化工分離第四章教案

1、第四章 氣體吸取主要教學目標：通過本章的學習,使同學把握吸取、解吸過程的基本原理、流程及其簡捷運算；教學方法及教學手段：采納板書和教學課件及多媒體課件相結合,課堂上師生互動,采納啟示式和 提問式的教學方式,并且課堂上學習的表現(xiàn)記入同學的平常成果；教學重點及難點：吸取過程的流程特點；吸取過程設計變量和關鍵組分；吸取因子、平均吸取因 子、吸取率的含義；多組分吸取的簡捷運算法；第一節(jié) 多組分吸取和解吸過程分析 吸取是化工生產中分別氣體混合物的重要方法之一,在化工生產中,無論是原料的精制或產品 的分別,經常需要從氣體混合物中分出一種或如干種組分,因而吸取的應用特別廣泛；吸取在化工 原理中曾接觸這個概念

2、,現(xiàn)在不是舊曲重彈,而是給予新的內容,在原先的基礎上更進一步的研 究,由原先的單組分吸取,擴展到現(xiàn)在的多組分吸取；1、吸取和解吸 吸取是利用液體處理氣體混合物,依據氣體混合物中各組分在液體中溶解度的不同,而達到 分別目的傳質過程；吸取是一個分別過程,且分別的是氣體混合物,分別的介質是某一種液體溶劑稱之為吸取劑,被吸取的氣體混合物稱為溶質；當吸取過程用于中間產物分別時,離開吸取塔的吸取液需進行解吸操作,其作用是將溶質從吸 收液中驅逐出來,并使吸取劑獲得再生,所以解吸是吸取的逆過程；2、工業(yè)生產中的吸取過程 凈化或精制氣體 為除去原料氣中所含的雜質,吸取是最常用的方法；如用乙醇胺液脫出石油裂解氣或

3、自然氣中 的硫化氫,乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷生產中原料氣的脫硫、脫鹵化物,合成甲烷工業(yè)中的脫硫、脫CO2 ,二氯乙烷生產過程中用水去除氯化氫等；分別氣體混合物用以得到目的產物或回收其中一些組分,如石油裂解氣的油吸取,將 C2以上的組分與甲烷、氫分開；用 N甲基吡咯烷酮作溶劑,將自然氣部分氧化所得裂解氣中的乙炔分別出來；焦爐氣的 油吸取以回收苯以及乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷生產中用吸取法分別反應氣體中的環(huán)氧乙烷等；將最終氣態(tài)產品制成溶液或中間產品 將氣體中需用的組分以指定的溶劑吸取出來,成為液態(tài)的產品或半成品,如用水吸取氯化氫氣 體制成鹽酸；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、為中間產物等；廢氣治理很多工業(yè)廢氣中含SO 、NO （主要是 NO 及NO ）,汞蒸汽等有害成分,雖然濃度一般很低,但對人體和環(huán)境的危害甚大,而必需進行治理,這類環(huán)境愛護問題在我國已愈來愈受重視；選擇適當的工藝和溶劑進行吸取,是廢氣處理中應用較廣的方法；3、吸取過程的分類 由于處理的氣體混合物的性質不同,所采納的設備不同,吸取可分為很多類,依據爭論問題的 方法和著眼點不同,吸取過程可以有很多分類方法：按組分的相對溶解度的大小 單組分吸取 氣體吸取過程中只有一個組分在吸取劑中具有顯著的溶解度,其它組分的溶解度均小到可以忽 略不計,如制氫工業(yè)中,將空氣進行深冷分別前,用堿液脫出其中的二氧化碳以凈化

5、空氣,這時僅 CO 在堿液中具有顯著的溶解度,而空氣中的氮、氧、氬等氣體的溶解度均可忽視；多組分吸取 氣體混合物中具有顯著溶解度的組分不止一個,如用油吸取法分別石油裂解氣,除氬以外,其 它組分都程度不同的從氣相溶到吸取劑中；吸取過程有無化學反應 物理吸取所溶組分與吸取劑不起化學反應,如 化學吸取所溶組分與吸取劑起化學反應,如 吸取過程溫度變化是否顯著 等溫吸取VCM 生產中的水洗塔；VCM 生產中的堿洗塔；氣體吸取相當于由氣態(tài)變液態(tài),所以會產生近于冷凝熱的溶解熱,在吸取過程中,有溶解熱 + 反應熱,其量往往較大,故溫度總有上升,所以沒有肯定的等溫,只有當溶劑用量相對大,溫升不 明顯；非等溫吸取

6、 吸取過程溫度變化明顯；按吸取量的多少 貧氣吸取 吸取量不大,對吸取塔內的吸取劑和氣體量影響不大；富氣吸取 吸取量大的情形；按汽液兩相接觸方式和采納的設備形式 噴淋吸取 填料塔或空塔：氣、液兩相都連續(xù)；淋降板塔：氣相連續(xù),液相分散；鼓泡吸取 鼓泡塔或泡罩塔：使氣相分別在液相中,即液相保持為連續(xù)相,氣相分別為小氣泡通過液層；降膜吸取 降膜式吸取器,使氣、液兩相均連續(xù),用于吸取熱效應大的情形,吸取劑順著管壁形成一層液 膜,由于重力作用而往下流淌,原料氣以肯定的流率逆流向上,兩相在管壁中進行傳質過程,產生 的吸取熱通過管壁傳給冷凝劑,不斷被冷凝劑帶走；每一具體的吸取過程以采納哪一種分類方法為宜,完全

7、視何種分類方法能較精確的反映出該具 體過程的特點來衡量,如采納油吸取法分別石油氣,在進行吸取運算時,應突出說明它是多組分吸 收,在運算進行過程中,應考慮到它是一個非等溫吸取,在比較采納何種設備時,應考慮到使用鼓 泡吸取仍是噴淋吸取或其它等；4、吸取過程的特點 原理不同；吸取是依據各組分溶解度不同進行分別的；精餾利用組分間相對揮發(fā)度不同使組分分別；塔式不同；精餾有簡潔塔和復雜塔；最簡潔的吸取為精餾中的復雜精餾,即兩股進料,兩股 出 料 ；被分別的氣體混合物均是從吸取塔的下部進入,在塔內自下 而 上 的 運動過程中與從塔頂噴淋下來的液體吸取劑中去,溶解度較低的氣體（亦稱為惰性氣體）不被吸取 而從吸

8、取塔頂部排出,吸取劑從塔頂噴入后,在與氣體混合物的接觸過程中不斷吸取易溶解的組 分,最終吸取劑與被吸取的易溶組分一起從吸取塔底排出；傳質形式不同；吸取是單向傳質,精餾是雙向傳質；在精餾操作中,汽液兩相接觸,汽相中的較重組分向液相中傳質（冷凝）,液相中的較輕組分,所以傳質過程是在兩相中交替進行；當輕、重組分的分子汽化潛熱相近 向汽相中傳質（汽化）時,塔內可以近似看作恒摩爾流,而不至于引起太大的誤差；而對于吸取系統(tǒng),一般吸取劑是不易 揮發(fā)的液體,氣相中的某些組分不斷溶解到不易揮發(fā)的吸取劑中,屬于單向傳質；在吸取過程中,氣相的量是不斷削減,而液相的量在不斷的增加,除非是貧氣吸取,氣液相流量在塔內不能

9、視為常 數,不能用恒摩爾流的假設,從而就增加了吸取運算的復雜性；溫度范疇、變化不同；在精餾過程中沸點范疇相對窄,而多組分吸取中,各溶質組分的沸點范疇很寬,有的在操作條,所以多組分吸取不能視為抱負系統(tǒng)來處理；件下已接近或超過其臨界狀態(tài)（不能冷凝）在精餾過程中,由于氣化潛熱與冷凝潛熱相互利用,在整個塔內的溫度變化范疇不是很大,而 且從塔頂向下,溫度逐步上升；每塊板上由于組成轉變而引起的溫度變化,可用泡露點方程定出；而吸取過程由于氣相中易溶組分溶解到溶劑中,會放出溶解熱,這一熱效應會使液相和氣相的溫度 都上升,而溫度上升又將影響到溶解的量,而溶解量又與溶質的溶解量有關系,因而氣相中各組分 沿塔高的溶

10、解量分布不均衡,這就導致了溶解熱的大小以至吸取溫度變化是不勻稱的,所以不能用 精餾中常用的泡露點方程來確定吸取塔中溫度沿塔高的分布,通常要采納熱量衡算來確定溫度的分 布；物料的預分布不同；精餾可按清楚分割和不清楚分割進行物料的預分布；由于吸取每端既有進料,又有出料；所以吸取塔的端點條件,即吸取液和尾氣的組成溫度,比 常規(guī)的多組分精餾更難安排；精餾有兩個關鍵組分,吸取只有一個關鍵組分；在精餾中,有輕、重兩個關鍵組分,這兩個關鍵組分由分別要求來確定；這主要是精餾是在兩 相傳質；而對吸取而言,由于各個組分在同一塔內進行吸取,全部組分面臨的客觀條件都一樣,T,p、塔板數、塔高、LV,但是它們各自的溶解

11、度不同,所以吸取量不同,吸取量的多少由各自的平穩(wěn)常數打算,而且相互之間存在肯定的關系,所以不能對全部的組分規(guī)定分別要求,而只能 指定某一個組分的分別要求,依據對此組分的分別要求運算出所需的理論板數,然后再依據此理論 板數運算出其它組分的分別程度；這個第一被指定的組分通常是選取在吸取操作中起關鍵作用的組 分,也就是必需掌握其分別要求的組分,稱之為關鍵組分；吸取只有一個關鍵組分,是由于吸取是 單向傳質的緣故；組分分布不同 精餾過程,關鍵組分的濃度分布有極大值,非關鍵組分在進料板上下形成幾乎恒濃的區(qū)域；吸 收過程,不同組分和不同塔段的吸取程度是不同的,輕組分（即難溶組分）一般只在靠近塔頂的幾 級被吸

12、取,而在其余級上變化很小；重組分（易溶組分）主要在塔底鄰近的如干級上被吸取,而關 鍵組分才在全塔范疇內被吸??；其次節(jié) 吸取和解吸過程流程 吸取劑與被吸取的易溶組分一起從吸取塔底排出后一般要把吸取劑與易溶組分分別開,即解吸 過程,解吸過程一般可采納的方法有：加熱升溫；減壓閃蒸；精餾解吸；分別后易溶組分單獨作為 一種氣體產品送出,而吸取劑就再送回吸取塔內循環(huán)使用；一、單純吸取工藝流程；二、吸取解吸法 該法用于氣體混合物通過吸取方法將其分別為惰性氣體和易溶氣體兩部分的情形；解吸的常用 方法是使溶液升溫,以減小氣體溶質的溶解度,所以在解吸塔底部沒有加熱器,可用直接蒸汽和再 沸器的形式,通過加熱器供應熱

13、量使易溶組分蒸出并從解吸塔頂排出,解吸塔底的吸取劑經冷卻再 送往吸取塔循環(huán)使用；解吸塔也可采納精餾塔,可起到提高蒸出溶質的純度和回收吸取劑的作用；三、吸取蒸出塔當吸取尾氣中某些組分在吸取劑中有肯定的溶解度,為保 證 關鍵組分的純度采納吸取蒸出塔,即將吸取塔與精餾塔的提餾 段 組合在一起,原料氣從塔中部進入,進料口上面為吸取段,下部為蒸出段,當吸取液（含有關鍵組 分和其它組分的溶質）與塔釜再沸器蒸發(fā)上來的溫度較高的蒸汽相接觸,使其它組分從吸取液中蒸 出,塔釜的吸取液部分從再沸器中加熱蒸發(fā)以供應蒸出段必需的熱量,大部分就進入蒸出塔內部使 易溶組分與吸取劑分別開,吸取劑經冷卻后再送入吸取塔循環(huán)使用；

14、一般只適用關鍵組分為重組分的場合；第三節(jié) 多組分吸取和解吸過程簡捷運算 一、吸取過程工藝運算的基本概念 1、吸取、解吸作用發(fā)生的條件 依據相平穩(wěn)的概念,可判定氣液接觸時吸取和解吸的條件；吸?。喝苜|由氣相溶于液相pip* i,yiy*i解吸：溶質由液相轉入氣相pip* i,yiy*i2、吸取過程的限度進料氣體混合物中易溶組分i 的組成為yF, ,出塔吸取液中i 組分含量為xN, ,明顯：yN,1iKixN, ；i 組分的含量為y , 1 ,明顯：從塔頂加入的吸取劑中i 組分含量為x ,i,離開塔頂氣相中y ,1 Kix0 ；i 組分的含量,它與y ,1 由親密由此規(guī)定了設計吸取塔的限度,x ,0

15、 是解吸過程分別后吸取劑中的關系,在設計時要將吸取和解吸一起考慮；一般依據規(guī)定的分別要求先確定吸取塔的氣體組成,依據已知選定的出塔氣體組成再考慮氣液相平穩(wěn)數據來確定吸取劑在解吸后易溶組分的含量；3、吸取過程的理論板 吸取過程吸取液沿塔逐板下流時,易溶組分的含量不斷上升,氣體混合物在沿塔高上升過程中 易溶組分的含量不斷降低；在吸取過程中為了運算便利起見,像精餾過程一樣引入了理論板的概 念；n 板的吸取液達到相平 在每一塊理論板上,氣液兩相充分接觸,離開 n 板的氣體混合物與離開衡,即 y i K i x i；溶解量的多少由每個組分的平穩(wěn)常數來打算,未被吸取的氣體（干氣或惰性氣體）由塔頂排出,摩爾

16、流率為 V ,而吸取了溶質的吸取劑即吸取液以 L N 的流率從塔釜排出,每板 上的氣相流率,液相流率都在變化；4、運算內容已知：VN1,yN1,TN1,x 0,T0,p和關鍵組分的分別要求；求：V 1,y 1,LN,xN,L0,N；具體運算為T n,L n, V n；吸取塔板數的運算也是先求出完成預定分別要求所需的理論板數,然后再由板效率確定實際的 吸取塔板數；二、吸取因子（吸取因素）吸取因子是綜合考慮了塔內氣液兩相流率和平穩(wěn)關系的一個無因次數群；i 組分的吸取因子A iLiVK1、不同組分平穩(wěn)常數不同,就吸取因子A 不同,吸取因子對某個組分而言；2、A 值的大小可以說明在某一具體的吸取塔中過

17、程進行的難易程度,LV值大,相平穩(wěn)常數K 小都有利于組分從氣相轉入液相,利于吸取,即A 值大,達到同樣的分別要求所需的理論板數就少,反之,所需的理論板數就多,假如板數固定,就A 值大的吸取得好,A值小的就差；3、吸取因子不僅是組分本身的特性,而與操作條件有關；T ik iA ,p K iA K iE, E ：亨利系數,T , E ,溶解度4、對解吸過程,相應有一個解吸因子,以 數即為解吸因子；S1KVLA三、吸取因子法的基本方程S表示,由于解吸是吸取的逆過程,所以吸取因子的倒對于多組分混合物的吸引,雖然采納了挑選性較好的吸取劑,但就吸取目的組分的同時,總是程度不同地吸取了一些其它的組分；因此針

18、對每個組分可通過A 值,再借助于相平穩(wěn),物料衡算式,熱量平穩(wěn)的逐板關聯(lián)來確定吸取它的端點條件和流率分布,從而對吸取塔進行具體的運算；1、相平穩(wěn)關系方程依據理論板的概念,任一組分別開塔板n 的氣液兩相組成達到平穩(wěn)；y n , i K n , i x n , i, 或 y n K n x n假如用 v, 表示任一組分的氣相和液相流率,而 v, l 分別為離開同一板的氣相和液相流率；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時,應當時刻想到 A 值是因組分而異的,每一組分有各自的 A 值,切勿馬虎大意,造成差錯；同理：v S lS 也因組

19、分而異,每一組分都有各自的 S 值；2、物料平穩(wěn)方程對i組分作全塔物料平穩(wěn)：V N1yN1l0L0 x 0lV 1y 1LNxNv 1用小寫字母表示i 組分的量：v N1NvN1l0v 1vNA N；v NvN1l0v 1A Nnn對n板i組分作物料衡算：v nlnv n1ln11A n1v n1A 1l0vnA nvnv n1A n1v n1；v nv nA n1v 表示第 n 板上升氣相中i 組分的摩爾量；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,稱為哈頓富蘭格林方程爭論：式的左端,vN11v 1i組分被吸取掉的量吸取率iHorton Franklin方程關vNi組分加入量式的右端,包括了各塔板數

21、的相平穩(wěn)常數,液氣比和塔板數,也就是說聯(lián)了吸取率、吸取因子和理論板數；ifAn,i,N在推導上式時,沒作任何簡化,但要求出通過吸取塔后任一組分被吸取量較困難,由于每塊板上L L的A值視該板的 V 比值以及相平穩(wěn)常數 K 而定,然而 V 比值和K又因吸取量的大小而異,可是求吸取量又要用到 A ,這幾個因素相互聯(lián)系,又相互牽制,明顯必需用試差法求解,步驟：1）設：各板的溫度（T 1 , T 2 ,T N）相平穩(wěn)各板上各組分 K i各板上的氣相流率（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；熱量衡算各板溫度T T n

22、T3）校核：v , in假如不符,就要重新設值再進行運算,明顯這樣的運算是特別繁復的,特殊是第一次假設,數 值很難確定,然而對試差法來說這初值假設數字是特別重要的,假設合理；試差次數可削減,因此 在作精確運算之前,需近似估量一下,這時速度是重要的,而精度就在其次,在這種思想指導下,顯現(xiàn)了一些簡捷運算法,各種方法的主要區(qū)分在于對吸取因子的簡化不同；四、平均吸取因子法（KremserBrown 克雷姆塞爾布朗）1、基本思想；該法假設各板的吸取因子是相同的,即采納全塔平均的吸取因子來代替各板的吸取因子,有的 采納塔頂和塔底條件下液氣比的平均值,也有的采納塔頂吸取劑流率和進料氣流率來求液氣比,并 依據

23、塔的平均溫度作為運算相平穩(wěn)常數的溫度來運算吸取因子；由于該法只有在塔內液氣比變化不 大,也就是溶解量甚小,而氣液相流率可以視為定值的情形下才不至于帶來大的誤差,所以該法用 于貧氣吸取運算有相當的精確性；2、吸取因子方程；假設全塔各段的A 值均相等的前提下,Horton Franklin 方程變?yōu)椋?A1vN1v 1ANAN1Al0ANANvN1ANAN1A1Av N1ANAN1A由等比數列前n 項和的公式：a0,a0q,a0q2, ,a0qn1；通項：ana0qn1S na 01qn1qAN1AvN11v 111AN111l0111AN111AANNvAvNN1A1A1A1AAN1Al01AN

24、1AEMBED Equation.3 1l0AN1AvNAN1AvN1AN1111l0Av 0,代入上式整理為iv N1v 1AN1A克雷姆塞爾方程v N1v0AN11爭論：v 式與吸取劑或平穩(wěn)的氣相中i 組分的量,當出口氣體中i 組分與入口吸取劑成平穩(wěn)時,就i組分達到最大吸取量（由相平穩(wěn)關系運算）；方程的左端 i 組分被吸取掉的量相對吸取量 ii 組分最大可能被吸取掉 的量i 或 i 均表示吸取強度；當吸取劑本身不揮發(fā),且不含溶質時,就 0l 0,即 v 0 0；v N 1 v 1i iv N 1 且 0i 1 依據克雷姆塞爾方程,可知 i f A , N；在該方程中只要知道了其中任意兩個量

25、就可以求的第三個量；NlgAA11lg對解吸塔,可利用類似的方法推導出：lN1l1SN1SC0相對蒸出率lN1l0SN11為了使用便利,克雷穆塞爾等將上列方程繪制成曲線,稱為吸取因子圖或克雷姆塞爾圖；利用這一圖線,當規(guī)定了組分的吸取率以及吸取溫度和液氣比等操作條件時,可以查得所需的理論板數,或者規(guī)定了吸取率和理論板數,可求得吸取因子和液氣比；P161.圖 5-9,圖的橫坐標：吸取因子 A或解吸因子 S ,縱坐標為相對吸取率和蒸出率,以板數作為參變量,不同的曲線代表不同的板數；1）當N 時,由圖可知：0A1 時,A （對角線上 N）；A1 時,1由克雷姆塞爾方程也可以求得：lim Nilim N

26、AN1AAA0A 1 AN111N limiN limAN1A羅必塔法就1A 1 AN11在精餾時,我們知道當N時,所對應的回流比為最小回流比R ,在吸取中也同樣；當N時,LV為最小液氣比LVmin,而吸取因子與LV有關,就當N時得吸取因子Amin；L中LV ,就吸取成效越好,但iA超過 2 時,i 增2）當N 肯定時,就A ,即AVK加緩慢,再考慮經濟因素（如吸取劑的回收）；一般 LV 1 . 1 2 LV min；L3）當A 肯定時,即 V 肯定時,就 N ,即隨著板數的增加,吸取率增加,但增加的越來越慢,特殊是 N 超過 10 塊以后,也就是說在實際生產中,僅靠提高 N 來提高 是不科學

27、的,仍要考慮其它因素；3、運算步驟：已知：V N1,yN1,P, T,x 0,關；求：N,V 1,y,1i,L0,LN,xN,i確定關鍵組分的吸取率；在多組分精餾塔設計運算時,依據分別要求確定輕重關鍵組分,其它組分在塔頂、塔釜的安排是依據輕重關鍵組分在塔頂、塔釜的安排以及各組分的相對揮發(fā)度而打算的；在多組分吸取過程中,設計吸取塔時,只能確定一個對分別起關鍵作用的組分,由關鍵組分的分別要求,求吸取分率關 ,而其它組分的吸取分率就隨之被確定；N ；由關 求 N ：1）由關 確定LVmin；N,A 關minLmin1關；LVmin關K關VK關K關由全塔的平均溫度、壓力確定；2）實際LV1 .22LVmin；A 關LVK關3）由A 關,關查圖或用公式運算N ；由克雷姆塞爾圖橫軸上的A 關引一垂線和引自縱軸上的關 值水平相交,交點即為所求的或NlglgAA11其它組分吸取率的確定各組分在同一塔內吸取,非關鍵組分具有相同的理論板數和液氣比；A iA 關L1K關；或A iA 關K關LiVKiL1KiKiVK關VKA , iKi為其它任意組分的吸取因子及相平穩(wěn)常數,在圖上由某一組分的iA引垂線與板數N 相交,