题目

[例 2-7] 在逆流操作的填料塔中,用三乙醇胺的水溶液吸收碳氢化合物气体中有害-|||-组分H2S。入塔气体中含2.91%(体积)的H2S,要求吸收率不低于99%。操作温度为300-|||-K,压强为101.33kPa,操作条件下的平衡关系为 =2X 进塔溶剂中不含H22S。出塔溶剂-|||-中H2S的组成 _(1)=0.013 已知单位塔截面积上单位时间内流过的混合气体量为0.01566-|||-/((m)^2cdot s), 气相总体积吸收系数 _(Ga)=0.000395kmol/((m)^3cdot scdot kpa) 试求:-|||-(1)所需填料层高度;-|||-(2)吸收剂的实际用量为最小用量的倍数。

题目解答

答案

解析

本题主要考察填料塔吸收过程的相关计算，包括填料层高度的计算以及吸收剂实际用量与最小用量倍数的计算。解题思路如下：

（1）计算所需填料层高度

  • 计算气相摩尔比：
    • 已知入塔气体中$H_2S$的体积分数$y_1 = 0.0291$，根据气相摩尔比公式$Y=\frac{y}{1 - y}$，可得入塔气相摩尔比$Y_1=\frac{y_1}{1 - y_1}=\frac{0.0291}{1 - 0.0291}=0.02997$。
    • 已知吸收率$\varphi_{A}=0.99$，则出塔气相摩尔比$Y_2 = Y_1(1 - \varphi_{A})=0.02997\times(1 - 0.99)\approx0.0003$。
    • 进塔溶剂中不含$H_2S$，所以$X_2 = 0$，出塔溶剂中$H_2S$的组成$X_1 = 0.013$。
  • 计算气相总传质单元高度$H_{OG}$：
    • 已知单位塔截面积上单位时间内流过的混合气体量$\frac{G}{S}=0.0156\ kmol/(m^2\cdot s)$，则气相摩尔比摩尔流率$\frac{V}{S}=\frac{G}{S}(1 - y_1)=0.0156\times(1 - 0.0291)=0.01515\ kmol/(m^2\cdot s)$。
    • 已知气相总体积吸收系数$K_{G}a = 0.000395\ kmol/(m^3\cdot s\cdot kPa)$，操作压强$P = 101.33\ kPa$，则$K_{Y}a = P\times K_{G}a = 101.33\times0.000395 = 0.04\ kmol/(m^3\cdot s)$。
    • 根据气相总传质单元高度公式$H_{OG}=\frac{V/S}{K_{Y}a}$，可得$H_{OG}=\frac{0.01515}{0.04}=0.379\ m$。
  • 计算气相总传质单元数$N_{OG}$：
    • 脱吸因数法：
      • 已知平衡关系$Y = 2X$，则相平衡常数$m = 2$。
      • 脱吸因数$S=\frac{mG}{L}=\frac{m(V/S)}{(L/S)}=m\frac{X_1 - X_2}{Y_1 - Y_2}=2\times\frac{0.013}{0.02997 - 0.0003}=0.8763$。
      • $\frac{Y_1 - Y_2}{Y_2 - Y_2^*}=\frac{0.02997 - 0.0003}{0.0003 - 0}=100$。
      • 根据脱吸因数法计算气相总传质单元数公式$N_{OG}=\frac{1}{1 - S}\ln[(1 - S)\frac{Y_1 - Y_2}{Y_2 - Y_2^*}+S]$，可得$N_{OG}=\frac{1}{1 - 0.8763}\ln[(1 - 0.8763)\times100 + 0.8763]=20.9$。也可通过查图（本题未详细说明查图过程）得到$N_{OG}=21$。
    • 对数平均推动力法：
      • 塔顶气相总推动力$\Delta Y_1 = Y_1 - mX_1 = 0.02997 - 2\times0.013 = 0.00397$。
      • 塔底气相总推动力$\Delta Y_2 = Y_2 - mX_2 = 0.0003 - 2\times0 = 0.0003$。
      • 对数平均推动力$\Delta Y_m=\frac{\Delta Y_1 - \Delta Y_2}{\ln\frac{\Delta Y_1}{\Delta Y_2}}=\frac{0.00397 - 0.0003}{\ln\frac{0.00397}{0.0003}}=0.00142$。
      • 根据对数平均推动力法计算气相总传质单元数公式$N_{OG}=\frac{Y_1 - Y_2}{\Delta Y_m}$，可得$N_{OG}=\frac{0.02997 - 0.0003}{0.00142}=20.9$。
  • 计算填料层高度$Z$：
    • 根据填料层高度公式$Z = H_{OG}\times N_{OG}$，可得$Z = 0.379\times21 = 7.96\ m$，实取$8\ m$。

（2）计算吸收剂的实际用量为最小用量的倍数

  • 计算吸收剂的最小用量$L_{min}$：
    • 根据吸收剂最小用量公式$(\frac{L}{S})_{min}=\frac{V/S}{Y_1 - Y_2}\times\frac{Y_1 - mX_2}{Y_2^* - X_2}$，当$X_2 = 0$，$Y_2^* = 0$时，$(\frac{L}{S})_{min}=\frac{V/S}{Y_1 - Y_2}\times\frac{Y_1}{m}$。
    • 已知$\frac{V}{S}=0.01515\ kmol/(m^2\cdot s)$，$Y_1 = 0.02997$，$Y_2 = 0.0003$，$m = 2$，则$(\frac{L}{S})_{min}=\frac{0.01515}{0.02997 - 0.0003}\times\frac{0.02997}{2}=0.03\ kmol/(m^2\cdot s)$。
  • 计算吸收剂的实际用量$L$：
    • 由物料衡算$V(Y_1 - Y_2)=L(X_1 - X_2)$，可得$L=\frac{V(Y_1 - Y_2)}{X_1 - X_2}=\frac{0.01515\times(0.02997 - 0.0003)}{0.013 - 0}=0.03458\ kmol/(m^2\cdot s)$。
  • 计算吸收剂的实际用量为最小用量的倍数：
    • 倍数$\frac{L}{L_{min}}=\frac{0.03458}{0.03}=1.153$。