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252学习情景三吸收过程及设备的选择与操作1、了解吸收操作在化工生产中的重要应用，熟悉工程上常见的气体吸收与解吸方案，能根据生产任务选择正确的吸收与解吸方案；2、掌握吸收与解吸的基本原理，能根据生产任务确定合理吸收操作参数。3、熟悉吸收与解吸过程中常用设备的结构、性能，会根据任务进行相关设备的选型和简单设计。4、掌握吸收与解吸装置的操作与控制要点，能熟练操作吸收与解吸装置。引言前已介绍，非均相混合物系一般用沉降、过滤等方法来分离；那么均相混合物又该如何分离呢？由于均相混合物系有气态均相混合物和液态均相混合物之分，从本学习情境三开始介绍均相气态混合物的分离方法。均相气体混合物分离方法目前有吸收法和吸附法二种。吸附法是将多孔性固体物料与气态或液态混合物进行接触，有选择地使流体中的一种或几种组分附着于固体的内外表面，从而使混合物中各组分得以分离方法。用于气相分离时主要目的是分离和纯化气体混合物，如常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从各种气体中分离回收H2、CO、CO2、CH4、C2H4等，但这种方法处理气体的能力有限。对于大量气体混合物的分离则普遍使用吸收法。吸收是分离气体混合物的最常用的单元操作。它利用混合气体中各组分在所选择的液体中溶解程度的差异，有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液，其它未溶解的组分仍保留在气相中，以达到从混合气体中分离出某组分的目的。吸收在化工生产中应用甚为广泛，主要有以下几个方面：（1）分离混合气体以获得一个或几个组分。如：从裂化气或天然气的高温裂解气中分离乙炔，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。（2）除去有害组分以净化气体。如：合成氨工业中用水或碱液脱除原料气中的二氧化碳，用铜氨液除去原料气中的一氧化碳等。学习目标253（3）制取成品。如：用水吸收氯化氢以制取盐酸，用水吸收甲醛以制取福尔马林等。（4）废气处理、尾气回收。如：磷肥生产中，放出的含氟废气具有强烈的腐蚀性，可采用水及其它盐类经吸收制成有用的氟硅酸钠、冰晶石等，硝酸尾气中含氮的氧化物可以用碱吸收制成硝酸钠等有用物质。吸收是一个单向传质过程，即仅有气相中的易溶组分由气相向液相转移。在吸收操作过程中，能够溶解于液体中的气体组分称为吸收质（或溶质）；而不能溶解的气体组分称为惰性组分（或载体）；所用的液体称为吸收剂（或溶剂）；吸收操作所得到的液体称为溶液（或吸收液），其主要成分为吸收剂和溶质；被吸收后的气体称为吸收尾气，其主要成分应为惰性气体，还有残余的吸收质。下面我们基于合成氨生产工艺中原料气脱除CO2分离任务的完成来学习有关吸收操作的知识。工作任务某合成氨厂原料气脱二氧化碳方案的制定和实施这是一个典型的气体混合物的分离任务，要完成此任务，首先我们必须了解工程上常用的脱除合成氨原料气中二氧化碳的方法有哪些？如前所述工程上脱除气体混合物中二氧化碳的方法也是吸附法和吸收法二种。吸附法虽然二氧化碳脱除率高，但该方法处理能力较小，有效气体消耗较大并且能耗较高，是精细分离和纯化气体的操作方法。且这种方法操作压力低，所以不适宜用于处理量大且杂质氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为硝酸等其它化工产品的原料。合成氨的原料是氮氢混合气。原料气中的氢气主要由天然气、石脑油、重质油、煤、焦炭、焦炉气等原料制取。由任何含碳原料制得的原料气，经变换后都含有相当数量的二氧化碳，在合成之前必须清除干净。同时二氧化碳是生产尿素、碳酸氢铵和纯碱的重要原料，还制成干冰用于食品等其它行业。因此二氧化碳可以回收利用。某合成氨厂变换气经过初脱碳后，原料气中CO2含量为？？9%（体积），其余主要成分为N2、H2和少量CO，已知该厂年产量为24万吨合成氨（折算原料气量为100000Nm3/h）。现工艺要求必须将原料气中CO2浓度降到1%以下，分离出的二氧化碳气体可根据需要送往尿素工段作为原料或送往附近某特气厂生产干冰。请为该企业拟定一个从原料气中分离出二氧化碳的方案。254组分浓度高的混合气体的分离。本任务中原料气的处理量大且CO2的含量也高，因此，应选择目前合成氨厂普遍使用的吸收法来脱除原料气中二氧化碳。吸收法脱除CO2就是选取一种溶剂作为吸收剂，利用原料气中CO2与其它组分在选取的溶剂中溶解度的差异（CO2在其中的溶解度大，而N2、H2在其中几乎不溶），将CO2选择吸收，以达到脱除CO2的目的。由于吸收法脱除CO2的工艺方案有多种，要完成总的生产任务，实现脱除目标必须按序完成以下几个任务：1、选择合理的吸收工艺方案2、在已有吸收方案中进一步选择合适的吸收剂并确定其用量？3、确定性能好经济合理的吸收设备4、学会吸收装置的操作与运行255模块一吸收方案的选择要选择适当的吸收方案，首先要了解吸收的分类方法及工业常见的吸收二氧化碳方案。工业生产中利用溶液吸收法脱除二氧化碳的方案有很多，主要分为二大类：一类是循环吸收法，既溶液吸收二氧化碳后在再生塔中解吸出纯态的二氧化碳以提供生产尿素的原料等，再生后的溶液循环使用。另一类是将吸收二氧化碳与生产产品联合起来同时进行，称为联合吸收法，例如碳铵、联碱和尿素的生产过程。本学习情境只介绍循环吸收法，有关联合吸收法的知识可查阅化学肥料和纯碱生产工艺学。一、循环吸收法的分类循环吸收法可分为物理吸收法和化学吸收法等。1、物理吸收法在吸收过程中，如果吸收质与吸收剂之间不发生显著的化学反应，可认为仅是气体溶解于液体的物理过程，则称为物理吸收。物理吸收操作的极限主要决定于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度。利用二氧化碳能溶于水或者有机溶剂的性质完成，例如水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯脂法等。2、化学吸收法在吸收过程中，吸收质与吸收剂之间发生显著的化学反应，则称为化学吸收。化学吸收操作的极限主要决定于当时条件下反应的平衡常数。利用二氧化碳具有酸性特征而与碱性物质反应将其吸收，主要有：氨水法：CO2+NH3H2O=（NH4）HCO3乙醇胺法（改良乙醇胺法）：CO2+H2O+（HOCH2CH2）2NCH3=（HOCH2CH2）2CH3NH++HCO3-热钾减法（热的碳酸钾水溶液）：CO2+H2O+K2CO3=KHCO33、物理─化学吸收法吸收过程既具有物理吸收过程也具有化学吸收过程。例如环丁砜法和多胺法。不管物理吸收还是化学吸收如果在吸收过程中，混合气体中只有一个组分进入吸收剂，其余组分皆可认为不溶解于吸收剂，这样的吸收过程称为单组分吸收。如果混合气体中有两个或更多个组分进入液相，则称为多组分吸收，如用热钾碱法中碳酸钾溶液吸收CO2的同时也会对混合气体中的H2S进行吸收，这就是典型的多组分吸收。吸收质溶解于吸收剂时，有时会释放出相当大的溶解热或反应热，结果使液相温度逐256渐升高。如果放热量很小或被吸收的组分在气相中浓度很低，而吸收剂的用量相对很大时，温度变化并不明显，则称为等温吸收。若放热量较大，所形成的溶液浓度又高，温度变化很剧烈，这样的吸收过程称为非等温吸收。通常物理吸收放出热量是由溶解热引起的，化学吸收热量主要是由反应热引起的，化学吸收热效应要比物理吸收大。二、吸收解吸收方案的认识在循环吸收法中，为了得到较纯净的吸收质或回收吸收剂循环使用，常常需要将吸收质从吸收剂中分离出来。使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸或脱吸。解吸是吸收的相反过程，通常是使溶液与惰性气体或水蒸汽在解吸装置中接触，气体溶质则逐渐从溶液中释放出来。在实际生产中往往采用吸收与解吸的联合流程，吸收后即进行解吸，在操作中两者相互影响和制约。应该注意的是对于化学吸收，如果吸收过程中发生了不可逆的化学反应，解吸就不能发生。案例一洗油回收煤气中苯图3-1是一个回收煤气中苯的吸收-解吸联合装置流程示意图。在焦炉煤气的生产过程中，由于煤气中含有少量的苯和甲苯类低碳氢化合物的蒸汽，应予以回收。所用吸收剂是煤焦油的精制品（煤焦油中230～300℃的馏分），称为洗油。图3-1用洗油回收煤气中苯的吸收与解吸流程含苯煤气在常温下由吸收塔底部进入塔内，温度为27～30℃洗油从塔顶淋下，气液两相逆流流动，并在塔内填充物（木栅等物）上接触，进行传质，使苯等转溶到洗油中，含257苯量降到规定要求（煤气中苯族烃含量为2g/m3）的脱苯煤气由塔顶排出。吸收苯的洗油（含苯量约2.5％，称为富油）从塔底进入富油贮槽。为了分离出富油中溶解的苯等，需对吸收剂进行解吸，目的是回收苯及使洗油循环使用（亦称吸收剂的再生）。解吸过程在解吸塔中进行，即将富油用泵从贮槽中抽出，经富油加热器加热至规定温度后，从顶部进入解吸塔，与从解吸塔底部通入的过热水蒸汽接触，则富油中的苯等在高温下解吸出被水蒸汽带走，经冷凝后进入分层槽，由于苯的密度比水小，故在上层，水在下层，将水除去即可得到苯类液体。富油脱苯后（亦称贫油）从塔底进入洗油贮槽，用泵抽出经冷却器冷却至规定温度，即可作为循环使用的吸收剂再次送入吸收塔中。1、这是物理吸收过程还是化学吸收过程？2、为什么贫油进吸收塔前要经过冷却器降温，在吸收塔和解吸收塔之间的换热器有什么作用？案例二碱性栲胶-钒酸盐水溶液脱除H2S如图3-2所示的是利用碱性栲胶钒酸盐水溶液脱除半水煤气中的硫化氢工艺方案。栲胶是酚类物质（丹宁）作为载氧体可焦钒酸钠氧化成偏钒酸钠，再生时可由空气将还原态栲胶氧化。脱硫原理如下：（TQ------氧化型栲胶；THQ----还原型栲胶）NaCO3+H2S→NaHS+NaHCO32NaHS+4NaVO3+H2O→Na2V4O9+4NaOH+2SNa2V4O9+TQ+NaOH+H2O=NaVO3+THQTHQ+O2→TH+H2ONaHCO3+NaOH→Na2CO3+H2O从电除尘来的半水煤气进接力风机进口水封，由接力风机升压至1000mmH2O左右进入各风机的出口水封，然后气体从脱硫塔底部进、塔顶出，在塔内与从塔顶向下洒的栲胶碱溶液在填料的润湿表面充分接触，吸收并脱除H2S，从脱硫塔顶出来的气体中含H2S应＜15毫克/标准米3，分别经两个除沫器，再经两个旋流板除去碱沫后，送往压缩机一段。一定组份的栲胶溶液（也称贫液）自循环槽经贫液泵升压0.6Mpa左右送往脱硫塔顶，溶液自塔顶流向塔底，充分润湿填料表面与气体接触，吸收半水煤气中的H2S气体，吸收H2S后的溶（富液）从脱硫塔底流到反应槽内，进入反应槽内的液体再经富液泵加压0.6Mpa左右。经溶液加热器加热进入喷射再生器，自吸空气，富液与空气在喉管处混合后进再生槽，再生后的溶液经液位调节器全部回到循环槽，以后照此反复循环使用。硫泡沫在再生槽内浮洗分离，溢流至硫泡沫槽，在硫泡沫槽用蒸汽加热至70~90℃搅拌沉硫，再经分离放入熔硫釜，回收固体硫磺，釜内清液靠虹吸作用流至虹吸罐，罐内沉渣回釜，清液去循环槽。258图3-2栲胶法脱除H2S的吸收与再生流程1、这是物理吸收过程还是化学吸收过程？2、在这一工艺流程中，H2S最终转变成了什么？案例三乙醇胺法吸收二氧化碳如图3-3所示的是乙醇胺法吸收二氧化碳的吸收解吸联合流程。图3-3乙醇胺法吸收二氧化碳流程将合成氨原料气从底部进入吸收塔，塔顶喷乙醇胺液体，乙醇胺吸收了CO2后从塔底259排出，从塔顶排出的气体中含CO2可降到0.2%-0.5%。将吸收塔底排出的含CO2的乙醇胺溶液用泵送至加热器，加热(130°C左右)后从解吸塔顶喷淋下来，塔底通入水蒸气，乙醇在高温、低压(约300kPa)下自溶液中解吸。从解吸塔顶排出的气体经冷却、冷凝后得到可用的CO2。解吸塔底排出的溶液经冷却降温(约50°C)、加压(约1800kPa)后仍作为吸收剂。这样吸收剂可循环使用，溶质气体得到回收。该吸收过程为化学吸收过程。任务解决1既然吸收方案有物理吸收与化学吸收之分，由大量的工程经验资料，可查出它们的各自特点如下。化学吸收的优点是：①由于选用的吸收剂能够有选择地与溶解在液相中的溶质进行反应，使得化学吸收具有较高的选择性。②化学反应将溶解在液相中的溶质组分转化为另一种物质，使得溶解平衡向溶解方向移动，降低了溶