學(xué)習(xí)情景三 吸收方案和設(shè)備的選擇及操作

學(xué)習(xí)情景三 吸收過(guò)程及設(shè)備的選擇與操作學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解吸收操作在化工生產(chǎn)中的重要應(yīng)用，熟悉工程上常見(jiàn)的氣體吸收與解吸方案，能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)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(wù)確定合理吸收操作參數(shù)。 3、熟悉吸收與解吸過(guò)程中常用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能，會(huì)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的選型和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。4、掌握吸收與解吸裝置的操作與控制要點(diǎn)，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(guò)濾等方法來(lái)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(xué)習(xí)情境三開(kāi)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(jìn)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(shí)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(duì)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(dá)到從混合氣體中分離出某組分的目的。吸收在化工生產(chǎn)中應(yīng)用甚為廣泛，主要有以下幾個(gè)方面：（1）分離混合氣體以獲得一個(gè)或幾個(gè)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(qiáng)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(gè)單向傳質(zhì)過(guò)程，即僅有氣相中的易溶組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。在吸收操作過(guò)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(yīng)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(wù)的完成來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)吸收操作的知識(shí)。工作任務(wù)氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)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?dú)浠旌蠚狻Ｔ蠚庵械臍錃庵饕商烊粴?、石腦油、重質(zhì)油、煤、焦炭、焦?fàn)t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(dāng)數(shù)量的二氧化碳，在合成之前必須清除干凈。同時(shí)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(guò)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(wàn)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?xì)怏w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(qǐng)為該企業(yè)擬定一個(gè)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方案的制定和實(shí)施這是一個(gè)典型的氣體混合物的分離任務(wù)，要完成此任務(wù)，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(xì)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(wù)中原料氣的處理量大且CO2的含量也高，因此，應(yīng)選擇目前合成氨廠普遍使用的吸收法來(lái)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（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(dá)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(wù)，實(shí)現(xiàn)脫除目標(biāo)必須按序完成以下幾個(gè)任務(wù)：1、選擇合理的吸收工藝方案2、在已有吸收方案中進(jìn)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(jì)合理的吸收設(shè)備4、學(xué)會(huì)吸收裝置的操作與運(yùn)行模塊一吸收方案的選擇要選擇適當(dāng)?shù)奈辗桨?，首先要了解吸收的分類方法及工業(yè)常見(jiàn)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(lái)同時(shí)進(jìn)行，稱為聯(lián)合吸收法，例如碳銨、聯(lián)堿和尿素的生產(chǎn)過(guò)程。本學(xué)習(xí)情境只介紹循環(huán)吸收法，有關(guān)聯(lián)合吸收法的知識(shí)可查閱化學(xué)肥料和純堿生產(chǎn)工藝學(xué)。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(xué)吸收法等。1、物理吸收法在吸收過(guò)程中，如果吸收質(zhì)與吸收劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可認(rèn)為僅是氣體溶解于液體的物理過(guò)程，則稱為物理吸收。物理吸收操作的極限主要決定于當(dāng)時(shí)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(jī)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(xué)吸收法在吸收過(guò)程中，吸收質(zhì)與吸收劑之間發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，則稱為化學(xué)吸收?；瘜W(xué)吸收操作的極限主要決定于當(dāng)時(shí)條件下反應(yīng)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(yīng)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(xué)吸收法吸收過(guò)程既具有物理吸收過(guò)程也具有化學(xué)吸收過(guò)程。例如環(huán)丁砜法和多胺法。不管物理吸收還是化學(xué)吸收如果在吸收過(guò)程中，混合氣體中只有一個(gè)組分進(jìn)入吸收劑，其余組分皆可認(rèn)為不溶解于吸收劑，這樣的吸收過(guò)程稱為單組分吸收。如果混合氣體中有兩個(gè)或更多個(gè)組分進(jìn)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(shí)也會(huì)對(duì)混合氣體中的H2S進(jìn)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(shí)，有時(shí)會(huì)釋放出相當(dāng)大的溶解熱或反應(yīng)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(duì)很大時(shí)，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(guò)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(xué)吸收熱量主要是由反應(yīng)熱引起的，化學(xué)吸收熱效應(yīng)要比物理吸收大。二、吸收解吸收方案的認(rèn)識(shí)在循環(huán)吸收法中，為了得到較純凈的吸收質(zhì)或回收吸收劑循環(huán)使用，常常需要將吸收質(zhì)從吸收劑中分離出來(lái)。使溶解于液相中的氣體釋放出來(lái)的操作稱為解吸或脫吸。解吸是吸收的相反過(guò)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(lái)。在實(shí)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(jìn)行解吸，在操作中兩者相互影響和制約。應(yīng)該注意的是對(duì)于化學(xué)吸收，如果吸收過(guò)程中發(fā)生了不可逆的化學(xué)反應(yīng)，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(gè)回收煤氣中苯的吸收-解吸聯(lián)合裝置流程示意圖。在焦?fàn)t煤氣的生產(chǎn)過(guò)程中，由于煤氣中含有少量的苯和甲苯類低碳?xì)浠衔锏恼羝?，?yīng)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。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(jìn)入塔內(nèi)，溫度為2730洗油從塔頂淋下，氣液兩相逆流流動(dòng)，并在塔內(nèi)填充物（木柵等物）上接觸，進(jìn)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<為2g/m3）的脫苯煤氣由塔頂排出。吸收苯的洗油（含苯量約2.5，稱為富油）從塔底進(jìn)入富油貯槽。為了分離出富油中溶解的苯等，需對(duì)吸收劑進(jìn)行解吸，目的是回收苯及使洗油循環(huán)使用（亦稱吸收劑的再生）。解吸過(guò)程在解吸塔中進(jìn)行，即將富油用泵從貯槽中抽出，經(jīng)富油加熱器加熱至規(guī)定溫度后，從頂部進(jìn)入解吸塔，與從解吸塔底部通入的過(guò)熱水蒸汽接觸，則富油中的苯等在高溫下解吸出被水蒸汽帶走，經(jīng)冷凝后進(jìn)入分層槽，由于苯的密度比水小，故在上層，水在下層，將水除去即可得到苯類液體。富油脫苯后（亦稱貧油）從塔底進(jìn)入洗油貯槽，用泵抽出經(jīng)冷卻器冷卻至規(guī)定溫度，即可作為循環(huán)使用的吸收劑再次送入吸收塔中。 1、這是物理吸收過(guò)程還是化學(xué)吸收過(guò)程？2、為什么貧油進(jìn)吸收塔前要經(jīng)過(guò)冷卻器降溫，在吸收塔和解吸收塔之間的換熱器有什么作用？案例二 堿性栲膠-釩酸鹽水溶液脫除H2S如圖3-2所示的是利用堿性栲膠釩酸鹽水溶液脫除半水煤氣中的硫化氫工藝方案。栲膠是酚類物質(zhì)（丹寧）作為載氧體可焦釩酸鈉氧化成偏釩酸鈉，再生時(shí)可由空氣將還原態(tài)栲膠氧化。脫硫原理如下：（TQ-氧化型栲膠； THQ-還原型栲膠）NaCO3+H2SNaHS+ NaHCO3 2NaHS+4NaVO3+H2ONa2V4O9+4NaOH+2SNa2V4O9+TQ+NaOH+H2O=NaVO3+THQTHQ+O2TH+H2ONaHCO3+NaOHNa2CO3+H2O從電除塵來(lái)的半水煤氣進(jìn)接力風(fēng)機(jī)進(jìn)口水封，由接力風(fēng)機(jī)升壓至1000mmH2O左右進(jìn)入各風(fēng)機(jī)的出口水封，然后氣體從脫硫塔底部進(jìn)、塔頂出，在塔內(nèi)與從塔頂向下灑的栲膠堿溶液在填料的潤(rùn)濕表面充分接觸，吸收并脫除H2S，從脫硫塔頂出來(lái)的氣體中含H2S應(yīng)15毫克/標(biāo)準(zhǔn)米3，分別經(jīng)兩個(gè)除沫器，再經(jīng)兩個(gè)旋流板除去堿沫后，送往壓縮機(jī)一段。一定組份的栲膠溶液（也稱貧液）自循環(huán)槽經(jīng)貧液泵升壓0.6Mpa左右送往脫硫塔頂，溶液自塔頂流向塔底，充分潤(rùn)濕填料表面與氣體接觸，吸收半水煤氣中的H2S氣體，吸收H2S后的溶（富液）從脫硫塔底流到反應(yīng)槽內(nèi)，進(jìn)入反應(yīng)槽內(nèi)的液體再經(jīng)富液泵加壓0.6Mpa左右。經(jīng)溶液加熱器加熱進(jìn)入噴射再生器，自吸空氣，富液與空氣在喉管處混合后進(jìn)再生槽，再生后的溶液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器全部回到循環(huán)槽，以后照此反復(fù)循環(huán)使用。硫泡沫在再生槽內(nèi)浮洗分離，溢流至硫泡沫槽，在硫泡沫槽用蒸汽加熱至7090攪拌沉硫，再經(jīng)分離放入熔硫釜，回收固體硫磺，釜內(nèi)清液靠虹吸作用流至虹吸罐，罐內(nèi)沉渣回釜，清液去循環(huán)槽。圖3-2 栲膠法脫除H2S的吸收與再生流程 1、這是物理吸收過(guò)程還是化學(xué)吸收過(guò)程？2、在這一工藝流程中，H2S最終轉(zhuǎn)變成了什么？案例三 乙醇胺法吸收二氧化碳如圖3-3所示的是乙醇胺法吸收二氧化碳的吸收解吸聯(lián)合流程。圖3-3 乙醇胺法吸收二氧化碳流程將合成氨原料氣從底部進(jìn)入吸收塔，塔頂噴乙醇胺液體，乙醇胺吸收了CO2后從塔底排出，從塔頂排出的氣體中含CO2可降到0.2%-0.5%。將吸收塔底排出的含CO2的乙醇胺溶液用泵送至加熱器，加熱(130°C左右)后從解吸塔頂噴淋下來(lái)，塔底通入水蒸氣，乙醇在高溫、低壓(約300kPa)下自溶液中解吸。從解吸塔頂排出的氣體經(jīng)冷卻、冷凝后得到可用的CO2。解吸塔底排出的溶液經(jīng)冷卻降溫(約50°C)、加壓(約1800kPa)后仍作為吸收劑。這樣吸收劑可循環(huán)使用，溶質(zhì)氣體得到回收。該吸收過(guò)程為化學(xué)吸收過(guò)程。既然吸收方案有物理吸收與化學(xué)吸收之分，由大量的工程經(jīng)驗(yàn)資料，可查出它們的各自特點(diǎn)如下?；瘜W(xué)吸收的優(yōu)點(diǎn)是：由于選用的吸收劑能夠有選擇地與溶解在液相中的溶質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，使得化學(xué)吸收具有較高的選擇性。化學(xué)反應(yīng)將溶解在液相中的溶質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)，使得溶解平衡向溶解方向移動(dòng)，降低了溶質(zhì)在氣相中的分壓，可較徹底地除去氣相中的溶質(zhì)，可提高氣體的凈化程度。凈化分離效果好。反應(yīng)增加了溶質(zhì)在液相中的溶解度，提高了吸收劑對(duì)溶質(zhì)的吸收能力，可減少吸收劑用量?；瘜W(xué)反應(yīng)降低了吸收劑中游離態(tài)溶質(zhì)的濃度，增大了傳質(zhì)推動(dòng)力，化學(xué)反應(yīng)改變了液相中溶質(zhì)的濃度分布，因而可減小液相傳質(zhì)阻力，提高液相的傳質(zhì)分系數(shù)。因此，化學(xué)吸收的傳質(zhì)速率高，所需設(shè)備尺寸小。缺點(diǎn)是：化學(xué)吸收時(shí)溶劑的再生比較困難。由栲膠法脫除H2S的吸收與再生流程可見(jiàn)化學(xué)吸收后的吸收劑再生往往需要消耗較多能量，裝置也較復(fù)雜。如果化學(xué)反應(yīng)不可逆，則吸收劑無(wú)法循環(huán)使用。物理吸收的優(yōu)點(diǎn)是：不可逆程度較低，解吸比較容易，解吸所需要的能耗一般比化學(xué)吸收小。物理吸收法吸收劑價(jià)格便宜，熱效應(yīng)較小，設(shè)備簡(jiǎn)單。如果采用物理解吸可得到較純凈的溶質(zhì)氣體。缺點(diǎn)是：因物理溶解平衡的限制，氣體凈化程度和分離效果不是很好，溶質(zhì)的吸收率不是很高由于本工作任務(wù)對(duì)分離要求不高（尾氣CO2濃度降到1%），分離過(guò)程要除去CO2，而且又要回收CO2氣體用于制取干冰，因此，可采用：醇胺法的吸收與解吸聯(lián)合流程，物理的吸收與解吸法。雖然醇胺法分離效果顯著，凈化氣中二氧化碳含量體積分?jǐn)?shù)小于100×10-6（0.01%）， 但由于吸收劑乙醇胺價(jià)格高，且再生能耗高 4.3×104kJ/(kmolCO2），因此根據(jù)經(jīng)濟(jì)和適用因素考慮，目前選用物理吸收與解吸方案法。任務(wù)解決1拓展知識(shí)物理吸收過(guò)程的機(jī)理1、吸收機(jī)理（1）傳質(zhì)的基本方式吸收操作是吸收質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過(guò)程，其中包括吸收質(zhì)由氣相主體向氣液相界面的傳遞，及由相界面向液相主體的傳遞。因此，討論吸收過(guò)程的機(jī)理，首先說(shuō)明物質(zhì)在單相（氣相或液相）中的傳遞規(guī)律。物質(zhì)在單一相（氣相或液相）中的傳遞是靠擴(kuò)散作用，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種。流體中的分子擴(kuò)散如將一滴紅墨水滴在一杯水中，會(huì)看見(jiàn)紅色慢慢向四周擴(kuò)散，最終整杯水變紅了，這就是分子擴(kuò)散。分子擴(kuò)散是物質(zhì)在一相內(nèi)有濃度差異的條件下，由流體分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。習(xí)慣上常把分子擴(kuò)散稱為擴(kuò)散。這種擴(kuò)散發(fā)生在靜止或滯流流體中相鄰流體層的傳質(zhì)中。分子擴(kuò)散的速率主要決定于擴(kuò)散物質(zhì)和流體溫度以及某些物理性質(zhì)。根據(jù)菲克定律，當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生分子擴(kuò)散時(shí)，分子擴(kuò)散速率與其在擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比。參照?qǐng)D3-4所示，這一關(guān)系可表達(dá)為： NA= （3-1） 圖3-4 分子擴(kuò)散示意圖式中：NA 組分A的分子擴(kuò)散速率 kmol/（m2·s）；CA 組分A的濃度 kmol/m3；Z 沿?cái)U(kuò)散方向的距離 m；D 擴(kuò)散系數(shù)，表示組分A在介質(zhì)B中的擴(kuò)散能力 m2/s。式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度相反。分子擴(kuò)散系數(shù)D是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。對(duì)不太大的分子而言，在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)值約為0.11 cm2/s的量級(jí)；在液體中約為在氣體中的104105分之一。這主要是因?yàn)橐后w的密度比氣體的密度大的多，其分子間距小，故分子在液體中擴(kuò)散速率要慢的多。擴(kuò)散系數(shù)之值須由實(shí)驗(yàn)方法求取，有時(shí)也可由物質(zhì)本身的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)估算。氣體的液體擴(kuò)散系數(shù)可查閱有關(guān)手冊(cè)。流體中的渦流擴(kuò)散如果在把紅墨水滴入杯子中的同時(shí)，用玻璃棒進(jìn)行攪拌，杯子中的水瞬間就變紅了。這就是渦流擴(kuò)散。在湍流流體中，流體質(zhì)點(diǎn)在湍流中產(chǎn)生漩渦，引起各部分流體間的劇烈混合，在有濃度差的條件下，物質(zhì)便朝其濃度降低的方向進(jìn)行擴(kuò)散。這種憑藉流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和漩渦來(lái)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，稱為渦流擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散速率決定于流體的湍動(dòng)程度。實(shí)際上，在湍流流體中，由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的分子擴(kuò)散是與渦流擴(kuò)散同時(shí)發(fā)揮著作用。但渦流擴(kuò)散速率比分子擴(kuò)散速率大得多，因此渦流擴(kuò)散的效果應(yīng)占主要地位。此時(shí)，通過(guò)一個(gè)湍流流體的擴(kuò)散速率可以下式表達(dá)，即 NA= （D+De） （32）式中：NA 組分A的擴(kuò)散速率 kmol/（m2·s）；CA 組分A的濃度 kmol/m3；Z 沿?cái)U(kuò)散方向的距離 m；D 分子擴(kuò)散系數(shù)m2/s；De 渦流擴(kuò)散系數(shù) m2/s。對(duì)流擴(kuò)散。它與傳熱過(guò)程中的對(duì)流傳熱類似，由于對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程極為復(fù)雜，影響其因素很多，所以對(duì)流擴(kuò)散速率，一般難以解析求出，而是采用類似解決對(duì)流傳熱的處理方法依靠試驗(yàn)測(cè)定。（2）吸收過(guò)程的機(jī)理吸收過(guò)程中，吸收質(zhì)除了要分別在氣相和液相中進(jìn)行單一相的傳遞外，還必須通過(guò)氣液接觸界面才能由氣相進(jìn)入液相，但氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)不同，界面狀態(tài)就不同，流體流動(dòng)狀態(tài)不僅決定于流體的物性、流速等參數(shù)，還與設(shè)備的幾何尺寸密切相關(guān)，由此可知吸收過(guò)程的機(jī)理是復(fù)雜的，人們已對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期的深入的研究。曾提出多種不同的關(guān)于吸收這樣的相際傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理的理論，其中應(yīng)用最廣泛的是劉易斯和惠特曼在本世紀(jì)二十年代提出的雙膜理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)如下：1、在氣液兩流體相接觸處，有一穩(wěn)定的分界面，叫相界面。在相界面的兩側(cè)附近各有一層穩(wěn)定的作滯流流動(dòng)的薄膜層，在氣相一側(cè)的叫氣膜、液相一側(cè)的叫液膜。吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)這兩個(gè)薄膜層。2、兩膜層以外的氣、液兩相分別稱為氣相主體與液相主體。在氣、液兩相的主體中，由于流體的充分湍動(dòng)，吸收質(zhì)的濃度基本上是均勻的，即兩相主體內(nèi)濃度梯度皆為零，全部濃度變化集中在這兩個(gè)膜層中，即阻力集中在兩膜層之中。3、無(wú)論氣、液兩相主體中吸收質(zhì)的濃度是否達(dá)到平衡，而在相界面處，吸收質(zhì)在氣、液兩相中的濃度關(guān)系卻已達(dá)于平衡。即認(rèn)為界面上沒(méi)有阻力。通過(guò)以上假設(shè)，就把吸收這個(gè)相際傳質(zhì)的復(fù)雜過(guò)程，簡(jiǎn)化為吸收質(zhì)只是經(jīng)由氣、液兩膜層的分子擴(kuò)散過(guò)程。提高吸收質(zhì)在膜內(nèi)的分子擴(kuò)散速率就能有效地提高吸收速率，因而兩膜層也就成為吸收過(guò)程的兩個(gè)基本阻力，雙膜理論又稱為雙阻力理論。在兩相主體濃度一定的情況下，兩膜層的阻力便決定了傳質(zhì)速率的大小。由于膜內(nèi)阻力與膜的厚度成正比，根據(jù)流體力學(xué)原理，流速越大，則膜的厚度越薄，因此增大氣液兩流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使流體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪動(dòng)，都能減小膜的厚度，從而降低吸收阻力，增大吸收傳質(zhì)系數(shù)，提高吸收速率。雙膜理論的假想模型，如圖3-5所示。 實(shí)際濃度分布線 虛擬濃度分布線圖3-5雙膜理論的假想模型示意圖對(duì)于具有固定相界面的系統(tǒng)以及流動(dòng)速度不高的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論與實(shí)際情況是相當(dāng)符合的，根據(jù)這一理論的基本概念所確定的吸收過(guò)程的傳質(zhì)速率關(guān)系，至今仍是吸收設(shè)備設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，這一理論對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際具有重要的指導(dǎo)意義。但是對(duì)于具有自由相界面的系統(tǒng)，尤其是高度湍動(dòng)的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論表現(xiàn)出它的局限性。因?yàn)樵谶@種情況下，相界面已不再是穩(wěn)定的、而是處于不斷更新的過(guò)程中，此時(shí)界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的滯流膜層及物質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)此兩膜層的假設(shè)都很難成立。針對(duì)雙膜理論的局限性，后來(lái)相繼提出了一些新的理論，如溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論、界面動(dòng)力狀態(tài)理論等。這些理論對(duì)于相際傳質(zhì)過(guò)程中的界面狀況及流體力學(xué)因素的影響等方面的研究和描述都有所前進(jìn)，但目前尚不足據(jù)以進(jìn)行傳質(zhì)設(shè)備的計(jì)算或解決其它實(shí)際問(wèn)題。實(shí)踐與練習(xí)101. 查找資料，了解合成氨原料氣凈化主要方法和過(guò)程。02. 查找工業(yè)上其他吸收實(shí)例。分析這些實(shí)例是吸收在哪方面的應(yīng)用，吸收過(guò)程是物理吸收還是化學(xué)吸收，是等溫吸收還是非等溫吸收，是單組分吸收還是多組分吸收，有沒(méi)有采用解吸過(guò)程？模塊二吸收劑的選擇與吸收劑用量的確定在模塊一中，我們已經(jīng)可以看得出，用于吸收二氧化碳的方案有很多，方案的不同關(guān)鍵就是吸收劑的不同，在吸收操作中，吸收劑性能的優(yōu)劣，常常是吸收操作好壞的關(guān)鍵。那么吸收操作吸收劑是如何選擇的呢？用物理吸收方法來(lái)吸收二氧化碳又有哪些吸收劑可用呢？引言里的工作任務(wù)中選擇什么物質(zhì)作為吸收劑比較合適呢？一、吸收劑的選擇如果吸收的目的是制取某種溶液作成品，如用HCl氣體生產(chǎn)鹽酸，溶劑只能用水，自然沒(méi)有選擇的余地。如果目的在于把一部分氣體從混合物中分離出來(lái)，便應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)娜軇?。要想選擇好合適的吸收劑，我們必須首先掌握吸收劑的選擇原則。吸收劑選擇的常用原則為：1、所選用的吸收劑必須有良好的選擇性，即吸收劑對(duì)吸收質(zhì)要有較大的溶解度而對(duì)其它惰性組分的溶解度要極小或幾乎不溶解。這樣可以提高吸收效果、減小吸收劑的用量；吸收速率也大、設(shè)備的尺寸便小。2、所選擇的吸收劑應(yīng)在較為合適的條件（溫度、壓力）下進(jìn)行吸收操作。3、吸收劑的揮發(fā)度要小，即在操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要小。因?yàn)殡x開(kāi)吸收設(shè)備的氣體，往往被吸收劑蒸氣所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈高，其損失便愈大。另外所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不易燃、不發(fā)泡、價(jià)廉易得和具有化學(xué)穩(wěn)定性等。顯然完全滿足上述各種要求的吸收劑是沒(méi)有的，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)從滿足工藝要求、符合經(jīng)濟(jì)原則的前提出發(fā)，根據(jù)具體情況全面均衡得失來(lái)選擇最合適的吸收劑。工業(yè)上的氣體吸收大多用水作溶劑，難溶于水的氣體才采用特殊溶劑。例如，烴類氣體的吸收用液態(tài)烴。為了提高氣體吸收的效果，也常采用與溶質(zhì)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)作溶劑。例如，CO2的吸收可以用NaOH溶液、Na2CO3溶液或乙醇胺溶液。表3-1為某些氣體選用的部分吸收劑的實(shí)例。表3-1 吸收劑選用實(shí)例吸收質(zhì)可選用吸收劑吸收質(zhì)選用吸收劑水汽濃硫酸H2S亞砷酸鈉溶液CO2水H2S偏釩酸鈉的堿性溶液CO2碳酸丙烯酯NH3水CO2堿液HCl水CO2乙醇胺HF水SO2濃硫酸CO銅氨液SO2水丁二烯乙醇、乙腈H2S氨水由于二氧化碳在水中和碳酸丙烯酯溶液中的溶解度比原料氣中其它組分如N2、H2和CO在其中的物理溶解度大得多，所以水和碳酸丙烯酯對(duì)于CO2均具有較好的選擇吸收性。水和碳酸丙烯酯均可以作為物理法吸收二氧化碳的吸收劑。考慮到碳酸丙烯酯有腐蝕性且價(jià)格較高，而水具有無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不易燃、不發(fā)泡、價(jià)廉易得和具有化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。加上生產(chǎn)任務(wù)對(duì)分離要求并不太高，因此，我們可暫選用水作為吸收劑，設(shè)法讓水循環(huán)使用。 任務(wù)解決2 吸收劑的選擇選擇完溶劑后就要考慮的是氣、液兩相的流向問(wèn)題。圖3-6 是吸收塔內(nèi)內(nèi)常見(jiàn)的兩種流向示意圖。逆流貧液富液混合氣體凈化氣 并流貧液富液混合氣體凈化氣圖3-6 氣-液兩相逆流和并流接觸示意圖吸收塔內(nèi)，氣、液兩相可作逆流也可作并流流動(dòng)。在氣、液兩相進(jìn)出口濃度相同的情況下，逆流與并流相比有著顯著優(yōu)點(diǎn)：逆流時(shí)，傳質(zhì)平均推動(dòng)力最大，這樣可提高吸收速率、減小設(shè)備尺寸；逆流時(shí)，塔底引出的溶液在出塔前是與濃度最大的進(jìn)塔氣體接觸，使出塔溶液濃度可達(dá)最大值，從而降低了吸收劑耗用量；逆流時(shí)，塔頂引出的氣體出塔前是與純凈的或濃度較低的吸收劑接觸，可使出塔氣體的濃度能達(dá)最低值，這樣可大大提高吸收率。但并流操作也有其自身優(yōu)點(diǎn)：并流操作可以防止逆流操作時(shí)的縱向攪動(dòng)現(xiàn)象；提高氣速時(shí)不受液泛的限制，不會(huì)限制設(shè)備的生產(chǎn)能力。一般吸收操作均采用逆流，以使過(guò)程具有最大的推動(dòng)力。特殊情況下，如吸收質(zhì)極易溶于吸收劑，此時(shí)逆流操作的優(yōu)點(diǎn)并不明顯，為提高生產(chǎn)能力，可以考慮采用并流?？紤]到工作任務(wù)中二氧化碳在水中溶解度較低，為了加大傳質(zhì)速率，考慮采用逆流接觸形式。二、吸收過(guò)程操作條件的確定工作任務(wù)中用水吸收含有9%（體積）CO2的原料氣過(guò)程中，什么時(shí)候會(huì)發(fā)生吸收現(xiàn)象？吸收過(guò)程選擇在多少溫度，多高壓力下進(jìn)行呢？1、物理過(guò)程吸收的條件（1）氣體在液體中的溶解度在一定的溫度下，使某一定量的可溶性氣體溶質(zhì)與一定量的液體溶劑在密閉的容器內(nèi)相接觸，溶質(zhì)便向溶劑轉(zhuǎn)移。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)氣體的壓力和該氣體在溶液中的濃度不再變化。此時(shí)并非沒(méi)有氣體分子進(jìn)入液體，而是由于在任何瞬間內(nèi)，氣體進(jìn)入液體的分子數(shù)與從液體中逸出并返回到氣體中的氣體分子數(shù)相等之故。所以宏觀上，過(guò)程就像停止一樣，這種狀況稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡。在此平衡狀態(tài)下，溶液上方氣相中溶質(zhì)的壓力稱為當(dāng)時(shí)條件下的平衡壓力，而液相中所含溶質(zhì)氣體的濃度即在當(dāng)時(shí)條件下氣體在液體中的溶解度。習(xí)慣上溶解度是以在一定的溫度和溶質(zhì)氣體的平衡壓力下，溶解在單位質(zhì)量的液體溶劑中溶質(zhì)氣體的質(zhì)量數(shù)表示，kg氣體溶質(zhì)/kg液體溶劑。只有處于不平衡狀態(tài)的氣液相接觸，才有可能發(fā)生吸收現(xiàn)象。在氣液系統(tǒng)中，只要液相中吸收質(zhì)的實(shí)際濃度小于平衡濃度或氣相中吸收質(zhì)的分壓大于平衡分壓，吸收質(zhì)就從氣相轉(zhuǎn)入液相，吸收過(guò)程一直進(jìn)行到相平衡為止。所以相平衡是物理吸收過(guò)程的極限，該極限取決于溶解度。溶解度的大小是隨物系、溫度和壓力而異，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。如圖3-7（a）、3-7（b）、3-7（c）分別表示出氨、二氧化硫和氧在水中溶解度與其氣相平衡壓力之間的關(guān)系。圖中的關(guān)系線稱為溶解度曲線。將圖3-7（a）、（b）、（c）進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：溫度、壓力一定時(shí)，氨的溶解度最大、二氧化硫其次、氧溶解度最小。這說(shuō)明氨易溶解于水、氧難溶解于水。我們都知道如果要使一種氣體在溶液中達(dá)到一定的濃度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力，由圖可見(jiàn)，溫度一定時(shí)，同樣質(zhì)量的氨、二氧化硫、氧各溶解于一定量的水，氨在其溶液上方的平衡壓力最小，二氧化硫的平衡壓力居中，氧在其溶液上方的平衡壓力最大。圖3-7 氨、二氧化硫、氧在水中的溶解度曲線顯然：對(duì)應(yīng)于同樣濃度的氣體溶液，易溶氣體溶液上方的平衡壓力小，而難溶氣體溶液上方的平衡壓力大。換言之，如欲獲得一定濃度的氣體溶液，對(duì)于易溶氣體所需的平衡壓力較低，而對(duì)于難溶氣體所需的平衡壓力則很高。由圖3-7還可發(fā)現(xiàn)，這三種物質(zhì)的溶解度曲線表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)：當(dāng)壓力一定時(shí)，溫度越低，溶解度越大；當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力越高，溶解度越大。這說(shuō)明加大壓力和降低溫度可以提高溶解度，對(duì)吸收操作有利；反之，升溫和減小壓力則降低溶解度，對(duì)吸收操作不利。溶解度是分析吸收操作過(guò)程的基礎(chǔ)，關(guān)于氣體在液體中的溶解度，至今已發(fā)表了許多數(shù)據(jù)，這些實(shí)測(cè)值載于有關(guān)手冊(cè)之中以供查用。（2）亨利定律隨著對(duì)氣液間相平衡關(guān)系大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)總壓力不高時(shí)，在一定溫度下，稀溶液上方的氣體溶質(zhì)平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率之間存在著如下的關(guān)系：p*= Ex （3-3）式中：p* 溶質(zhì)在氣相中平衡分壓，kN/m2 x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率 E 亨利系數(shù)，其單位與壓力單位一致。圖3-8 二氧化碳、二氧化硫及氨在水中的溶解度式3-3稱為亨利定律。此式表明稀溶液上方的溶質(zhì)分壓與溶質(zhì)在液相的摩爾分率成正比，比例常數(shù)稱為亨利系數(shù)。E值的大小表示氣體溶于液體中的難易程度。由于同一種氣體在不同的溶劑中溶解度不同，所以E不同；同樣不同氣體在同一種溶劑中的溶解度也不同，E也就不同。E值愈大，表示該氣體的溶解度越小，即愈難溶，E值隨溫度的升高而增大。各種氣體的E值皆由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，書(shū)末附尋中列出若干種氣體水溶液的亨利系數(shù)值。亨利定律是一個(gè)稀溶液定律，因此它對(duì)常壓或接近于常壓下的難溶氣體較為適合，對(duì)于易溶氣體適用于低濃度的較小范圍，如圖3-8所示NH3-H2O系統(tǒng)的平衡線的直線部分是很短的，而對(duì)于難溶氣體如CO2，則在較廣的平衡壓力范圍內(nèi)符合亨利定律。在實(shí)際生產(chǎn)中被吸收的氣體，往往是氣體混合物的某組分，而不是單一的純氣體。當(dāng)混合氣體總壓力不超過(guò)5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下，被吸收組分在液體中的溶解度，可以認(rèn)為與總壓無(wú)關(guān)，而只取決于溶質(zhì)氣體的分壓和溫度。由于互成平衡的氣液兩相組成各可采用不同的表示法，因而亨利定律有不同的表達(dá)形式。若溶質(zhì)在液相和氣相中的組成分別用摩爾分率x及y表示，亨利定律可寫(xiě)成如下形式，即： y* = mx （3-4）式中 x 液相中溶質(zhì)的摩爾分率y 與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率 m 相平衡常數(shù)若系統(tǒng)的總壓為P，則依道爾頓分壓定律可知溶質(zhì)在混合氣體中的分壓為 p = Py同理 p* = Py* 將上式代入式3-3中可得 Py* = Ex將此式與式3-4相比較可知m = E/P （3-5）相平衡常數(shù)m也是依實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的數(shù)值。對(duì)于一定物系，它是溫度和壓力的函數(shù)。由m值的大小同樣可以比較不同氣體溶解度的大小，m值愈大，則表明該氣體的溶解度愈小。由式3-5可以看出，溫度升高、總壓下降則m值增大，不利于吸收操作。若溶質(zhì)在液相和氣相中的組成分別用比摩爾X及Y表示時(shí)，則可知x = （a）y = （b）將式（a）和式（b）代入式（3-4）可得： = m 整理后得 Y* = （3-6）式中 Y* 氣、液相平衡時(shí)，每kmol惰性組分中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) X 氣、液相平衡時(shí)，每kmol吸收劑中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) m 相平衡常數(shù)式3-6是用比摩爾分率表示亨利定律的一種形式。此式在YX直角坐標(biāo)系中的圖形總是通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，如圖3-9所示，此圖線稱為氣、液相平衡線或吸收平衡線。但是，當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，式3-6分母趨近于1，于是該式可簡(jiǎn)化為式3-7是亨利定律又一形式，它表明當(dāng)液相中溶質(zhì)溶解度足夠低時(shí)，氣液相平衡關(guān)系在YX圖中，也可近似地表示成通過(guò)原點(diǎn)的直線。其斜率為m，如圖3-10所示。 Y* = mX （3-7）若氣相組成用分壓，液相組成用物質(zhì)的量濃度時(shí)，亨利定律為： p*= （3-8）式中： C 液相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度 kmol/m3 H 溶解度系數(shù) kmol/（kN·m）溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)，對(duì)一定的溶質(zhì)和吸收劑而言，H值隨著溫度的升高而減小，易溶性氣體H值很大，難溶性氣體H值很小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為： H = （3-9）式中： 溶液的密度 kg/m3 MS 吸收劑的摩爾質(zhì)量 kg/kmol圖3-9 吸收平衡線 圖3-10 稀溶液吸收平衡線上述亨利定律的各種表達(dá)式所表示的都是互成平衡的氣、液兩相組成間的關(guān)系，利用它們即可根據(jù)液相組成計(jì)算平衡的氣相組成，同樣也可根據(jù)氣相組成計(jì)算平衡的液相組成。從這種意義上講，上述亨利定律的幾種表達(dá)形式也可改寫(xiě)如下： x *= C* = x *= X *= 根據(jù)吸收操作的特點(diǎn)，我們常用比摩爾濃度來(lái)表示相組成，因此在表示氣液相平衡關(guān)系時(shí)，也就常常采用式3-6或式3-7?！纠?-1】某礦石焙燒爐送出來(lái)的氣體，經(jīng)冷卻后將溫度降到20，然后送入填料吸收塔中用水洗滌以除去其中SO2，已知平均操作壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20時(shí)SO2在水中的平衡溶解度數(shù)據(jù)如本例附表1例3-1 附表1SO2溶解度kgSO2/100kgH2O0.020.050.100.150.20.30.50.71.01.5SO2平衡分壓kN/m20.0670.164.260.7731.131.883.465.27.8612.3試按以上數(shù)據(jù)標(biāo)繪Y*X曲線。解：；現(xiàn)以第1組數(shù)據(jù)為例計(jì)算如下：各組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果列于本例附表2例3-1 附表2SO2溶液濃度X氣相中SO2平衡濃度YSO2溶液濃度X氣相中SO2平衡濃度Y0.00005620.0006620.000840.0190.000140.001580.00140.0350.000280.00420.001970.0540.000420.00770.00280.0840.000560.01130.00420.138將以上數(shù)據(jù)關(guān)系標(biāo)繪于本題附圖中，為通過(guò)原點(diǎn)O的曲線。例3-1 附圖（3）相平衡與吸收操作當(dāng)不平衡的氣液兩相接觸時(shí)，溶質(zhì)是被吸收，還是被解吸，這要由相平衡關(guān)系來(lái)決定。人們可以依據(jù)物系的氣液平衡關(guān)系來(lái)判明吸收過(guò)程進(jìn)行的方向、限度和難易程度。根據(jù)氣液相平衡關(guān)系判明過(guò)程進(jìn)行的方向和限度在吸收塔的計(jì)算中通常以氣液兩相的實(shí)際狀態(tài)與相應(yīng)的平衡狀態(tài)的偏離程度來(lái)表示吸收推動(dòng)力的大小。如果氣液兩相處于平衡狀態(tài)，則兩相的實(shí)際狀態(tài)與平衡狀態(tài)無(wú)偏離，吸收推動(dòng)力為0，吸收速率也為0。實(shí)際狀態(tài)與平衡狀態(tài)偏離越大，則吸收推動(dòng)力也越大，吸收推動(dòng)力可用氣相濃度差Y=Y-Y*表示，也可用液相濃度差X=X*-X表示。若Y>Y*或X*>X，從圖3-9或3-10上可看出，實(shí)際物系點(diǎn)位于平衡曲線上方，此時(shí)溶質(zhì)由氣相向液相傳遞，這就是吸收。隨著吸收過(guò)程的進(jìn)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(shí)實(shí)際物系點(diǎn)與平衡曲線重合，吸收達(dá)到了極限。若Y<Y*或X*<X，從圖3-9或3-10上可看出，實(shí)際物系點(diǎn)位于平衡曲線下方，此時(shí)溶質(zhì)由氣相向液相傳遞，這就是吸收過(guò)程的逆過(guò)程解吸。當(dāng)氣液相濃度用其它形式表示時(shí)推動(dòng)力也可表示成相應(yīng)的形式，如：p = p - p*、x = x*- x、y = y-y*。在吸收塔中沿塔高各處的氣、液相的濃度是不同的，所對(duì)應(yīng)的平衡濃度就不同，這樣吸收推動(dòng)力也就不同了，因此所表示出來(lái)的推動(dòng)力只能反映出吸收塔中某一個(gè)截面的情況。表3-2吸收過(guò)程判據(jù)濃度關(guān)系傳遞過(guò)程液相濃度X*-X0吸收X*-X0解吸X*-X=0平衡氣相濃度Y-Y*>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(qiáng)和溫度下，對(duì)于一定濃度的溶液，被溶解氣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(lái)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(duì)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(jìn)行較為有利，對(duì)于熱效應(yīng)較大的物系，可以在吸收過(guò)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(shí)如果溫度太低，除了消耗大量冷凍物外，還會(huì)增大吸收劑的粘度，甚至?xí)泄腆w結(jié)晶析出，影響吸收操作順利進(jìn)行。因此應(yīng)綜合考慮不同因素，選擇一個(gè)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(dòng)力，有利于吸收。但在壓力增高的同時(shí)，動(dòng)力消耗就會(huì)隨之增大，對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求也隨之提高，使設(shè)備投資的經(jīng)常性生產(chǎn)費(fèi)用加大。因此一般能在常壓下進(jìn)行的吸收操作不必在高壓下進(jìn)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(jìn)行高壓反應(yīng)，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(wù)中操作條件選擇常溫（25C°），10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.013×106 Pa）。 任務(wù)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(guò)對(duì)吸收過(guò)程進(jìn)行物料衡算和操作分析得到的。為完成工作任務(wù)，吸收劑水的用量最小為多少？化工實(shí)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(dòng)；吸收劑則自上而下流動(dòng)。在吸收過(guò)程中，混合氣體通過(guò)吸收塔的過(guò)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(méi)有變化，假設(shè)無(wú)物料損失，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)、出吸收塔的吸收質(zhì)進(jìn)行衡算則得：V Y1 + L X2 = V Y2 + L X1 （3-10）式中：V 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔惰性氣體量 kmol/ sL 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的吸收劑 kmol/ sY1、Y2 分別為進(jìn)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(jìn)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(xiě)為： V（Y1-Y2）= L（X1-X2）= GA （3-11）式中：GA 吸收塔的吸收負(fù)荷（單位時(shí)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收質(zhì)質(zhì)量之比，稱為吸收率。用符號(hào)表示。 = = = （3-13） 式（3-11）可改寫(xiě)成：Y2 = Y1（1- ） （3-14）在吸收塔的計(jì)算中，已知V、L、X1、X2、Y1及Y2中的任何5項(xiàng)，即可求出其余的一項(xiàng)。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(dá)到了規(guī)定的指標(biāo)；已知Y1及可依式（3-14）計(jì)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?qǐng)D3-11，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、液兩相濃度分別為Y、X，則得： V Y1 + L X = V Y + L X1 （3-15）將上式可改寫(xiě)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(guò)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(zhǎng)/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(shuō)明逆流吸收操作的操作線方程過(guò)吸收塔的塔頂、塔底截面所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)A（X1、Y1）、B（X2、Y2），因此只要找出A、B兩點(diǎn)即可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(diǎn)C代表著塔內(nèi)相應(yīng)截面上的氣、液相濃度Y、X之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。端點(diǎn)A代表塔底的氣、液相濃度Y、X的對(duì)應(yīng)關(guān)系；端點(diǎn)B則代表著塔頂?shù)臍?、液相濃度Y、X的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3-13 吸收塔的最小液氣比在進(jìn)行吸收操作時(shí)，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(yīng)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(jì)算中，需要處理的氣體流量以及氣相的初濃度和終濃度均由生產(chǎn)任務(wù)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(jì)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(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)得到。由前知，當(dāng)V、Y1、Y2及X2已知的情況下，吸收塔操作線的一個(gè)端點(diǎn)B已經(jīng)固定，而另一個(gè)端點(diǎn)A在Y=Y1的水平線上移動(dòng)，且點(diǎn)A的橫坐標(biāo)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(diǎn)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(yuǎn)離平衡線，從而過(guò)程推動(dòng)力X1*-X1增大，減小設(shè)備尺寸、節(jié)約設(shè)備費(fèi)用（主要是塔的造價(jià)）。但超過(guò)一定限度后，則使吸收劑輸送及回收等項(xiàng)操作費(fèi)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(diǎn)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(guò)程推動(dòng)力X1*-X1減小，要在單位時(shí)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(fèi)用增大。若吸收劑用量減少到恰好使點(diǎn)A移到水平線Y=Y1與平衡線的交點(diǎn)A*時(shí)，則X1* = X1即塔底流出的溶液與剛進(jìn)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(dá)到的最高濃度。但此時(shí)的推動(dòng)力為零，表示取得一定的吸收效果必須要用無(wú)限大的接觸面積，顯然這是一種達(dá)不到的極限狀況，實(shí)際生產(chǎn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，此種狀況下吸收操作線A*B的斜率稱為最小液氣比，以（L/V）min表示，相應(yīng)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(jiàn)，吸收劑用量的大、小的不同，將從設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)兩方面影響到生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效果，因此應(yīng)選擇適宜的液氣比，而使兩種費(fèi)用之和最小。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下認(rèn)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(diǎn)A*，從而讀出X1*之值，然后代入上式即可計(jì)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(yīng)過(guò)點(diǎn)B作平衡曲線的切線，找到水平線Y=Y1與平衡線的交點(diǎn)A*，從而讀出X1*之值，然后代入上式即可計(jì)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(jì)算出X1*的值，然后代入上式即可計(jì)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(rùn)濕，還應(yīng)考慮到單位塔截面上單位時(shí)間內(nèi)流下的液體量不得小于某一最低值。如果按上式計(jì)算出的吸收劑用量不能滿足充分潤(rùn)濕的起碼要求，則應(yīng)采取更大的液氣比。【例3-2】洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。吸收塔內(nèi)溫度為27、壓力為800mmHg。焦?fàn)t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(jìn)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(shí)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(dá)，即解：進(jìn)入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為進(jìn)塔氣體中芳烴的濃度為出塔氣體中芳烴的濃度為進(jìn)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(biāo)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(diǎn)B。過(guò)點(diǎn)B作平衡曲線OG的切線，交水平線Y=0.0204于點(diǎn)A*，讀出點(diǎn)A*的橫坐標(biāo)值為X1*=0.176，則例3-2 附圖L =1.5Lmin=1.5×4.04=6.06kmol/h所以每小時(shí)送入吸收塔頂?shù)南从土繎?yīng)為：6.06×1/(1-0.005)=6.09kmol/h吸收液濃度可依全塔物料衡算式求出任務(wù)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(wù)中操作條件選擇25C°，10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.013×106 Pa）。吸收操作條件是25，1.013×106Pa，查有關(guān)手冊(cè)得，CO2在水中的溶解度為0.76×10-6Nm3/g水，液相中CO2極限濃度（摩爾分率）工作任務(wù)中的濃度范圍亨利定律可以適用已知CO2的分壓，在達(dá)到氣、液平衡時(shí)，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(shí)際用水量若選擇最小用水量的1.5倍，則L=1.5Lmin=1.5×5.87×104=8.81×104kmol/h即完成分離任務(wù)所需最小吸收劑用量為5.87×104 kmol/h，而通常實(shí)際生產(chǎn)用量為8.81×104kmol/h。 練習(xí)與實(shí)踐2