化工分離過程第講吸收和蒸發(fā)過程

1、 化工分離過程 Chemical Separation Processes第三章 多組分多級(jí)分離過程 分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算1第三章 多組分多級(jí)分離過程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算3.1 設(shè)計(jì)變量3.2 多組分精餾過程（普通精餾）3.3 萃取精餾和共沸精餾（特殊精餾）3.4 吸收和蒸出（解吸）過程 3.4.1 吸收和蒸出過程流程 3.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析 3.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 3.4.4 化學(xué)吸收23.4 吸收和蒸出過程 吸收是根據(jù)氣體混合物中各組分在液體溶液中物理溶解度或化學(xué)反應(yīng)活性的不同而將混合物分離的傳質(zhì)單元操作。 如果氣體溶質(zhì)以物理溶解方式溶于液體中稱為物理吸收。 如果氣體溶

2、質(zhì)溶于液相之后能與溶劑（或活性組分）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)稱為化學(xué)吸收。33.4 吸收和蒸出過程 氣體溶于吸收劑時(shí)常常要放出溶解熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)還有反應(yīng)熱，因此在吸收過程中，一般體系的溫度都要升高。 隨著吸收過程的發(fā)生，體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收稱為非等溫吸收或變溫吸收。 對(duì)于溶質(zhì)含量較低的低濃度氣體物理吸收過程，體系的溫度變化不大，可視為等溫過程。43.4.1 吸收和蒸出過程流程 一、操作目的 凈化和精制氣體 分離氣體混合物 制備溶液或中間產(chǎn)品 二、吸收過程特點(diǎn) 吸收目的產(chǎn)物的同時(shí)也吸收了其他組分 多組分吸收53.4.1 吸收和蒸出過程流程 端點(diǎn)條件未吸收氣體吸收劑待吸收氣體吸收液復(fù)雜塔：兩處進(jìn)料、

3、兩處出料 溫度、濃度預(yù)分配難 吸收劑組成與解吸有關(guān)63.4.1 吸收和蒸出過程流程 物系平衡態(tài)汽相：組分沸點(diǎn)差大，有些組分接近于臨界點(diǎn) 非理想氣體液相：吸收劑量大 稀溶液平衡關(guān)系表達(dá)式73.4.1 吸收和蒸出過程流程 流量液相流量從上向下；汽相流量從下向上 不恒定 每板溫度Tn 由于溶解熱大，Tn與溶解吸收量有關(guān)，難預(yù)測(cè)，不能用泡、露點(diǎn)方程計(jì)算Tn，要用熱量衡算方程計(jì)算Tn。 平衡數(shù)據(jù)、溶解熱數(shù)據(jù)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)等研究得 還不充分。 吸收過程的逆過程為蒸出（解吸）。83.4.1 吸收和蒸出過程流程 三、吸收過程的分類 物理吸收已進(jìn)行了大量的研究 化學(xué)吸收 1.可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收過程 難點(diǎn)：汽液平衡

4、，化學(xué)反應(yīng)速率 2.不可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收過程 難點(diǎn)：連串反應(yīng)，不是瞬時(shí)完成的反應(yīng)93.4.1 吸收和蒸出過程流程 四、吸收過程的流程103.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析（注意：分析與精餾塔的差異） 一、設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵組分（固定設(shè)計(jì)變量）吸收塔貧吸收劑原料氣壓力等級(jí)數(shù)（可調(diào)設(shè)計(jì)變量）串級(jí)單元數(shù) 1（固定設(shè)計(jì)變量）蒸出塔富吸收劑汽提蒸汽壓力等級(jí)數(shù)（可調(diào)設(shè)計(jì)變量）串級(jí)單元數(shù) 1Na的指定：核算型指定為N；設(shè)計(jì)型指定為一個(gè)關(guān)鍵組分的分離要求。113.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析精餾過程：雙向傳質(zhì)過程吸收過程：?jiǎn)蜗騻髻|(zhì)過程 不能視為恒摩爾流（圖3-35a） 二、單向傳質(zhì)過程流量分布曲線（從組分的

5、揮發(fā)度看圖3-35c,d）：C1、C2較大，進(jìn)塔幾乎不被吸收，塔頂稍有變化；C4、C5較小，進(jìn)塔立即被吸收，塔上部基本不變；C3適中，上段吸收快，在塔某板出現(xiàn)最大值。123.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析 三、吸收塔內(nèi)組分分布（圖3-35e）不同組分在不同塔段吸收程度不同。2. 難溶組分（LNK），一般只在靠近塔頂幾級(jí)被吸收，其他級(jí)吸收較少； 易溶組分（HNK），一般只在靠近塔釜幾級(jí)就被 吸收。3. 關(guān)鍵組分在全塔范圍內(nèi)均被吸收。133.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析 四、吸收和蒸出過程的熱效應(yīng)（圖3-35b）溶解熱大，溫度變化大，對(duì)吸收率影響大。 a、溫度升高，相平衡常數(shù)變大，吸收的推動(dòng)

6、力變小; b、由于吸收過程要放熱，使汽液溫差變大，除發(fā)生傳質(zhì) 過程外，還有傳熱過程發(fā)生。 復(fù)雜性大2. 若吸收劑揮發(fā)性明顯，在塔釜幾塊板上部分汽化大。使該汽化的吸收劑與進(jìn)料氣中吸收劑的含量趨于平衡。 于是出現(xiàn)一個(gè)反作用： 吸收放出熱量加熱液體吸收劑汽化冷卻液體 塔中部出現(xiàn)溫度極大值143.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析 五、吸收劑的選擇對(duì)目標(biāo)組分有足夠大的吸收能力，選擇性好；解吸時(shí)便于再生；操作溫度下本身的蒸汽壓應(yīng)不大，即不易揮發(fā)；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；對(duì)設(shè)備無腐蝕；傳質(zhì)系數(shù)足夠大；價(jià)廉易得。153.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析物理吸收過程和精餾過程的比較相同點(diǎn)：均屬于傳質(zhì)分離過程。不同點(diǎn)：精餾

7、過程是氣液相雙向傳質(zhì)，利用組分的揮發(fā)度的不同實(shí)現(xiàn)分離，物理吸收過程是氣相分子向液相的單方向分子擴(kuò)散和傳質(zhì)過程，利用組分在吸收劑中溶解度的不同實(shí)現(xiàn)分離。精餾指定兩個(gè)關(guān)鍵組分的分離要求，而吸收只能指定一個(gè)關(guān)鍵組分。163.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析不同點(diǎn)：精餾引入能量媒介，吸收引入物質(zhì)媒介。精餾塔一般是一股進(jìn)料兩股出料，吸收塔有兩股進(jìn)料和兩股出料。由于吸收液從塔頂注入，富氣（原料氣）由塔底加入，吸收過程放出溶解熱，因此吸收塔內(nèi)從塔頂?shù)剿P(guān)鍵組分氣、液相濃度都是上升的，一般情況下，溫度也是逐步上升的。精餾塔內(nèi)可視作恒摩爾流計(jì)算，并可按清晰分割和非清晰分割對(duì)物料進(jìn)行預(yù)分配。物理吸收過程和精餾

8、過程的比較173.4.2 多組分吸收和蒸出過程分析工業(yè)氣體吸收常用的吸收劑溶質(zhì)氣體吸收劑CO2, H2S物理吸收劑水、環(huán)丁砜、冷甲醇、碳酸丙烯酯化學(xué)吸收劑乙醇胺水溶液、催化熱碳酸鉀水溶液、氨水溶液、NaOH(或KOH)水溶液物理化學(xué)吸收劑環(huán)丁砜-二異丙醇胺溶液SO2水、氨水、二甲基苯胺水溶液、 Ca(OH)2水溶液、濃硫酸、亞硫酸鹽水溶液、檸檬酸鈉水溶液HCl, HF, HCN水、 NaOH水溶液C2C5烴類C6烴183.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 設(shè)計(jì)型計(jì)算：指定分離要求已知：入塔原料氣的組成、溫度、壓力和流率； 吸收劑的組成、溫度和壓力； 吸收塔的操作壓力，對(duì)關(guān)鍵組分的分離要求。

9、計(jì)算：吸收塔理論板數(shù)、塔頂加入的吸收劑量、塔頂尾氣 量和組成以及塔底吸收液量和組成。 蒸出塔（解吸塔）的情況相似，只是將進(jìn)出塔的物流相應(yīng)變化即可。193.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 一、吸收因子法 1. 吸收因子和解吸因子吸收過程中定義：a、無因次數(shù)群；b、L/V ，KA，有利于吸收；c、分離要求一定：A ，N；N一定：A，吸收程度。 i組分的吸收因子或吸收因數(shù)（省去i）蒸出過程中定義：i組分的蒸出因子或蒸出因數(shù)A的大小可說明吸收的難易203.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法用A、S表示平衡關(guān)系：2. HortonFranklin方程（哈頓富蘭克林方程）n板物料衡算：（3-74）

10、213.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法用（3-74）表示各組分在各板氣相量：當(dāng)n=1時(shí)：當(dāng)n=2時(shí)：整理得：223.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法依此類推，當(dāng)n=N時(shí)：全塔物料衡算 （消去vN）：（3-79）（3-78）233.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法（3-78）=（3-79）整理得： HortonFranklin方程討論（3-80）： a、計(jì)算吸收率的普遍式； b、式中K=f(T,P,xi)，而組成未知，難以計(jì)算； c、必須采用簡(jiǎn)化形式作簡(jiǎn)捷計(jì)算。 （3-80）243.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法平均吸收因子法253.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法等比級(jí)

11、數(shù)263.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法（3-81）討論（3-81）： a、以式（3-81）作圖AN關(guān)系（圖3-39）273.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法b、解式（3-81）（3-82）c、若吸收劑中不含進(jìn)料組分用于求N283.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法d、（L/V）min的計(jì)算e、A的計(jì)算293.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 設(shè)計(jì)計(jì)算的已知條件：入塔原料氣流率VN+1(m3/h)或(kmol/h)；入塔原料氣組成yN+1(摩爾分?jǐn)?shù)) ；吸收塔的操作溫度T()和壓力P(kPa);吸收劑的種類和組成；對(duì)原料氣中某一組分（關(guān)鍵組分）的分離要求關(guān)。 設(shè)計(jì)計(jì)算的任務(wù)：完

12、成分離任務(wù)所需的理論板數(shù)N；完成分離任務(wù)所需的吸收劑量L0；塔頂尾氣量v1和組成y1;塔釜吸收液量lN和組成xN。303.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法例3-8不揮發(fā)的烴類T=38P=1.013MPa已知：yN+1進(jìn)料：C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5n-C6計(jì)算：313.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法組分C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5n-C6Ki17.43.751.30.560.40.180.1440.056解：查得在1.013MPa和38下各組分的相平衡常數(shù)列于下表：異丁烷為關(guān)鍵組分，設(shè)原料氣流率為100mol/h。最小液氣比的計(jì)算在最小液氣比下操作時(shí)

13、，理論板數(shù)為無窮多：323.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法理論板數(shù)的計(jì)算操作液氣比：操作液氣比下關(guān)鍵組分的吸收因子為：理論板數(shù)為：333.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法尾氣量和組成的計(jì)算以丙烷為例計(jì)算非關(guān)鍵組分的吸收因子：（3-81）式計(jì)算吸收率：通過吸收塔后丙烷被吸收的量：343.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法丙烷的尾氣量：丙烷的尾氣組成的計(jì)算：其它組分的尾氣量和組成詳見P100。353.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法塔頂應(yīng)加入的吸收劑量塔內(nèi)氣體的平均流率為：塔內(nèi)液體的平均流率為：363.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟：選定關(guān)鍵組分及其吸收率；確定

14、最小液氣比和操作液氣比 ；計(jì)算理論板數(shù)N（3-82）；計(jì)算其它組分吸收率；求v1，y1，L0，lN，xN等。373.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法2.平均有效吸收因子法（3-80）Edmister提出： 利用Ae與Ae代替每板吸收因子，且保持 不變。383.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法平均有效吸收因子Ae與Ae定義為：（3-83）（3-84）393.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法（3-85）式（3-80）可改寫為：平均有效吸收因子可用下式計(jì)算：（3-86）（3-87）403.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 埃德密斯特的這一假設(shè)和馬多克思等人的研究結(jié)果基本吻合。馬多克思

15、通過對(duì)一些多組分輕烴吸收過程的逐板計(jì)算，得出吸收過程主要在塔的頂、底兩板完成的結(jié)論。如下表：吸收塔理論板數(shù)頂、底兩板完成的吸收量2100388 4 以上 約 80 因此，通常吸收塔的理論板數(shù)是不需要很多的，因?yàn)榇罅吭黾铀鍞?shù)不能顯著改善吸收效果，相反卻使設(shè)備費(fèi)用大幅度上升。413.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 若吸收劑中不含有被吸收組分，即l0=0，則式（3-85）簡(jiǎn)化為：（3-88） 為了計(jì)算有效吸收因子，就必須知道離開塔頂板和底板的氣液流率（V1,L1,VN,LN）和操作溫度，這就需要預(yù)先估算吸收過程的總吸收量，并且在下面兩個(gè)假定下估計(jì)各板的流量和溫度。（1）各板的吸收率相同，則任

16、意相鄰兩板的氣相流率為：（3-90）423.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 同理，（n+1）板與進(jìn)料氣的氣相流率比值為： 將上式中的Vn+1代入（3-90）式則得：433.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 由塔頂至第n板間作總量和組分的物料衡算，分別得： （2）塔內(nèi)的溫度變化與吸收量成正比（3-91）443.4.3 多組分吸收和蒸出的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 若已知進(jìn)料氣流率、組成及溫度，進(jìn)塔吸收劑的流率、組成及溫度，塔的操作壓力和理論板數(shù)，按平均有效吸收因子法確定塔頂尾氣和出口吸收液的流率與組成的計(jì)算過程為：1. 用平均吸收因子法估計(jì)各組分的尾氣量v1和塔低吸收液量lN；2. 假設(shè)尾氣溫度（T1），通過全塔熱