化工基础概论第四章吸收

第四章吸收4.1吸收操作在工业生产中的应用吸收是分离气体混合物的重要单元操作。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。工业上吸收操作通常在吸收塔中进行，如图4-1为在填料塔中进行的逆流吸收操作。吸收剂自塔顶上部喷淋而下，混合气体由塔底进入，气、液两相在塔内进行逆流接触，由于气、液两相中的吸收质存在浓度差，即气相中吸收质的浓度大于液相中吸收质的浓度，因此混合气体内吸收质就转移到了吸收剂中，吸收尾气从塔顶排出，在塔底部得到了溶液。4.1吸收操作在工业生产中的应用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。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。4.2吸收操作分类及吸收剂的选择4.2.1吸收操作分类4.2.2气体在液体中的溶解度4.2.3吸收剂的选择4.2.1吸收操作分类在吸收过程中，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。如果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。在吸收过程中，若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。吸收质溶解于吸收剂时，有时会释放出相当大的热，结果使液相温度逐渐升高。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。本章主要讨论低浓度、单组分的等温物理吸收。4.2.1吸收操作分类在吸收操作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。解吸是吸收的逆过程，解吸的操作方法通常是使溶液与惰性气体或水蒸汽在解吸塔中相遇，气体溶质则逐渐从溶液中释放出来，于塔底收取纯净的溶剂，而塔顶则得到所脱出的溶质与惰性气体或与蒸汽的混合物。操作中通入的惰性气体、水蒸气是分别通过在总压一定的情况下降低吸收质的分压、升高溶液温度来达到解吸的目的的。4.2.2气体在液体中的溶解度在一定的温度下，使某一定量的可溶性气体溶质与一定量的液体溶剂在密闭的容器内相接触，溶质便向溶剂转移。经过足够长的时间以后，就会发现气体的压力和该气体在溶液中的浓度不再变化。此时并非没有气体分子进入液体，而是由于在任何瞬间内，气体进入液体的分子数与从液体中逸出并返回到气体中的气体分子数相等之故，所以宏观上过程就象停止一样，这种状况称为相际动态平衡，简称相平衡。在此平衡状态下，溶液上方气相中溶质的压力称为当时条件下的平衡压力，而液相中所含溶质气体的浓度即在当时条件下气体在液体中的溶解度。习惯上溶解度是以在一定的温度和溶质气体的平衡压力下，溶解在单位质量的液体溶剂中溶质气体的质量数表示，Kg气体溶质/Kg液体溶剂。4.2.2气体在液体中的溶解度只有处于不平衡状态的气液相接触，才有可能发生吸收现象。在气液系统中，只要液相中吸收质的实际浓度小于平衡浓度或气相中吸收质的分压大于平衡分压，吸收质就从气相转入液相，吸收过程一直进行到相平衡为止。所以相平衡是物理吸收过程的极限，该极限取决于溶解度。溶解度的大小是随物系、温度和压力而异，通常由实验测定。如图4-2、4-3、4-4分别表示出氨气、二氧化硫和氧气在水中溶解度与其气相平衡压力之间的关系。图中的关系线称为溶解度曲线。将图4-2、4-3、4-4进行比较，可以发现：温度、压力一定时，氨的溶解度最大、二氧化硫其次、氧溶解度最小。这说明氨易溶解于水、氧难溶解于水。我们都知道如果要使一种气体在溶液中达到一定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力，由图可见，温度一定时，同样质量的氨、二氧化硫、氧各溶解于一定量的水，氨在其溶液上方的平衡压力最小，二氧化硫的平衡压力居中，氧在其溶液上方的平衡压力最大。4.2.2气体在液体中的溶解度显然：对应于同样浓度的气体溶液，易溶气体溶液上方的平衡压力小，而难溶气体溶液上方的平衡压力大。换言之，如欲获得一定浓度的气体溶液，对于易溶气体所需的平衡压力较低，而对于难溶气体所需的平衡压力则很高。由图还可发现，这三种物质的溶解度曲线表现出同样的变化趋势：当压力一定时，温度越低，溶解度越大，气体越容易被吸收；当温度一定时，压力越高，溶解度越大,气体越容易被吸收。这说明加大压力和降低温度可以提高溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减小压力则降低溶解度，对吸收操作不利。图4-4氧气在水中的溶解度4.2.3吸收剂的选择如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，如用HCl气体生产盐酸，溶剂只能用水，自然没有选择的余地。如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的溶剂。在吸收操作中，吸收剂性能的优劣，常常是吸收操作好坏的关键。在选择吸收剂时，应注意考虑以下几方面的问题：1、所选用的吸收剂必须有良好的选择性，即吸收剂对吸收质要有较大的溶解度而对其它惰性组分的溶解度要极小或几乎不溶解。这样可以提高吸收效果、减小吸收剂的用量；吸收速率也大、设备的尺寸便小。2、所选择的吸收剂应在较为合适的条件（温度、压力）下进行吸收操作。3、吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下吸收剂的蒸气压要小。因为离开吸收设备的气体，往往被吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度愈高，其损失便愈大。另外所选用的吸收剂应尽可能无毒、无腐蚀性、不易燃、不发泡、价廉易得和具有化学稳定性等。显然完全满足上述各种要求的吸收剂是没有的，实际生产中应从满足工艺要求、符合经济原则的前题出发，根据具体情况全面均衡得失来选择最合适的吸收剂。工业上的气体吸收大多用水作溶剂，难溶于水的气体才采用特殊溶剂。例如，烃类气体的吸收用液态烃。为了提高气体吸收的效果，也常采用与溶质气体发生化学反应的物质作溶剂。例如，CO2的吸收可以用NaOH溶液、Na2CO3溶液或乙醇胺溶液。4.3吸收设备及其操作4.3.1填料塔结构4.3.2填料4.3.3填料塔附件4.3.4填料塔及板式塔的特性比较4.3.5实际生产中的吸收操作流程4.3.6操作工艺条件4.3.1填料塔结构填料塔是化工生产中常用的吸收设备之一，如图4-5所示。其圆筒形外壳一般由钢板焊接而成。塔体内充填一定高度的填料层，下部有支承装置以支承填料。塔顶液体入口有液体喷洒装置，以保证液体能均匀地喷淋到整个塔截面上。当填料层较高时，塔内填料要分段装填，每段之间设置液体再分布器。为保证出口气体尽量少夹带液沫，在塔顶部装有捕沫器。另外，还有气体进口和液体出口装置。操作时，气体由塔底引入，在压强差的推动下穿过填料的间隙，由塔的底部流向顶部；液体由塔顶喷淋装置喷出分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下。气、液两相在填料的润湿表面上直接接触实现热、质的传递。填料塔内气相和液相的组成沿塔高而连续变化，因此可称填料塔为连续接触传质设备。4.3.1填料塔结构它具有结构简单、易用耐腐蚀材料制作、阻力小、适用于小直径塔等优点。但用于大直径的塔时，则塔总重较大、效率低、造价高、清理检修比较麻烦。近几十年，专家们正致力于改进塔设备的内构件。由于填料材质的多样化，使得增加填料的比表面变得可能。新颖的塔盘正沿着改善两相接触和增大两相接触面的方向不断地发展。采用高效的填料和塔盘已成为减小设备尺寸的有效途径。有时，吸收过程还伴有热效应，放热反应会使吸收剂的温度显著升高而最终趋于相平衡，不利于吸收，因此在吸收塔内部装有冷却盘管，进一步把盘管设计得能起填料的作用，或将塔内液体移出，在塔外冷却装置中冷却后送入塔内，都是移走热量使吸收得以进行的有效方法。填料塔在工业上的应用正在进一步发展。4.3.2填料4.3.2.1填料特性4.3.2.2常见填料类型4.3.2.1填料特性1、比表面积单位体积填料层所具有的表面积称为填料的比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。显然，填料应具有较大的比表面积，以增大塔内传质面积。填料的表面只有被流动的液相所润湿，才能构成有效的传质面积。因此，若希望有较高的传质速率，除需有大的比表面积之外，还要求填料有良好的润湿性能及有利于液体均匀分布的形状。2、具有适宜的填料尺寸和堆积密度单位体积内堆积填料的数目与填料的尺寸大小有关。对同一种填料而言，填料尺寸小，堆积的填料数目多，比表面积大，但空隙率小，气体流动阻力大：反之填料尺寸过大，在靠近塔壁处，由于填料与塔壁之间的空隙大，易造成气体由此短路，使气体沿塔截面分布不均匀，为此，填料的尺寸不应大于塔径的1/10~1/8。单位体积填料的质量为填料的堆积密度，以ρ表示，其单位为Kg/m3。在机械强度允许的范围内，希填料壁薄，从而可减小堆积密度ρ值，又可降低成本。4.3.2.2常见填料类型1、拉西环填料2、鲍尔环与阶梯环填料3、弧鞍与矩鞍填料4、波纹填料与波纹网填料1、拉西环填料拉西环是使用最早的一种人造填料，它是一个高度和外径相等的圆环，见图4-6（a）。它除了用陶瓷材料制作外，还可用塑料及石墨等材料制作，以适应不同介质的要求。拉西环在塔内填充方式有乱堆和整砌两种。乱堆填料装卸方便，但气体阻力大。通常直径小于50mm的拉西环采用乱堆方式，直径大于50mm的拉西环采用整砌。拉西环的主要缺点在于液体的沟流及壁流现象严重，因而效率随塔径及层高的增加而显著下降；对气体流速的变化敏感、操作弹性范围较窄；气体阻力较大。但因其结构简单，制造容易，流体力学及传质方面的特性较清楚，故目前仍在广泛采用。2、鲍尔环与阶梯环填料鲍尔环是对拉西环的主要缺点加以改进而研制出来的填料。在普通的拉西环的侧壁上开有两排长方形窗孔，被切开的环壁形成叶片，一边仍与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心与其他叶片相搭，见图4-6（c）。由于环上开有小窗，气体可以从小窗通过，这样不仅降低了气体流动阻力，同时使液体分布得到改善。鲍尔环与拉西环相比具有生产能力大、气体流动阻力小，操作弹性大，传质效率高等优点。鲍尔环可用金属、塑料、陶瓷等材料制造。阶梯环是对鲍尔环进一步改进的产物。阶梯环的总高为直径的5/8，圆筒一端有向外翻卷的喇叭口，见图4-6（d）。这种填料的孔隙小和传质效率高等特点。是目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。阶梯环多用金属及塑料制造。3、弧鞍与矩鞍填料弧鞍形填料也称为伯尔鞍，是一种没有内表面的填料，用陶瓷烧成，形如马鞍，见图4-6（e）。这种填料的特点是填料表面利用率好，气体的压降小。其缺点是两侧形状对称，装填后易出现局部叠合或架空现象，从而影响填料表面利用率，又因壁较薄，机械强度低而易破碎等。矩鞍形填料是弧鞍形填料的改进形式，即作成两面不对称，且大小不等，见图4-6(f)。在塔内不会互相叠合，而是处于相互勾联的状态，而且机械强度也有所提高。这种填料处理物料能力大，传质效果较好，液体分布均匀，气体阻力较