压力)下，下列公式中的常数H和m(1)p*=c/H；(2)y*=mx1.013X105Pa、10C时，氧气在水中的溶解度可用下式表示：p=3.27X104x式中p――氧在气相中的分压，Pa;x——氧在液相中的摩尔分率。试求在此温度和压强下与空气充分接触后的水中，每立方米溶有多少克氧。3•某混合气体中含2%(体积)C02,其余为空气。混合气体的温度为30C，总压强为5X1.013X105pa。从手册中查得30C时C02在水中的亨利系数E=1.41X106mmHg。试求溶解度系数H,kmol(m3•kPa)及相平衡常数m，并计算100g与该气体相平衡的水中溶有多少克C02。4.在1.013X105Pa、0C下的O2下的O2与CO混合气体中发生稳定扩散过程。已知相距0.2cm的两截面上。2的分压分别为100和50Pa,又知扩散系数为0.18cm2/s，试计算下列两种情形下。2的传递速率kmol/(m2•s):(1)。2与CO两种气体作等分子反向扩散；(2)CO气体为停滞组分。5•—浅盘内存有2mm厚的水层，在20C的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm的静止空气膜层，此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.60X10-5m2/s,大气压强为1.013X105Pa。求蒸干水层所需时间。于1.013X105Pa、27C下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的浓度很低，平衡关系服从亨利定律。已知H=1.955kmol/(m3-kPa),气膜吸收分系数kG=1.55X10-5kmol/(m2•s-kPa),液膜吸收分系数a=2.08X10-5kmol/(m2•s•kmol•m-3)。试求吸收总系数KG并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。在吸收塔内用水吸收混于空气中的低浓度甲醇，操作温度27C,压强为1.013X105Pa。稳定操作状况下塔内某截面上的气相中甲醇分压为37.5mmHg，液相中甲醇浓度为2.11kmol/m3。试根据上题中的有关数据计算出该截面的吸收速率。&在逆流操作的吸收塔内，于1.013X105Pa、24C下用清水吸收混合气中的H2S,将其浓度由2%降至0.1%(体积百分数)。该系统符合亨利定律，亨利系数E=545X1.013X105Pa。若取吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算操作液气比qmL/qmv及出口液相组成X1。若操作压强改为10X1.013X105Pa而其它已知条件不变，再求L/V及X1。一吸收塔于常压下操作，用清水吸收焦炉气中的氨。焦炉气处理量为5000m3/h，氨的浓度为10g/标准m3,要求氨的回收率不低于99%。水的用量为最小用量的1.5倍，焦炉气入塔温度为30C，空塔气速为1.1m/s。操作条件下的平衡关系为Y*=1.2X，气相体积吸收总系数为Kva=0.0611kmol/(m3•s)。试分别用对数平均推动力法及分析法求气相总传质单元数,再求所需的填料层高度。600m3/h(28C及1.013X105Pa)的空气-氨的混合物，用水吸收其中的氨，使其含量由5%(体积)降低到0.04%。今有一填料塔，塔径D=0.5m，填料层高Z=5m，总传质系数KYa=300kmol/(m3•h),溶剂用量为最小用量的1.2倍。在此操作条件下，平衡关系Y*=1.44X，问这个塔是否适用？11．有一直径为880mm的填料吸收塔，所用填料为50mm拉西环，处理3000m3/h混合气(气体体积按25C与1.013X105Pa计算)其中含丙酮5%，用水作溶剂。塔顶送出的废气含0.263%丙酮。塔底送出的溶液含丙酮61.2g/kg，测得气相总体积传质系数KYa=211kmol/(m3•h),操作条件下的平衡关系Y*=2.0X。求所需填料层高度。在上述情况下每小时可回收多少丙酮？若把填料层加高3m，则可多回收多少丙酮？(提示：填料层加高后，传质单元高度HOG不变。)12•—吸收塔，用清水吸收某易溶气体，已知其填料层高度为6m，平衡关系Y*=0.75X,气体流速G=50kmol/(m2•h)清水流速L=40kmol/(m2•h),yi=o.io，吸收率为98%。求(1)传质单元高度Hog;(2)若生产情况有变化，新的气体流速为60kmol(m2•h),新的清水流速为58.6kmol/(m2•h),塔仍能维持正常操作。欲使其他参数y2,x2保持不变，试求新情况下填料层高度应为多少？假设KYa=AG0.7L0.8。