第4章气体吸收和解吸.ppt

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1、1,4.1多组分吸收和解吸过程分析,4.2 吸收和解吸过程流程,4.3多组分吸收和解吸过程简捷计算,4.4 化学吸收,第4章 气体吸收和解吸,2,4.1多组分吸收和解吸过程分析,一、吸收和解吸 二、工业生产中的吸收过程三、吸收过程的分类四、吸收过程的特点,3,一、吸收和解吸吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称为吸收剂 被吸收的气体混合物称为溶质 当吸收过程用于中间产物分离时，离开吸收塔的吸收液需进行解吸操作，其作用是将溶质从吸收液中驱赶出来，并使吸收剂获得再生，所以

2、解吸是吸收的逆过程。,4,二、工业生产中的吸收过程,1,2,3,4,5,净化或精制气体为除去原料气中所含的杂质，吸收是最常用的方法。如用乙醇胺液脱出石油裂解气或天然气中的硫化氢;乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中原料气的脱硫、脱卤化物;合成甲烷工业中的脱硫、脱CO2;二氯乙烷生产过程中用水去除氯化氢等。,6,分离气体混合物用以得到目的产物或回收其中一些组分如石油裂解气的油吸收，将C2以上的组分与甲烷、氢分开；用N-甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来；焦炉气的油吸收以回收苯；乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中,用吸收法分离反应气体中的环氧乙烷等。,7,将最终气态产品制成溶液或中间

3、产品将气体中需用的组分以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品。如用水吸收氯化氢气体制成盐酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸收丙烯腈作为中间产物等。,8,废气治理很多工业废气中含SO2、NOx（主要是NO及NO2），汞蒸汽等有害成分，虽然浓度一般很低，但对人体和环境的危害甚大，而必须进行治理，这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气处理中应用较广的方法。,9,二氧化碳的吸收过程,10,三、吸收过程的分类,按组分的相对溶解度的大小单组分吸收 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。如制氢工业中，将空气进

4、行深冷分离前，用碱液脱出其中的二氧化碳以净化空气，这时CO2仅在碱液中具有显著的溶解度，而空气中的氮、氧、氩等气体的溶解度均可忽略。,11,按组分的相对溶解度的大小多组分吸收 气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个,吸收目的产物的同时也吸收了其他组分。如用油吸收法分离石油裂解气，除氩以外，其它组分都程度不同的从气相溶到吸收剂中。,12,吸收过程有无化学反应 物理吸收 所溶组分与吸收剂不起化学反应 化学吸收 溶质与溶剂有显著的化学反应发生。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。,13,化学吸

5、收 溶质与溶剂有显著的化学反应发生。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,14,吸收过程温度变化是否显著 等温吸收 气体吸收相当于由气态变液态，所以会产生近于冷凝热的溶解热 化学吸收过程中，有溶解热+反应热 吸收过程温度变化不明显 非等温吸收 吸收过程温度变化明显,15,按吸收量的多少 贫气吸收 吸收量不大，对吸收塔内的吸收剂和气体量影响不大 恒摩尔流恒温操作 富气吸收 吸收量大的情况,16,按汽液两相接触方式和采用的设备形式喷淋吸收填料塔或空塔：气、液两相都连续 淋降板塔：气相连续，液相分散鼓泡吸收鼓泡塔或

6、泡罩塔：液相保持为连续相，气相分离为小气泡通过液层,17,按汽液两相接触方式和采用的设备形式降膜吸收降膜式吸收器，使气、液两相均连续，用于吸收热效应大的情况。吸收剂顺着管壁形成一层液膜，由于重力作用而往下流动，原料气以一定的流率逆流向上，两相在管壁中进行传质过程，产生的吸收热通过管壁传给冷凝剂，不断被冷凝剂带走。,18,每一具体的吸收过程以采用哪一种分类方法为宜，完全视何种分类方法能较准确的反映出该具体过程的特点来衡量如采用油吸收法分离石油气，在进行吸收计算时，应突出说明它是多组分吸收，在计算进行过程中，应考虑到它是一个非等温吸收，在比较采用何种设备时，应考虑到使用鼓泡吸收还是喷淋吸收或其它等

7、。,19,小结,吸收过程分类,喷淋吸收,鼓泡吸收,降膜吸收,恒摩尔流恒温操作,20,四、吸收过程的特点,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复杂塔,21,最简单的吸收为精馏中的复杂精馏，即两股进料，两股出料。被分离的气体混合物均是从吸收塔的下部进入，在塔内自下而上的运动过程中与从塔顶喷淋下来的液体吸收剂作用，溶解度较低的气体（亦称为惰性气体）不被吸收而从吸收塔顶部排出，吸收剂从塔顶喷入后，在与气体混合物的接触过程中不断吸收易溶解的组分，最后吸收剂与被吸收的易溶组分一起从吸收塔底排出。,22,传质形式不同吸收

8、是单向传质，精馏是双向传质 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、重组分的摩尔汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流,23,温度范围、变化不同 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，而且从塔顶向下，温度逐渐升高。每个级上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程定出 吸收要采用热量衡算来确定温度的分布,24,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 吸收每端

9、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,25,精馏有两个关键组分，吸收有一个关键组分 组分分布不同精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值，非关键组分在进料级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,26,4-2 吸收和解吸过程流程,一、单纯吸收工艺流程 二、吸收-解吸法三、吸收蒸出塔,27,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，解吸过程一般可采用的方法有：加热升温；

10、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，而吸收剂则再送回吸收塔内循环使用。,4-2 吸收和解吸过程流程,28,欲分离氨气空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨水在水中的溶解度最大，而空气几乎不溶于水。流程如图所示,上述密闭容器能否用作工业吸收设备？,可以,但吸收效果不好,原因在于气、液两相接触情况不好,29,一、单纯吸收工艺流程,单塔单纯吸收流程图,多塔串联单纯吸收流程图,30,单纯吸收工艺流程,31,单纯吸收工艺流程,32,单纯吸收工艺流程,33,该法用于气体混合物通过吸收方法将其分离为惰性气体和易溶气体两部分的情况。解吸的常用方法是使溶液升温，以减小气体溶质的溶解度，所以

11、在解吸塔底部没有加热器，可用直接蒸汽和再沸器的形式，通过加热器提供热量使易溶组分蒸出并从解吸塔顶排出，解吸塔底的吸收剂经冷却再送往吸收塔循环使用。解吸塔也可采用精馏塔，可起到提高蒸出溶质的纯度和回收吸收剂的作用。,二、吸收-解吸法,34,吸收-解吸法,35,吸收-解吸法,36,当吸收尾气中某些组分在吸收剂中有一定的溶解度，为保证关键组分的纯度采用吸收蒸出塔，即将吸收塔与精馏塔的提馏段组合在一起，原料气从塔中部进入，进料口上面为吸收段，下部为蒸出段，当吸收液（含有关键组分和其它组分的溶质）与塔釜再沸器蒸发上来的温度较高的蒸汽相接触，使其它组分从吸收液中蒸出，塔釜的吸收液部分从再沸器中加热蒸发以提

12、供蒸出段必须的热量，大部分则进入蒸出塔内部使易溶组分与吸收剂分离开，吸收剂经冷却后再送入吸收塔循环使用。一般只适用关键组分为重组分的场合。,三、吸收蒸出塔,37,只适用关键组分为重组分的场合,吸收蒸出塔,38,吸收蒸出塔,39,4-3 多组分吸收和解吸过程简捷计算,一、吸收过程工艺计算的基本概念 二、吸收因子（吸收因素）三、吸收因子法的基本方程四、平均吸收因子法五、平均有效吸收因子法,40,4-3 多组分吸收和解吸过程简捷计算,一、吸收过程工艺计算的基本概念1、吸收、解吸作用发生的条件,解吸：溶质由液相转入气相,与液相组成xi成平衡的气相中i的分压和摩尔分数,41,2、吸收过程的限度,塔釜：,

13、确定了吸收液中组分的最大浓度,塔顶：,规定了设计回收塔的分离要求或尾气中i组分的最小浓度,42,3、吸收过程的平衡级,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,和关键组分的分离要求,求：,详细计算还应包括,4、计算内容 可调设计变量为1操作型计算：指定为理论级数设计型计算：指定为关键组分的吸收率 已知：,43,二、吸收因子（吸收因素）,i组分的吸收因子,吸收因子因组分而异,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,吸收因子与操作条件有关,解吸过程,分离要求一定：AN；,N一定：A吸收程度,44,三、吸收因子法的基本方程,1、相平衡关系方程,或,同理，解吸过程：,4

14、5,2、物料平衡方程,对i组分作全塔物料平衡：,46,对n级i组分作物料衡算：,47,48,吸收因子法的基本方程，称为哈顿-富兰格林（Horton Franklin）方程,49,物料平衡方程,讨论：HortonFranklin式的左端,式的右端，包括了各塔板数的相平衡常数，液气比和塔板数，即HortonFranklin方程关联了吸收率、吸收因子和理论板数,试差法求解步骤,1）设：各级的温度,各级上各组分,50,各级上的气相流率,各级上的液相流率,由,得,2）由,求,3）校核：,热量衡算各级温度,如果不符，则要重新设值再进行计算,51,四、平均吸收因子法（Kremser-Brown 克雷姆塞尔-

15、布朗）,1、基本思想,假设各级的吸收因子相同，即采用全塔平均的吸收因子来代替各板的吸收因子，有的采用塔顶和塔底条件下液气比的平均值，也有的采用塔顶吸收剂流率和进料气流率来求液气比，并根据塔的平均温度作为计算相平衡常数的温度来计算吸收因子。因为该法只有在塔内液气比变化不大，也就是溶解量甚小，而气液相流率可以视为定值的情况下才不至于带来大的误差，所以该法用于贫气吸收（恒摩尔流，恒温操作）计算有相当的准确性。,52,2、吸收因子方程假设全塔各段的值均相等的前提下，Horton-Franklin方程变为：,53,2、吸收因子方程,由等比数列前n项和的公式,54,克雷姆塞尔方程,组分i相对吸收率,55,

16、2、吸收因子方程,讨论：,当吸收剂本身不挥发，且不含溶质时，则,即,溶剂为新鲜吸收液时,且0,1,56,根据克雷姆塞尔方程，可知,对解吸塔,57,（5）吸收因子图,图4-12 吸收因子（蒸发因子）图,58,1）当,当,2）当N一定时，则,3）当A一定时，即,但增加的越来越慢，特别是N超过10级以后,一定时，则,59,3、计算步骤,已知：,求：,确定关键组分的吸收率,由,求 N,1）由,确定,60,2）,3）由,查图或用公式计算N,其它组分吸收率的确定,61,求尾气的组成及量 当,时，,62,吸收液的量及组成以及应加入的吸收剂量,求解思路：,A,B,63,五、平均有效吸收因子法,1、平均有效吸收

17、因子埃迪密斯特提出，以某一不变的A值代替哈顿-富兰格林方程中所有A1,A2,AN，使最终计算出来的吸收率保持相同,对解吸,Edmister的假设，是考虑在一吸收塔中，吸收过程主要是由塔顶一级和塔釜一个理论级完成,64,1、平均有效吸收因子,马多克斯（Maddox）通过一些多组分轻烃吸收过程逐级计算 级数 塔顶釜吸收量 2 100%3 88%4 80%吸收塔的理论级数不需要很多，因为增加塔级并不能显著改善吸收效果，相反却使设备费用和操作费用大幅度上升，要提高吸收率，比较有效的方法时增加压力和降低吸收温度。,65,2、计算步骤,用平均吸收因子法计算,假设,，由热量衡算确定,由经验式估算,66,对解

18、吸塔,计算每一组分的,由图4-12确定各组分的吸收率,作物料衡算，再计算,并用热量衡算核算,若结果相差较大，需重新设,直到相符为止,67,4.4 化学吸收,4.4.1 化学吸收的类型和增强因子4.4.2 化学吸收速率4.4.3 化学吸收的计算,68,化学吸收通常指溶质气体A溶于溶液后，即与溶液中不挥发的反应剂B组分进行化学反应的过程；是一种传质与反应同时进行的过程。由于在吸收的同时液相伴有化学变化，使其中的溶质转化为反应产物。优点：化学反应提高了吸收的选择性；吸收速率快，设备投资费和能耗低；反应增加了溶质在液相中的溶解度，吸收剂用量少；反应降低了溶质在气相中的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少

19、量的有害气体。缺点：解吸困难，解吸能耗。若反应为不可逆，反应剂不能循环使用，用途大受限制。,化学吸收(Chemical absorption),69,溶质与吸收剂之间的化学反应对吸收过程具有显著影响。主要特点：吸收过程中溶质进入液相后在扩散路径上不断被化学反应所消耗。例如溶质 A 与吸收剂中的化学组分 B 发生如下反应,化学反应的结果降低了液相中溶质的浓度，从相平衡的角度加大了相际传质推动力，同时还改变了溶质在等效膜中的浓度分布使之更加有利于液相传质。,k*L 反应速率常数，s-1。,如果反应速率主要由溶质 A 的浓度 cA 所控制，即可视为拟一级反应，则液相任意部位处，化学反应速率 RA(k

20、mol/m3s)与溶质浓度的关系为,70,吸收传质理论,吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,(1)气相内传质-溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧；(2)通过界面的传质-溶质在界面上溶解；(3)液相内传质-溶质由相界面液相侧扩散至液相主体。,71,双膜理论,由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论基本论点,(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为 1 和 2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。,(2)

21、相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。,(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。,气相主体,液相主体,相界面,pi=ci/H,p,1,2,pi,ci,c,气膜,液膜,72,根据双膜理论，以液相为基准的吸收速率与溶质在等效膜中的浓度差成正比。化学反应速率和吸收速率都可以通过对溶质在液相中的浓度分布曲线进行定量分析。,吸收剂,气体,pA,cA,界面,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,pA,cAi,cA,pAi,气相主体,物理吸收,化学吸收,73,液膜中的浓度分布,对稳定物理吸收(RA=0)过程，传质微分

22、方程为齐次。在液相漂流因子影响忽略不计（等价于扩散方向上无总体流动）的情况下求解上式，得到膜内浓度分布为直线方程,吸收过程液相中溶质的浓度分布服从传质微分方程,以上式在气液界面上的导数值表示的吸收速率与双膜理论中的溶质通量扩散表达式是一致的（以界面上传质通量表示）,74,边界条件为,对稳定的化学吸收过程(RA0)，传质微分方程为非齐次。以拟一级反应为例：,z=处的边界条件表示由该处扩散进入液相主体的溶质全部被主体内的化学反应所消耗，V 代表与扩散传质面积相对应的吸收液体积（m3/m2）。解微分方程得到等效膜内的浓度分布双曲函数,75,同样以其在气液界面处的导数值表示传质通量，则拟一级反应的化学

23、吸收速率为,八田数（Hatta Number）,八田数代表溶质在等效膜中的反应速率与扩散传质速率的特征比，反应速率愈快其值愈大，在膜中消耗的溶质越多；Ha=0则为物理吸收。,76,4.4.1 化学吸收的类型和增强因子,双膜理论,77,一、化学吸收类型 A+bB=cP,反应在反应面上完成rANA,78,边扩散边反应，反应在反应区完成rANA,79,边扩散边反应，反应在反应区完成rANA,80,通过液膜扩散时来不及反应便进入液相主体，反应主要在液相主体中完成rANA,81,二、化学吸收增强因子,传质速率方程NA组分A的吸收速率 kmol/(m2.s),增强因子(E):与相同条件下的物理吸收比较,由

24、于化学吸收而使传质系数增加的倍数,82,83,4.4.2 化学吸收速率一、膜模型的反应-扩散方程,图4-18 化学吸收微元液膜 P136,对于被吸收气体A与溶液中活性组分B的不可逆反应，应用膜模型，作厚度为dZ的微元液膜体积的物料平衡-反应扩散方程。,84,物料平衡：扩散进入dZ的速率-扩散离开dZ的速率=累积速率+反应速率,-扩散-反应微分方程描述：吸收组分浓度随体系的空间(Z)、时间()和化学反应速率()的变化规律。,85,4-61,4-58,86,根据费克定律,87,慢速反应,快速反应,Ha:无因次，表明在液膜中化学反应速率与传质速率的相对大小，对一级不可逆反应,88,a.快速反应溶质达

25、到液相主体前完全反应，有：CAL=0,89,b.慢速反应,90,91,92,式4-72是隐函数，求解较复杂，用图4-19表示，很方便,4-72,93,图4-19 二级不可逆反应的增强因子 P139,94,即,即,式4-72中,95,b.若Ha0.5E(图中于对角线重合部分),96,四、可逆反应（1）一级可逆反应,与cAL=0的一级不可逆反应的吸收速率方程一样,97,98,KG化学吸收的气相总传质系数,HA亨利常数,99,3.单位体积填料总吸收速率方程推导KGa,由上式得：,100,101,4.填料高度,5.解吸计算方法不成熟,102,与精馏过程比较说明精馏为双向传质过程而吸收为单向传质过程，推

26、导平均吸收因子法的公式,多组分吸收简捷计算的方法，解吸因子的公式与吸收过程.重点：多组分吸收和解吸过程分析、简捷计算 方法难点：多组分吸收、解吸过程计算的平均吸收 因子法和有效因子法,本章小结,103,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；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；物料的预分布不同；精馏有两个关键组分，吸收只有一个关键组分；组分分布不同,精馏和吸收过程的主要不同点,104,已知：,求：,确定关键组分的吸收率,由,求 N,1）由,确定,简捷法计算吸收过程理论级数计算步骤,105,2）,3）由,查图

27、或用公式计算N,其它组分吸收率的确定,106,求尾气的组成及量 当,时，,107,吸收液的量、组成及应加入的吸收剂量,求解思路：,A,B,108,例：某厂裂解气的组成(mol)如下：13.2氢、37.18甲烷、30.2乙烯、9.7乙烷、8.4丙烯和l.32异丁烷。拟用C4馏分作吸收剂、从裂解气中回收99的乙烯。该吸收塔处理的气体量为100kmol/h，操作压力为4.053MPa，平均操作温度为-14。试计算：最小液气比；操作液气比为最小液气比的1.5倍时所需的理论级数；各组分的吸收率和塔顶尾气的数量和组成；塔顶应加入的吸收剂量。,109,解：乙烯为关键组分,最小液气比的计算 在最小液气比下操作

28、时，理论级数为无穷多。此时关键组分乙烯的吸收因子为,110,（2）理论级数的计算已知操作液气比为最小液气比得1.5倍,在操作液气比小，乙烯的吸收因子为,理论级数为,111,（3）尾气数量和组成的计算,112,（4）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,113,例：用NaOH溶液吸收CO2为二级不可逆反应，当NaOH浓度为0.5kmol/m3，界面CO2浓度为0.04kmol/m3，已知：求吸收速率；界面CO2浓度降到多少时可按拟一级反应处理；界面CO2浓度提高到多少时可按瞬间反应处理。,114,解（1）吸收速率二级不可逆反应，由式得：,Ha3，反应属于二级快速反应。由式求瞬时反应的增强因子,115,查二级不可逆反应的增强因子与八田数的关系图，得此二级不可逆反应的增强因子E=9，由式,得：,116,（2）二级反应可视为拟一级反应的判断式除Ha3外，还应满足E2Ha，即,此值即为可视为拟一级反应的CO2的最大界面浓度，此时 E=Ha=26.83,吸收速率,117,（3）二级反应可视为瞬时反应的判据为Ha10E，即,吸收速率,此时,