化工分离过程第14讲34吸收和蒸发过程.ppt
化工分离过程 Chemical Separation Processes,第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算,2,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3.1 设计变量3.2 多组分精馏过程（普通精馏）3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）3.4 吸收和蒸出（解吸）过程 3.4.1 吸收和蒸出过程流程 3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析 3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法 3.4.4 化学吸收,3,3.4 吸收和蒸出过程,吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶液中物理溶解度或化学反应活性的不同而将混合物分离的传质单元操作。如果气体溶质以物理溶解方式溶于液体中称为物理吸收。如果气体溶质溶于液相之后能与溶剂（或活性组分）发生化学反应称为化学吸收。,4,3.4 吸收和蒸出过程,气体溶于吸收剂时常常要放出溶解热，发生化学反应时还有反应热，因此在吸收过程中，一般体系的温度都要升高。随着吸收过程的发生，体系温度发生明显变化的吸收称为非等温吸收或变温吸收。对于溶质含量较低的低浓度气体物理吸收过程，体系的温度变化不大，可视为等温过程。,5,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,一、操作目的,净化和精制气体 分离气体混合物 制备溶液或中间产品,二、吸收过程特点,吸收目的产物的同时也吸收了其他组分 多组分吸收,6,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,端点条件,复杂塔：两处进料、两处出料 温度、浓度预分配难 吸收剂组成与解吸有关,7,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,物系,平衡态,汽相：组分沸点差大，有些组分接近于临界点 非理想气体液相：吸收剂量大 稀溶液,平衡关系表达式,8,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,流量,液相流量从上向下；汽相流量从下向上 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、露点方程计算Tn，要用热量衡算方程计算Tn。,平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究得 还不充分。,吸收过程的逆过程为蒸出（解吸）。,9,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,三、吸收过程的分类,物理吸收已进行了大量的研究,化学吸收,1.可逆反应的化学吸收过程 难点：汽液平衡，化学反应速率,2.不可逆反应的化学吸收过程 难点：连串反应，不是瞬时完成的反应,10,3.4.1 吸收和蒸出过程流程,四、吸收过程的流程,11,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析（注意：分析与精馏塔的差异）,一、设计变量和关键组分,（固定设计变量）,吸收塔,（可调设计变量）,串级单元数 1,Na的指定：核算型指定为N；设计型指定为一个关键组分的分离要求。,12,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,精馏过程：双向传质过程吸收过程：单向传质过程 不能视为恒摩尔流（图3-35a）,二、单向传质过程,流量分布曲线（从组分的挥发度看图3-35c,d）：C1、C2较大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化；C4、C5较小，进塔立即被吸收，塔上部基本不变；C3适中，上段吸收快，在塔某板出现最大值。,13,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,三、吸收塔内组分分布（图3-35e）,不同组分在不同塔段吸收程度不同。2.难溶组分（LNK），一般只在靠近塔顶几级被吸收，其他级吸收较少；易溶组分（HNK），一般只在靠近塔釜几级就被 吸收。3.关键组分在全塔范围内均被吸收。,14,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,四、吸收和蒸出过程的热效应（图3-35b）,溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大。a、温度升高，相平衡常数变大，吸收的推动力变小;b、由于吸收过程要放热，使汽液温差变大，除发生传质 过程外，还有传热过程发生。复杂性大,2.若吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化大。使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。于是出现一个反作用：吸收放出热量加热液体吸收剂汽化冷却液体 塔中部出现温度极大值,15,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,五、吸收剂的选择,对目标组分有足够大的吸收能力，选择性好；解吸时便于再生；操作温度下本身的蒸汽压应不大，即不易挥发；化学性质稳定；对设备无腐蚀；传质系数足够大；价廉易得。,16,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,物理吸收过程和精馏过程的比较,相同点：均属于传质分离过程。,不同点：精馏过程是气液相双向传质，利用组分的挥发度的不同实现分离，物理吸收过程是气相分子向液相的单方向分子扩散和传质过程，利用组分在吸收剂中溶解度的不同实现分离。精馏指定两个关键组分的分离要求，而吸收只能指定一个关键组分。,17,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,不同点：精馏引入能量媒介，吸收引入物质媒介。精馏塔一般是一股进料两股出料，吸收塔有两股进料和两股出料。由于吸收液从塔顶注入，富气（原料气）由塔底加入，吸收过程放出溶解热，因此吸收塔内从塔顶到塔釜，关键组分气、液相浓度都是上升的，一般情况下，温度也是逐步上升的。精馏塔内可视作恒摩尔流计算，并可按清晰分割和非清晰分割对物料进行预分配。,物理吸收过程和精馏过程的比较,18,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析,工业气体吸收常用的吸收剂,19,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,设计型计算：指定分离要求,已知：入塔原料气的组成、温度、压力和流率；吸收剂的组成、温度和压力；吸收塔的操作压力，对关键组分的分离要求。计算：吸收塔理论板数、塔顶加入的吸收剂量、塔顶尾气 量和组成以及塔底吸收液量和组成。,蒸出塔（解吸塔）的情况相似，只是将进出塔的物流相应变化即可。,20,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,一、吸收因子法,1.吸收因子和解吸因子,吸收过程中定义：,a、无因次数群；b、L/V，KA，有利于吸收；c、分离要求一定：A，N；N一定：A，吸收程度。,i组分的吸收因子或吸收因数（省去i）,A的大小可说明吸收的难易,21,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,用A、S表示平衡关系：,2.HortonFranklin方程（哈顿富兰克林方程）,n板物料衡算：,（3-74）,22,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,用（3-74）表示各组分在各板气相量：,当n=1时：,当n=2时：,整理得：,23,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,依此类推，当n=N时：,全塔物料衡算（消去vN）：,（3-79）,（3-78）,24,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,（3-78）=（3-79）整理得：,HortonFranklin方程,讨论（3-80）：a、计算吸收率的普遍式；b、式中K=f(T,P,xi)，而组成未知，难以计算；c、必须采用简化形式作简捷计算。,（3-80）,25,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,平均吸收因子法,26,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,等比级数,27,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,（3-81）,讨论（3-81）：a、以式（3-81）作图AN关系（图3-39）,28,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,b、解式（3-81）,（3-82）,c、若吸收剂中不含进料组分,用于求N,29,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,d、（L/V）min的计算,e、A的计算,30,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,设计计算的已知条件：,入塔原料气流率VN+1(m3/h)或(kmol/h)；入塔原料气组成yN+1(摩尔分数)；吸收塔的操作温度T()和压力P(kPa);吸收剂的种类和组成；对原料气中某一组分（关键组分）的分离要求关。,设计计算的任务：,完成分离任务所需的理论板数N；完成分离任务所需的吸收剂量L0；塔顶尾气量v1和组成y1;塔釜吸收液量lN和组成xN。,31,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,例3-8,不挥发的烃类,T=38P=1.013MPa,已知：yN+1,进料：C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5n-C6,计算：,32,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,解：查得在1.013MPa和38下各组分的相平衡常数列于下表：,异丁烷为关键组分，设原料气流率为100mol/h。最小液气比的计算在最小液气比下操作时，理论板数为无穷多：,33,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,理论板数的计算操作液气比：,操作液气比下关键组分的吸收因子为：,理论板数为：,34,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,尾气量和组成的计算以丙烷为例计算非关键组分的吸收因子：,（3-81）式计算吸收率：,通过吸收塔后丙烷被吸收的量：,35,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,丙烷的尾气量：,丙烷的尾气组成的计算：,其它组分的尾气量和组成详见P100。,36,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,塔顶应加入的吸收剂量塔内气体的平均流率为：,塔内液体的平均流率为：,37,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,设计计算的步骤：,选定关键组分及其吸收率；确定最小液气比和操作液气比；计算理论板数N（3-82）；计算其它组分吸收率；求v1，y1，L0，lN，xN等。,38,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,2.平均有效吸收因子法,（3-80）,Edmister提出：利用Ae与Ae代替每板吸收因子，且保持 不变。,39,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,平均有效吸收因子Ae与Ae定义为：,（3-83）,（3-84）,40,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,（3-85）,式（3-80）可改写为：,平均有效吸收因子可用下式计算：,（3-86）,（3-87）,41,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,埃德密斯特的这一假设和马多克思等人的研究结果基本吻合。马多克思通过对一些多组分轻烃吸收过程的逐板计算，得出吸收过程主要在塔的顶、底两板完成的结论。如下表：,因此，通常吸收塔的理论板数是不需要很多的，因为大量增加塔板数不能显著改善吸收效果，相反却使设备费用大幅度上升。,42,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,若吸收剂中不含有被吸收组分，即l0=0，则式（3-85）简化为：,（3-88）,为了计算有效吸收因子，就必须知道离开塔顶板和底板的气液流率（V1,L1,VN,LN）和操作温度，这就需要预先估算吸收过程的总吸收量，并且在下面两个假定下估计各板的流量和温度。,（1）各板的吸收率相同，则任意相邻两板的气相流率为：,（3-90）,43,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,同理，（n+1）板与进料气的气相流率比值为：,将上式中的Vn+1代入（3-90）式则得：,44,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,由塔顶至第n板间作总量和组分的物料衡算，分别得：,（2）塔内的温度变化与吸收量成正比,（3-91）,45,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,若已知进料气流率、组成及温度，进塔吸收剂的流率、组成及温度，塔的操作压力和理论板数，按平均有效吸收因子法确定塔顶尾气和出口吸收液的流率与组成的计算过程为：,1.用平均吸收因子法估计各组分的尾气量v1和塔低吸收液量lN；,2.假设尾气温度（T1），通过全塔热衡算确定塔底吸收液的温 度（TN）；,（3-89）,式中：H，h分别为气相和液相的摩尔焓；Q吸收塔移出的热量。,46,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,3.估计离开顶板的液体流率（L1）和从底板上升的气体流率（VN）；4.计算每一组分在顶板和底板条件下的吸收因子；5.用式（3-86）和式（3-87）计算有效吸收因子；6.用图3-39确定吸收率；7.作组分的物料衡算，计算尾气和出口吸收液的组成；8.校核全部假设。,47,阅读课本 巩固知识作业：P118 习题3-17（平均吸收因子法）,
