设备管理_吸收过程及设备的选择与操作

学习情景三 吸收过程及设备的选择与操作学习目标1、了解吸收操作在化工生产中的重要应用，熟悉工程上常见的气体吸收与解吸方案，能根据生产任务选择正确的吸收与解吸方案；2、掌握吸收与解吸的基本原理，能根据生产任务确定合理吸收操作参数。 3、熟悉吸收与解吸过程中常用设备的结构、性能，会根据任务进行相关设备的选型和简单设计。4、掌握吸收与解吸装置的操作与控制要点，能熟练操作吸收与解吸装置。引 言前已介绍，非均相混合物系一般用沉降、过滤等方法来分离；那么均相混合物又该如何分离呢？由于均相混合物系有气态均相混合物和液态均相混合物之分，从本学习情境三开始介绍均相气态混合物的分离方法。均相气体混合物分离方法目前有吸收法和吸附法二种。吸附法是将多孔性固体物料与气态或液态混合物进行接触，有选择地使流体中的一种或几种组分附着于固体的内外表面，从而使混合物中各组分得以分离方法。用于气相分离时主要目的是分离和纯化气体混合物，如常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从各种气体中分离回收H2、CO、CO2、CH4、C2H4等，但这种方法处理气体的能力有限。对于大量气体混合物的分离则普遍使用吸收法。吸收是分离气体混合物的最常用的单元操作。它利用混合气体中各组分在所选择的液体中溶解程度的差异，有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液，其它未溶解的组分仍保留在气相中，以达到从混合气体中分离出某组分的目的。吸收在化工生产中应用甚为广泛，主要有以下几个方面：（1）分离混合气体以获得一个或几个组分。如：从裂化气或天然气的高温裂解气中分离乙炔，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。（2）除去有害组分以净化气体。如：合成氨工业中用水或碱液脱除原料气中的二氧化碳，用铜氨液除去原料气中的一氧化碳等。（3）制取成品。如：用水吸收氯化氢以制取盐酸，用水吸收甲醛以制取福尔马林等。（4）废气处理、尾气回收。如：磷肥生产中，放出的含氟废气具有强烈的腐蚀性，可采用水及其它盐类经吸收制成有用的氟硅酸钠、冰晶石等，硝酸尾气中含氮的氧化物可以用碱吸收制成硝酸钠等有用物质。吸收是一个单向传质过程，即仅有气相中的易溶组分由气相向液相转移。在吸收操作过程中，能够溶解于液体中的气体组分称为吸收质（或溶质）；而不能溶解的气体组分称为惰性组分（或载体）；所用的液体称为吸收剂（或溶剂）；吸收操作所得到的液体称为溶液（或吸收液），其主要成分为吸收剂和溶质；被吸收后的气体称为吸收尾气，其主要成分应为惰性气体，还有残余的吸收质。下面我们基于合成氨生产工艺中原料气脱除CO2分离任务的完成来学习有关吸收操作的知识。工作任务氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为硝酸等其它化工产品的原料。合成氨的原料是氮氢混合气。原料气中的氢气主要由天然气、石脑油、重质油、煤、焦炭、焦炉气等原料制取。由任何含碳原料制得的原料气，经变换后都含有相当数量的二氧化碳，在合成之前必须清除干净。同时二氧化碳是生产尿素、碳酸氢铵和纯碱的重要原料，还制成干冰用于食品等其它行业。因此二氧化碳可以回收利用。某合成氨厂变换气经过初脱碳后，原料气中CO2含量为？9%（体积），其余主要成分为N2、H2和少量CO，已知该厂年产量为24万吨合成氨（折算原料气量为Nm3/h）。现工艺要求必须将原料气中CO2浓度降到1%以下，分离出的二氧化碳气体可根据需要送往尿素工段作为原料或送往附近某特气厂生产干冰。请为该企业拟定一个从原料气中分离出二氧化碳的方案。 某合成氨厂原料气脱二氧化碳方案的制定和实施这是一个典型的气体混合物的分离任务，要完成此任务，首先我们必须了解工程上常用的脱除合成氨原料气中二氧化碳的方法有哪些？ 如前所述工程上脱除气体混合物中二氧化碳的方法也是吸附法和吸收法二种。吸附法虽然二氧化碳脱除率高，但该方法处理能力较小，有效气体消耗较大并且能耗较高，是精细分离和纯化气体的操作方法。且这种方法操作压力低，所以不适宜用于处理量大且杂质组分浓度高的混合气体的分离。本任务中原料气的处理量大且CO2的含量也高，因此，应选择目前合成氨厂普遍使用的吸收法来脱除原料气中二氧化碳。吸收法脱除CO2就是选取一种溶剂作为吸收剂，利用原料气中CO2与其它组分在选取的溶剂中溶解度的差异（CO2在其中的溶解度大，而N2、H2在其中几乎不溶），将CO2选择吸收，以达到脱除CO2的目的。由于吸收法脱除CO2的工艺方案有多种，要完成总的生产任务，实现脱除目标必须按序完成以下几个任务：1、选择合理的吸收工艺方案2、在已有吸收方案中进一步选择合适的吸收剂并确定其用量？ 3、确定性能好经济合理的吸收设备4、学会吸收装置的操作与运行模块一吸收方案的选择要选择适当的吸收方案，首先要了解吸收的分类方法及工业常见的吸收二氧化碳方案。工业生产中利用溶液吸收法脱除二氧化碳的方案有很多，主要分为二大类：一类是循环吸收法，既溶液吸收二氧化碳后在再生塔中解吸出纯态的二氧化碳以提供生产尿素的原料等，再生后的溶液循环使用。另一类是将吸收二氧化碳与生产产品联合起来同时进行，称为联合吸收法，例如碳铵、联碱和尿素的生产过程。本学习情境只介绍循环吸收法，有关联合吸收法的知识可查阅化学肥料和纯碱生产工艺学。一、循环吸收法的分类循环吸收法可分为物理吸收法和化学吸收法等。1、物理吸收法在吸收过程中，如果吸收质与吸收剂之间不发生显著的化学反应，可认为仅是气体溶解于液体的物理过程，则称为物理吸收。物理吸收操作的极限主要决定于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度。利用二氧化碳能溶于水或者有机溶剂的性质完成，例如水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯脂法等。2、化学吸收法在吸收过程中，吸收质与吸收剂之间发生显著的化学反应，则称为化学吸收。化学吸收操作的极限主要决定于当时条件下反应的平衡常数。利用二氧化碳具有酸性特征而与碱性物质反应将其吸收，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-热钾减法（热的碳酸钾水溶液）： CO2 + H2O +K2CO3 KHCO33、物理化学吸收法吸收过程既具有物理吸收过程也具有化学吸收过程。例如环丁砜法和多胺法。不管物理吸收还是化学吸收如果在吸收过程中，混合气体中只有一个组分进入吸收剂，其余组分皆可认为不溶解于吸收剂，这样的吸收过程称为单组分吸收。如果混合气体中有两个或更多个组分进入液相，则称为多组分吸收，如用热钾碱法中碳酸钾溶液吸收CO2的同时也会对混合气体中的H2S进行吸收，这就是典型的多组分吸收。吸收质溶解于吸收剂时，有时会释放出相当大的溶解热或反应热，结果使液相温度逐渐升高。如果放热量很小或被吸收的组分在气相中浓度很低，而吸收剂的用量相对很大时，温度变化并不明显，则称为等温吸收。若放热量较大，所形成的溶液浓度又高，温度变化很剧烈，这样的吸收过程称为非等温吸收。通常物理吸收放出热量是由溶解热引起的，化学吸收热量主要是由反应热引起的，化学吸收热效应要比物理吸收大。二、吸收解吸收方案的认识在循环吸收法中，为了得到较纯净的吸收质或回收吸收剂循环使用，常常需要将吸收质从吸收剂中分离出来。使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸或脱吸。解吸是吸收的相反过程，通常是使溶液与惰性气体或水蒸汽在解吸装置中接触，气体溶质则逐渐从溶液中释放出来。在实际生产中往往采用吸收与解吸的联合流程，吸收后即进行解吸，在操作中两者相互影响和制约。应该注意的是对于化学吸收，如果吸收过程中发生了不可逆的化学反应，解吸就不能发生。案例一 洗油回收煤气中苯图3-1是一个回收煤气中苯的吸收-解吸联合装置流程示意图。在焦炉煤气的生产过程中，由于煤气中含有少量的苯和甲苯类低碳氢化合物的蒸汽，应予以回收。所用吸收剂是煤焦油的精制品（煤焦油中230300的馏分），称为洗油。图3-1 用洗油回收煤气中苯的吸收与解吸流程含苯煤气在常温下由吸收塔底部进入塔内，温度为2730洗油从塔顶淋下，气液两相逆流流动，并在塔内填充物（木栅等物）上接触，进行传质，使苯等转溶到洗油中，含苯量降到规定要求（煤气中苯族烃含量Y*或X*X，从图3-9或3-10上可看出，实际物系点位于平衡曲线上方，此时溶质由气相向液相传递，这就是吸收。随着吸收过程的进行，气相中被吸收组分的含量不断降低，溶液浓度不断上升，直到Y=Y*或X*=X，此时实际物系点与平衡曲线重合，吸收达到了极限。若YY*或X*0吸收Y-Y*0解吸Y-Y*=0平衡判断吸收操作的难易程度在一定压强和温度下，对于一定浓度的溶液，被溶解气体在气相中平衡分压的大小，反映了气体溶解度的大小即气体被吸收的难易程度。平衡分压越小，则溶解度越大气体越容易被吸收。气体吸收的难易程度还可从亨利系数E或相平衡常数m的值的大小来判断。E或m越大，气体的溶解度越小，吸收就越困难。根据气液平衡关系选择操作条件对于同一物系，气体的溶解度随温度和压力而改变。温度升高，气体的溶解度减小。因此，吸收操作在较低温度下进行较为有利，对于热效应较大的物系，可以在吸收过程中采取冷却措施，为此通常要设置中间冷却器以降低吸收温度。但要注意的是操作时如果温度太低，除了消耗大量冷冻物外，还会增大吸收剂的粘度，甚至会有固体结晶析出，影响吸收操作顺利进行。因此应综合考虑不同因素，选择一个最适宜的温度。提高操作压力可以提高混合气中被吸收组分的分压，增大吸收的推动力，有利于吸收。但在压力增高的同时，动力消耗就会随之增大，对设备的强度要求也随之提高，使设备投资的经常性生产费用加大。因此一般能在常压下进行的吸收操作不必在高压下进行。除非在常压下溶解度太小，才采用加压吸收。若吸收后气体需进行高压反应，则可采用高压下吸收操作，既有利于吸收，又增大吸收塔的生产能力。根据二氧化碳-水的平衡关系，引言工作任务中操作条件选择常温（25C），10个标准大气压（1.013106 Pa）。 任务解决3 操作温度和操作压力的选择三、吸收剂用量的确定吸收剂用量是通过对吸收过程进行物料衡算和操作分析得到的。为完成工作任务，吸收剂水的用量最小为多少？化工实际生产中通常用量为多少？1、吸收塔的物料衡算与操作线方程（1）物料衡算图3-11 逆流吸收塔操作示意如图3-11所示为一处于稳定操作状态下，气、液两相逆流接触的吸收塔，混合气体自下而上流动；吸收剂则自上而下流动。在吸收过程中，混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，在气相中的浓度逐渐减小，气体总量沿塔高而变；液体因其中不断溶入可溶组分，液相中可溶组分的浓度是逐渐增大的，液体总量也沿塔高而变。但V和L的量却没有变化，假设无物料损失，对单位时间内进、出吸收塔的吸收质进行衡算则得：V Y1 + L X2 = V Y2 + L X1 （3-10）式中：V 单位时间内通过吸收塔惰性气体量 kmol/ sL 单位时间内通过吸收塔的吸收剂 kmol/ sY1、Y2 分别为进塔及出塔气体中吸收质的比摩尔分率 kmol吸收质/ kmol惰性组分X1、X2 分别为出塔及进塔液中吸收质的比摩尔分率 kmol吸收质/ kmol吸收剂式3-10可改写为： V（Y1-Y2）= L（X1-X2）= GA （3-11）式中：GA 吸收塔的吸收负荷（单位时间内的传质量）kmol/s则可得： （3-12） L/V称为“液气比”，即在吸收操作中吸收剂与惰性气体摩尔流量的比值，亦称吸收剂的单位耗用量。在吸收操作中，气相中吸收质被吸收的质量与气相中原有的吸收质质量之比，称为吸收率。用符号表示。 = = = （3-13） 式（3-11）可改写成：Y2 = Y1（1- ） （3-14）在吸收塔的计算中，已知V、L、X1、X2、Y1及Y2中的任何5项，即可求出其余的一项。如：已知V、L、X2、Y1及Y2即可依式（3-10）求得塔底排出的溶液浓度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达到了规定的指标；已知Y1及可依式（3-14）计算吸收塔的尾气浓度Y2。（2）吸收塔的操作线方程与操作线参照图3-11，取任一截面M-M，在M-M与塔底端之间做吸收质的物料衡算。设截面M-M上气、液两相浓度分别为Y、X，则得： V Y1 + L X = V Y + L X1 （3-15）将上式可改写成： Y = X +（Y1-X1）=（X - X1 ）+ Y1 （3-15a） 式（3-15a）即为逆流吸收塔的操作线方程，它反映了吸收操作过程中吸收塔内任一截面上气相浓度Y与液相浓度X之间的关系。在稳定操作中，式中X1、Y1、L/V都是定值，所以该操作线方程为一直线方程，其斜率为L/V。图3-12 逆流吸收塔的操作线由式（3-15）可得： 同理可得： 而由前知： 因此： 这说明逆流吸收操作的操作线方程过吸收塔的塔顶、塔底截面所对应的状态点A（X1、Y1）、B（X2、Y2），因此只要找出A、B两点即可绘制出逆流吸收操作的操作线。依此方法绘出逆流吸收操作的操作线，如图3-12所示。此操作线上任一点C代表着塔内相应截面上的气、液相浓度Y、X之间的对应关系。端点A代表塔底的气、液相浓度Y、X的对应关系；端点B则代表着塔顶的气、液相浓度Y、X的对应关系。图3-13 吸收塔的最小液气比在进行吸收操作时，在塔内任一截面上，吸收质在气相中的分压总是要高于与其接触的液相平衡分压的，所以吸收操作线的位置总是位于平衡线的上方。与之相应的是在解吸操作中，吸收质在气相中的分压小于与其接触的液相平衡分压，因此解吸操作线总是位于平衡线的下方。2、吸收剂的用量在吸收塔的计算中，需要处理的气体流量以及气相的初浓度和终浓度均由生产任务所规定。吸收剂的入塔浓度则常由工艺条件决定或由设计者选定，因此吸收剂的用量仍需选择。吸收剂的用量通常是根据分离要求和相平衡关系先确定最小吸收剂用量再乘以一个经验系数得到。由前知，当V、Y1、Y2及X2已知的情况下，吸收塔操作线的一个端点B已经固定，而另一个端点A在Y=Y1的水平线上移动，且点A的横坐标X1将取决于操作线的斜率L/V。如图3-13所示。若增大吸收剂用量，则操作线的斜率L/V将增大，点A将沿Y=Y1的水平线左移，塔底出口溶液的浓度X1减小，操作线远离平衡线，从而过程推动力X1*-X1增大，减小设备尺寸、节约设备费用（主要是塔的造价）。但超过一定限度后，则使吸收剂输送及回收等项操作费用急剧增加。反之，若减少吸收剂用量，则操作线的斜率L/V将减小，点A将沿Y=Y1的水平线右移，塔底出口溶液的浓度X1增大，操作线靠近平衡线，从而过程推动力X1*-X1减小，要在单位时间内吸收同量的溶质，设备也就要大一些，以致设备费用增大。若吸收剂用量减少到恰好使点A移到水平线Y=Y1与平衡线的交点A*时，则X1* = X1即塔底流出的溶液与刚进塔的混合气体这两相中吸收质浓度是平衡的，这也是理论上在操作条件下溶液所能达到的最高浓度。但此时的推动力为零，表示取得一定的吸收效果必须要用无限大的接触面积，显然这是一种达不到的极限状况，实际生产是不可能实现的，此种状况下吸收操作线A*B的斜率称为最小液气比，以（L/V）min表示，相应的吸收剂用量称为最小吸收剂用量，以Lmin表示。由以上分析可见，吸收剂用量的大、小的不同，将从设备费与操作费两方面影响到生产过程的经济效果，因此应选择适宜的液气比，而使两种费用之和最小。根据生产实践经验，一般情况下认为取吸收剂用量为最小吸收剂用量的1.1-2.0倍是比较适宜的，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） 如果平衡线符合图3-13中（a）所示的的一般情况，则需找到水平线Y=Y1与平衡线的交点A*，从而读出X1*之值，然后代入上式即可计算出最小液气比（L/V）min或最小吸收剂用量Lmin。如果平衡线呈现如图3-13中（b）所示的形状，则应过点B作平衡曲线的切线，找到水平线Y=Y1与平衡线的交点A*，从而读出X1*之值，然后代入上式即可计算出最小液气比（L/V）min或最小吸收剂用量Lmin。如果平衡线为直线，则可用Y= mX*计算出X1*的值，然后代入上式即可计算出最小液气比（L/V）min或最小吸收剂用量Lmin。必须指出，为了保证填料表面被液体充分润湿，还应考虑到单位塔截面上单位时间内流下的液体量不得小于某一最低值。如果按上式计算出的吸收剂用量不能满足充分润湿的起码要求，则应采取更大的液气比。【例3-2】洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸