吸收操作技术知识目标了解吸收装置的结构和特点理解

第四章吸收操作技术知识目标：●了解吸收装置的结构和特点；●理解吸收单元操作基本概念、吸收传质机理、相平衡与吸收的关系；●掌握吸收操作计算；能力目标：●能正确选择吸收操作的条件，对吸收过程进行正确的调节控制;●能进行吸收装置的正常开停车操作和事故处理。工业生产中常常会遇到均相气体混合物的分离问题。为了分离混合气体中的各组分，通常将混合气体与选择的某种液体相接触，气体中的一种或几种组分便溶解于液体内而形成溶液，不能溶解的组分则保留在气相中，从而实现了气体混合物分离的目的。这种利用各组分溶解度不同而分离气体混合的操作称为吸收。吸收过程是溶质由气相转移到液相的相际传质过程，那么，溶质是如何在相际间转移的，转移的方向、速率如何；用什么设备实现吸收操作；影响吸收过程的因素有哪些；怎样对吸收设备进行正确的操作调节等等，这些问题将在这一章分别进行讨论。第一节吸收塔的结构及应用吸收过程通常在吸收塔中进行。为了使气液两相充分接触，可以采用板式塔和填料塔。一个工业吸收过程一般包括吸收和解吸两个部分。解吸是吸收的逆过程，就是将溶质从吸收后的溶液中分离出来。通过解吸可以回收气体溶质，并实现吸收剂的再生循环使用。一、工业吸收过程图4-1以合成氨生产中CO2气体的净化为例，说明吸收与解吸联合操作的流程。合成氨原料气（含CO230％左右）从底部进入吸收塔，塔顶喷入乙醇胺溶液。气、液逆流接触传质，乙醇胺吸收了CO2后从塔底排出，从塔顶排出的气体中CO2含量可降至0.5％以下。将吸收塔底排出的含CO2的乙醇胺溶液用泵送至加热器，加热到130℃左右后从解吸塔顶喷淋下来，与塔底送入的水蒸汽逆流接触，CO2在高温、低压下自溶液中解吸出来。从解吸塔顶排出的气体经冷却、冷凝后得到可用的CO2。解吸塔底排出的含少量CO2的乙醇胺溶液经冷却降温至50℃左右，经加压仍可作为吸收剂送入吸收塔循环使用。图4-1吸收与解吸流程由此可见，采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决以下问题：（1）选择合适的吸收剂，选择性的溶解某个（或某些）被分离组分；（2）选择适当的传质设备以实现气液两相接触，使溶质从气相转移至液相；（3）吸收剂的再生和循环使用。吸收操作中，能够溶解的组分称为吸收质或溶质，以A表示；不被吸收的组分称为惰性组分或载体，以B表示；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；吸收所得到的溶液称为吸收液，其主要成分为溶剂S和溶质A；吸收排出的气体称为吸收尾气，其主要成分是惰性气体B和残余的少量溶质A。二、吸收在工业生产中的应用吸收操作在化工生产中的主要用途为：（1）净化或精制气体例如用水或碱液脱出合成氨原料气中的二氧化碳，用丙酮脱出石油裂解气中的乙炔等。（2）制备某种气体的溶液例如用水吸收二氧化氮制造硝酸，用水吸收氯化氢制取盐酸，用水吸收甲醛制备福尔马林溶液等。（3）回收混合气体中的有用组分例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨，用洗油处理焦炉气以回收其中的苯、二甲苯等，用液态烃处理石油裂解气以回收其中的乙烯、丙稀等，（4）废气治理，保护环境工业废气中含有SO2、NO、NO2、H2S等有害气体，直接排入大气，对环境危害很大。可通过吸收操作使之净化，变废为宝，综合利用。三、填料塔的结构与特点（一）填料塔的结构与特点1、填料塔的结构填料塔由塔体、填料、液体分布装置、填料压紧装置、填料支承装置、液体再分布装置等构成。如图4-2所示。填料塔操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布器均匀喷洒在塔截面上并沿填料表面呈膜状下流。当塔较高时，由于液体有向塔壁面偏流的倾向，使液体分布逐渐变得不均匀，因此经过一定高度的填料层以后，需要液体再分布装置，将液体重新均匀分布到下段填料层的截面上，最后从塔底排出。气体自塔下部经气体分布装置送入，通过填料支承装置在填料缝隙中的自由空间上升并与下降的液体接触，最后从塔顶排出。为了除去排出气体中夹带的少量雾状液滴，在气体出口处常装有除沫器。填料层内气液两相呈逆流接触，填料的润湿表面即为气液两相的主要传质表面，两相的组成沿塔高连续变化。2、填料塔的特点与板式塔相比，填料塔具有以下特点：（1）结构简单，便于安装，小直径的填料塔造价低。（2）压力降较小，适合减压操作，且能耗低。（3）分离效率高，用于难分离的混合物，塔高较低。（4）适于易起泡物系的分离，因为填料对泡沫有限制和破碎作用。（5）适用于腐蚀性介质，因为可采用不同材质的耐腐蚀填料。（6）适用于热敏性物料，因为填料塔持液量低，物料在塔内停留时间短。（7）操作弹性较小，对液体负荷的变化特别敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能和好地润湿，传质效果急剧下降；当液体负荷过大时，则易产生液泛。（8）不宜处理易聚合或含有固体颗粒地物料。4-2填料塔结构示意图1-塔体；2-液体分布器；3-填料压紧装置；4-填料层；5-液体再分布器；6-支承装置图（二）填料的类型及性能评价填料是填料塔的核心部分，它提供了气液两相接触传质的界面，是决定填料塔性能的主要因素。对操作影响较大的填料特性有：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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。同一种类的填料，尺寸越小，则其比表面积越大。2．空隙率单位体积填料层所具有的空隙体积，称为填料的空隙率，以表示，其单位为m3/m3。填料的空隙率大，气液通过能力大且气体流动阻力小。3．填料因子将与组合成/3的形式称为干填料因子，单位为m-1。填料因子表示填料的流体力学性能。当填料被喷淋的液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，与均发生相应的变化，此时/3称为湿填料因子，以表示。值小则填料层阻力小，发生液泛时的气速提高，亦即流体力学性能好。4．单位堆积体积的填料数目对于同一种填料，单位堆积体积内所含填料的个数是由填料尺寸决定的。填料尺寸减小，填料数目可以增加，填料层的比表面积也增大，而空隙率减小，气体阻力亦相应增加，填料造价提高。反之，若填料尺寸过大，在靠近塔壁处，填料层空隙很大，将有大量气体由此短路流过。为控制气流分布不均匀现象,填料尺寸不应大于塔径D的101～81。此外，从经济、实用及可靠的角度考虑，填料还应具有质量轻、造价低，坚固耐用，不易堵塞，耐腐蚀，有一定的机械强度等特性。各种填料往往不能完全具备上述各种条件，实际应用时，应依具体情况加以选择。填料的种类很多，大致可分为散装填料和整砌填料两大类。散装填料是一粒粒具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以散装方式堆积在塔内。根据结构特点的不同，散装填料分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。整砌填料是一种在塔内整齐的有规则排列的填料，根据其几何结构可以分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。下面分别介绍几种常见的填料，见表4-1。表4-1常见的填料类型结构特点及应用拉西环外径与高度相等的圆环，如图4-3（a）所示。拉西环形状简单，制造容易，操作时有严重的沟流和壁流现象，气液分布较差，传质效率低。填料层持液量大，气体通过填料层的阻力大，通量较低。拉西环是使用最早的一种填料，曾得到极为广泛的应用，目前拉西环工业应用日趋减少。鲍尔环在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，舌叶的侧边在环中心相搭，如图4-3（b）所示。鲍尔环填料的比表面积和空隙率与拉西环基本相当，气体流动阻力降低，液体分布比较均匀。同一材质、同种规格的拉西环与鲍尔环填料相比，鲍尔环的气体通量比拉西环增大50％以上，传质效率增加30％左右。鲍尔环填料以其优良的性能得到了广泛的工业应用。阶梯环对鲍尔环填料改进，其形状如图4-3（c）所示。阶梯环圆筒部分的高度仅为直径的一半，圆筒一端有向外翻卷的锥形边，其高度为全高的1/5。是目前环形填料中性能最为良好的一种。填料的空隙率大，填料个体之间呈点接触，使液膜不断更新，压力降小，传质效率高。鞍形填料是敞开型填料，包括弧鞍与矩鞍，其形状如图4-3（d）和（e）所示。弧鞍形填料是两面对称结构，有时在填料层中形成局部叠合或架空现象，且强度较差，容易破碎影响传质效率。矩鞍形填料在塔内不会相互叠合而是处于相互勾联的状态，有较好的稳定性，填充密度及液体分布都较均匀，空隙率也有所提高，阻力较低，不易堵塞，制造比较简单，性能较好。是取代拉西环的理想填料金属鞍环如图4-3（f）所示，采用极薄的金属板轧制，既有类似开孔环形填料的圆环、开孔和内伸的叶片，也有类似矩鞍形填料的侧面。综合了环形填料通量大及鞍形填料的液体再分布性能好的优点而研制合发展起来的一种新型填料，敞开的侧壁有利于气体和液体通过，在填料层内极少产生滞留的死角，阻力减小，通量增大，传质效率提高，有良好的机械强度。金属鞍环填料性能优于目前常用的鲍尔环和矩鞍形填料。球形填料一般采用塑料材质注塑而成，其结构有许多种，如图4-3（g）和（h）所示。球体为空心，可以允许气体、液体从内部通过。填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，气液分散性能好。球形填料一般适用于某些特定场合，工程上应用较少。波纹填料由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与水平方向成45°倾角，相邻两波纹板反向靠叠，使波纹倾斜方向相互垂直。各盘填料垂直叠放于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。如图4-3（n）、（o）所示优点是结构紧凑，比表面积大，传质效率高。填料阻力小，处理能力提高。其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，填料装卸、清理较困难，造价也较高。金属丝网波纹填料特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。金属孔板波纹填料特别适用于大直径蒸馏塔。金属压延孔板波纹填料主要用于分离要求高，物料不易堵塞的场合。脉冲填料脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形单体，按一定方式拼装而成的一种整砌填料，如图4-3（p）所示。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小。是真空蒸馏的理想填料；因其优良的液体分布性能使放大效应减少，特别使用于大塔径的场合。图4-3几种常见填料（a）拉西环境科；(b）鲍尔环填料；(c）阶梯环填料；(d）抓繁填料；(e）矩鞍填料；(f）金用环矩鞍填料；(g)多面球形填料；（h）TRI球形填料；(n)金属丝网波纹填料（o）金属板波纹填料；（p）脉冲填料无论散装填料还是整砌填料的材质均可用陶瓷、金属和塑料制造。陶瓷填料应用最早，其润湿性能好，但因较厚，空隙小，阻力大，气液分布不均匀导致效率较低，而且易破碎，故仅用于高温、强腐蚀的场合。金属填料强度高，壁薄，空隙率和比表面积大，故性能良好。不锈钢较贵，碳钢便宜但耐腐蚀性差，在无腐蚀场合广泛采用。塑料填料价格低廉，不易破碎，质轻耐蚀，加工方便，但润湿性能差。填料的性能的优劣通常根据效率、通量及压降来衡量。在相同的操作条件下，填料塔内气液分布越均匀，表面润湿性能越优良，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开放，则通量越大，压降也越低。国内学者对九种常用填料的性能进行了评价，用模糊数学方法得出了各种填料的评估值，结论如表4-2所示。表4-2几种填料综合性能评价填料名称评估值评价排序填料名称评估值评价排序丝网波纹填料孔板波纹填料金属鞍环填料金属鞍形填料金属阶梯环0.860.610.590.570.53很好相当好相当好相当好一般好12345金属鲍尔环瓷鞍环填料瓷鞍形填料瓷拉西环0.510.410.380.36一般好较好略好6789（三）填料塔的附件填料塔的附件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体再分布装置和除沫装置等。合理的选择和设计填料塔的附件，对保证填料塔的正常操作及良好的传质性能十分重要，见表4-3。表4-3填料塔的附件名称作用结构类型填料支承装置支承塔内填料及其持有的液体重量。故支承装置要有足够的强度。同时为使气液顺利通过，支承装置的自由截面积应大于填料层的自由截面积，否则当气速增大时，填料塔的液泛将首先在支承装置发生。常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等，如图4-4所示。根据塔径、使用的填料种类及型号、塔体及填