分离工程(黄国文)第四章吸收与解吸.ppt

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1、第四章 气体吸收与解吸,教师：黄国文Tel：Emil：,4.1 概述4.2 气液相平衡4.3 吸收和解吸过程4.4 多组分吸收和解吸的简捷计算法4.5 化学吸收,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。,基本概念,4.1 概述,吸收液(absorption liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。解吸或脱吸(desorption)：与吸收

2、相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。,吸收分离操作：利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)差异或化学反应，使某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分留在气相(gas phase)，实现混合气体的分离。,气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、以气相和液相内平衡蒸汽压差为推动力的传质过程。,吸收操作的用途：(1)制取产品：用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸；水吸收甲醛制福尔马林液；氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。(2)分离混合气体：吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。如从焦

3、炉气或城市煤气中分离苯，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。(3)气体净化：一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。,吸收的分类：溶质与溶剂的相互作用物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。CO2 H2O H2CO3 HCl(g)H2O HCl(L)化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著

4、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。Na2CO3(K2CO3)CO2 H2O=Na2HCO3,溶质单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小，其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸。吸收温度非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热.,传质理论,吸收过程，溶质A由气相传到液相。,分子扩散分子热运动引起的相互碰撞；对流外力下发生的主

5、体流动，如：p、等；湍流混合宏观流体微团或旋涡在惯性力作用下的位移。,双膜理论认为在气液界面两侧分别存在气膜和液膜，传质阻力集中在气膜和液膜，界面无阻力。而气液主体的浓度均匀。气膜和液膜的厚度与流体湍动有关。,传质速率,以双膜论为例:,4.2 气（汽）液相平衡,气液相平衡的概念气液相平衡：主要是指气相组分溶解于液相，使气相组分与液相中的相同组分达到平衡的状态。汽液相平衡：主要是指液相组分挥发到汽相形成的平衡。两种平衡尽管过程方向不同，但相平衡原理是相同的：,(4-1),4.2.1 物理吸收的相平衡 亨利定律(Henry Henry s law)低压下（5105 Pa）气体在液体中的溶解度可以用

6、亨利定律表示：p2=Hx2 式中:p2-溶质在气相中的平衡分压,Pa；x2-溶质在液相中的摩尔分率（溶解度）；H-享利系数，Pa 公式的适用条件：1.溶质气体的分压为常压；2.溶质溶解于溶剂时不发生解离、缔合或化学反应；3.稀溶液。,(4-6),普遍化的亨利定律:基准态：,代入：,或,亨利常数H不仅与溶剂、溶质的性质和系统T有关，而且还与系统p有关。在低压下，溶质组分的逸度近似等于它在气相中的分压，亨利常数不随压力而改变。,(4-2),(4-5),(4-5),高压下气体的溶解度,(4-4),：溶质2在溶液中的偏摩尔体积；H：溶质在溶液中的亨利系数；P、Pa：系统总压和纯溶剂的饱和蒸汽压。,4.

7、2.2 有化学反应的气体溶解 亨利定律不适用化学吸收的相平衡，化学吸收的气液平衡，既要服从溶解时的相平衡又要服从化学反应时的相平衡关系.,则反应平衡常数为：,对理想溶液，i=1，其相平衡常数为：,(4-8),(4-9),因为溶解平衡关系服从亨利定律：,(4-11),用(4-9)解出CA，带入上式得：,化学吸收时的平衡分压低于物理吸收的平衡分压,即化学吸收的溶解度大。,(4-10),吸收和解吸过程流程 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。解吸过程可采用的一般方法：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

8、再送回吸收塔内循环使用。,4.3 吸收和解吸过程,吸收剂的选择,良好的吸收剂对吸收过程至关重要。但受多种因素制约，工业吸收过程吸收剂的选择范围也是很有限的，一般视具体情况按下列原则选择：(1)对溶质有较大的溶解度：溶解度，溶剂用量，溶剂再生费用；溶解度，对一定的液气比，吸收推动力，吸收传质速率，完成一定的传质任务所需设备尺寸；(2)良好的选择性：即对待吸收组分的溶解度大，其余组分溶解度度小；(3)稳定不易挥发，以减少溶剂损失；(4)粘度低，有利于气液接触与分散，提高吸收速率；(5)无毒、腐蚀性小、不易燃、价廉等。,吸收流程可分为两类：（I）吸收质不需解吸，吸收剂不需再生和循环；（II）吸收质需

9、要解吸，吸收剂需要再生和循环。,（1）吸收和解吸流程,单纯吸收工艺流程,一、单纯吸收工艺流程（无解吸）,带吸收剂再循环的吸收流程,适用于：（1）热效应显著的吸收过程，部分吸收液再循环可降低吸收塔内温度，当平衡关系变化的幅度比操作关系变化幅度大时，吸收液的循环不但不减少反而可能提高传质平均推动力，有利于吸收操作。（2）对于按物料衡算估算所需吸收剂用量过少，不能满足最小液体喷淋密度要求的情况，部分吸收液再循环尽管会使传质推动力有所降低，但可由传质系数的显著增大而得以补偿。（3）对于制取液态产品的吸收操作，为获得较高含量的液态产品，采用吸收液部分再循环操作。,当原料气处理量较大，溶质组分含量较低或溶

10、解度较低或要求完全吸收时，常采用多塔吸收流程。,二、吸收-解吸工艺流程,吸收-解吸工艺流程,解吸器可以采用水蒸气或惰性气体、再沸器、精馏塔。,二、吸收-解吸工艺流程,伴有吸收剂回收的吸收-解吸工艺流程,用再沸器的吸收-解吸塔,用一般精馏塔的吸收-解吸流程,吸收剂无需再生的流程 使用对象：主要用于制备液相产品。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。应用实例：SO3+H2O（H2SO4）H2SO4（浓硫酸）HCHO+H2O 福尔马林(NH4)2CO3+CO2+H2O 2 NH4HCO3,吸收剂再生流程 使用对象：气体的净化或回收；流程特点：至少有两个塔（吸收塔和再生塔）。.减压冷再生.气提冷再生.间接

11、蒸汽热再生,采用吸收剂再生的连续吸收流程,4.3.2 多组分吸收和解吸过程分析一、设计变量数和关键组分,吸收塔Nx：吸收剂 C+2原料气 C+2压力等级数 N 和 C+C+4+NNa：串级单元数 1,解吸塔Nx：解吸剂 C+2吸收液 C+2压力等级数 N 和 C+C+4+NNa：串级单元数 1,Na的指定：操作型计算：指定 N（理论板数）设计型计算：指定 一个关键组分分离要求,流量 L从上向下；V从下向上 流量不恒定每板温度Tn 由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算求Tn。平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究的不充分。逆过程为蒸出。,二、吸收过

12、程特点,操作压力Operating Pressure操作温度Operating Temperature液气比（吸收剂用量）Absorbent Flow Rate塔板数Number of Stages,吸收过程操作参数分析：,1）操作压力 Operating Pressure,操作压力提高，气相溶质分压增大，传质推动力提高，吸收速率和吸收率增大。,压力提高，各组分的K值减小。当L/V一定时，吸收因子A增大。当NT一定时，A增大，各组分的吸收率增大；当关键组分的吸收率已被规定时，A增大，所需NT减少。提高操作压力还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等。,但压力过高会使塔设备的投资及压缩气体的操作费

13、用增加；同时提高操作压力使惰气组分或不希望回收的组分吸收量也增加，后续分离变得复杂。,应考虑吸收塔前后工艺的操作压力恰当选择，一般不宜采用过高的操作压力。,2）操作温度 Operating Temperature,操作温度降低，各组分的H或K减小，吸收的传质推动力增大，吸收速率增大。,降低温度和提高压力具有相同的影响。,虽然吸收适于在低温下操作，但应避免采用冷冻操作以减少动力消耗。,3）液气比 Absorbent Flow Rate,液气比（L/V）与吸收剂用量直接相关，表示处理单位原料气所需要的吸收剂量。液气比大则吸收剂用量多。,液气比对吸收操作的影响与回流比对精馏操作的影响相似。增大液气比

14、将使各组分吸收因子增加，因此增大液气比和增加操作压力或降低操作温度有相同的效果。但随着液气比的增大，相应要增大吸收剂的循环量和回收吸收剂的费用。,一般取液气比为最小液气比的1.22.0倍。,4）塔板数 Number of Stages,理论板数增加，各组分吸收率增加。但在不同板数范围，吸收率增加的幅度不同。当板数较少时，增加一块板对提高吸收率的影响比较明显，而当理论板为十多块时，再增加板数，吸收率的增加幅度很小。,吸收与精馏的不同,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。塔式不同 精馏有简单塔和复杂塔。最简单的吸收为精馏中的复杂精馏，即两股进料，

15、两股出料。,传质形式不同 吸收是单向传质，精馏是双向传质。温度范围、变化不同 在精馏过程中沸点范围相对窄，整个塔内的温度变化范围不是很大，从塔顶向下，温度逐渐升高。在每块板上的温度变化，可用泡露点方程定出。多组分吸收中，各溶质组分的沸点范围很宽，所以多组分吸收不能视为理想系统来处理。而且由于在吸收过程，气相中易溶组分溶解到溶剂中，会放出溶解热，使液相和气相的温度都升高，通常要采用热量衡算来确定温度的分布。,溶解热 取决于 与 的相对大小1.如果在塔顶 明显大于 上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由 带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温度分布出现极大值。2.明显大于 下降液体热

16、量传给上升气体，吸收放出热量大部分由 带走，吸收液在下降中被气体冷却，接近于原料气入口温度条件下出塔。与 相近，热效应明显 出塔气体与吸收液温度超过入口，热量分配取决于不同位置因吸收而放热情况。,M,L,物料的预分布不同 精馏可按清晰分割和不清晰分割进行物料的预分布。由于吸收每端既有进料，又有出料，比常规的多组分精馏更难分配。精馏有两个关键组分，吸收只有一个关键组分精馏中 有轻重两个关键组分，由分离要求来确定。吸收只有一个关键组分，是因为吸收是单向传质的缘故。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，难溶组分一般只在靠近塔顶的几级被

17、吸收；易溶组分主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收。,热效应的处理方式：,（1）热效应忽略不计 当溶质浓度低、液气比大、溶解量小时，可视为等温吸收，以吸收剂进塔温度作为全塔温度。,（2）仅考虑吸收热 当液气比较大时，可视为简单绝热吸收，全部吸收热用于增加提高溶液的显热，提高溶液的温度。,（3）热效应不可忽略 吸收量大、液气比不是很大时，四项热效应均应考虑。特别注意塔内出现的热点。,热效应较大时可采取的措施：,（1）冷却 设置冷却器，降低操作温度，改善吸收平衡关系。,（2）提高液气比 提高液气比，改善操作关系，弥补由于温升而对吸收平衡造成的不利影响。,（3）降低原料气进

18、塔温度 减缓塔底部温度的升高。,只能规定一个组分的吸收率不能按恒摩尔流处理温度分布复杂至少有两股进料,多组分吸收的特点：,1、吸收过程工艺计算的基本概念 吸收、解吸作用发生的条件根据相平衡的概念，可判断气液接触时吸收和解吸的条件。吸收：溶质由气相溶于液相，解吸：溶质由液相转入气相，,4.4 多组分吸收和解吸的简捷计算,吸收过程的理论板 吸收过程吸收液沿塔逐板下流时，易溶组分的含量不断升高，气体混合物在沿塔高上升过程中易溶组分的含量不断降低。在吸收过程中为了计算方便起见，像精馏过程一样引入了理论板的概念。在每一块理论板上，气液两相充分接触，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yi

19、=kixi。溶解量的多少由每个组分的平衡常数来决定，未被吸收的气体（干气或惰性气体）由塔顶排出，摩尔流率为V，而吸收了溶质的吸收剂即吸收液以LN的流率从塔釜排出，每板上的气相流率，液相流率都在变化。,吸收过程的限度,进料气体混合物中易溶组分i的组成为yF,i，出塔吸收液中组分i含量为xN,i，显然：yN+1,ikixN,i。从塔顶加入的吸收剂中组分i含量为x0,i，离开塔顶气相中组分i的含量为y1,i，显然：y1,ikix0,i。由此规定了设计吸收塔的限度，x0,i是解吸过程分离后吸收剂中组分i的含量，它与y1,i有密切的关系，在设计时要将吸收和解吸一起考虑。一般按照规定的分离要求先确定吸收塔

20、的气体组成，根据已知选定的出塔气体组成再考虑气液相平衡数据来确定吸收剂在解吸后易溶组分的含量。,多组分吸收计算类型设计型：已知入塔原料气的组成、温度、压力、流率；吸收剂的组成、温度、压力、流率；吸收塔的操作压力和关键组分的分离要求。计算理论板数N、塔顶尾气量和组成、塔底吸收液量和组成。操作型：已知入塔气的组成、温度、压力、流率；吸收剂的组成、温度、压力；吸收塔的操作压力、关键组分的分离要求和理论板数N。计算塔顶应加入吸收剂的量、塔顶尾气的量和组成、塔底吸收液的量和组成。,计算内容,和关键组分的分离要求。,详细计算为,吸收塔板数的计算也是先求出完成预定分离要求所需的理论板数，然后再由板效率确定实

21、际的吸收塔板数。,已知：,求：,对于单组分吸收且吸收量不大的情况，可假定吸收是等温过程，气相和液相流率恒定，计算大为简化。但对多组分吸收且吸收量较大的情况，热效应引起的温度变化不能忽略，气液相流率也不能看作恒定。要得到精确解，必须用严格计算。,简捷计算主要应用场合：（1）设计的初始阶段，为严格计算提供初值；（2）对操作进行粗略分析。,简捷计算法的常见类型：（1）平均吸收因子法（掌握）（2）平均有效吸收因子法（不要求）（3）蒸出（解吸）因子法（不要求）,重点介绍并掌握吸收因子法,2、吸收因子法,吸收因子是综合考虑了塔内气液两相流率和平衡关系的一个无因次数群，表明吸收的难易。,组分i的吸收因子,解

22、吸过程定义：S=KV/L=1/A i组分的解吸因子或因素.,几点说明：,对第n板组分作物料衡算：,普遍吸收因子法,（4-14）,（4-16）,（4-17）,（4-17）,N=1,逐级向下推导，可得到vN,对全塔作物料衡算：,（4-20）,（4-22）,（4-23）,（4-24）,吸收因子法的基本方程-Horton-Franklin 方程,关联了吸收率、吸收因子和理论板数,Horton-Franklin 方程讨论,4、采用简化形式作简捷计算,Horton-Franklin 方程讨论,有效因子的简化处理方法 1）平均吸收因子法 2）平均有效吸收因子法,1）平均因子法 假设各板上的A相同：全塔平均的

23、A值代替各板吸收因子；适用于塔内L/V不大的情况,（4-25）,被吸收量：,最大吸收量：,相对吸收率：,讨论(4-26)：,表达了相对吸收率、平均吸收因子和理论板数之间的关系。,图4-12 吸收因子图,求解（4-26）：,求解N,若吸收剂中不含进料组分:,吸收率,克雷姆塞尔图,已知组分吸收率、吸收温度、液气比，查图求解N。,K:关键组分；i:非关键组分,已知组分吸收率、理论板数，查图得吸收因子，求液气比。,K关一般取全塔平均温度和压力下的数值。,例：某吸收塔在1.06MPa下操作，原料气组成为甲烷70.0%、乙烷12.0%、丙烷8.0%、正丁烷6.0%、正戊烷4.0%（均为摩尔分数）。进料温度

24、32，进料流率100kmol/h，吸收剂为不挥发油，其中含有在循环中未脱出完全的正丁烷和正戊烷，组成分别为2.0%、1.0%，吸收剂进料温度也为32。若平均吸收温度为37，要求正丁烷回收率为99.5%。计算(1)最小液气比.(2)操作液气比为最小液气比的2倍时，所需的理论板数；(3)各组分吸收率和塔顶尾气的数量和组成；(4)塔顶应加入的吸收剂。,解：查得1.06Mpa，37时各组分相平衡常数：,【例】已知原料气组成：,用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔中进行吸收，平均 吸收温度38，操作压力为1.013MPa，要求i-C4H10的回收率达到90。求：（1）（L/V）min（2）L/V=1.1（

25、L/V）min时的平衡级数N（3）各组分的，尾气量及组成（4）吸收剂用量L,解：（1）（L/V）min,（2）N,由P-T-K图查的38，1.013MPa平衡常数,（3）各组分吸收率、尾气量及组成,尾气的量和尾气组成,（4）吸收剂用量,可求各组分的A,小结：,简捷计算的关键,2）平均有效吸收因子法假设：当吸收塔具有N块理论板时，吸收主要由塔顶和塔底两板来完成。Edmister指出：吸收主要发生在1、N二块板上，可将N板吸收作为2板吸收计算。Owens和Maddox分析了大量用计算机进行多组分吸收逐板计算的结果发现，大约80的吸收量发生在塔顶塔釜两板。吸收塔的理论板数不多，增加塔板数不能显著改善

26、吸收效果，反而会增加操作费用。,Horton-Franklin 方程,Edmister提出：利用Ae与Ae代替每板吸收因子，且保持 不变，取得满意结果。,Ae与Ae分别定义：,变换为：,把两块板的吸收塔推导结果引申到N块理论板的吸收塔，得到：,若吸收剂中不含有被吸收组分：,二、解吸因子法,特点；与吸收相反,模型塔：图(3-64),计算同于吸收,分布曲线：从物系挥发度看 C1、C2（轻组分）最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。C5、C4（重组分）最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。C3（关键组分）适中，上段吸收快，在塔某板出现最大值。,（a）总流率,（c）气相各组分流率,（f）液相各组分流率,塔

27、釜,塔顶,（b）液体温度,（d）液相各组分摩尔分数,（e）气相各组分摩尔分数,化学吸收的速率是由气膜扩散，液膜扩散和化学反应共同决定。一般好的化学吸收剂可以使吸收过程变为气膜控制。本节主要讨论不同化学反应对吸收速率的影响。4.5.1 化学吸收的分类 按反应快慢分类并导出判别式,1）慢反应由于液膜厚度比液相主体薄得多，故用液膜中的反应量与扩散量进行比较判别化学反应的快慢。,4.5 化学吸收,注：称为八田数(Hatta 数),2）快反应M1(取M10)表示反应在液膜内进行完毕,快反应浓度分布曲线,3）中速反应M 取 0.1-10表示液膜中的反应与 扩散量相当,反应既在液膜中进行又扩散到 液相主体中

28、进行.,中速反应浓度分布曲线,瞬间反应浓度分布曲线,表 4-1 化学吸收的分类,4.5.2 一级不可逆反应 化学吸收中，一般吸收剂是不挥发的，所以气相中的扩散情况与物理吸收相同，只是推动力增大。在液相中既存在溶质在液膜和液相主体中的扩散，又存在化学反应，同时还有吸收剂和反应生成物的扩散。从液相入手解决不同反应类型的增强因子的求取。,处理方法：,建立液相扩散-反应方程 求传质速率式求增强因子E,通过液膜微元中的物料恒算建立扩散-反应方程。结合反应速率式（反应级数，可逆，不可逆）求得液相传质速率式。根据边界条件解微分方程（液相传质速率式），并与物理吸收速率式相比较求得增强因子（系数比较法）。,1）扩散-反应方程 取液膜中微元作物料衡算:扩散进入量-扩散流出量-反应量=积累量,化学吸收液膜内微元的物料平衡,2）一级不可逆反应,代入扩散-反应方程:,边界条件：,(1)一级不可逆快反应M10,(2)一级不可逆中速反应(0.1M10),(3)一级不可逆慢反应 M0.1,3)不可逆瞬时反应,4)不可逆二级反应,两种简化情况：,则：,对比：,吸收与解吸,第四章 多组分吸收与解吸 小结,吸收过程分析,简捷计算：平均吸收因子法,课后作业：P142：1、4（1、2、3、4问）,