6项目六 吸收

单击输入您的封面副标题 项目六 吸收 吸收 6.1概述 利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而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、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。 吸收剂 y x 界面 气相主体 液相主体 相界面 气相扩散 液相扩散 yi xi 2 吸收 吸收分离操作实例：乙醇胺水溶液吸收二氧化碳气体 3 吸收 概述（Introduction） 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。 吸收液(strong 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。 吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。 吸收塔 混合尾气 (A+B) 吸收液(A+S) 吸收剂(S) 吸收尾气 (A+B) 4 吸收 一、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，用水吸收氯化氢制盐酸等 。 (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。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。 (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。 5 吸收 二、吸收操作的分类 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。 化学吸收(chemical absorption)：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。 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收。 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。 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。 6 吸收 连续接触(也称微分接触)：气液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。 级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。 如板式塔。 散装填料 塑料鲍尔环填料 规整填料 塑料丝网波纹填料 气液两相的接触方式 7 吸收 填料塔 1.填料塔的结构和工作原理 吸收操作过程是在吸收设备内进行的。吸收设备应满足下列要求：气液接触良好，吸收速率大，设备阻力小，操作范围宽、稳定，结构简单，维修方便。 1）填料塔的结构 填料塔的结构，是由塔体、填料、液体分布器、支承板等部件组成。塔体一般是用钢板制成的圆筒形，，在特殊情况下也可用陶瓷或塑料制成。塔内充填有一定高度的填料层，填料的下面为支承板，填料上面有填料压板及液体分布器，必要时需将填料层分段，段与段间设置液体再分布器。 9 吸收 2）填料塔的工作原理 操作时，吸收剂由塔顶部的液体分布器分散后，沿填料表面向下流动，湿润填料表面；气体自塔底向上穿过填料层，与吸收剂逆向流动，吸收过程通过填料表面上的液层与气相间的界面进行。因此，填料塔单位容积内吸收面积的大小，主要与填料的结构及液体分布的均匀程度有关。 10 吸收 2.填料的类型和特性 1）填料的作用 填料的作用是为气液两相提供充分的接触面积，加快吸收速率。生产中对填料的要求是：具有较大的比表面积，气液接触面积大；自由空间（单位体积填料所具有的空间m3/m3）大，气体通过填料层的阻力小；具有足够的机械强度；制造容易；具有良好的化学稳定性。 2）填料的类型 填料一般用陶瓷、不锈钢碳钢、塑料、木材等制成。按形状可分为：拉西环、鲍尔环、阶梯环，矩鞍形、弧鞍形、波纹填料等。 11 吸收 （a）拉西环；（b）拉辛环；（c）鲍尔环；（d）弧鞍形；（e）矩鞍形；（f）阶梯形 （g）木格填料；（h）e网环；（i）波纹网填料 12 吸收 （3）填料的特性 1）拉西环 它的构造如图 (a)所示，是外径和高度相等的空心圆柱。在强度允许的情况下，其壁厚应当尽量减薄，以提高空隙率并减小堆积填料的重度。在填料塔内，由于拉西环堆放的不均匀，而使一部分填料不能和液体接触，形成沟流及壁流，减小了汽液两相实际接触面，因而效率随塔径及层高的增加而显著下降；对气体流速的变化敏感、操作弹性范围较窄；气体阻力较大等。 13 吸收 2）鲍尔环 鲍尔环是针对拉西环存在的缺点加以改进而研制成功的一种填料。它的构造如图 (b)所示，在普通拉西环的壁上开上下两层长方形窗孔，窗孔部分的环壁形成叶片向环中心弯入，在环中心相搭，上下两层小窗位置交叉。由于鲍尔环填料在环壁上开了许多窗孔，使得填料塔内的气体和液体能够从窗孔自由通过，填料层内气体和液体分布得到改善，同时降低了气体流动阻力。 鲍尔环的优点是气体阻力小，压强降小，液体分布比较均匀，稳定操作范围比较大，操作及控制简单。 14 吸收 3）阶梯环 阶梯环是对鲍尔环进一步改进的产物。阶梯环的总高为直径的5/8，圆筒一端有向外翻卷的喇叭口，如图（f）所示。这种填料的孔隙率大，而且填料个体之间呈点接触，可使液膜不断更新，具有压力降小和传质效率高等特点，是目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。阶梯环多用金属及塑料制造。 15 吸收 4）矩鞍形填料 如图 (d)所示，矩鞍形填料是一种敞开型填料，散装于塔内互相处于套接状态，不容易形成大量的局部不均匀区。 矩鞍形填料的优点是有较大的空隙率，阻力小，效率较高，且因液体流道通畅，不易被悬浮物堵塞，制造也比较容易，并能采用价格便宜又耐腐蚀的陶瓷和塑料等。实践证明，矩鞍形填料是工业上较为理想而且很有发展前途的一种填料。 16 吸收 5）波纹填料与波纹网填料 波纹填料是由许多层波纹薄板制成，各板高度相同但长短不等，搭配排列而成圆饼状，波纹与水平方向成450倾角，相邻两板反向叠靠，使其波纹倾斜方向互相垂直。圆饼的直径略小于塔壳内径，各饼竖直叠放于塔内。相邻的上下两饼之间，波纹板片排列方向互成900角。见图（e)所示。波纹填料的特点是结构紧凑，比表面积大，流体阻力小，液体经过一层都得到一次再分布，故流体分布均匀，传质效果好。同时，制作方便，容易加工，可用多种材料制造，以适应各种不同腐蚀性、不同温度、压力的场合。 17 吸收 丝网波纹填料是用丝网制成一定形状的填料。这是一种高效率的填料，其形状有多种。优点是丝网细而薄，做成填料体积较小，比表面积和空隙率都比较大，因而传质效率高。波纹填料的缺点是制造价格很高，通道较小，清理不方便，容易堵塞，不适宜于易结垢和含固体颗粒的物料，故它的应用范围受到很大限制。 18 吸收 （4）填料的安装 填料的安装对保证塔的分离效率至关重要。填料在塔内的堆积形式有整砌（规整）和乱堆（散装）两种。 整砌的主要是各种组合型填料，如实体波纹板、波纹网、平行板等，也有将几何尺寸较大的颗粒状填料进行整砌的。对于直径小于800mm的小塔，整砌填料通常做成整圆盘由法兰孔装入。对于直径大于800mm的塔，整砌填料通常分成若干块，由人孔装入塔内，在塔内组装。整砌填料装卸费工，但对气体阻力较小。 尺寸小的颗粒状填料一般采用乱堆，这是一种无规则的堆积，装填方便，但所形成的填料层阻力较大。容易造成填料填充密度不均，甚至可造成金属填料变形，陶瓷填料破碎，从而引起气液分布不均匀，使分离效率下降。 19 吸收 （5）辅助设备 填料塔的辅助设备包括填料支承装置、液体分布装置、填料压紧装置、液体收集及再分布装置、气液体进口及出口装置、除沫装置等塔内件，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。所有的塔内件的作用都是为了使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，故塔内件设计的好坏直接影响填料性能的发挥和整个填料塔的性能。 20 吸收 1）填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内填料床层。对填料支承装置的要求是：第一应具有足够的强度和刚度，能承受填料的质量、填料层的持液量以及操作中附加的压力等；第二应具有大于填料层空隙率的开孔率，防止在此首先发生液泛，进而导致整个填料层的液泛；第三结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便于拆装。 21 吸收 常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、骆峰型等，如图所示，选择哪种支承装置，主要根据塔径、使用的填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流量等而定。 22 吸收 2) 液体分布装置 液体分布装置对填料塔的操作影响很大，若液体分布不均匀，则填料层内的有效润湿面积会减少，并可能出现偏流和沟流现象，影响传质效果。理想的液体分布装置应具备以下条件： ①与填料相匹配的分液点密度和均匀的分布质量，填料比表面积越大，分离要求越精密，则液体分布器分布点密度应越大； ②操作弹性较大，适应性好； ③为气体提供尽可能大的自由截面，实现气体的均匀分布，且阻力小； ④结构合理，便于制造、安装、调整和检修。 23 吸收 液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等. 24 吸收 喷头式分布器（莲蓬式）如图(a)所示，一般用于直径小于600mm的塔中。其优点是结构简单；主要缺点是小孔易于堵塞，因而不适用于处理污浊液体，操作时液体的压头必须维持恒定，否则喷淋半径改变影响液体分布的均匀性，此外，当气量较大时，会产生并夹带较多的液沫。 盘式分布器如图（b）、（c）所示。液体加至分布盘上，盘底装有许多直径及高度均相同的溢流短管，称为溢流管式。在溢流管的上端开有缺口，这些缺口位于同一水平面上，便于液体均匀地流下。盘底开有筛孔的称为筛孔式，筛孔式的分布效果较溢流管式好，但溢流管式的自由截面积较大，且不易堵塞。 25 吸收 管式分布器其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，弹性一般较小。管式液体分布器使用十分广泛，多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小故常用之。管式分布器有排管式、环管式等不同形状，如图 (d)、(e)所示。 槽式液体分布器通常是由分流槽和分布槽构成的，如图 (f )所示。其特点是具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛。 26 吸收 槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它将槽式及盘式分布器的优点有机地结合一体，兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，操作弹性高达10：1。气液分布均匀，阻力较小，特别适用于易发生夹带、易堵塞的场合。槽盘式液体分布器的结构如图g)所示。 27 吸收 （3）填料压紧装置 操作中填料床层为一恒定的固定床，必须保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，故填料装填后在其上方要安装填料压紧装置。这样，可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。 28 吸收 填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧，它适用于陶瓷、石墨制的散装填料。它的作用是在高气速（高压降）和负荷突然波动时，阻止填料产生相对运动，从而避免填料松动、破损。由于填料易碎，当碎屑淤积在床层填料的空隙间，使填料层的空隙率下降，此时填料压板可随填料层一起下落，紧紧压住填料而不会形成填料的松动、降低填料塔的生产能力及分离效率 29 吸收 床层限制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料。它的作用是防止高气速高压降或塔的操作突然波动时填料向上移动而造成填料层出现空洞，使传质效率下降。由于金属及塑料填料不易破碎，且有弹性，在装填正确时不会使填料下沉，故床层限制板要固定在塔壁上。为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。 30 吸收 （4）液体收集及再分布装置 液体在乱堆填料层内向下流动时，有一种逐渐向塔壁的流动趋势，即壁流现象。为改善壁流造成的液体分布不均，在填料层中每隔一定高度应设置一液体再分布器。 31 吸收 最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器，如图 (a)所示。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m塔中。 通常将液体收集器与液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器，如图 (b)所示。 32 吸收 （5）气液体进口及出口 液体的出口装置既要便于塔内排液，又要防止夹带气体，常用的液体出口装置可采用水封装置。若塔的内外压差较大时，又可采用倒U形管密封装置。 填料塔的气体进口装置应具有防止塔内下流的液体进入管内，又能使气体在塔截面上分布均匀两个功能。对于塔径在500mm以下的小塔，常见的方式是使进气管伸至塔截面的中心位置，管端作成450向下倾斜的切口或向下弯的喇叭口，对于大塔可采用盘管式结构的进气装置。 33 吸收 （6）除沫装置 除沫装置是用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。当塔内气速不大，工艺过程无要求时，一般可不设除沫装置。 常用的除沫装置有折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器等。折板除沫器由50mm× 50mm×3mm的角钢制成。夹带液体的气体通过角钢通道时，由于碰撞及惯性作用达到碰撞截留及惯性分离。分离下来的液体由导液管与进料一起进入分布器。 34 吸收 结构简单、不易堵塞、压降小，但只能除去50μm以下的液滴，且金属耗用量大，造价高，小塔有时使用。丝网除沫器是用金属丝或塑料丝编结而成，由于比表面积大、空隙率大、结构简单、使用方便以及除沫效率高（可除去5μm的微小液滴）、压降小等优点，广泛应用于填料塔的除雾沫操作中，但造价高。旋流板除沫器由固定的叶片组成的外向板形如风车状。夹带液滴的气体通过叶片时产生旋转和离心运动，在离心力作用下将液滴甩至塔壁，实现气液分离，除沫效率可达99％。其造价比丝网便宜，除沫效果比折板好。 35 吸收 6.2气—液相平衡 6.2.1 气体的溶解度 气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。 如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。 36 吸收 溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。 溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)] 1000 500 0 20 40 60 80 100 120 pNH3/kPa 50 oC 40 oC 30 oC 20 oC 10 oC 0 oC 120 溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)] 250 200 0 20 40 60 80 100 pSO2/kPa 150 100 50 120 50 oC 40 oC 30 oC 20 oC 10 oC 0 oC 在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。 用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30℃ 和溶质的分压为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。 37 吸收 6.2. 2 亨利定律（Henry’s law） 当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。 式中： pe —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x —— 溶质在液相中的摩尔分数； E —— 亨利系数，kPa。 —— 亨利定律 亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E 值一般随温度的上升而增大； E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小； E 的单位与气相分压的压强单位一致。 38 吸收 亨利定律（Henry’s law） 在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（ 或 X ）表示组成。 以摩尔比表示组成的相平衡关系 X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Ye —— 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。 当 m 趋近 1 或当 X 很小时 39 吸收 6.2.3 吸收剂的选择 吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。 溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小； 选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为选择性好； 挥发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。 此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。 40 吸收 6.2.4 相平衡与吸收过程的关系 相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(x<xe)，故液相有吸收溶质 A 的能力。 相对于液相浓度 x 而言，气相浓度为过饱和(y>ye)，溶质 A 由气相向液相转移。 气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)： y x o ye=f(x) P y x ye 结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。 x* 释放溶质 吸收溶质 一、传质过程的方向 41 吸收 相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(x>xe)，故液相有释放溶质 A 的能力。 相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(y<ye)，溶质 A 由液相向气相转移。 气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)： y x o ye=f(x) Q y x ye 结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。 xe 释放溶质 吸收溶质 传质过程的方向 42 吸收 传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。 (xe-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。 对吸收过程： (y-ye)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力； 未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。 方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。 y x o ye=f(x) P y x ye xe （y-ye） （xe-x） 二、传质过程的推动力 43 吸收 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： (1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)； (2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)； (3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。 吸收传质理论 气相主体 液相主体 相界面 溶解 气相扩散 液相扩散 44 吸收 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。双膜理论的基本论点是： (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) 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。 双膜理论 气相主体 液相主体 相界面 pi = ci H p 1 2 pi ci c 气 膜 液 膜 45 吸收 吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。 气体吸收因过程的复杂性，传质速率(吸收速率)一般难以理论求解，但遵循现象方程所描述的物理量传递的共性规律。 根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜系数或分系数，用k表示，与传热中的对流传热系数相当。 6.3 吸收速率方程式 46 吸收 —— 气相(气膜)传质速率方程 对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。 由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。 —— 液相(液膜)传质速率方程 传质速率方程 47 单击输入您的封面副标题 感 谢 聆 听！ 原料气(CO2) 吸收塔 解吸塔 换热器 冷却器 CO2 冷却器 再沸器 乙醇胺水溶液吸收CO2流程 ����� ����� ����� ����� b ��������� a ��������� ��9-2 ��������������� $$