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吸收与解吸单元实训一、实训目的•（1）了解吸收解吸操作基本原理和基本工艺流程、了解填料塔等主要设备的结构特点、工作原理和性能参数、了解流量、压力、温度等工艺参数的测量原理和操作方法。•（2）能够根据工艺要求进行吸收、解吸生产装置的间歇或连续操作；能够在操作进行中熟练调控各个参数，保证生产维持在工艺条件下正常进行。能实现手动和自动无扰切换操作。能熟练操控DCS控制系统。•（3）能根据异常现象分析判断故障种类、产生原因并排除处理。•（4）能够完成吸收过程和解吸过程的性能测定。二、实训的基本原理•（1）气体吸收是典型的传质过程之一。由于二氧化碳气体无味、无毒、廉价，所以选择二氧化碳作为溶质组分，本实训装置采用水吸收二氧化碳组分。二氧化碳在水中溶解度很小，一般预先将一定的二氧化碳通入空气中混合，以提高空气中二氧化碳浓度，但水中的二氧化碳含量依然很低，所以吸收的计算方法按低浓度处理，此体系吸收过程属液膜控制。•（2）解吸或称脱吸是吸收的逆过程，其传质方向与吸收相反，溶质由液相向气相传递，其目的是为了分离吸收后的溶液，使溶液再生并得到回收后的溶质。•（3）气体通过填料层的压强降：•ΔP,kPa•••图填料层的ΔP～u关系•压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量有关，不同液体喷淋量下填料层的压强降与气速的关系如图•当无液体喷淋即喷淋量时，干填料的ΔP～u的关系是直线，如图中的直线L0。当有一定的喷淋量时,ΔP～u的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将ΔP～u关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。u,m/s0123L3L2L1L0=＞＞000L•（4）传质性能：•吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定是获取吸收系数的根本途径。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。•吸收率是测定吸收操作好坏的一个主要指标，他表示已被吸收的容质量与气相中与原有的容质量的比，吸收率越大吸收越完全，气体的净化度越高。•计算公式为：=Y1-Y2/Y1•式中：Y1----表示入塔气体中可吸收组分（CO2）的摩尔分率。•Y2--表示出塔气体中可吸收组分（CO2）的摩尔分率。三、基本知识•1.吸收：利用气体混合物各组分在液体中溶解度的差异，用液体吸收剂分离气体混合物的单元操作。•吸收所用的液体称为吸收剂或（贫液）溶剂，气体混合物（富气）中被吸收的组分称为吸收质或溶质，不被吸收的组分称为惰性气体（贫气），吸收后得到的液体称为吸收液（富液）或溶液。贫液富气富液贫气三、基本知识2.解吸：从吸收液中分离岀已被吸收的气体吸收质的操作称为解吸。解吸方法：（1）汽提（2）减压（3）加热（4）加热减压工程上很少采用单一的解吸方法，往往是先升温再减压至常压，最后采用汽提法解吸。显然，解吸与吸收是相反的过程三、基本知识生产中解吸的作用有两个：一个是把吸收液中吸收的气体重新释放出来，获得高纯度的吸收质气体；另一个是使吸收液释放了被吸收的气体，使吸收剂重新具有吸收作用，再返回吸收塔循环使用，节约操作费用。三、基本知识•（1）汽提解吸•汽提解吸采用的载气是不含溶质的惰性气体或溶剂蒸气，提供与吸收液相成平衡的气相,将溶质从吸收液中吹出。•吸收液解吸了大部分被吸收的气体后，为了使气体进一步解吸完全，有时向解吸塔中通入水蒸气、空气等气体，降低液面上溶质气体的分压，使吸收液中溶质气体更完全的解吸出来。这一过程称为汽提，所用的水蒸气、空气等气体称为汽提气。三、基本知识•（2）减压解吸若吸收采用加压吸收，解吸可采用减压解吸，使溶质气体从吸收剂中解吸出来。溶质气体被解吸的程度取决于最终解吸压力和温度。•（3）加热解吸当溶质气体在吸收剂中的溶解度随温度的升高而降低较大时，可采用加热解吸。•（4）加热-减压解吸将吸收液加热升温解吸之后再举行减压解吸，加热解吸和减压解吸的结合，能显著提高溶质气体被解吸的程度。三、基本知识3、相组成的表示方法吸收是溶质由气相转移到液相的传质过程。随着吸收过程的进行，组分在气相和液相中的浓度均发生变化，为了研究吸收过程的基本原理，首先应掌握物质在气相或液相中浓度的表示方法。用x（X）表示液相组成，用y（Y）气相组成。4、平衡溶解度在一定的温度和压力下，气体和液体两相接触时，气体中的溶质组分便溶解在液相中，随着吸收过程的进行，溶质气体在液相中的浓度逐渐增加；同时，溶解在液相中的气体也不断地返回到气相中去。在操作初期，过程以吸收为主，但经过一定时间，溶质从气相进入液相和从液相返回气相的速率相等，气液两相的组成亦不再变化，三、基本知识•气相和液相达到动态平衡，此时，液相中溶质的浓度达到最大值。气液平衡时，溶质在液相中的含量称为气体在液相的平衡溶解度，简称溶解度。气液平衡时，溶液上方溶质的分压称为平衡分压。•4、亨利定律•当气、液相处于平衡状态时，溶质气体在两相中的浓度存在着一定的分布关系，这种关系可以用亨利定律来表明。•在一定温度和总压不超过506.5kpa的情况下，多数气体溶解后形成的溶液为稀溶液，气液平衡时，溶质在液相中的溶解度与其在气相中的平衡分压成正比，这一规律称为亨利定律。•亨利定律用数学表达式为p*＝Ex式中p*——溶质在气相中的平衡分压，Pa；x—溶质在液相中的摩尔分率；E—亨利系数，Pa。对于给定物系，亨利系数E随温度升高而增大。在同一溶剂中，易溶气体的E值很小，而难溶气体的E值很大。常见物系的亨利系数可从手册中查到。•5、吸收机理——双膜理论根据双膜理论，吸收过程的机理如下：•（1）吸收质从气相主体以对流扩散的方式到达气膜边界，•（2）到达气膜边界吸收质以分子扩散的方式穿过气膜到达相界面，在界面上溶质溶解在液相中，•（3）溶解在液相中的溶质又以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜界面上，•（4）到达液膜界面上的溶质以对流扩散方式转移到液相主体。双膜理论的基本要点如下：•（1）吸收过程中，气液两流体相共有一个相界面（简称界面）。在相界面的两侧分别为气膜和液膜，膜内流体做层流流动。双膜以外的区域为气相和液相主体。在两相主体中，流体做湍流流动。•（2）相界面上，气液两相中溶质的浓度处于平衡状态。界面上不存在传质阻力。•（3）气、液两相主体内部流体处于充分的湍流状态，无传质阻力，不存在浓度差。过程传质阻力全部集中在两膜（气膜和液膜）内。在以上的传质过程中，溶质在界面上及气液主体中的传质阻力很小，其阻力主要集中在气膜和液膜中。因此要想强化吸收，就要设法减小传质阻力，即两膜的厚度。流速越大，气膜和液膜的厚度越薄，故增大流速，可以减少传质阻力，提高吸收速率。四、设备以及吸收剂•由吸收的基本理论和吸收的机理可知，要使吸收操作顺利进行，必须使气液两相充分接触，形成稳定的气膜和液膜，因此吸收操作必须在满足上述条件的吸收设备中进行；要进行规模化生产必须满足：•1、合适的气液传质设备；•2、合适的吸收剂；•3、吸收剂的能够再生循环使用•工业生产中，吸收过程是在吸收设备即吸收塔内完成的，所使用吸收塔类型很多，常用的有填料塔，板式塔，旋流板塔，喷射塔，文丘里吸收器，喷洒塔等，其中填料塔应用最广。吸收设备应该满足：气液相接触良好，吸收速率大，设备阻力小，操作范围稳定，结构简单，维修方便。四、设备以及吸收剂一、填料塔的结构•填料塔是吸收操作中使用最广泛的一种塔型。填料塔由塔体、填料、塔内件等部件组成。塔体一般是用钢板制成的圆筒形，在特殊情况下也可用陶瓷或者塑料制成。塔内充填有一定高度的填料层，填料的下面为支撑板，填料上面有填料压板及液体分布器，必要时需将填料层分段，段与段之间设置液体再分布器。2、填料塔的工作原理操作时，吸收剂由塔顶部的液体分布器分散后，沿填料表面向下流动，润湿填料表面；气体自塔底向上穿过填料层，与吸收剂逆向流动，吸收过程通过填料表面上的液层与气相间的界面进行。填料塔单位容积内吸收面积的大小，主要与填料的结构及液体分布的均匀程度有关。3.填料塔的辅助设备•（1）支承板在填料塔中，支承板的作用是为了支承填料和填料上的持液量。因此支承板首先要有足够的强度和刚度；另外还要具有大于填料层空隙率的开孔率，保证气体和液体能自由通过，以免在此首先发生液泛。常用的支承板有栅板、升气管式等（2）液体分布器液体分布器的作用是把液体均匀地分布在填料表面上。•如果液体分布不均，会减少填料的有效传质面积，促使液体发生沟流，从而降低吸收效果。常用液体分布器有莲蓬式、管式、盘式、槽式、排管式、环管式等多种形式。（3）液体再分布装置液体再分布装置作用是用来改善液体在填料层中向塔壁流动的效应的，一般设置在填料的段与段之间。（4）气、液体进口及出口液体的出口装置既要便于塔内排液，又要防止夹带气体，可采用水封装置。填料塔的气体的进口装置应具有防止塔内下流的液体进入管内，又能使气体在塔截面上分布均匀。（5）除沫装置除沫装置的作用：是用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴。常用的除沫装置有：折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器等。•二、吸收剂的选择由吸收原理可知，吸收操作是气液两相之间的接触传质过程，吸收操作的成功与否在很大程度上取决于溶剂即吸收剂的性质，特别是吸收剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据气液平衡关系可知，选择吸收剂的主要依据包括以下几点。•1、溶解度吸收剂应对混合气体中被分离的溶质组分有较大的溶解度，从平衡角度而言，处理一定量的混合气体所需要的吸收剂的量较少，处理后的气体中溶质残余浓度亦较低，即溶质在吸收剂中的溶解度越大，则吸收速率越大,吸收剂用量越少。•2、选择性吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分的溶解度较小，即基本上不吸收,或吸收甚微,即吸收剂应具有较高的选择性。否则不能实现混合气体的有效分离。•3、容易再生溶质在吸收剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，。而且随温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。•4、挥发度吸收剂的挥发度越小,则吸收剂损失量越小,分离后气体中吸收剂含量也越小。•5、粘度吸收剂应有较低的粘度，在吸收过程中不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离，同时，吸收剂粘度越小,流动性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且传质阻力减小。四、设备以及吸收剂•6、其它吸收剂应满足无毒、无腐蚀性、不易燃、不发泡、冰点底、价廉易得、具有化学稳定性等经济和安全条件。三大–对A和B的溶解度差异要大–对A的溶解度要大–对A的溶解度在条件改变时变化要大三小–挥发性小–粘度小–腐蚀小四、设备以及吸收剂•三、吸收剂的再生循环使用—解吸从吸收液中分离岀已被吸收的气体吸收质的操作称为解吸。•升高温度，降低压力，有利于解吸的进行，所以解吸过程大部分在减压、加热下进行，也有些在减压、等温下进行。五、填料的类型和特性一、填料的作用填料的作用是为气、液两相提供充分的接触面积，加快吸收速率。二、填料的类型和特性填料的种类很多，大致可以分为实体填料和网体填料。填料一般用陶瓷，不锈钢，碳钢，塑料，木材等制成。1、拉西环拉西环是工业上最老的应用最广泛的一种填料。它的构造是外径和高度相等的空心圆柱。在强度容许的情况下，其壁厚应当尽量减薄，以提高空隙率并减小堆积的重度。拉西环结构简单，价格低廉，但液体的沟流及壁流现象较严重，操作弹性范围较窄，气体阻力较大等。（a）（b）（c）（d）•2、鲍尔环在普通的拉西环壁上开有上下两层长方形窗孔，窗孔部分的环壁形成叶片向环中心弯入，在环中心相搭，上下两层小窗位置交叉，如右图所示，其气体阻力小，压降低，液体分布较均匀，填料效率较高，操作弹性范围较大•3、阶梯环阶梯环是在鲍尔环的基础上进行了进一步的改进。阶梯环的总高为直径的5/8，圆筒的一端有向外翻卷的喇叭口，如右图所示。阶梯环的空隙率大，而且填料个体之间呈点接触，可使液膜不断更新，传质效率高，压力降小。••4、矩鞍形填料是一种敞开形填料，填装于塔内则互相处