學習情景三 吸收方案和設(shè)備的選擇及操作

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1、學習情景三 吸收過程及設(shè)備的選擇與操作學習目標1、了解吸收操作在化工生產(chǎn)中的重要應用，熟悉工程上常見的氣體吸收與解吸方案，能根據(jù)生產(chǎn)任務選擇正確的吸收與解吸方案；2、掌握吸收與解吸的基本原理，能根據(jù)生產(chǎn)任務確定合理吸收操作參數(shù)。 3、熟悉吸收與解吸過程中常用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能，會根據(jù)任務進行相關(guān)設(shè)備的選型和簡單設(shè)計。4、掌握吸收與解吸裝置的操作與控制要點，能熟練操作吸收與解吸裝置。引 言前已介紹，非均相混合物系一般用沉降、過濾等方法來分離；那么均相混合物又該如何分離呢？由于均相混合物系有氣態(tài)均相混合物和液態(tài)均相混合物之分，從本學習情境三開始介紹均相氣態(tài)混合物的分離方法。均相氣體混合物分離方法目前

2、有吸收法和吸附法二種。吸附法是將多孔性固體物料與氣態(tài)或液態(tài)混合物進行接觸，有選擇地使流體中的一種或幾種組分附著于固體的內(nèi)外表面，從而使混合物中各組分得以分離方法。用于氣相分離時主要目的是分離和純化氣體混合物，如常溫空氣分離氧氮，酸性氣體脫除，從各種氣體中分離回收H2、CO、CO2、CH4、C2H4等，但這種方法處理氣體的能力有限。對于大量氣體混合物的分離則普遍使用吸收法。吸收是分離氣體混合物的最常用的單元操作。它利用混合氣體中各組分在所選擇的液體中溶解程度的差異，有選擇的使混合氣體中一種或幾種組分溶于此液體而形成溶液，其它未溶解的組分仍保留在氣相中，以達到從混合氣體中分離出某組分的目的。吸收在

3、化工生產(chǎn)中應用甚為廣泛，主要有以下幾個方面：（1）分離混合氣體以獲得一個或幾個組分。如：從裂化氣或天然氣的高溫裂解氣中分離乙炔，從乙醇催化裂解氣中分離丁二烯等。（2）除去有害組分以凈化氣體。如：合成氨工業(yè)中用水或堿液脫除原料氣中的二氧化碳，用銅氨液除去原料氣中的一氧化碳等。（3）制取成品。如：用水吸收氯化氫以制取鹽酸，用水吸收甲醛以制取福爾馬林等。（4）廢氣處理、尾氣回收。如：磷肥生產(chǎn)中，放出的含氟廢氣具有強烈的腐蝕性，可采用水及其它鹽類經(jīng)吸收制成有用的氟硅酸鈉、冰晶石等，硝酸尾氣中含氮的氧化物可以用堿吸收制成硝酸鈉等有用物質(zhì)。吸收是一個單向傳質(zhì)過程，即僅有氣相中的易溶組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。在

4、吸收操作過程中，能夠溶解于液體中的氣體組分稱為吸收質(zhì)（或溶質(zhì)）；而不能溶解的氣體組分稱為惰性組分（或載體）；所用的液體稱為吸收劑（或溶劑）；吸收操作所得到的液體稱為溶液（或吸收液），其主要成分為吸收劑和溶質(zhì)；被吸收后的氣體稱為吸收尾氣，其主要成分應為惰性氣體，還有殘余的吸收質(zhì)。下面我們基于合成氨生產(chǎn)工藝中原料氣脫除CO2分離任務的完成來學習有關(guān)吸收操作的知識。工作任務氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學肥料，20%作為硝酸等其它化工產(chǎn)品的原料。合成氨的原料是氮氫混合氣。原料氣中的氫氣主要由天然氣、石腦油、重質(zhì)油

5、、煤、焦炭、焦爐氣等原料制取。由任何含碳原料制得的原料氣，經(jīng)變換后都含有相當數(shù)量的二氧化碳，在合成之前必須清除干凈。同時二氧化碳是生產(chǎn)尿素、碳酸氫銨和純堿的重要原料，還制成干冰用于食品等其它行業(yè)。因此二氧化碳可以回收利用。某合成氨廠變換氣經(jīng)過初脫碳后，原料氣中CO2含量為？9%（體積），其余主要成分為N2、H2和少量CO，已知該廠年產(chǎn)量為24萬噸合成氨（折算原料氣量為100000Nm3/h）?，F(xiàn)工藝要求必須將原料氣中CO2濃度降到1%以下，分離出的二氧化碳氣體可根據(jù)需要送往尿素工段作為原料或送往附近某特氣廠生產(chǎn)干冰。請為該企業(yè)擬定一個從原料氣中分離出二氧化碳的方案。 某合成氨廠原料氣脫二氧化碳

6、方案的制定和實施這是一個典型的氣體混合物的分離任務，要完成此任務，首先我們必須了解工程上常用的脫除合成氨原料氣中二氧化碳的方法有哪些？ 如前所述工程上脫除氣體混合物中二氧化碳的方法也是吸附法和吸收法二種。吸附法雖然二氧化碳脫除率高，但該方法處理能力較小，有效氣體消耗較大并且能耗較高，是精細分離和純化氣體的操作方法。且這種方法操作壓力低，所以不適宜用于處理量大且雜質(zhì)組分濃度高的混合氣體的分離。本任務中原料氣的處理量大且CO2的含量也高，因此，應選擇目前合成氨廠普遍使用的吸收法來脫除原料氣中二氧化碳。吸收法脫除CO2就是選取一種溶劑作為吸收劑，利用原料氣中CO2與其它組分在選取的溶劑中溶解度的差異

7、（CO2在其中的溶解度大，而N2、H2在其中幾乎不溶），將CO2選擇吸收，以達到脫除CO2的目的。由于吸收法脫除CO2的工藝方案有多種，要完成總的生產(chǎn)任務，實現(xiàn)脫除目標必須按序完成以下幾個任務：1、選擇合理的吸收工藝方案2、在已有吸收方案中進一步選擇合適的吸收劑并確定其用量？ 3、確定性能好經(jīng)濟合理的吸收設(shè)備4、學會吸收裝置的操作與運行模塊一吸收方案的選擇要選擇適當?shù)奈辗桨?，首先要了解吸收的分類方法及工業(yè)常見的吸收二氧化碳方案。工業(yè)生產(chǎn)中利用溶液吸收法脫除二氧化碳的方案有很多，主要分為二大類：一類是循環(huán)吸收法，既溶液吸收二氧化碳后在再生塔中解吸出純態(tài)的二氧化碳以提供生產(chǎn)尿素的原料等，再生后的

8、溶液循環(huán)使用。另一類是將吸收二氧化碳與生產(chǎn)產(chǎn)品聯(lián)合起來同時進行，稱為聯(lián)合吸收法，例如碳銨、聯(lián)堿和尿素的生產(chǎn)過程。本學習情境只介紹循環(huán)吸收法，有關(guān)聯(lián)合吸收法的知識可查閱化學肥料和純堿生產(chǎn)工藝學。一、循環(huán)吸收法的分類循環(huán)吸收法可分為物理吸收法和化學吸收法等。1、物理吸收法在吸收過程中，如果吸收質(zhì)與吸收劑之間不發(fā)生顯著的化學反應，可認為僅是氣體溶解于液體的物理過程，則稱為物理吸收。物理吸收操作的極限主要決定于當時條件下吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度。利用二氧化碳能溶于水或者有機溶劑的性質(zhì)完成，例如水洗法、低溫甲醇法、碳酸丙烯脂法等。2、化學吸收法在吸收過程中，吸收質(zhì)與吸收劑之間發(fā)生顯著的化學反應，則稱為化

9、學吸收?；瘜W吸收操作的極限主要決定于當時條件下反應的平衡常數(shù)。利用二氧化碳具有酸性特征而與堿性物質(zhì)反應將其吸收，主要有：氨水法： CO2+NH3H2O （NH4）HCO3乙醇胺法（改良乙醇胺法）： CO2+H2O+（HOCH2CH2）2NCH3 （HOCH2CH2）2CH3NH+ +HCO3-熱鉀減法（熱的碳酸鉀水溶液）： CO2 + H2O +K2CO3 KHCO33、物理化學吸收法吸收過程既具有物理吸收過程也具有化學吸收過程。例如環(huán)丁砜法和多胺法。不管物理吸收還是化學吸收如果在吸收過程中，混合氣體中只有一個組分進入吸收劑，其余組分皆可認為不溶解于吸收劑，這樣的吸收過程稱為單組分吸收。如果混

10、合氣體中有兩個或更多個組分進入液相，則稱為多組分吸收，如用熱鉀堿法中碳酸鉀溶液吸收CO2的同時也會對混合氣體中的H2S進行吸收，這就是典型的多組分吸收。吸收質(zhì)溶解于吸收劑時，有時會釋放出相當大的溶解熱或反應熱，結(jié)果使液相溫度逐漸升高。如果放熱量很小或被吸收的組分在氣相中濃度很低，而吸收劑的用量相對很大時，溫度變化并不明顯，則稱為等溫吸收。若放熱量較大，所形成的溶液濃度又高，溫度變化很劇烈，這樣的吸收過程稱為非等溫吸收。通常物理吸收放出熱量是由溶解熱引起的，化學吸收熱量主要是由反應熱引起的，化學吸收熱效應要比物理吸收大。二、吸收解吸收方案的認識在循環(huán)吸收法中，為了得到較純凈的吸收質(zhì)或回收吸收劑循

11、環(huán)使用，常常需要將吸收質(zhì)從吸收劑中分離出來。使溶解于液相中的氣體釋放出來的操作稱為解吸或脫吸。解吸是吸收的相反過程，通常是使溶液與惰性氣體或水蒸汽在解吸裝置中接觸，氣體溶質(zhì)則逐漸從溶液中釋放出來。在實際生產(chǎn)中往往采用吸收與解吸的聯(lián)合流程，吸收后即進行解吸，在操作中兩者相互影響和制約。應該注意的是對于化學吸收，如果吸收過程中發(fā)生了不可逆的化學反應，解吸就不能發(fā)生。案例一 洗油回收煤氣中苯圖3-1是一個回收煤氣中苯的吸收-解吸聯(lián)合裝置流程示意圖。在焦爐煤氣的生產(chǎn)過程中，由于煤氣中含有少量的苯和甲苯類低碳氫化合物的蒸汽，應予以回收。所用吸收劑是煤焦油的精制品（煤焦油中230300的餾分），稱為洗油。

12、圖3-1 用洗油回收煤氣中苯的吸收與解吸流程含苯煤氣在常溫下由吸收塔底部進入塔內(nèi)，溫度為2730洗油從塔頂淋下，氣液兩相逆流流動，并在塔內(nèi)填充物（木柵等物）上接觸，進行傳質(zhì)，使苯等轉(zhuǎn)溶到洗油中，含苯量降到規(guī)定要求（煤氣中苯族烴含量Y*或X*X，從圖3-9或3-10上可看出，實際物系點位于平衡曲線上方，此時溶質(zhì)由氣相向液相傳遞，這就是吸收。隨著吸收過程的進行，氣相中被吸收組分的含量不斷降低，溶液濃度不斷上升，直到Y(jié)=Y*或X*=X，此時實際物系點與平衡曲線重合，吸收達到了極限。若YY*或X*0吸收Y-Y*0解吸Y-Y*=0平衡判斷吸收操作的難易程度在一定壓強和溫度下，對于一定濃度的溶液，被溶解氣

13、體在氣相中平衡分壓的大小，反映了氣體溶解度的大小即氣體被吸收的難易程度。平衡分壓越小，則溶解度越大氣體越容易被吸收。氣體吸收的難易程度還可從亨利系數(shù)E或相平衡常數(shù)m的值的大小來判斷。E或m越大，氣體的溶解度越小，吸收就越困難。根據(jù)氣液平衡關(guān)系選擇操作條件對于同一物系，氣體的溶解度隨溫度和壓力而改變。溫度升高，氣體的溶解度減小。因此，吸收操作在較低溫度下進行較為有利，對于熱效應較大的物系，可以在吸收過程中采取冷卻措施，為此通常要設(shè)置中間冷卻器以降低吸收溫度。但要注意的是操作時如果溫度太低，除了消耗大量冷凍物外，還會增大吸收劑的粘度，甚至會有固體結(jié)晶析出，影響吸收操作順利進行。因此應綜合考慮不同因

14、素，選擇一個最適宜的溫度。提高操作壓力可以提高混合氣中被吸收組分的分壓，增大吸收的推動力，有利于吸收。但在壓力增高的同時，動力消耗就會隨之增大，對設(shè)備的強度要求也隨之提高，使設(shè)備投資的經(jīng)常性生產(chǎn)費用加大。因此一般能在常壓下進行的吸收操作不必在高壓下進行。除非在常壓下溶解度太小，才采用加壓吸收。若吸收后氣體需進行高壓反應，則可采用高壓下吸收操作，既有利于吸收，又增大吸收塔的生產(chǎn)能力。根據(jù)二氧化碳-水的平衡關(guān)系，引言工作任務中操作條件選擇常溫（25C），10個標準大氣壓（1.013106 Pa）。 任務解決3 操作溫度和操作壓力的選擇三、吸收劑用量的確定吸收劑用量是通過對吸收過程進行物料衡算和操作

15、分析得到的。為完成工作任務，吸收劑水的用量最小為多少？化工實際生產(chǎn)中通常用量為多少？1、吸收塔的物料衡算與操作線方程（1）物料衡算圖3-11 逆流吸收塔操作示意如圖3-11所示為一處于穩(wěn)定操作狀態(tài)下，氣、液兩相逆流接觸的吸收塔，混合氣體自下而上流動；吸收劑則自上而下流動。在吸收過程中，混合氣體通過吸收塔的過程中，可溶組分不斷被吸收，在氣相中的濃度逐漸減小，氣體總量沿塔高而變；液體因其中不斷溶入可溶組分，液相中可溶組分的濃度是逐漸增大的，液體總量也沿塔高而變。但V和L的量卻沒有變化，假設(shè)無物料損失，對單位時間內(nèi)進、出吸收塔的吸收質(zhì)進行衡算則得：V Y1 + L X2 = V Y2 + L X1

16、（3-10）式中：V 單位時間內(nèi)通過吸收塔惰性氣體量 kmol/ sL 單位時間內(nèi)通過吸收塔的吸收劑 kmol/ sY1、Y2 分別為進塔及出塔氣體中吸收質(zhì)的比摩爾分率 kmol吸收質(zhì)/ kmol惰性組分X1、X2 分別為出塔及進塔液中吸收質(zhì)的比摩爾分率 kmol吸收質(zhì)/ kmol吸收劑式3-10可改寫為： V（Y1-Y2）= L（X1-X2）= GA （3-11）式中：GA 吸收塔的吸收負荷（單位時間內(nèi)的傳質(zhì)量）kmol/s則可得： （3-12） L/V稱為“液氣比”，即在吸收操作中吸收劑與惰性氣體摩爾流量的比值，亦稱吸收劑的單位耗用量。在吸收操作中，氣相中吸收質(zhì)被吸收的質(zhì)量與氣相中原有的吸

17、收質(zhì)質(zhì)量之比，稱為吸收率。用符號表示。 = = = （3-13） 式（3-11）可改寫成：Y2 = Y1（1- ） （3-14）在吸收塔的計算中，已知V、L、X1、X2、Y1及Y2中的任何5項，即可求出其余的一項。如：已知V、L、X2、Y1及Y2即可依式（3-10）求得塔底排出的溶液濃度X1；已知V、L、X1、X2、Y1即可依式（3-10）求出Y2，后依式（3-13）而求算吸收塔的吸收率是否達到了規(guī)定的指標；已知Y1及可依式（3-14）計算吸收塔的尾氣濃度Y2。（2）吸收塔的操作線方程與操作線參照圖3-11，取任一截面M-M，在M-M與塔底端之間做吸收質(zhì)的物料衡算。設(shè)截面M-M上氣、液兩相濃度

18、分別為Y、X，則得： V Y1 + L X = V Y + L X1 （3-15）將上式可改寫成： Y = X +（Y1-X1）=（X - X1 ）+ Y1 （3-15a） 式（3-15a）即為逆流吸收塔的操作線方程，它反映了吸收操作過程中吸收塔內(nèi)任一截面上氣相濃度Y與液相濃度X之間的關(guān)系。在穩(wěn)定操作中，式中X1、Y1、L/V都是定值，所以該操作線方程為一直線方程，其斜率為L/V。圖3-12 逆流吸收塔的操作線由式（3-15）可得： 同理可得： 而由前知： 因此： 這說明逆流吸收操作的操作線方程過吸收塔的塔頂、塔底截面所對應的狀態(tài)點A（X1、Y1）、B（X2、Y2），因此只要找出A、B兩點即可

19、繪制出逆流吸收操作的操作線。依此方法繪出逆流吸收操作的操作線，如圖3-12所示。此操作線上任一點C代表著塔內(nèi)相應截面上的氣、液相濃度Y、X之間的對應關(guān)系。端點A代表塔底的氣、液相濃度Y、X的對應關(guān)系；端點B則代表著塔頂?shù)臍?、液相濃度Y、X的對應關(guān)系。圖3-13 吸收塔的最小液氣比在進行吸收操作時，在塔內(nèi)任一截面上，吸收質(zhì)在氣相中的分壓總是要高于與其接觸的液相平衡分壓的，所以吸收操作線的位置總是位于平衡線的上方。與之相應的是在解吸操作中，吸收質(zhì)在氣相中的分壓小于與其接觸的液相平衡分壓，因此解吸操作線總是位于平衡線的下方。2、吸收劑的用量在吸收塔的計算中，需要處理的氣體流量以及氣相的初濃度和終濃度

20、均由生產(chǎn)任務所規(guī)定。吸收劑的入塔濃度則常由工藝條件決定或由設(shè)計者選定，因此吸收劑的用量仍需選擇。吸收劑的用量通常是根據(jù)分離要求和相平衡關(guān)系先確定最小吸收劑用量再乘以一個經(jīng)驗系數(shù)得到。由前知，當V、Y1、Y2及X2已知的情況下，吸收塔操作線的一個端點B已經(jīng)固定，而另一個端點A在Y=Y1的水平線上移動，且點A的橫坐標X1將取決于操作線的斜率L/V。如圖3-13所示。若增大吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將增大，點A將沿Y=Y1的水平線左移，塔底出口溶液的濃度X1減小，操作線遠離平衡線，從而過程推動力X1*-X1增大，減小設(shè)備尺寸、節(jié)約設(shè)備費用（主要是塔的造價）。但超過一定限度后，則使吸收劑輸送及回

21、收等項操作費用急劇增加。反之，若減少吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將減小，點A將沿Y=Y1的水平線右移，塔底出口溶液的濃度X1增大，操作線靠近平衡線，從而過程推動力X1*-X1減小，要在單位時間內(nèi)吸收同量的溶質(zhì)，設(shè)備也就要大一些，以致設(shè)備費用增大。若吸收劑用量減少到恰好使點A移到水平線Y=Y1與平衡線的交點A*時，則X1* = X1即塔底流出的溶液與剛進塔的混合氣體這兩相中吸收質(zhì)濃度是平衡的，這也是理論上在操作條件下溶液所能達到的最高濃度。但此時的推動力為零，表示取得一定的吸收效果必須要用無限大的接觸面積，顯然這是一種達不到的極限狀況，實際生產(chǎn)是不可能實現(xiàn)的，此種狀況下吸收操作線A*B的斜率

22、稱為最小液氣比，以（L/V）min表示，相應的吸收劑用量稱為最小吸收劑用量，以Lmin表示。由以上分析可見，吸收劑用量的大、小的不同，將從設(shè)備費與操作費兩方面影響到生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效果，因此應選擇適宜的液氣比，而使兩種費用之和最小。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，一般情況下認為取吸收劑用量為最小吸收劑用量的1.1-2.0倍是比較適宜的，即： = 1.1 2.0（）min或： L =（1.12.0）Lmin 由式（3-12）可得： （）min （3-16） 或： L min = V （3-16a） 如果平衡線符合圖3-13中（a）所示的的一般情況，則需找到水平線Y=Y1與平衡線的交點A*，從而讀出X1*之值，然

23、后代入上式即可計算出最小液氣比（L/V）min或最小吸收劑用量Lmin。如果平衡線呈現(xiàn)如圖3-13中（b）所示的形狀，則應過點B作平衡曲線的切線，找到水平線Y=Y1與平衡線的交點A*，從而讀出X1*之值，然后代入上式即可計算出最小液氣比（L/V）min或最小吸收劑用量Lmin。如果平衡線為直線，則可用Y= mX*計算出X1*的值，然后代入上式即可計算出最小液氣比（L/V）min或最小吸收劑用量Lmin。必須指出，為了保證填料表面被液體充分潤濕，還應考慮到單位塔截面上單位時間內(nèi)流下的液體量不得小于某一最低值。如果按上式計算出的吸收劑用量不能滿足充分潤濕的起碼要求，則應采取更大的液氣比?！纠?-2

24、】洗油吸收焦爐氣中的芳烴。吸收塔內(nèi)溫度為27、壓力為800mmHg。焦爐氣流量為850m3/h，其中含芳烴的摩爾分率為0.02，要求芳烴吸收率不低于95%。進入吸收塔頂?shù)南从椭兴紵N的摩爾分率為0.005。若取溶劑用量為理論最小用量的1.5倍，求每小時送入吸收塔頂?shù)南从土考八琢鞒龅娜芤簼舛?。操作條件下的平衡關(guān)系可用下式表達，即解：進入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為進塔氣體中芳烴的濃度為出塔氣體中芳烴的濃度為進塔洗油中芳烴的濃度為按照已知的平衡關(guān)系式，在YX直角坐標系中繪出平衡曲線OG，如本題附圖所示。再按X2、Y2之值在圖上確定操作線的端點B。過點B作平衡曲線OG的切線，交水平線Y=0.020

25、4于點A*，讀出點A*的橫坐標值為X1*=0.176，則例3-2 附圖L =1.5Lmin=1.54.04=6.06kmol/h所以每小時送入吸收塔頂?shù)南从土繎獮椋?.061/(1-0.005)=6.09kmol/h吸收液濃度可依全塔物料衡算式求出任務解決4 吸收劑水用量的確定解： 由式3-14知：根據(jù)二氧化碳-水的平衡關(guān)系，引言工作任務中操作條件選擇25C，10個標準大氣壓（1.013106 Pa）。吸收操作條件是25，1.013106Pa，查有關(guān)手冊得，CO2在水中的溶解度為0.7610-6Nm3/g水，液相中CO2極限濃度（摩爾分率）工作任務中的濃度范圍亨利定律可以適用已知CO2的分壓，在達到氣、液平衡時，CO2在氣相中分壓即為p*。依亨利定律，亨利系數(shù)為相平衡常數(shù) 由式3-16a知實際用水量若選擇最小用水量的1.5倍，則L=1.5Lmin=1.55.87104=8.81104kmol/h即完成分離任務所需最小吸收劑用量為5.87104 kmol/h，而通常實際生產(chǎn)用量為8.81104kmol/h。 練習與實踐2