合成氨原料气(变换气)的脱CO2.ppt

合成氨原料气(变换气)的脱CO2,励志照亮人生,技能成就未来；,常州励志化工有限公司合成氨原料气（变换气）脱CO2。原料气处理量为1000m3/h(标准状态)，CO2含量为13%（体积百分率，下同），要求合成氨原料气经吸收塔后CO2被吸收90%。1）根据生产工艺要求，查阅工艺物料（变换气等）的相关信息；2）能根据工艺要求选用合适的分离方法与分离设备；3)能识别各种吸收塔设备及相关部件，确定分离方法与设备；4）能根据生产要求选择合理的吸收方案吸收剂，并编制用水洗脱CO2工艺的初步方案,任务一：,最大用途为氮肥(尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等)，占总产量的85%炸药（NH3 HNO3 硝酸铵等）化纤及塑料（己内酸胺、尼龙6单体、己二胺、丙烯腈等）致冷剂其他（磺胺类药物、维生素、氨基酸等）,1、合成氨工业的重要性,一、合成氨工艺信息,2、合成氨的原料及原则流程,0.5N21.5H2=NH3 H298=46.22 kJmol-1,N2:来源空气，在制氢过程中直接加入空气，或低温下将空气液化、分离而得；,H2：来源于水或含有烃的各种燃料。以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用气化得,合成氨生产的原则流程：,3、原料气的制造,把煤或焦炭中的可燃物质转变为H2、CO和CO2。气化所得的气体统称煤气，进行气化的设备叫煤气发生炉。,采用间歇法造气时，空气和蒸汽交替通入煤气发生炉。通入空气的过程称为吹风，制得的煤气叫空气煤气；通入水蒸气的过程称为制气，制得的煤气叫水煤气；空气煤气与水煤气的混合物称为半水煤气。,固体燃料气化法,吹风 2CO23.76N2=2CO3.76N2 H0=-248.7 kJmol-1制气 CH2O(g)=COH2 H0=131.4 kJmol-1总反应 7CO23.76 N25H2O(g)=7CO3.76 N25H2 H0408.3 kJmol-1,固体燃料气化法的化学计量方程式为：,工业上采用间歇操作送风发热法，即交替进行吹风和制气。,缺点：气化设备简单、便于控制，能耗大，约有一半原料被当作燃料烧掉，生产能力低，产生三废(煤渣、含氰废水、含硫废气等)较多。,烃类蒸汽转化法 以轻质烃为原料生产原料气。,CH4+H2OH2+C H0206.4KJCH4+22OH2+CO2 H0165.3KJ,优点：获得的粗原料气与半水煤气相比，含氢量高，含CO量低，杂质气体亦较少，后处理负担轻。,重质烃是石油蒸馏时，沸点高于350时的馏分。氧,蒸汽和重质烃在炉中燃烧放热,获得H2和CO为主的原料气.重质烃部分氧化法工艺流程种类更多。,重质烃部分氧化法,发生下列反应：,4CmHn+(4m+n)O24mC2+2n H2O+Q2CmHn+2mH2O2mC+(n+2m)H2-Q2CmHn+4mH2O2mC2+(n+4m)H2-Q2CmHn+2mCO4mC+n H2-Q,该法的缺点是需用纯氧作原料，增加较多的投资，另外，去除炭黑也需增加投资。,主要是H2S,其次是CS2,硫氧化碳（COS）,硫醇（RSH）等有机硫。其含量取决于原料的含硫量及加工方法.以煤为原料，原料气中H2S含量一般为23gm-3，有的高达2030gm-3。,（）原料气的净化,脱硫，变换，脱碳,气体的精制.,H2S对设备和管道有腐蚀作用，使变换及合成系统的催化剂中毒，还使铜洗系统的低价铜生成硫化亚铜沉淀，增加铜耗。,脱硫,干法脱硫：用固体脱硫剂(如氧化锌、活性炭、分子筛等)将气体中的硫化物除掉；湿法脱硫：用碱性物质或氧化剂的水溶液即脱硫剂(如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸钠法及砷碱法等)吸收气体中的硫化物。,用煤或烃生产出的气体都含有相当量的CO，如固体燃料制得的半水煤气含2831，气体烃蒸汽转化法含1518，重油气化法含46左右。CO对氨合成催化剂有毒害，必须除去。变换利用水蒸气把CO变换为H2和易清除的CO2，同时又制得了所需的原料气H2。其反应为：,CO+H2O(g)=CO2+H2 H0=-41 kJmol-1,变换,脱碳,粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多(15-35)。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。,脱除CO2的方法很多，工业上常用的是溶液吸收法，分为物理吸收和化学吸收两种。,利用CO2溶解于水或有机溶剂的性质完成。如加压水洗法、低温甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯（Flour法），聚乙醇二甲醚（Selexd法）、N甲基吡啶烷酮（Purisol法)。吸收CO2后的溶液可用减压解析法再生。,物理吸收,化学吸收,用氨水、有机胺(如乙醇胺)或碳酸钾的碱性溶液为吸收剂，利用CO2能与溶液中的碱性物质进行化学反应而将其吸收。大中型厂多采用改良热钾碱法，此法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少量活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺，缓蚀剂如V2O5等。吸收解吸反应如下：,K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3,下一任务,气体的精制,气体的精制就是将少量的CO、CO2进一步脱除常用的有醋酸铜氨液洗涤法(铜洗法)和甲烷化法。,我们主要考察的是脱CO2过程。,二、气体分离方法的确定,1 深冷分离法（气体液化技术）通常采用机械方法,如用节流膨胀或绝热膨胀等方法，把 气体压缩、冷却后，利用不同气体沸点上的差异进行蒸馏，使不同气体得到分离。有时也叫气体精馏分离。其特点是产品气体纯度高，但压缩、冷却的能耗很高。该法适用于大规模气体分离过程，如空气分离以制取氧、氮、氩及稀有气体，目前，在我国制氧量的80%是用该法完成的；天然气分离提取氦气；焦炉气及水煤气分离获得氢或氢氮混合气等。,裂解气深冷分离,2、变压吸附法（Pressure Swing Adsorption简称PSA）,吸附分离是利用吸附剂只对特定气体吸附和解吸能力上的差异进行分离的。为了促进这个过程的进行，常用的有加压法和真空法等。变压吸附法制氧、氮是在常温下进行的，其工艺有加压吸附/常压解吸或常压吸附/真空解吸两种。常见吸附剂：活性炭；硅胶；活性氧化铝；沸石分子筛。,3 膜分离法,其原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离的。如利用气体分离膜分离氢气，氧气等。,4、分凝法,亦称部分冷凝法，它是根据混合气体中各组分冷凝温度的不同，当混合气体冷却到某一温度后，高沸点组分凝结成液体，而低沸点组分仍然为气体，这时将气体和液体分离也就将混合气中组分分离。气体分离膜分离氢气，氧气等。分凝法一般用于分离沸点相距较远的气体混合物，如富氧空气和氮气等。,5、吸收法,（一）什么是吸收？,利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。,总结提高,（二）基本概念,吸收质或溶质A:混合气体中，能够溶解于液体中的组分；,惰性气体B:不能溶解的组分；,吸收剂S:吸收操作所用的溶剂；,吸收液或简称溶液:吸收操作所得到的溶液；,吸收尾气：排出的气体。,（三）吸收过程分类,按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分：物理吸收：如水吸收二氧化碳化学吸收：如硫酸吸收氨按被吸收组分数目分：单组分吸收：如水吸收氯化氢气体多组分吸收：如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解,按吸收前后温度是否发生变化分：等温吸收：非等温吸收：溶解过程有一定的溶解热按溶质在气液两相中组成大小分：低组成吸收：气、液相的溶质气体均为低浓度 高组成吸收：进塔气体浓度高，但塔内液相仍可能 是低浓度,本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收,净化或精制气体 制取某种气体的液态产品 分离混合气体以回收所需组分 工业废气的治理,（四）吸收操作在化工生产中的应用：,工业的吸收过程常在吸收塔中进行。生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作外，一般的吸收过程都要求对吸收后的溶剂进行再生，即在另一称之为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作解吸。因此，一个完整地吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分。,（五）工业吸收过程,部分吸收剂循环,吸收塔串联,工业吸收过程示意图,三、选用合适的分离设备,板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触,填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，通常在塔内充填有瓷环之类的填料。,在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。,在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。,这两种设备由于吸收过程浓度变化方式不同，采用的是完全不同的计算方法，需要注意加以区分。,四、识别吸收塔设备及相关部件,（一）填料塔结构及作用,1.填料层 提供气液接触的场所。,2.液体分布器 均匀分布液体，以避免发生沟流现象。3.液体再分布器 避免壁流现象发生。4.支承板 支承填料层，使气体均匀分布。5.除沫器 防止塔顶气体出口处夹带液体。,（二）常用填料,材料：陶瓷、金属、塑料堆放：整砌、乱堆,环形（拉西环、鲍尔环、阶梯环，十字环）鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）,拉西环,环,四氟冲孔拉西环,十字环,塑料矩鞍环填料,共轭环,阶梯环,陶瓷鞍形环,花环填料,异鞍环,液面覆盖球,金属环矩鞍填料,鲍尔环,多面空心球,板波纹,金属丝网波纹,瓷质连环,双星球形填料填料,槽式液体分布器,筛孔板式液体分布器,规整波纹堆填,组片式规整填料,五、吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；,（2）选择性高；,（3）再生容易；,（4）挥发性小；,（5）粘度低；,（6）化学稳定性高；,（7）腐蚀性低；,（8）无毒、无害、价廉等。,选择原则：经济、合理。,六、影响吸收分离效果的因素,(1)气膜控制 加大气体流速，减少气膜厚度(2)液膜控制 增大液体流速，减少液膜阻力（3）中等溶解度的气体 同时增大气体和液体流速。,1、吸收质的溶解性能,2、吸收剂的选择,(1)溶解度 吸收剂对混合气体中被吸收组分的溶解度要尽可能大(2)选择性 吸收剂对于要吸收组分有很好的吸收能力(3)挥发性 要求吸收剂的挥发性能力差(4)粘性 吸收剂的粘度低(5)其它 所选收剂还应尽可能无毒，不易燃、化学性能稳定，无腐蚀、不发泡、冰点及比热尽可能低，价廉易得等优点。,改变吸收剂用量是吸收过程最常用的方法。当气体流量一定时，增大吸收剂流量，吸收速率增大，溶质吸收量增加，气体的出口浓度减小，回收率增大。当液相阻力较小时，增大液体的流量，传质总系数变化较小或基本不变，溶质吸收量的增大主要是由于传质推动力的增加而引起，此时吸收过程的调节主要靠传质推动力的变化。当液相阻力较大时，增大吸收剂流量，传质系数大幅增加，传质速率增大，溶质吸收量增大。,3吸收剂用量,4、温度的影响,低温操作可以增大气体在液体中的溶解度，对气体吸收有利但温度太低时，对吸收又是不利的。所以要选择一个适宜的吸收温度。,5、压力,增加吸收塔系统的压力，但过高地增加气体系统压力，会使动力消耗增大，设备耐压性、密封性增强，设备要求高，使设备投资和日常性生产费用加大。一般能在常压下进行吸收操作的就不要无故地提高压力。,吸收剂入塔浓度升高，使塔内的吸收推动力减小，气体出口浓度Y2升高。吸收剂的再循环会使吸收剂入塔浓度提高，对吸收过程不利。但有时采用吸收剂再循环可能有利，例如当新鲜吸收剂量过小以致不能满足良好润湿填料的要求时，采用吸收剂再循环，推动力的降低可由有效比表面积和体积传质系数KY的增大得到补偿，吸收效果好；某些有显著热效应的吸收过程，吸收剂经塔外冷却后再循环可降低吸收剂的温度，相平衡常数减小，全塔吸收推动力有所提高，吸收效果好。,6吸收剂入塔浓度X2,下午任务,编制用水洗脱CO2工艺的初步工艺方案,分组摸吸收解吸模拟装置流程熟悉常见影响因素如何实现绘制典型工艺流程图,二、填料作用及特性,1.填料作用（1）提供气液接触面；（2）强化气体湍动，降低气相传质阻力；（3）更新液膜表面，降低液相传质阻力。,2.填料特性（1）比表面积 a 定义：单位堆积体积所具有的表面积，m2/m3、1/m。,（2）空隙率 定义：单位体积填料中所具有的空隙体积，m3/m3。,（3）干填料因子 a/3与（湿）填料因子,（湿）填料因子 液泛条件下测得的 a/3。,（4）堆积密度 P 单位体积填料所具有的质量，kg/m3。,气体短路壁流现象严重,三、常用填料,材料：陶瓷、金属、塑料堆放：整砌、乱堆,环形（拉西环、鲍尔环、阶梯环）鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）,第二节 吸收平衡及吸收推动力,一、质量分率与摩尔分率,质量分率：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。,3.2.1.相组成表示法,气相：,液相：,质量分率与摩尔分率的关系：,摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率。,3.2.1.相组成表示法,二、质量比与摩尔比,质量比：混合物中某组分A的质量与惰性 组分B（不参加传质的组分）的质量之比。,摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩尔数之比。,气相：,液相：,3.2.1.相组成表示法,质量分率与质量比的关系：,摩尔分率与摩尔比的关系：,3.2.1.相组成表示法,三、质量浓度与摩尔浓度,质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。,摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。,3.2.1.相组成表示法,质量浓度与质量分率的关系：,摩尔浓度与摩尔分率的关系：,c混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；混合物液相的密度，kg/m3。,3.2.1.相组成表示法,四、气体总压与理想气体中组分的分压,总压与某组分的分压之间的关系:,摩尔比与分压之间的关系:,摩尔浓度与分压之间的关系:,3.2.1.相组成表示法,3.2.2.吸收平衡,平衡状态：一定压力和温度下，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。,一、溶解度曲线,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,溶解度：气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的含量称为溶解度。表示方法：kg溶质/100 kg溶液。,氨在水中的溶解度曲线,3.2.2.吸收平衡,液相中氨的摩尔浓度,20下SO2在水中的溶解度,温度对溶解度的影响,几种气体在水中的溶解度曲线,压力对溶解度的影响,讨论：,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。,（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。,3.2.2.吸收平衡,（3）相同的总压及摩尔分率，cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体。,二、亨利定律,（1）亨利定律内容 总压不高时(0.5MPa)，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,3.2.2.吸收平衡,讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,3.2.2.吸收平衡,3.2.2.吸收平衡,1）,（2）亨利定律其它形式,H与E的关系：,m又称为相平衡常数,比例系数EHm 为以不同单位表示的亨利常数.,总压,y*=mx亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X=1则 Y*=mX,讨论：,（1）常数的E，m数值越小，H越大，表明可溶组分的溶解度越大，或者说溶剂的溶解能力越大；,（4）易溶气体的E 值很小。,（2）温度上升，亨利系数增大，气体的溶解度降低；,（3）难溶气体的E 值很大；,3.2.3.相平衡关系在吸收过程中的应用,一、判断过程进行的方向,y y*或x*x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,二、确定过程的推动力,1)称为以气相摩尔分数差表示的吸收推动力,y-y*,x*-x,2)以液相摩尔分数差表示的吸收推动力,三、指明过程的极限,出塔气体浓度最低值：p2,min,离塔液体浓度最高值：x2,max,实际生产中：,p2 p2,min x1 x2,max,第三节 吸收传质机理,3.3.1.质量传递机理,过程的方向、极限 相平衡,过程的速率？,溶质分子运动过程,气相主体 界面（扩散）,界面上溶解（溶解）,界面 液相主体（扩散）,吸收包括三个步骤,合理简化：,上述过程中，第二步即界面上发生的溶解过程很容易进行，其阻力极小。因此，通常认为截面上气、液两相的溶质浓度满足平衡关系，即我们可以认为在气、液两相截面上总保持两相的平衡。总过程速率将由两个单相即气相与液相内的传质速率所决定的。,1、分子扩散与菲克定律,一、分子扩散（静止、层流）,3.3.1.质量传递机理,分子扩散现象,流体内部存在某一组分的浓度差，分子的微观运动使组分由浓度高处传递至浓度较低处。,2.菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。,3.3.1.质量传递机理,JA组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2s）；,DAB组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。,书93页表3-1，3-2表明：温度升高，压力降低，扩散系数增加。,物质通过湍流流体的转移称对流扩散。对流扩散时，扩散物质不仅靠分子本身的扩散作用，并且借助湍流流体的携带作用而转移，而且后一种作用是主要的。对流扩散速率比分子扩散速率大的多。对流扩散速率主要决定于流体的湍流程度。,二、对流扩散（分子扩散+涡流扩散）,表面更新理论,三、三个重要的传质模型：,有效膜理论,溶质渗透理论,气液两相接触时，两相间有一相界面，两侧分别存在着呈层流的稳定膜层（虚拟膜），溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。（膜层厚度随流速而定）相界面上，气液相平衡。膜层以外的主体内，由于湍流而使溶质浓度均匀，浓度梯度全部集中在两个膜层内。,1、有效膜模型,1、有效膜模型,间壁式换热过程,吸收过程,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。,2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。,3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。,单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。,2、溶质渗透理论(希格比 Higbie),液体在向下流动过程中每隔一定时间发生一次完全混合，使液体浓度均匀化，在发生混合以后的最初瞬间，只有界面处的浓度处于平衡浓度，而界面以外的其他地方浓度均与液相主体浓度相同；此时界面处浓度最大，传质速率最快；随着接触时间的延续，浓度分布均匀化，传质速率下降。,3、表面更新理论(丹克沃茨 Danckwerts),丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。,第四节 传质速率方程,3.4.1.对流传质速率方程,1、气相与界面的传质速率方程,或,式中NA单位时间内组分A扩散通过单位面积的物质的量，即传质速率，kmol/（m2s）；p，pi溶质A在气相主体与界面处的分压，kPa；y，yi气相主体与界面处的摩尔分数；kG以分压差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2skPa）；ky以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2s）；,2、液相与界面的传质速率方程,或,式中c，ci溶质A的液相主体浓度和界面浓度，kmol/m3；x，xi溶质A在液相主体与界面处的摩尔分数；kL以浓度差表示推动力的液相传质系数，m/s；kx以摩尔分数差表推动力液相传质系数，kmol/（m2s）；界面上的yi和xi浓度根据双膜理论成平衡关系，但是无法测取。,3、相际传质速率方程吸收总传质速率方程,或,式中xe，ye分别与气相主体或液相主体组成平衡关系的摩尔分数；X，Y用摩尔分数比表示的浓度；x，y分别是气相主体或液相主体摩尔分数；Kx以液相浓度差为推动力的总传质系数，kmol/（m2s）；Ky以气相浓度差为推动力的总传质系数，kmol/（m2s）；KX以液相摩尔比浓度差为推动力的总传质系数，kmol/（m2s）；KY以气相摩尔比浓度差为推动力的总传质系数，kmol/（m2s）。,传质速率还可以写成下列形式,或,ky液膜吸收系数，kmol/(m2.s)；1/ky气膜阻力，(m2.s)/kmol，此阻力的表达形式是与气膜推动力（y-yi）相对应的。,根据对流传热总阻力等于各层阻力之和原则，气、液两相相际传质总阻力等于分阻力之和，总推动力等于各层推动力之和，即：,对溶解度大的易溶气体，相平衡常数m很小。在ky和kx数量级相近情况下，必然有1/kym/kx，m/kx项相应很小，可以忽略，则,3.4.2.传质阻力的控制,易溶气体的液相阻力很小，吸收过程总阻力集中在气相中。气相阻力控制着整个吸收过程的速率，通称气阻控制。欲提高吸收传质速率，只要降低气相阻力即可获得经济效益。例如用水吸收氨气、HCl等气体。,3.4.2.传质阻力的控制,对溶解度小的难溶气体，m值很大，在ky和kx数量级相近情况下，必然有1/kx1/mky，1/mky项很小，可以忽略，则,难溶气体的总阻力集中在液相内，液相阻力控制整个吸收过程的速率，通称液相阻力控制。例如用水吸收二氧化碳、Cl2等气体。,当汽、液两相的传质阻力具有相近的数量级，两者都不能忽略，总传质速率由双膜控制。（中等溶解度的气体吸收，如水吸收SO2）,2.3.3 吸收速率方程及吸收系数小结,1.推动力涉及范围及组成表示方法不同，吸收速率方程有多种形式(10)，归纳为两类：与膜系数相对应的速率式，采用一相主体组成与界面处组成之差表示推动力；与总系数相对应的速率式，采用任一相主体组成与其相平衡浓度之差表示推动力。2.吸收系数应与推动力表示方法及其单位相一致。如,3.因为塔内不同横截面上气液相组成各不相同，因此吸收速率也不同，故吸收速率方程适用于塔内某一截面上稳态吸收的过程，不能直接用来描述全塔的吸收速率。4.总吸收速率方程适用于全部组成范围内平衡关系符合亨利定律的溶液。5.两种特殊情况：易溶气体吸收，气膜控制；难溶气体吸收，液膜控制。6.总吸收系数通过膜系数计算；各膜系数可相互换算；各总系数可相互换算。,第三章 吸 收,第五节 吸收（解吸）计算,操作型：核算；操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料恒算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高、塔径,定态，假设溶剂不挥发，惰性组分不溶于溶剂,在全塔范围内，对溶质作物料衡算：,VY1+LX2=VY2+LX1,V（Y1Y2）=L（X1X2）,V，Y2,V，Y1,L，X2,L，X1,m,n,混合气体中溶质A被吸收的百分率。,X1=X2V(Y1Y2)/L,Y2=Y1(1),3.5.1 物料衡算,逆流吸收,V，Y2,V，Y1,L，X2,L，X1,V，Y,L，X,VY+LX2=VY2+LX,3.5.2 操作线方程式及操作线,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,X,Y1,Y2,X1,X2,A,B,Y,3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。,2）操作线通过塔顶（稀端）A（X2，Y2）及塔底（浓端）B（X1，Y1）;,1）定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为L/V。L/V为吸收 操作的液气比；,5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；,4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平衡线下方。,逆流与并流的比较：,1）逆流推动力均匀，且,2）Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1；X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。,3.5.3 吸收剂用量的计算,1最小液气比,最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,最小液气比的计算,（1）平衡曲线一般情况,X*1与Y1相平衡的液相组成。,平衡关系符合亨利定律时：,若X2=0，则,或,若X2=0，则,2）平衡曲线为凸形曲线情况,2操作液气比,1某吸收塔每小时能从混合气中的吸收200KgSO2，已知该塔的实际用水量比最小耗用量大65%。试计算每小时实际用水量为若干m3？已知入塔混合气中含SO218%（体积分率），操作压力为101.3Kpa，温度为300K，SO2溶液的相平衡关系为：。（均为比摩尔组成）,例题,1填料层高度的基本计算式,V填料层体积，m3；A吸收所需要的两相接触面积，m2;塔截面积，m2;a单位体积填料层所提供的有效比表面积，m2/m3。,3.5.4 吸收塔高的计算,将两式从塔顶至塔底积分，得：,单位时间，dZ内吸收A的量：,2传质单元数与传质单元高度,若令,则,式中NOG以（Y-Ye）为推动力的传质单元数；HOG 传质单元高度，m。,同理：,填料层高度可用下面的通式计算：Z=传质单元高度传质单元数,体积传质系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,3、传质单元数的计算,（1）解析法(解析因子法)适用范围：平衡关系为Y*=mX,符合亨利定律将相平衡关系、操作线方程代入传质单元数式，积分得到：,称为“脱吸因数”，无因次。,反映吸收率的高低对传质单元数的影响。,当Y1,X2一定,Y2=Y1(1-),对于同一S,NoG,S 反映吸收推动力的大小。,当Y1，(Y2),X2,m 一定,S=mVB/Ls,即Ls/VB,X1,Y-Y*,NoG,反之S,NoG。,S大，对吸收不利，S小，则Ls大，操作费用大，一般 S=0.70.8之间。,适用范围：平衡线为直线,或在吸收操作范围内近似为直线仿照传热过程，用平均推动力代替全塔推动力。,（2）对数平均推动力法,同理：,1）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。,注意：,2）平衡线与操作线平行时，,3）当、时，对数平均推动力可用算术平均推动力。,（3）图解积分法适用范围：普遍适用于各种平衡关系,步骤：i 在X-Y作标系中绘出平衡线,与操作线ii 选点,列表iii 作Y1/（Y-Y*）图iv 求面积,（4）梯级近似法,在塔径为1m2某填料吸收塔中用纯轻油吸收混合气中的苯，进料量为1000标m3/h进料气体中含苯5%（体积百分数），其余为惰性气体。要求回收率95%。操作时轻油含量为最小用量的1.5倍，平衡关系为Y=1.4X。已知体积吸收总系数为Kya=125Kmol/（m3h），轻油的平均分子量为170。求轻油用量和完成该生 产任务所需填料层高度？,例题,解：,，,命题：物系、操作条件一定，计算达到指定 分离要求所需塔高。,分离要求：残余浓度y2或溶质的回收率,1设计型,（1）流向的选择,3.5.5 吸收计算,二、等板高度法,理论级:不平衡的气液两相在一段填料层内相互接 触，离开该段填料的气液两相达到相平衡，此段填料为一个理论级。,Z=HETPNT,NT完成分离任务，所需的理论级数；HETP等板高度。,等板高度：分离效果达到一个理论级所需的填料 层高度。,4）液体受到上升气体的曳力，限制了液体流量和 气体流量。,（2）吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度,（3）吸收剂流量的确定,2吸收塔的操作型计算,命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算;吸收塔的核算。（1）定性分析：1）根据条件确定HOG、S；2）利用ho=，确定 的变化;3）采用吸收因数法确定y2的变化;4）利用全塔物料衡算分析x1变化。,（2）定量计算,问题：吸收温度降低，y2、x1、吸收操作线如何变化？x2降低，y2、x1、吸收操作线如何变化？吸收压力提高，y2、x1、吸收操作线如何变化？,3吸收过程的强化,目标：提高吸收过程的推动力；降低吸收过程的阻力。,1）逆流操作比并流操作的推动力大；,（1）提高吸收过程的推动力,2）提高吸收剂的流量；,yb,ya,ya,xb,xb,xa,（2）降低吸收过程的传质阻力,二、填料塔内气液两相流动特性,（一）气体通过填料层的压降,单位体积填料层中滞留的液体体积持液量,1、恒持液量区,A点以下，u小，气液流动几乎与气速无关,2、载液区,A点以上，u大，阻拦液体顺畅流下，持液量增加 拦液现象,A点载点 A点气速载点气速,3、液泛区,u，液体在塔内积累而出现气流脉动，液体被大量带出塔顶 液泛现象,B点泛点 B点气速泛点气速,斜率急剧增大，塔不能正常操作。,影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等,填料特性的影响主要在填料因子上；填料因子 值越小，越不易发生液泛现象。,流体物性的影响体现在气体密度、液体的密度和粘度上；气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛点气速越大。,操作的液气比的影响操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速愈小。,子项目三、吸收操作规程编制与实际操作,一、吸收操作的开停车,吸收任务、物系性质、分离指标及操作条件等不一样，不同吸收过程操作方法不一样，但总体上都包括开车准备（试漏及置换等）、冷态开车、正常运行和正常停车等等。,1、系统气密试漏,对系统进行吹扫，吹灰结束，阀门、孔板、法兰等复位后，可以用空气充压，试压、试漏。试漏过程中不得超压。,2、系统氮气置换,引外界合格氮气进行充压、卸压系统置换，直至系统中取样分析N2 99.5%为置换合格,3、系统开车,应先进液再进气，确保塔中填料全部被润湿。进气及进液过程中，应严格按照操作规程操作泵、压缩机、阀门及仪表等。并最终控制到规定的指标。,应先停气再停液。温度较高时降低到指定指标后才能停液。短期停车，溶液不必排出，注意关出口切断阀，保压待用；长期停车，应将溶液排入贮器中充氮气保护，卸压，用氮气置换合格，再充氮气加压水循环清洗，清洗干净后排尽交付检修。,4、系统停车,二、吸收操作规程,吸收实训操作,（1）开启水系统并调节流量：打开进水总阀，打开水转子流量计前阀，调节水流量至给定值，并维持基本稳定；（2）开启空气系统并调节流量：打开风机，打开混合气体小流量计前阀，调节流量至给定值，并维持基本稳定；,（3）开启CO2系统并调节流量：打开CO2钢瓶总阀，打开减压阀（压力控制0.1Mpa），打开CO2流量计前阀调节流量至给定值；并维持基本稳定；（4）维持各流量计稳定，维持吸收塔塔底液封稳定；（5）进气和尾气浓度分析；（6）计算吸收率,三、气相色谱的操作,气相色谱仪的型号：SP-6810,打开H2总阀，减压阀调至0.2Mpa；柱前压调至0.1MPa，初始压力为0.2Mpa；开色谱电源（机箱后）；设定温度：按设定DT，检测器温设为070 按设定IJ（汽化室温），设为070 按设定OV（柱箱温），设为065,5、加热：“按加热”钮，加热至恒温（红灯亮）；6、设桥流：按“桥流”钮，CU设140，再按“桥流”确认，按“衰减”按钮；7、AT可设为001；8、打开在线色谱工作站；选择通道，填写实验信息，采样控制取消自动打印，选“采样结束自动积分”，查看基线，0电压20V，看进气口压力0.015Mpa；9、进样，同时按钮数据采集出CO2峰一会儿，停止采集预览。,子项目四、吸收操作,一、吸收塔的故障、判断及处理方法,填料吸收塔系统运行过程中,由于工艺条件发生变化、操作不慎或设备发生故障等原因而造成不正常现象.应及时处理,以免造成事故。常见的异常现象及处理方法如下：,尾气夹带液体量大,原 因 处 理 方 法原料气量过大 减少进塔原料气量吸收剂量过大 减少进塔喷淋量吸收塔液面太高 调节排液阀，控制在规定范围吸收剂太脏、粘度大 过滤或更换吸收剂填料堵塞 停车检查，清洗或更换填料,尾气中溶质含量高,进塔原料气中溶质含量高 降低进塔的溶质浓度进塔吸收剂用量不够 加大进塔吸收剂用量吸收温度过高或过低 调节吸收剂入塔温度喷淋效果差 清理、更换喷淋装置填料堵塞 停车检修或更换填料,原 因 处理方法,进塔原料气量大 减少进塔原料气量进塔吸收剂量大 减少进塔喷淋量吸收剂太脏、粘度大 过滤或更换吸收剂填料堵塞塔内 停车检修，清洗或更换填料,压差太大,原 因 处理方法,气体负荷大或波动大 降低气相负荷 溶液起泡 过滤或向溶液中加入消泡剂气体的液沫夹带量过多 减少液沫夹带填料 调整填料操作的液气比 控制液气比,拦液和液泛,原 因 处理方法,气液分布不均匀 调整气液分布气体和液体在填料层内的沟流 控制沟流液体的喷淋密度过大 减小液体的喷淋密度气液相的停留时间 改变气液相的停留时间,返混,原 因 处理方法,二、影响吸收塔操作的因素,当吸收塔结构形式、尺寸、吸收流程、吸收剂性质等都已确定，影响吸收塔操作的主要因素有：,（一）压力,（二）温度,增加吸收系统的压力，提高吸收推动力，对吸收有利,但动力消耗增大，设备强度要求提高。,降低温度增大气体溶解度，对吸收有利，但温度太低时，冷量消耗大，吸收剂粘度增大，能耗增加；吸收液扩散系数小，影响吸收效率。,（三）吸收剂的进口浓度,降低入塔吸收剂中溶质浓度，可增加吸收的推动力。,（四）填料层的压降和气流速度,气体通过填料层的压降，,1、恒持液量区,A点以下，u小，气液流动几乎与气速无关,2、载液区,A点以上，u大，阻拦液体顺畅流下，持液量增加 拦液现象,A点载点 A点气速载点气速,3、液泛区,斜率急剧增大，塔不能正常操作。,（五）液体喷淋密度和填料表面的润湿,吸收是气、液相间进行扩散的传质过程，气流速度的大小直接影响到这一传质过程，每一个塔都应选择相应的适宜气流速度。,填料表面的润湿状况取决于塔内液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。,指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/（m2h）。,1、喷淋密度,为保证填料层的充分润湿，喷淋密度大于最小喷淋密度,指在塔截面上，单位长度填料周边的最小液体体积流量。,2、最小润湿速率,其值可由经验公式计算，也可采用经验值。,（六）液气比,操作液气比不能维持为常量时，常需及时调节、控制。,（1）喷淋密度不能太小；,（2）最小液气比决定于预定的生产目的和分离要求,（3）当入塔气体条件（V、Y1）发生变化，为达预期分离要求，应及时调整液体喷淋量；,（4）当吸收与解吸联合操作时，吸收剂入塔条件（L、t、X2）将受解吸操作的影响,三、吸收塔的调节,吸收塔的操作应维持在一定的操作条件范围内，操作偏离这一条件，必须加以调节。,进气量的调节 吸收剂流量的调节,（一）流量的调节,（二）温度与压力的调节,吸收剂的温度的调节 维持塔压,（三）塔底液位的维持,四、吸收塔的安全技术,保证系统密闭,安全使用吸收剂,五、吸收操作实验报告（样表）,组员姓名_、_、_实验装置号_实验时间_,1实验原始数据记录表,2实验分析及计算结果记录表,数据计算处理过程：,日 期：,5、气、液相流量的影响,(1)气流速度 气速大，有利于吸收；气速过大，造成液泛现象或夹带雾沫或气液接触不良等现象。(2)吸收剂流量 吸收剂流量越大，有利于吸收，过大，则增加操作费用。（3）喷淋密度 喷淋密度过大，吸收液质量降低，过小时则不能保证气体被吸收后的纯净度。,如在填料吸收塔中，吸收剂的喷淋密度一定要保证全部填料湿润，喷淋密度过小可能会导致填料表面不能被完全润湿，喷淋密度过大，则流体阻力增加，可能将引起液泛现象。选择好喷淋装置，也是保证喷淋密度均匀的必要手段。,6、吸收剂的纯度,吸收剂的纯度越高，对吸收越有利。但是，解吸越完全，解吸所需要的费用越高。,二、吸收塔的操作与调节,1、吸收操作要点辨明组分在吸收剂中溶解的难易程度，确定提高气相或液相的流速及其湍动程度 要根据处理的物料性质来选择有较高吸收速率的塔设备 应注意液流量的稳定，避免操作中出现波动。,应掌握好气体的流速应经常检查出口气体的雾沫夹带情况应经常检查塔内的操作温度填料塔使用一段时间后，应对填料进行清洗，以避免填料被液体粘结和堵塞,2、吸收塔的调节,吸收