分离工程第4章气体吸收和解吸

14.1多组分吸收和解吸过程分析4.2吸收和解吸过程流程4.3多组分吸收和解吸过程简捷计算4.4化学吸收第4章气体吸收和解吸2§4.1多组分吸收和解吸过程分析一、吸收和解吸二、工业生产中的吸收过程三、吸收过程的分类四、吸收过程的特点3一、吸收和解吸•吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程•吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称为吸收剂被吸收的气体混合物称为溶质•当吸收过程用于中间产物分离时，离开吸收塔的吸收液需进行解吸操作，其作用是将溶质从吸收液中驱赶出来，并使吸收剂获得再生，所以解吸是吸收的逆过程。4二、工业生产中的吸收过程1234净化或精制气体分离气体混合物将最终气态产品制成溶液或中间产品废气治理5•①净化或精制气体•为除去原料气中所含的杂质，吸收是最常用的方法。•如用乙醇胺液脱出石油裂解气或天然气中的硫化氢;乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中原料气的脱硫、脱卤化物;合成甲烷工业中的脱硫、脱CO2;二氯乙烷生产过程中用水去除氯化氢等。6•②分离气体混合物•用以得到目的产物或回收其中一些组分•如石油裂解气的油吸收，将C2以上的组分与甲烷、氢分开；用N-甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来；焦炉气的油吸收以回收苯；乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中,用吸收法分离反应气体中的环氧乙烷等。7•③将最终气态产品制成溶液或中间产品•将气体中需用的组分以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品。•如用水吸收氯化氢气体制成盐酸；•在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；•用水吸收丙烯腈作为中间产物等。8•④废气治理•很多工业废气中含SO2、NOx（主要是NO及NO2），汞蒸汽等有害成分，虽然浓度一般很低，但对人体和环境的危害甚大，而必须进行治理，这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。•选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气处理中应用较广的方法。9二氧化碳的吸收过程10三、吸收过程的分类⑴按组分的相对溶解度的大小①单组分吸收只有一个组分在吸收剂中具有显著的溶解度，其它组分的溶解度均小到可以忽略不计。如制氢工业中，将空气进行深冷分离前，用碱液脱出其中的二氧化碳以净化空气，这时CO2仅在碱液中具有显著的溶解度，而空气中的氮、氧、氩等气体的溶解度均可忽略。11⑴按组分的相对溶解度的大小②多组分吸收气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个,吸收目的产物的同时也吸收了其他组分。如用油吸收法分离石油裂解气，除氩以外，其它组分都程度不同的从气相溶到吸收剂中。12⑵吸收过程有无化学反应①物理吸收所溶组分与吸收剂不起化学反应②化学吸收溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。13②化学吸收溶质与溶剂有显著的化学反应发生。1)可逆反应的化学吸收过程难点：汽液平衡，化学反应速率2）不可逆反应的化学吸收过程难点：连串反应、不是瞬时完成的反应14⑶吸收过程温度变化是否显著①等温吸收气体吸收相当于由气态变液态，所以会产生近于冷凝热的溶解热化学吸收过程中，有溶解热+反应热吸收过程温度变化不明显②非等温吸收吸收过程温度变化明显15⑷按吸收量的多少①贫气吸收•吸收量不大，对吸收塔内的吸收剂和气体量影响不大•恒摩尔流•恒温操作②富气吸收吸收量大的情况16⑸按汽液两相接触方式和采用的设备形式①喷淋吸收•填料塔或空塔：气、液两相都连续•淋降板塔：气相连续，液相分散②鼓泡吸收•鼓泡塔或泡罩塔：液相保持为连续相，气相分离为小气泡通过液层17⑸按汽液两相接触方式和采用的设备形式③降膜吸收•降膜式吸收器，使气、液两相均连续，用于吸收热效应大的情况。吸收剂顺着管壁形成一层液膜，由于重力作用而往下流动，原料气以一定的流率逆流向上，两相在管壁中进行传质过程，产生的吸收热通过管壁传给冷凝剂，不断被冷凝剂带走。18•每一具体的吸收过程以采用哪一种分类方法为宜，完全视何种分类方法能较准确的反映出该具体过程的特点来衡量•如采用油吸收法分离石油气，在进行吸收计算时，应突出说明它是多组分吸收，在计算进行过程中，应考虑到它是一个非等温吸收，在比较采用何种设备时，应考虑到使用鼓泡吸收还是喷淋吸收或其它等。19化学反应吸收温度单组分吸收多组分吸收相对溶解度吸收量汽液接触方式吸收过程分类物理吸收化学吸收喷淋吸收鼓泡吸收降膜吸收等温吸收非等温吸收贫气吸收富气吸收恒摩尔流恒温操作20四、吸收过程的特点⑴原理不同•吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的•精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离⑵塔式不同•精馏有简单塔和复杂塔•最简单的吸收为复杂塔21最简单的吸收为精馏中的复杂精馏，即两股进料，两股出料。被分离的气体混合物均是从吸收塔的下部进入，在塔内自下而上的运动过程中与从塔顶喷淋下来的液体吸收剂作用，溶解度较低的气体（亦称为惰性气体）不被吸收而从吸收塔顶部排出，吸收剂从塔顶喷入后，在与气体混合物的接触过程中不断吸收易溶解的组分，最后吸收剂与被吸收的易溶组分一起从吸收塔底排出。22⑶传质形式不同•吸收是单向传质，精馏是双向传质•在精馏操作中，汽液两相接触，汽相中的较重组分向液相中传质（冷凝）,液相中的较轻组分向汽相中传质（汽化）,所以传质过程是在两相中交替进行•当轻、重组分的摩尔汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流23⑷温度范围、变化不同•汽相：组分沸点差大，有些组分接近于临界点——非理想气体•液相：吸收剂量大——稀溶液•在精馏过程中，由于汽化潜热与冷凝潜热相互利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，而且从塔顶向下，温度逐渐升高。•每个级上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程定出•吸收要采用热量衡算来确定温度的分布24⑸物料的预分布不同•精馏可按清晰分割和非清晰分割进行物料的预分布•吸收每端既有进料，又有出料•需在确定满足关键组分分离要求所需的理论板数的同时，做出物料预分布25⑹精馏有两个关键组分，吸收有一个关键组分⑺组分分布不同•精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值，非关键组分在进料级上下形成几乎恒浓的区域•吸收过程，轻组分（即难溶组分）一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小•重组分（易溶组分）主要在塔底附近的若干级上被吸收•关键组分在全塔范围内被吸收26§4-2吸收和解吸过程流程一、单纯吸收工艺流程二、吸收-解吸法三、吸收蒸出塔27•吸收剂与被吸收的易溶组分一起从吸收塔底排出后，一般要把吸收剂与易溶组分分离开，即解吸过程，解吸过程一般可采用的方法有：加热升温；减压闪蒸；精馏解吸。•分离后易溶组分单独作为一种气体产品送出，而吸收剂则再送回吸收塔内循环使用。§4-2吸收和解吸过程流程28欲分离氨气＋空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨水在水中的溶解度最大，而空气几乎不溶于水。流程如图所示上述密闭容器能否用作工业吸收设备？密闭容器水（溶剂）氨气（浓度低）＋空气氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)可以,但吸收效果不好,原因在于气、液两相接触情况不好29一、单纯吸收工艺流程单塔单纯吸收流程图多塔串联单纯吸收流程图30单纯吸收工艺流程31单纯吸收工艺流程32单纯吸收工艺流程33•该法用于气体混合物通过吸收方法将其分离为惰性气体和易溶气体两部分的情况。•解吸的常用方法是使溶液升温，以减小气体溶质的溶解度，所以在解吸塔底部没有加热器，可用直接蒸汽和再沸器的形式，通过加热器提供热量使易溶组分蒸出并从解吸塔顶排出，解吸塔底的吸收剂经冷却再送往吸收塔循环使用。•解吸塔也可采用精馏塔，可起到提高蒸出溶质的纯度和回收吸收剂的作用。二、吸收-解吸法34吸收-解吸法35吸收-解吸法36•当吸收尾气中某些组分在吸收剂中有一定的溶解度，为保证关键组分的纯度采用吸收蒸出塔，即将吸收塔与精馏塔的提馏段组合在一起，原料气从塔中部进入，进料口上面为吸收段，下部为蒸出段，当吸收液（含有关键组分和其它组分的溶质）与塔釜再沸器蒸发上来的温度较高的蒸汽相接触，使其它组分从吸收液中蒸出，塔釜的吸收液部分从再沸器中加热蒸发以提供蒸出段必须的热量，大部分则进入蒸出塔内部使易溶组分与吸收剂分离开，吸收剂经冷却后再送入吸收塔循环使用。•一般只适用关键组分为重组分的场合。三、吸收蒸出塔37只适用关键组分为重组分的场合吸收蒸出塔38吸收蒸出塔39§4-3多组分吸收和解吸过程简捷计算一、吸收过程工艺计算的基本概念二、吸收因子（吸收因素）三、吸收因子法的基本方程四、平均吸收因子法五、平均有效吸收因子法40§4-3多组分吸收和解吸过程简捷计算•一、吸收过程工艺计算的基本概念•1、吸收、解吸作用发生的条件*iipp*iiyy*iipp*iiyy吸收：溶质由气相溶于液相解吸：溶质由液相转入气相与液相组成xi成平衡的气相中i的分压和摩尔分数412、吸收过程的限度•塔釜：NiiNixKy,1,确定了吸收液中组分的最大浓度0,1,iiixKy塔顶：规定了设计回收塔的分离要求或尾气中i组分的最小浓度423、吸收过程的平衡级•离开n板的气体混合物与离开n板的吸收液达到相平衡，即iiixKypTxTyVNNN,,,,,00111和关键组分的分离要求求：NLxLyVNN,,,,,011详细计算还应包括nnnVLT,,4、计算内容可调设计变量为1操作型计算：指定为理论级数设计型计算：指定为关键组分的吸收率已知：43二、吸收因子（吸收因素）i组分的吸收因子iiVKLA⑴吸收因子因组分而异⑵A值的大小可以说明在某一具体的吸收塔中过程进行的难易程度⑶吸收因子与操作条件有关iiAKTiiAKp⑷解吸过程LKVAS1分离要求一定：A↑→N↓；N一定：A↑→吸收程度↑44三、吸收因子法的基本方程1、相平衡关系方程nininixKy,,,或nnnxKynnnnnLlKVvnnnnnnnvAvKVLlAvl同理，解吸过程：lSv452、物料平衡方程对i组分作全塔物料平衡：NNNNxLyVxLyV110011NNlvlv101NNNAvvlv101NNNAvlvv10146对n级i组分作物料衡算：11nnnnlvlv111nnnnnnvAvvAv1111nnnnnAvAvv11110210021AlvAvAvvn　　47111221021321132AAlvAvAvAvvn　　1)1(22101312AAAlAvAv11)1(13322101312432243AAAAlAvAAvAvAvvn　　1)1(33232102142213AAAAAAlAAvAAAv48　　Nn1)1(2101211112121NNNNNNNNNAAAAAlAAAvAAAAAAv┉┉┉┉┉┉┉NNNAvlvv1011112132102121111NNNNNNNNNNNNNNNAAAAAAAAAAvlAAAAAAAAAAvvv┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉　吸收因子法的基本方程，称为哈顿-富兰格林（HortonFranklin）方程49物料平衡方程讨论：⑴Horton—Franklin式的左端iNNiivvv吸收率组分加入量组分被吸收掉的量111⑵式的右端，包括了各塔板数的相平衡常数，液气比和塔板数，即Horton—Franklin方程关联了吸收率、吸收因子和理论板数NAfnii,,⑶试差法求解步骤1）设：各级的温度相平衡),,(21NTTT各级上各组分iK50各级上的气相流率物料衡算NVVV,,21各级上的液相流率nL由nniLVK,,得niA,2）由niA,求niv,3）校核：nniVv,热量衡算→