题目

用填料塔从一混和气体中吸收所含的苯。混合气体-|||-中含苯5%(体积分率),其余为空气,要求苯的回收率为90%,-|||-吸收塔为常压操作,温度为25℃,入塔混合气体为每小时940m^3-|||-(标准状况),入塔吸收剂为纯煤油,煤油的耗用量为最小耗用量-|||-的1.5倍,已知该系统的平衡关系 Y=0.14X (其中Y、X为摩尔-|||-比),气相总体积传质系数 _(Ya)=0.035kmol/((m)^3cdot s) ,纯煤油-|||-的平均相对分子质量为 Ms=170 ,塔径 D=0.6m 。-|||-试求:-|||-(1)吸收剂的耗用量(单位为 kg/h) ;-|||-(2)溶剂出塔浓度;-|||-(3)填料层高度。

题目解答

答案

解析

本题是填料塔吸收苯的设计型计算问题，涉及低浓度吸收的物料衡算、最小液气比、传质单元高度及填料层高度计算，需采用摩尔比表示气液组成。

（1）吸收剂耗用量计算

关键步骤：

  1. 摩尔比转换：
    进口混合气体中苯的摩尔分数 $y_1 = 0.05$，转化为摩尔比：
    $Y_1 = \frac{y_1}{1 - y_1} = \frac{0.05}{1 - 0.05} = 0.0526 \, \text{kmol苯/kmol空气}$
    出口气体苯回收率 $\eta = 90\%$，则出口摩尔比： $Y_2 = Y_1(1 - \eta) = 0.0526 \times 0.1 = 0.00526 \, \text{kmol苯/kmol空气}$

  2. 惰性气体流率 $V$：
    标准状况下气体流量 $940 \, \text{m}^33/\text{h}$，惰性气体（空气）流率：
    $V = \frac{940}{22.4} \times (1 - 0.05) = 39.87 \, \text{kmol空气/h}$

  3. 最小液气比 $(\frac{L}{V})_{\text{min}}$：
    平衡关系 $Y = 0.14X$，纯溶剂入塔 $X_2 = 0$，最小液气比最小值：
    $(\frac{L}{V})_{\text{min}} = \frac{Y_1 - Y_2}{Y_1 - mX_2} = \frac{0.0526 - 0.00526}{0.14 \times 0} = \frac{0.04734}{0.0526/0.14} = 0.126$

  4. 实际液气比与吸收剂用量：
    实际液气比 $\frac{L}{V} = 1.5 \times 0.126 = 0.189$，惰性液体流率：
    $L = V \times 0.189 = 39.87 \times 0.189 = 7.535 \, \text{kmol煤油/h}$
    煤油分子量 $M_s = 170$，质量流率：
    $G_S = L \times M_s = 7.535 \times 170 \approx 1281 \, \text{kg/h}$

（2）溶剂出塔浓度

全塔物料衡算：

$V(Y_1 - Y_2) = L(X_1 - X_2)$
$X_2 = 0$，则：
$X_1 = \frac{V(Y_1 - Y_2)}{L} = \frac{frac{0.0526 - 0.00526}{0.189} \approx 0.25 \, \text{kmol苯/kmol煤油}$

（3）填料层高度计算

步骤1：传质单元高度 $H_OG$：

$H_OG = \frac{V}{K_{Ya} \times \Omega}$ ]
塔截面积 $\Omega = \frac{\pi D^2}{4} = \frac{\pi \times 0.6^2}{4} \approx 0.2827 \, \text{m}^2$，代入：
$H_OG = \frac{39.87}{0.035 \times 0.2827 \times 3600} \approx 1.12 \, \text{m}$

步骤2传质单元数 $N_OG$

平均推动力法：
平衡线 $Y = 0.14X$，塔顶推动力 $\Delta Y_1 = Y_1 - mX_1 = 0.0526 - 0.14 \times 0.2 = 0.0176$ )
塔底推动力 $\Delta Y_2 = Y_2 - mX_2 = 0.00526 -$
对数平均推动力：
$\Delta Y_m = \frac{\Delta Y_1 - \Delta Y_2}{\ln(\Delta Y_1/\Delta Y_2)} = \frac{0.0176 - 0.00526}{\ln(0.0176/0.00526)} \approx 0.0109$
$N_OG = \frac{Y_1 - Y_2}{\Delta Y_m} = \frac{0.04734}{0.0109} \approx 4.35$

步骤3填料层高度：

$h = H_OG \times N_OG \approx 1.12 \times 4.35 \approx 5.2 \, \text{m}$