第4章 气体吸收 化学分离工程分析

1分离工程（SeparationEngineering）4气体吸收(Chapter4Gasimbibition)2本章学习要求4.4化学吸收4.1有关吸收的基本知识4.2吸收和解析过程4.3多组分吸收和解析简捷计算掌握重点掌握掌握自学31、基本概念吸收：气体混合物中的一种或多种组分，由气相转移到液相的过程。吸收原理：混合物中各组分在溶剂中溶解度的不同。溶剂（吸收剂）：被加入的某一液体分离介质。溶质：被吸收的组分。解吸：溶质从液相转移到气相的过程。吸收和解吸互为逆过程！4.1有关吸收的基本知识42、工业生产中的吸收过程的应用(举例说明)①净化或精制气体原料例：乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中，原料气脱硫、脱卤化物过程。②分离气体混合物例：石油裂解气的油吸收，将C2以上的组分与CH4和H2的分离③制备溶液或中间产品例：水吸收HCl制盐酸④废气治理例：工业上含硫、氮化合物的去除。4.1有关吸收的基本知识53、吸收过程的分类①按组分相对溶解度大小⑴单组分吸收：气体混合物中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。例：制H2工业中，空气深冷之前，用碱脱除CO2以净化空气的过程，此时仅有CO2在碱中有显著溶解度，而N2、Ar、O2溶解度较小，可忽略。⑵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。4.1有关吸收的基本知识6②按吸收过程温度变化是否显著⑴等温吸收：气体吸收相当于由气态变液态，所以会产生近似于冷凝热的溶解热。在化学吸收过程中，热量＝溶解热+反应热；绝对的等温吸收是不存在的。若吸收剂用量相对较大，温升不明显时可近似视为等温吸收。⑵非等温吸收：吸收过程温度变化明显。4.1有关吸收的基本知识7③按吸收过程有无化学反应⑴物理吸收：所溶组分与吸收剂不起化学反应。推动力：气相中溶质实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压之差。⑵化学吸收：所溶组分与吸收剂起化学反应。若反应可逆，可采用加热或减压的方法回收溶剂。由于溶质与溶剂发生化学反应转为其他物质，所以溶质的平衡蒸汽压大大下降或接近于零，导致传质推动力的提高，从而提高吸收速率，工业上应用较广。4.1有关吸收的基本知识8⑤按气液两相接触方式和采用的设备形式⑴喷淋吸收•填料塔或空塔：气、液两相都连续。⑵鼓泡吸收•鼓泡塔或泡罩塔：液相保持为连续相，气相分散为小气泡通过液层。4.1有关吸收的基本知识④按溶质被吸收量的多少⑴贫气吸收：吸收量不大(恒摩尔流、恒温操作)⑵富气吸收：吸收量大9化学反应吸收温度相对溶解度吸收量汽液接触方式吸收过程分类单组分吸收多组分吸收物理吸收化学吸收喷淋吸收鼓泡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吸收过程分类104.2.1吸收和解析过程流程一、单纯吸收工艺流程单塔流程双塔流程11二、伴有吸收剂回收的工艺流程4.2.1吸收和解析过程流程12二、伴有吸收剂回收的工艺流程4.2.1吸收和解析过程流程13一、设计变量的分析和关键组分4.2.2吸收和解析过程分析设计变量数Ni=c+c’+N+514二、吸收过程的计算类型4.2.2吸收和解析过程分析1、设计型计算已知：进料气和吸收剂状态；吸收塔操作压力；关键组分的吸收率（分离要求）。求：塔顶尾气组成和流量；塔底液组成和流量；塔的理论级数N理。152、操作型计算已知：进料气、吸收剂状态；吸收塔操作压力；N理、关键组分的分离要求。求：吸收剂用量；塔顶尾气组成和流量；塔底液组成和流量。4.2.2吸收和解析过程分析16三、单向传质过程吸收塔中气相和液相的总流率沿塔向下都在增大，是单向传质过程。解析塔中气相和液相的总流率沿塔向上都在增大，是单向传质过程。以重贫油吸收C1-C5正构烷烃混合气体的计算结果为例。顶底4.2.2吸收和解析过程分析吸收和解析过程不能视为恒摩尔流！17四、吸收塔内组分的分布以重贫油吸收C1-C5正构烷烃混合气体的计算结果为例顶底顶底4.2.2吸收和解析过程分析18顶底溶解度大的丁烷和戊烷，气相组成沿塔向上降低；而溶解度小的甲烷和乙烷气相组成沿塔向上增大。4.2.2吸收和解析过程分析以重贫油吸收C1-C5正构烷烃混合气体的计算结果为例19不同组分在塔内不同段内吸收程度是不同的：4.2.2吸收和解析过程分析顶底多组分吸收过程的一般特点：1、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。2、易溶组分主要在塔底附近的若干级上被吸收3、关键组分在全塔范围内被吸收。20五、吸收和解析过程的热效应在吸收过程中，溶质从气相转入液相，释放出相变热，增加液体显热，导致液体沿塔向下温度升高。顶底在解析过程中，溶质从液相转入气相，相变吸收热量，导致向下流动的液相有被冷却的趋势。4.2.2吸收和解析过程分析图4-5和图4-621①原理不同•吸收是根据各组分在溶剂中的溶解度不同使组分分离。•精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。②塔式不同•精馏有简单塔和复杂塔。•最简单的吸收塔为精馏中的复杂塔。4.2.2吸收和解析过程分析吸收过程的特点（与精馏比较）22③传质形式不同精馏是双向传质过程，而吸收是单向传质过程。•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、重组分的分子汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流，简化计算。•在吸收操作中，气相和液相的总流率沿塔向下都在增大；在解析操作中，气相和液相的总流率沿塔向上都在增大，是单向传质过程。所以在塔内气液相流率不能视为恒摩尔流，增加了计算的复杂性。4.2.2吸收和解析过程分析23④温度范围、变化不同•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，而且从塔顶至塔釜，温度逐渐升高。每块板上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程计算。•吸收要采用热量衡算来确定温度的分布。⑤精馏有两个关键组分，吸收有一个关键组分。4.2.2吸收和解析过程分析24⑥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•吸收两端既有进料，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。4.2.2吸收和解析过程分析25⑦组分分布不同•精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值，非关键组分在进料板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。4.2.2吸收和解析过程分析261、吸收过程工艺计算的基本概念①吸收、解吸过程发生的条件*iipp*iiyy*iipp*iiyy吸收过程：溶质由气相溶于液相解吸过程：溶质由液相转入气相4.3多组分吸收和解析的简捷计算推动力：气相中溶质实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压之差。27②吸收过程的理论板在第n板上，气液两相充分接触，离开第n板的气体混合物与离开第n板的吸收液达到相平衡，即：则此板称为理论板。每块板上气体溶解量由每个组分的平衡常数来决定；每块板上的气相流率，液相流率都在变化。所以在塔内气液相流率均不能视为恒摩尔流。iiixKy4.3多组分吸收和解析的简捷计算28③吸收因子或吸收因数在吸收过程中，任一组分的相平衡关系可表示：即：Avv)KV/L(lLlKVv令：VKLAA被称为吸收因子或吸收因数xKy4.3多组分吸收和解析的简捷计算对A讨论29(1)A是综合了塔内气液两相流率和平衡关系的一个数群其大小因组分而异（K与组分有关）；(2)A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；L/V值越大，K越小，A值越大，越有利于组分的吸收；(3)吸收因子与操作条件的关系AKTAKp(4)解吸过程对吸收因子VKLA的讨论：所以，低温、高压有利于吸收。LKVA1S解吸因子高温、低压有利于解析。4.3多组分吸收和解析的简捷计算30对n板i组分作物料衡算：11nnnnlvlv111nnnnnnvAvvAv1AvAvvn1n1n1nn11110210021AlvAvAvvn　　4.3.1简捷计算……吸收因子法(4-17)(4-18、19)？311A1AlvAv1AvAvv2n21021321132　　1AAAlAv)1A(v221013121A1AAAlAv)1A(Av1AvAvv3n322101312432243　　1)1(33232102142213AAAAAAlAAvAAAv(4-20)4.3.1简捷计算……吸收因子法？？32时　　当Nn1AAAAAlAAAv)1AAAAAA(vNN2N101N211N1N1N21N21N┉┉┉┉┉┉┉(4-21)N101Nlvlv对i组分作全塔物料平衡：NN101NAvvlvN101NNAvlvv(4-22)1N0NN1N11NvlvAvvv224）得：由（(4-22a)4.3.1简捷计算……吸收因子法将4-21代入已知331AAAAA1AAAAAvl1AAAAAAAAAAvvvNN2N1NN3N21N0NN2N1NN2N11N11N┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉　吸收因子法的基本方程：哈顿—富兰格林(Horton—Franklin)方程。(4-23)对吸收因子作简化处理，求解吸收率、吸收因子和理论板数间关系：（1）平均吸收因子法（2）平均有效吸收因子法Horton—Franklin方程关联了吸收率()、吸收因子(A)和理论板数(N)。4.3.1简捷计算……吸收因子法其中：吸收率组分加入量组分被吸收掉的量iivvvNN11134一、平均吸收因子法①基本思想假设各板的吸收因子相同，即采用全塔平均吸收因子代替各板吸收因子。②适用条件贫气吸收（恒摩尔流、恒温操作）③吸收因子方程4.3.1简捷计算……吸收因子法351AAAAAAAvl)1AAAAAA(vvv1NN1NN1N01NN1NN1N11N┉┉┉┉1AAAAvl1AAA1N1N1N01N1N1N11Nvvv1AAAAvl11N1N1N01AAAAvAv11N1N1N0③吸收因子方程4.3.1简捷计算……吸收因子法1AAAvvv1N1N1N01N36＝1110111NNNNAAAvvvv(4-24)讨论：a.相对吸收率的量组分最大可能被吸收掉组分被吸收掉的量方程左端iib.当吸收剂本身不挥发，且不含溶质时，则0l00v0即1N11Nvvv此时：4.3.1简捷计算……吸收因子法（克雷姆塞尔方程）即：组分的吸收率等于组分的相对吸收率！37NVLT、、c.由克雷姆塞尔方程可知：N,Af1Alg1AlgN(4-25)克雷姆塞尔等把(4-24)式绘制成曲线。(P184图4-8吸收因子图)①已知：②已知：VLAN、查图由T求得K,再求得A查图4.3.1简捷计算……吸收因子法38d.对解吸过程01N1N01N11NC1SSSllllS……解吸因子，C0……相对解吸率1SlgC1CSlgN00(4-25a)注：查图4-8时，塔板编号顺序与吸收塔相反。4.3.1简捷计算……吸收因子法39④平均吸收因子法简捷计算的计算步骤已知：求：i,NN0i,11x,L,L,y,V,N关⑴确定关键组分的吸收率关(a)由⑵由求N关确定minVL)N(条件下在关关关