化工分离第四章教案

1、第四章 气体吸取主要教学目标：通过本章的学习,使同学把握吸取、解吸过程的基本原理、流程及其简捷运算；教学方法及教学手段：采纳板书和教学课件及多媒体课件相结合,课堂上师生互动,采纳启示式和 提问式的教学方式,并且课堂上学习的表现记入同学的平常成果；教学重点及难点：吸取过程的流程特点；吸取过程设计变量和关键组分；吸取因子、平均吸取因 子、吸取率的含义；多组分吸取的简捷运算法；第一节 多组分吸取和解吸过程分析 吸取是化工生产中分别气体混合物的重要方法之一,在化工生产中,无论是原料的精制或产品 的分别,经常需要从气体混合物中分出一种或如干种组分,因而吸取的应用特别广泛；吸取在化工 原理中曾接触这个概念

2、,现在不是旧曲重弹,而是给予新的内容,在原先的基础上更进一步的研 究,由原先的单组分吸取,扩展到现在的多组分吸取；1、吸取和解吸 吸取是利用液体处理气体混合物,依据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同,而达到 分别目的传质过程；吸取是一个分别过程,且分别的是气体混合物,分别的介质是某一种液体溶剂称之为吸取剂,被吸取的气体混合物称为溶质；当吸取过程用于中间产物分别时,离开吸取塔的吸取液需进行解吸操作,其作用是将溶质从吸 收液中驱逐出来,并使吸取剂获得再生,所以解吸是吸取的逆过程；2、工业生产中的吸取过程 净化或精制气体 为除去原料气中所含的杂质,吸取是最常用的方法；如用乙醇胺液脱出石油裂解气或

3、自然气中 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；分别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取,将 C2以上的组分与甲烷、氢分开；用 N甲基吡咯烷酮作溶剂,将自然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分别出来；焦炉气的 油吸取以回收苯以及乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中用吸取法分别反应气体中的环氧乙烷等；将最终气态产品制成溶液或中间产品 将气体中需用的组分以指定的溶剂吸取出来,成为液态的产品或半成品,如用水吸取氯化氢气 体制成盐酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸取甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸取丙烯腈作

4、为中间产物等；废气治理很多工业废气中含SO 、NO （主要是 NO 及NO ）,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,而必需进行治理,这类环境爱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取,是废气处理中应用较广的方法；3、吸取过程的分类 由于处理的气体混合物的性质不同,所采纳的设备不同,吸取可分为很多类,依据争论问题的 方法和着眼点不同,吸取过程可以有很多分类方法：按组分的相对溶解度的大小 单组分吸取 气体吸取过程中只有一个组分在吸取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,将空气进行深冷分别前,用碱液脱出其中的二氧化碳以净化

5、空气,这时仅 CO 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视；多组分吸取 气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个,如用油吸取法分别石油裂解气,除氩以外,其 它组分都程度不同的从气相溶到吸取剂中；吸取过程有无化学反应 物理吸取所溶组分与吸取剂不起化学反应,如 化学吸取所溶组分与吸取剂起化学反应,如 吸取过程温度变化是否显著 等温吸取VCM 生产中的水洗塔；VCM 生产中的碱洗塔；气体吸取相当于由气态变液态,所以会产生近于冷凝热的溶解热,在吸取过程中,有溶解热 + 反应热,其量往往较大,故温度总有上升,所以没有肯定的等温,只有当溶剂用量相对大,温升不 明显；非等温吸取

6、 吸取过程温度变化明显；按吸取量的多少 贫气吸取 吸取量不大,对吸取塔内的吸取剂和气体量影响不大；富气吸取 吸取量大的情形；按汽液两相接触方式和采纳的设备形式 喷淋吸取 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；鼓泡吸取 鼓泡塔或泡罩塔：使气相分别在液相中,即液相保持为连续相,气相分别为小气泡通过液层；降膜吸取 降膜式吸取器,使气、液两相均连续,用于吸取热效应大的情形,吸取剂顺着管壁形成一层液 膜,由于重力作用而往下流淌,原料气以肯定的流率逆流向上,两相在管壁中进行传质过程,产生 的吸取热通过管壁传给冷凝剂,不断被冷凝剂带走；每一具体的吸取过程以采纳哪一种分类方法为宜,完全

7、视何种分类方法能较精确的反映出该具 体过程的特点来衡量,如采纳油吸取法分别石油气,在进行吸取运算时,应突出说明它是多组分吸 收,在运算进行过程中,应考虑到它是一个非等温吸取,在比较采纳何种设备时,应考虑到使用鼓 泡吸取仍是喷淋吸取或其它等；4、吸取过程的特点 原理不同；吸取是依据各组分溶解度不同进行分别的；精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分别；塔式不同；精馏有简洁塔和复杂塔；最简洁的吸取为精馏中的复杂精馏,即两股进料,两股 出 料 ；被分别的气体混合物均是从吸取塔的下部进入,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取剂中去,溶解度较低的气体（亦称为惰性气体）不被吸取 而从吸

8、取塔顶部排出,吸取剂从塔顶喷入后,在与气体混合物的接触过程中不断吸取易溶解的组 分,最终吸取剂与被吸取的易溶组分一起从吸取塔底排出；传质形式不同；吸取是单向传质,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,所以传质过程是在两相中交替进行；当轻、重组分的分子汽化潜热相近 向汽相中传质（汽化）时,塔内可以近似看作恒摩尔流,而不至于引起太大的误差；而对于吸取系统,一般吸取剂是不易 挥发的液体,气相中的某些组分不断溶解到不易挥发的吸取剂中,属于单向传质；在吸取过程中,气相的量是不断削减,而液相的量在不断的增加,除非是贫气吸取,气液相流量在塔内不能

9、视为常 数,不能用恒摩尔流的假设,从而就增加了吸取运算的复杂性；温度范畴、变化不同；在精馏过程中沸点范畴相对窄,而多组分吸取中,各溶质组分的沸点范畴很宽,有的在操作条,所以多组分吸取不能视为抱负系统来处理；件下已接近或超过其临界状态（不能冷凝）在精馏过程中,由于气化潜热与冷凝潜热相互利用,在整个塔内的温度变化范畴不是很大,而 且从塔顶向下,温度逐步上升；每块板上由于组成转变而引起的温度变化,可用泡露点方程定出；而吸取过程由于气相中易溶组分溶解到溶剂中,会放出溶解热,这一热效应会使液相和气相的温度 都上升,而温度上升又将影响到溶解的量,而溶解量又与溶质的溶解量有关系,因而气相中各组分 沿塔高的溶

10、解量分布不均衡,这就导致了溶解热的大小以至吸取温度变化是不匀称的,所以不能用 精馏中常用的泡露点方程来确定吸取塔中温度沿塔高的分布,通常要采纳热量衡算来确定温度的分 布；物料的预分布不同；精馏可按清楚分割和不清楚分割进行物料的预分布；由于吸取每端既有进料,又有出料；所以吸取塔的端点条件,即吸取液和尾气的组成温度,比 常规的多组分精馏更难安排；精馏有两个关键组分,吸取只有一个关键组分；在精馏中,有轻、重两个关键组分,这两个关键组分由分别要求来确定；这主要是精馏是在两 相传质；而对吸取而言,由于各个组分在同一塔内进行吸取,全部组分面临的客观条件都一样,T,p、塔板数、塔高、LV,但是它们各自的溶解

11、度不同,所以吸取量不同,吸取量的多少由各自的平稳常数打算,而且相互之间存在肯定的关系,所以不能对全部的组分规定分别要求,而只能 指定某一个组分的分别要求,依据对此组分的分别要求运算出所需的理论板数,然后再依据此理论 板数运算出其它组分的分别程度；这个第一被指定的组分通常是选取在吸取操作中起关键作用的组 分,也就是必需掌握其分别要求的组分,称之为关键组分；吸取只有一个关键组分,是由于吸取是 单向传质的缘故；组分分布不同 精馏过程,关键组分的浓度分布有极大值,非关键组分在进料板上下形成几乎恒浓的区域；吸 收过程,不同组分和不同塔段的吸取程度是不同的,轻组分（即难溶组分）一般只在靠近塔顶的几 级被吸

12、取,而在其余级上变化很小；重组分（易溶组分）主要在塔底邻近的如干级上被吸取,而关 键组分才在全塔范畴内被吸取；其次节 吸取和解吸过程流程 吸取剂与被吸取的易溶组分一起从吸取塔底排出后一般要把吸取剂与易溶组分分别开,即解吸 过程,解吸过程一般可采纳的方法有：加热升温；减压闪蒸；精馏解吸；分别后易溶组分单独作为 一种气体产品送出,而吸取剂就再送回吸取塔内循环使用；一、单纯吸取工艺流程；二、吸取解吸法 该法用于气体混合物通过吸取方法将其分别为惰性气体和易溶气体两部分的情形；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,通过加热器供应热

13、量使易溶组分蒸出并从解吸塔顶排出,解吸塔底的吸取剂经冷却再 送往吸取塔循环使用；解吸塔也可采纳精馏塔,可起到提高蒸出溶质的纯度和回收吸取剂的作用；三、吸取蒸出塔当吸取尾气中某些组分在吸取剂中有肯定的溶解度,为保 证 关键组分的纯度采纳吸取蒸出塔,即将吸取塔与精馏塔的提馏 段 组合在一起,原料气从塔中部进入,进料口上面为吸取段,下部为蒸出段,当吸取液（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,使其它组分从吸取液中蒸 出,塔釜的吸取液部分从再沸器中加热蒸发以供应蒸出段必需的热量,大部分就进入蒸出塔内部使 易溶组分与吸取剂分别开,吸取剂经冷却后再送入吸取塔循环使用；

14、一般只适用关键组分为重组分的场合；第三节 多组分吸取和解吸过程简捷运算 一、吸取过程工艺运算的基本概念 1、吸取、解吸作用发生的条件 依据相平稳的概念,可判定气液接触时吸取和解吸的条件；吸取：溶质由气相溶于液相pip* i,yiy*i解吸：溶质由液相转入气相pip* i,yiy*i2、吸取过程的限度进料气体混合物中易溶组分i 的组成为yF, ,出塔吸取液中i 组分含量为xN, ,明显：yN,1iKixN, ；i 组分的含量为y , 1 ,明显：从塔顶加入的吸取剂中i 组分含量为x ,i,离开塔顶气相中y ,1 Kix0 ；i 组分的含量,它与y ,1 由亲密由此规定了设计吸取塔的限度,x ,0

15、 是解吸过程分别后吸取剂中的关系,在设计时要将吸取和解吸一起考虑；一般依据规定的分别要求先确定吸取塔的气体组成,依据已知选定的出塔气体组成再考虑气液相平稳数据来确定吸取剂在解吸后易溶组分的含量；3、吸取过程的理论板 吸取过程吸取液沿塔逐板下流时,易溶组分的含量不断上升,气体混合物在沿塔高上升过程中 易溶组分的含量不断降低；在吸取过程中为了运算便利起见,像精馏过程一样引入了理论板的概 念；n 板的吸取液达到相平 在每一块理论板上,气液两相充分接触,离开 n 板的气体混合物与离开衡,即 y i K i x i；溶解量的多少由每个组分的平稳常数来打算,未被吸取的气体（干气或惰性气体）由塔顶排出,摩尔

16、流率为 V ,而吸取了溶质的吸取剂即吸取液以 L N 的流率从塔釜排出,每板 上的气相流率,液相流率都在变化；4、运算内容已知：VN1,yN1,TN1,x 0,T0,p和关键组分的分别要求；求：V 1,y 1,LN,xN,L0,N；具体运算为T n,L n, V n；吸取塔板数的运算也是先求出完成预定分别要求所需的理论板数,然后再由板效率确定实际的 吸取塔板数；二、吸取因子（吸取因素）吸取因子是综合考虑了塔内气液两相流率和平稳关系的一个无因次数群；i 组分的吸取因子A iLiVK1、不同组分平稳常数不同,就吸取因子A 不同,吸取因子对某个组分而言；2、A 值的大小可以说明在某一具体的吸取塔中过

17、程进行的难易程度,LV值大,相平稳常数K 小都有利于组分从气相转入液相,利于吸取,即A 值大,达到同样的分别要求所需的理论板数就少,反之,所需的理论板数就多,假如板数固定,就A 值大的吸取得好,A值小的就差；3、吸取因子不仅是组分本身的特性,而与操作条件有关；T ik iA ,p K iA K iE, E ：亨利系数,T , E ,溶解度4、对解吸过程,相应有一个解吸因子,以 数即为解吸因子；S1KVLA三、吸取因子法的基本方程S表示,由于解吸是吸取的逆过程,所以吸取因子的倒对于多组分混合物的吸引,虽然采纳了挑选性较好的吸取剂,但就吸取目的组分的同时,总是程度不同地吸取了一些其它的组分；因此针

18、对每个组分可通过A 值,再借助于相平稳,物料衡算式,热量平稳的逐板关联来确定吸取它的端点条件和流率分布,从而对吸取塔进行具体的运算；1、相平稳关系方程依据理论板的概念,任一组分别开塔板n 的气液两相组成达到平稳；y n , i K n , i x n , i, 或 y n K n x n假如用 v, 表示任一组分的气相和液相流率,而 v, l 分别为离开同一板的气相和液相流率；就 v nV n K nL l nn；l nV n LK nn v n A n v n或 l Av看到A时,应当时刻想到 A 值是因组分而异的,每一组分有各自的 A 值,切勿马虎大意,造成差错；同理：v S lS 也因组

19、分而异,每一组分都有各自的 S 值；2、物料平稳方程对i组分作全塔物料平稳：V N1yN1l0L0 x 0lV 1y 1LNxNv 1用小写字母表示i 组分的量：v N1NvN1l0v 1vNA N；v NvN1l0v 1A Nnn对n板i组分作物料衡算：v nlnv n1ln11A n1v n1A 1l0vnA nvnv n1A n1v n1；v nv nA n1v 表示第 n 板上升气相中i 组分的摩尔量；1v 1v 2A 1A 0v 0v 2l01A 11A 11v 32v2v3A 1v 1v 3A 1v2l0；v 2A 11nA 21A210A 1A 2A 213v3v4A 3A 2v

20、2v 4A 2A 11v 32A 1lA 1A 2A11A 31v 3A 1A 2A 21 v4A 1A 2l0A 1A 2A 3A 2A 3A 31 nN1v NA 1A 2A N1A 2A N1A N11vN1A 1A 2A N1l0A N1A 1A NA 2A NA N1vN1v 1A 1A NA 2A NA Nl0A 2A NA 3A Nv NA 1A NA 2A NA N1v N1A 1A NA 2A NA N1吸取因子法的基本方程,称为哈顿富兰格林方程争论：式的左端,vN11v 1i组分被吸取掉的量吸取率iHorton Franklin方程关vNi组分加入量式的右端,包括了各塔板数

21、的相平稳常数,液气比和塔板数,也就是说联了吸取率、吸取因子和理论板数；ifAn,i,N在推导上式时,没作任何简化,但要求出通过吸取塔后任一组分被吸取量较困难,由于每块板上L L的A值视该板的 V 比值以及相平稳常数 K 而定,然而 V 比值和K又因吸取量的大小而异,可是求吸取量又要用到 A ,这几个因素相互联系,又相互牵制,明显必需用试差法求解,步骤：1）设：各板的温度（T 1 , T 2 ,T N）相平稳各板上各组分 K i各板上的气相流率（V V N）物料衡算各板上的液相流率 L n由 K i , V n , L n 得 A , i2）由A , 求v ,iV n；热量衡算各板温度T T n

22、T3）校核：v , in假如不符,就要重新设值再进行运算,明显这样的运算是特别繁复的,特殊是第一次假设,数 值很难确定,然而对试差法来说这初值假设数字是特别重要的,假设合理；试差次数可削减,因此 在作精确运算之前,需近似估量一下,这时速度是重要的,而精度就在其次,在这种思想指导下,显现了一些简捷运算法,各种方法的主要区分在于对吸取因子的简化不同；四、平均吸取因子法（KremserBrown 克雷姆塞尔布朗）1、基本思想；该法假设各板的吸取因子是相同的,即采纳全塔平均的吸取因子来代替各板的吸取因子,有的 采纳塔顶和塔底条件下液气比的平均值,也有的采纳塔顶吸取剂流率和进料气流率来求液气比,并 依据

23、塔的平均温度作为运算相平稳常数的温度来运算吸取因子；由于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形下才不至于带来大的误差,所以该法用 于贫气吸取运算有相当的精确性；2、吸取因子方程；假设全塔各段的A 值均相等的前提下,Horton Franklin 方程变为：1A1vN1v 1ANAN1Al0ANANvN1ANAN1A1Av N1ANAN1A由等比数列前n 项和的公式：a0,a0q,a0q2, ,a0qn1；通项：ana0qn1S na 01qn1qAN1AvN11v 111AN111l0111AN111AANNvAvNN1A1A1A1AAN1Al01AN

24、1AEMBED Equation.3 1l0AN1AvNAN1AvN1AN1111l0Av 0,代入上式整理为iv N1v 1AN1A克雷姆塞尔方程v N1v0AN11争论：v 式与吸取剂或平稳的气相中i 组分的量,当出口气体中i 组分与入口吸取剂成平稳时,就i组分达到最大吸取量（由相平稳关系运算）；方程的左端 i 组分被吸取掉的量相对吸取量 ii 组分最大可能被吸取掉 的量i 或 i 均表示吸取强度；当吸取剂本身不挥发,且不含溶质时,就 0l 0,即 v 0 0；v N 1 v 1i iv N 1 且 0i 1 依据克雷姆塞尔方程,可知 i f A , N；在该方程中只要知道了其中任意两个量

25、就可以求的第三个量；NlgAA11lg对解吸塔,可利用类似的方法推导出：lN1l1SN1SC0相对蒸出率lN1l0SN11为了使用便利,克雷穆塞尔等将上列方程绘制成曲线,称为吸取因子图或克雷姆塞尔图；利用这一图线,当规定了组分的吸取率以及吸取温度和液气比等操作条件时,可以查得所需的理论板数,或者规定了吸取率和理论板数,可求得吸取因子和液气比；P161.图 5-9,图的横坐标：吸取因子 A或解吸因子 S ,纵坐标为相对吸取率和蒸出率,以板数作为参变量,不同的曲线代表不同的板数；1）当N 时,由图可知：0A1 时,A （对角线上 N）；A1 时,1由克雷姆塞尔方程也可以求得：lim Nilim N

26、AN1AAA0A 1 AN111N limiN limAN1A罗必塔法就1A 1 AN11在精馏时,我们知道当N时,所对应的回流比为最小回流比R ,在吸取中也同样；当N时,LV为最小液气比LVmin,而吸取因子与LV有关,就当N时得吸取因子Amin；L中LV ,就吸取成效越好,但iA超过 2 时,i 增2）当N 肯定时,就A ,即AVK加缓慢,再考虑经济因素（如吸取剂的回收）；一般 LV 1 . 1 2 LV min；L3）当A 肯定时,即 V 肯定时,就 N ,即随着板数的增加,吸取率增加,但增加的越来越慢,特殊是 N 超过 10 块以后,也就是说在实际生产中,仅靠提高 N 来提高 是不科学

27、的,仍要考虑其它因素；3、运算步骤：已知：V N1,yN1,P, T,x 0,关；求：N,V 1,y,1i,L0,LN,xN,i确定关键组分的吸取率；在多组分精馏塔设计运算时,依据分别要求确定轻重关键组分,其它组分在塔顶、塔釜的安排是依据轻重关键组分在塔顶、塔釜的安排以及各组分的相对挥发度而打算的；在多组分吸取过程中,设计吸取塔时,只能确定一个对分别起关键作用的组分,由关键组分的分别要求,求吸取分率关 ,而其它组分的吸取分率就随之被确定；N ；由关 求 N ：1）由关 确定LVmin；N,A 关minLmin1关；LVmin关K关VK关K关由全塔的平均温度、压力确定；2）实际LV1 .22LVmin；A 关LVK关3）由A 关,关查图或用公式运算N ；由克雷姆塞尔图横轴上的A 关引一垂线和引自纵轴上的关 值水平相交,交点即为所求的或NlglgAA11其它组分吸取率的确定各组分在同一塔内吸取,非关键组分具有相同的理论板数和液气比；A iA 关L1K关；或A iA 关K关LiVKiL1KiKiVK关VKA , iKi为其它任意组分的吸取因子及相平稳常数,在图上由某一组分的iA引垂线与板数N 相交,