题目

用一逆流操作的解吸塔,处理含CO2的水溶液,处理-|||-量为 40t/ 时,使水中的CO2含量由 times (10)^-5 降至 times (10)^-6 (均为-|||-摩尔比),塔内水的喷淋密度为 /((m)^2cdot h), 进塔空气中-|||-含CO2量为0.1%(体积分率),空气用量为最小空气用量的20-|||-倍,塔内操作温度为25℃,压力为 /(m)^2, 该操作条件下的-|||-亨利系数 =1.6times (10)^5k(N/{m)^2}, 液相总体积吸收系数 _(X)a=-|||-/((m)^3cdot h) 试求:-|||-(1)空气用量 ^3/h (以25℃计);-|||-(2)填料层高度。

题目解答

答案

解析

考察知识

解吸塔的计算，包括最小气液比、空气用量、填料层高度的计算，涉及亨利定律、物料衡算、对数平均推动力法和吸收因数法。

详细步骤

(1) 空气用量计算

  1. 亨利系数转化：
    操作压力 $P = 100\ \text{kN/m}^2 = 100\ \text{kPa}$，亨利系数 $E = 1.6 \times 10^5\ \text{kN/m}^2$，相平衡常数 $m = \frac{E}{P} = \frac{1.6 \times 10^5}{100} = 1600$。

  2. 最小气液比：
    解吸塔物料衡算：$G_{\min} = \frac{L(x_1 - x_2)}{y_1^* - y_2}$，其中：

    • 液相流量 $L = \frac{40\ \text{t/h}}{18\ \text{kg/kmol}} = 2222.2\ \text{kmol/h}$
    • 进口 $x_1 = 8 \times 10^{-5}\ \text{kmol(CO}_2\text{)/kmol(H}_2\text{O)}$，出口 $x_2 = 2 \times 10^{-6}\ \text{kmol(CO}_2\text{)/kmol(H}_2\text{O)}$
    • 进口空气 $y_2 = 0.1\%\ (\text{体积}) = 0.001\ \text{kmol(CO}_2\text{)/kmol(空气)}$
    • 平衡气相 $y_1^* = \frac{x_1}{m} = \frac{8 \times 10^{-5}}{1600} = 5 \times 10^{-8}\ \text{kmol(CO}_2\text{)/kmol(空气)}$
      最小气液比：$\frac{G_{\min}}{L} = \frac{x_1 - x_2}{y_2 - y_1^*} \approx \frac{8 \times 10^{-5} - 2 \times 10^{-6}}{0.001 - 5 \times 10^{-8}} \approx 0.0614$。

  3. 实际空气用量：
    $G = 20G_{\min} = 20 \times 0.0614 \times 2222.2 \approx 27.29\ \text{kmol/h}$，换算为体积（25℃，100kPa）：
    $V = \frac{GRT}{P} = \frac{27.29 \times 8.314 \times 298.2}{100 \times 10^3} \approx 676.6\ \text{m}^3/h$。

(2) 填料层高度计算

  1. 传质单元高度 $H_{OG}$：
    喷淋密度 $U = 8000\ \text{kg/(m}^2\text{·h)}$，液相摩尔流量 $L = 2222.2\ \text{kmol/h}$，塔截面积 $A$ 满足 $L = \frac{U}{18}A$，则：
    $H_{OG} = \frac{L}{K_XaA} = \frac{U/18}{K_Xa} = \frac{8000/18}{800} \approx 0.556\ \text{m}$。

  2. 传质单元数 $N_{OG}$：
    对数平均推动力法：

    • 塔顶推动力 $\Delta x_2 = x_2 - \frac{y_2}{m} = 2 \times 10^{-6} - \frac{0.001}{1600} \approx 1.375 \当前 \times 10^{-8}$
    • 塔底推动力 $\Delta x_1 = x_1 - \frac{y_1}{m}$，由物料衡算 $y_1 = y_2 + \frac{L}{G}(x_1 - x_2) \approx 0.00735$，则 $\Delta x_1 \approx 8 \times 10^{-5} - \frac{0.00735}{1600} \approx 5.4 \times 10^{-5}$
    • 对数平均推动力 $\Delta x_m = \frac{\Delta x_1 - \Delta x_2}{\ln(\Delta x_1/\Delta x_2)} \approx 1.84 \times 10^{-5}$
    • $N_{OG} = \frac{x_1 - x_2}{\Delta x_m} \approx \frac{8 \times 10^{-5} - 2 \times 10^{-6}}{1.84 \times 10^{-5}} \approx 4.22$。

    吸收因数法：
    吸收因数 $A = \frac{1}{mG/L} = \frac{1}{1600 \times 0.0614/20} \approx 0.0509$，$N_{OG} = \frac{1}{1 - A}\ln\left[(1 - A)\frac{x_2 - y_2/m}{x_1 - y_1/m} + A\right] \approx 4.22$。

  3. 填料层高度：
    $h = H_{OG} \times N_{OG} \approx 0.556 \times 4.22 \approx 2.3\ \text{m}$。