化工分离化工分离过程11-第三章3[1].6吸收与解吸1

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1、课内作业,吸收定义、分类、推动力。 吸收过程重要参数。 吸收过程热效应有哪些？ 若吸收过程的热效应较大，工业生产过程中可采取哪些措施？,上次课内容,特殊精馏：相对挥发度太小(1.05)或形成共沸物 萃取精馏： 加入高沸点萃取剂，从塔釜离开 能耗低于共沸精馏 共沸精馏： 变压操作；或加入共沸剂，形成新的共沸物，从塔顶离开 釜温低于萃取精馏，可分离热敏物质,本章内容 - 吸收,基本概念 吸收原理 吸收过程分析 吸收塔设计变量 吸收过程简捷计算,吸收：利用气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同来分离气体混合物的操作，称为吸收。,解吸：吸收的逆过程。溶质从液相中分离出来 转移到气相的过程。,一、基本概

2、念,吸收过程： （1）溶质从气相主体传递到相界面； （2）在相界面上溶质溶解到液相表面； （3）溶质从相界面传递到液相主体。,实质： 吸收过程 溶质由气相到液相的质量传递过程； 解吸过程 溶质由液相到气相的质量传递过程。,吸收-稳定系统原理流程图,气态烃,典型吸收塔结构,1液体喷淋器； 2液体再分布器； 3填料； 4填料支撑板； 5塔体； 6人孔或手孔。,吸收剂：吸收操作中加入的液体溶剂S 吸收质：能被吸收剂吸收的组分A 吸收液：吸收了吸收质的液体溶剂 尾气：被吸收剂处理后的气体,一、基本概念,1.相关概念：,吸收质(溶质)：A,尾气：B+(A),惰性组分(载体)：B,吸收剂：S,吸收液：S+

3、A,一、基本概念,2.吸收分类,溶 质 数 吸收温度状况 溶质与溶剂的相互作用,物理吸收 化学吸收,可逆化学吸收 不可逆化学吸收,e.g. 乙醇胺溶液吸收CO2,e.g. NaOH溶液吸收CO2； 硫酸吸收氨气生成硫酸胺,等温吸收,混合气中被吸收组分的含量低 溶剂用量大 系统的温度变化并不显著,物理吸收的热力学基础是气体混合物中的各个组分在某液体吸收剂中的溶解度不同，根据溶解度差异实现分离。 吸收推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸汽压力之差。,二、吸收原理,吸收过程气液平衡关系： 物理吸收：相平衡亨利定律 化学吸收：相平衡亨利定律； 化学平衡化学平衡关系式,（1）物理吸收的气液相

4、平衡关系,1) 低压下（low pressure） 气体在液体中的溶解度用Henry定律表示： 或 溶质在液相中的溶解度（摩尔分数） 溶质在气相中的分压 Henry系数，由溶质和溶剂的性质及温度 决定。 Henry定律适用范围：溶质气体的分压为常压；溶质溶于溶剂时不发生解离、缔合或化学反应；稀溶液。,（1）物理吸收的气液相平衡关系,2) 高压下（high pressure） 气体在液体中的溶解度用克利切夫斯基公式表示： 溶质在液相中的溶解度（摩尔分数） 溶质在气相中的逸度 低压下Henry系数 溶质在溶液中的偏摩尔体积，假定是常数。,（2） 化学吸收相平衡,例：被吸收组分与溶剂相互作用 溶质A

5、与溶剂B反应生成M 若其反应关系为： 溶液中A组分的初始浓度 可写成： 而反应平衡常数为： 则： 总平衡又服从物理溶解时的亨利定律，因此：,（2） 化学吸收相平衡,三、吸收过程分析,吸收、解吸流程 吸收过程应用 多组分吸收过程特性 吸收剂的选择 多组分吸收过程参数分析 吸收过程热效应,18,1. 吸收和解吸流程,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）吸收质需要解吸，吸收剂需要再生和循环。,19,（I）无解吸的吸收塔,带吸收剂再循环的吸收流程p123,20,（I）无解吸的吸收塔,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

6、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。,21,（I）无解吸的吸收塔,适用于： （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。,22,（I）无解吸的吸收塔,适用于： （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。,23,（I）无解吸的吸收塔,当原料气处理量较大，溶质组分含量较低或溶解度较低或要求完全吸收时，常采用多塔吸收流程。,24,（II）吸收解吸的双塔流程,（II）吸收解吸的

7、双塔流程,(a)减压冷再生流程 典型实例：CO2吸收-再生,(b)气提冷再生流程 典型实例：脱除H2S吸收-再生,(1)获得产品 将气体中的有效组分吸收下来得到成品。 吸收剂无需解吸。 e.g.,26,2. 吸收过程应用,(2)气体混合物的分离 选择性地吸收气体中的某个组分达到分离目的。 吸收剂需解吸。 e.g. 用DMF从裂解气中分离提纯乙炔。,27,(3)气体净化 原料气的净化或尾气、废气的净化。 吸收剂需解吸。 在化工工艺中，原料气进反应釜之前和尾气排放之前，一般都要有净化操作，脱除CO2，H2S，SO2等。 原料气：调节配比，去除使催化剂中毒或会产生副反应的杂质。 eg. 合成氨原料气

8、脱CO2，脱CO，脱H2S。 尾气：脱除有毒有害物质，减小/消除污染。 eg. 燃煤锅炉烟气脱除SO2；硝酸尾气中脱NOx。,2. 吸收过程应用,(4)回收有价值的组分 出于环境保护或人体健康的考虑，也出于防止有价值组分流失的考虑。 eg. 易挥发性溶剂（醇、醚、酮等）的回收。,2. 吸收过程应用,29,吸收剂由于吸收了气体中的溶质而流量不断增加，气体的流量则相应减小。因此，液相流量和气相流量在塔内不能视为恒定，增加了计算的复杂程度。,（1）吸收属于单向传质过程 非恒摩尔流,3.多组分吸收过程特性,30,（2）吸收塔内组分的分布,用重贫油吸收C1 C5正构烷烃的吸收过程,31,3. 多组分吸收

9、过程特性 （2）吸收塔内流量、温度及组成分析,总流量：单向传质，单调变化 塔顶塔底，总流量 吸收剂温度：吸收属于放热反应 一般而言，塔顶塔底，T 组成：不同组分在不同塔段的吸收程度不同 关键组分：全塔范围内均有吸收。 轻组分：靠近塔顶的几级被吸收（难溶）。 重组分：主要在塔底附近吸收（易溶）。,3. 多组分吸收过程特性,（3）吸收与精馏操作的相同点： 平衡分离过程 热、质同传过程，由MESH方程求解 （4）吸收与精馏的不同点： 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。,（4）吸收与精馏的不同点： 塔式不同： 进料、回流、再沸器 传质形式不同

10、吸收过程：单向传质，气相传质到液相，需外加吸收剂； 精馏过程：双向传质，液相传质到汽相，汽相传质到液相，不需加质量分离剂。,3. 多组分吸收过程特性,4.吸收剂的选择,溶解度大，选择性好 挥发度小，易再生 稳定性高 腐蚀性小 粘度低 无泡沫 无毒，不易燃 易得，价廉,35,常用吸收剂： 水 矿物油 酸或碱的水溶液 常用解吸剂： 水蒸汽 空气 惰性气体 轻烃气体,典型工业吸收过程,37,5.吸收过程操作参数分析,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 o

11、f Stages,38,（1）操作压力,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(=L/VK)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。 还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等。,39,（1）操作压力,但压力过高会使塔设备的投资及压缩气体的操作费用增加 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。,40,（2）操作温度,操作温度降低，各组分的H或

12、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。,41,（3）液气比,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。,42,（4）塔板数,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

13、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。,逆流时塔板数和吸收率关系,44,6.吸收过程中的热效应,a) 溶质的吸收热：冷凝潜热、混合热、化学吸收中的反应热 -放热过程,c) 气液两相互相接触而直接传热,b) 溶剂部分气化的汽化潜热,d) 流体体系与环境之间传热,使液相温度提高。,气、液两相温差减小。,使液相温度降低。,45,一般情况，由于吸收是放热过程，溶质从气相传入液相的相变释放吸收热，该热量用于增加液体的显热，因而导致温度由塔顶到塔底是增高的。 但也有例外。 吸收放热在液体和气体中的最终分配很大程度上取决于

14、两股物流热容量。,- 液相物流的热容量,- 气相物流的热容量,46,乙二醇水溶液净化天然气中CO2和H2S的吸收塔内温度、组成分布图,47,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。,48,热效应的处理方式：,（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。,49,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）降低原料气进塔温度 减缓塔底部温度的升高。,总结,吸收基本概念：定义、分类、推动力 吸收应用：气体分离、尾气净化、制取产品、回收有价值成分 吸收与普通精馏异同点 吸收重要参数：压力、温度、液气比、塔板数 吸收热效应：吸收热、气化潜热、换热,