第4章 气体吸收化学分离工程

1、1分离工程分离工程（Separation Engineering） 4 4 气体吸收气体吸收 (Chapter4 Gas imbibition) )2 本章学习要求本章学习要求4.44.4化学吸收化学吸收4.14.1有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识4.24.2吸收和解析过程吸收和解析过程4.34.3多组分吸收和解析简捷计算多组分吸收和解析简捷计算掌握掌握重点掌握重点掌握掌握掌握自学自学31 1、基本概念、基本概念 吸收：吸收：气体混合物中的一种或多种组分，由气相转移气体混合物中的一种或多种组分，由气相转移 到液相的过程。到液相的过程。吸收原理：吸收原理：混合物中各组分在溶剂中溶解度的不同。

2、混合物中各组分在溶剂中溶解度的不同。溶剂（吸收剂）：溶剂（吸收剂）：被加入被加入的某一液体分离介质。的某一液体分离介质。溶质：溶质：被吸收的组分。被吸收的组分。解吸：解吸：溶质从液相转移到气相的过程。溶质从液相转移到气相的过程。 吸收和解吸互为逆过程！吸收和解吸互为逆过程！4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识42 2、工业生产中的吸收过程的应用、工业生产中的吸收过程的应用( (举例说明举例说明) )净化或精制气体原料净化或精制气体原料 例：乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中，原料气脱例：乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中，原料气脱 硫、脱卤化物过程。硫、脱卤化物过程。分离气体混合物分离气体

3、混合物 例：石油裂解气的油吸收，将例：石油裂解气的油吸收，将C C2 2以上的组分与以上的组分与CHCH4 4 和和H H2 2的分离的分离制备溶液或中间产品制备溶液或中间产品 例：水吸收例：水吸收HClHCl制盐酸制盐酸废气治理废气治理 例：工业上含硫、氮化合物的去除。例：工业上含硫、氮化合物的去除。4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识53 3、吸收过程的分类、吸收过程的分类按组分相对溶解度大小按组分相对溶解度大小单组分吸收：单组分吸收：气体混合物中只有一个组分在气体混合物中只有一个组分在吸收剂中具有显著的溶解度，其它组分的溶解度均吸收剂中具有显著的溶解度，其它组分的溶解度均

4、小到可以忽略不计。小到可以忽略不计。例：制例：制H H2 2工业中，空气深冷之前，用碱脱除工业中，空气深冷之前，用碱脱除COCO2 2以净以净 化空气的过程，此时仅有化空气的过程，此时仅有COCO2 2在碱中有显著溶解在碱中有显著溶解 度，而度，而N N2 2、ArAr、O O2 2溶解度较小，可忽略。溶解度较小，可忽略。多组分吸收：多组分吸收：气体混合物中具有显著溶解度气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个。的组分不止一个。4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识6按吸收过程温度变化是否显著按吸收过程温度变化是否显著 等温吸收：等温吸收：气体吸收相当于由气态变液态，所气体吸收相

5、当于由气态变液态，所 以会产生近似于冷凝热的溶解热。以会产生近似于冷凝热的溶解热。 在化学吸收过程中，热量溶解热在化学吸收过程中，热量溶解热+ +反应热；反应热； 绝对的等温吸收是不存在的。绝对的等温吸收是不存在的。 若吸收剂用量相对较大，温升不明显时可近似视若吸收剂用量相对较大，温升不明显时可近似视为等温吸收。为等温吸收。 非等温吸收：非等温吸收：吸收过程温度变化明显。吸收过程温度变化明显。4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识7按吸收过程有无化学反应按吸收过程有无化学反应 物理吸收：物理吸收：所溶组分与吸收剂不起化学反应。所溶组分与吸收剂不起化学反应。 推推 动动 力：力：气

6、相中溶质实际分压与溶液中溶质的气相中溶质实际分压与溶液中溶质的 平衡蒸气压之差。平衡蒸气压之差。 化学吸收：化学吸收：所溶组分与吸收剂起化学反应。若反所溶组分与吸收剂起化学反应。若反 应可逆，可采用加热或减压的方法回收溶剂。应可逆，可采用加热或减压的方法回收溶剂。 由于溶质与溶剂发生化学反应转为其他物质，所由于溶质与溶剂发生化学反应转为其他物质，所以溶质的平衡蒸汽压大大下降或接近于零，导致传质以溶质的平衡蒸汽压大大下降或接近于零，导致传质推动力的提高，从而提高吸收速率，工业上应用较广。推动力的提高，从而提高吸收速率，工业上应用较广。4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识8按气液两

7、相接触方式和采用的设备形式按气液两相接触方式和采用的设备形式喷淋吸收喷淋吸收 填料塔或空塔：气、液两相都连续。填料塔或空塔：气、液两相都连续。 鼓泡吸收鼓泡吸收 鼓泡塔或泡罩塔：液相保持为连续相，气相分散为鼓泡塔或泡罩塔：液相保持为连续相，气相分散为小气泡通过液层。小气泡通过液层。4.1 4.1 有关吸收的基本知识有关吸收的基本知识按溶质被吸收量的多少按溶质被吸收量的多少贫气吸收：贫气吸收：吸收量不大吸收量不大( (恒摩尔流、恒温操作恒摩尔流、恒温操作) ) 富气吸收：富气吸收：吸收量大吸收量大 9化学反应化学反应吸收温度吸收温度相对溶解度相对溶解度吸收量吸收量汽液接触方式汽液接触方式吸收过吸

8、收过程分类程分类单组分吸收单组分吸收多组分吸收多组分吸收物理吸收物理吸收化学吸收化学吸收喷淋吸收喷淋吸收鼓泡吸收鼓泡吸收等温吸收等温吸收非等温吸收非等温吸收贫气吸收贫气吸收富气吸收富气吸收恒摩尔流恒摩尔流恒温操作恒温操作吸收过程分类吸收过程分类104.2.1 4.2.1 吸收和解析过程流程吸收和解析过程流程一、单纯吸收工艺流程一、单纯吸收工艺流程单塔流程单塔流程双塔流程双塔流程11二、伴有吸收剂回收的工艺流程二、伴有吸收剂回收的工艺流程4.2.1 4.2.1 吸收和解析过程流程吸收和解析过程流程12二、伴有吸收剂回收的工艺流程二、伴有吸收剂回收的工艺流程4.2.1 4.2.1 吸收和解析过程流

9、程吸收和解析过程流程13一、设计变量的分析和关键组分一、设计变量的分析和关键组分4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析设计变量数设计变量数Ni=c+c+N+514二、吸收过程的计算类型二、吸收过程的计算类型 4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析1 1、设计型计算、设计型计算 已知已知：进料气和吸收剂状态；进料气和吸收剂状态； 吸收塔操作压力；吸收塔操作压力； 关键组分的吸收率（分离要求）。关键组分的吸收率（分离要求）。 求：求： 塔顶尾气组成和流量；塔顶尾气组成和流量； 塔底液组成和流量；塔底液组成和流量； 塔的理论级数塔的理论级数N N理理 。

10、152 2、操作型计算、操作型计算 已知：进料气、吸收剂状态；已知：进料气、吸收剂状态； 吸收塔操作压力；吸收塔操作压力； N N理、理、关键组分的分离要求。关键组分的分离要求。 求：求： 吸收剂用量；吸收剂用量； 塔顶尾气组成和流量；塔顶尾气组成和流量； 塔底液组成和流量。塔底液组成和流量。 4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析16三、单向传质过程三、单向传质过程吸收吸收塔中气相塔中气相和液相的总流率沿和液相的总流率沿塔塔向下都在增大向下都在增大，是单向传质过程。是单向传质过程。 解析解析塔中气相塔中气相和液相的总流率沿和液相的总流率沿塔塔向上都在增大向上都在增大，是

11、单向传质过程。是单向传质过程。以重贫油吸收以重贫油吸收C1-C5C1-C5正构烷烃混合正构烷烃混合气体的计算结果为例。气体的计算结果为例。顶顶底底4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析吸收和解析过程不能视为恒摩尔流！吸收和解析过程不能视为恒摩尔流！17四、吸收塔内组分的分布四、吸收塔内组分的分布以重贫油吸收以重贫油吸收C1-C5C1-C5正构烷烃混合气体的计算结果为例正构烷烃混合气体的计算结果为例顶顶底底顶顶底底4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析18顶顶底底溶解度大的丁烷和戊溶解度大的丁烷和戊烷，气相组成沿塔向烷，气相组成沿塔向上降低；而溶解度小

12、上降低；而溶解度小的甲烷和乙烷气相组的甲烷和乙烷气相组成沿塔向上增大。成沿塔向上增大。4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析以重贫油吸收以重贫油吸收C1-C5C1-C5正构烷烃混合气体的计算结果为例正构烷烃混合气体的计算结果为例19不同组分在塔内不同段不同组分在塔内不同段内吸收程度是不同的：内吸收程度是不同的：4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析顶顶底底多组分吸收过程的一般特点：多组分吸收过程的一般特点：1、难溶组分一般只在靠、难溶组分一般只在靠近塔顶的几级被吸收，近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。而在其余级上变化很小。2、易溶组分主要在塔

13、底、易溶组分主要在塔底附近的若干级上被吸收附近的若干级上被吸收3、关键组分在全塔范围、关键组分在全塔范围内被吸收。内被吸收。20五、吸收和解析过程的热效应五、吸收和解析过程的热效应在吸收过程中，在吸收过程中，溶质从气相转入液相，释放出相溶质从气相转入液相，释放出相变热，增加液体显热，导致液体沿塔向下温度升高。变热，增加液体显热，导致液体沿塔向下温度升高。顶顶底底在解析过程中，在解析过程中，溶质从液相转入溶质从液相转入气相，相变吸收气相，相变吸收热量，导致向下热量，导致向下流动的液相有被流动的液相有被冷却的趋势。冷却的趋势。4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析图图4-5和

14、图和图4-621原理不同原理不同 吸收是根据各组分在溶剂中的吸收是根据各组分在溶剂中的溶解度不同溶解度不同使组使组分分离。分分离。 精馏利用组分间精馏利用组分间相对挥发度不同相对挥发度不同使组分分离。使组分分离。塔式不同塔式不同 精馏有简单塔和复杂塔。精馏有简单塔和复杂塔。 最简单的吸收塔为精馏中的复杂塔。最简单的吸收塔为精馏中的复杂塔。4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析吸收过程的特点（与精馏比较）吸收过程的特点（与精馏比较）22传质形式不同传质形式不同精馏是精馏是双向传质双向传质过程，而吸收是过程，而吸收是单向传质单向传质过程。过程。 在精馏操作中，汽液两相接触，汽

15、相中的较重组在精馏操作中，汽液两相接触，汽相中的较重组分向液相中传质（冷凝），液相中的较轻组分向分向液相中传质（冷凝），液相中的较轻组分向汽相中传质（汽化），所以汽相中传质（汽化），所以传质过程是在两相中传质过程是在两相中交替进行。交替进行。当轻、重组分的分子汽化潜热相近时，当轻、重组分的分子汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流，简化计算。塔内可以近似看作恒摩尔流，简化计算。 在吸收操作中，气相和液相的总流率沿塔向下都在吸收操作中，气相和液相的总流率沿塔向下都在增大；在解析操作中，气相和液相的总流率沿在增大；在解析操作中，气相和液相的总流率沿塔向上都在增大，塔向上都在增大，是是单向传质过程

16、单向传质过程。所以在所以在塔内塔内气液相流率不能视为恒摩尔流，增加了计算的复气液相流率不能视为恒摩尔流，增加了计算的复杂性。杂性。4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析23温度范围、变化不同温度范围、变化不同 在精馏过程中，由于汽化潜热与冷凝潜热相互在精馏过程中，由于汽化潜热与冷凝潜热相互利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，而且从塔顶至塔釜，温度逐渐升高。而且从塔顶至塔釜，温度逐渐升高。每块板上由于组成改变而引起的温度变化每块板上由于组成改变而引起的温度变化，可用可用泡露点方程泡露点方程计算。计算。 吸收要采用吸收要采用热量衡算

17、热量衡算来确定温度的分布。来确定温度的分布。精馏有精馏有两个关键组分，两个关键组分，吸收有吸收有一个关键组分。一个关键组分。 4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析24物料的预分布不同物料的预分布不同 精馏可按清晰分割和非清晰分割进行物料的预分布精馏可按清晰分割和非清晰分割进行物料的预分布 吸收两端既有进料，又有出料。吸收两端既有进料，又有出料。需在确定满足关键需在确定满足关键组分分离要求所需的理论板数的同时，做出物料预组分分离要求所需的理论板数的同时，做出物料预分布。分布。4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析25组分分布不同组分分布不同 精馏过程

18、，精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值关键组分的浓度分布有极大值，非关非关键组分键组分在进料板上下形成几乎在进料板上下形成几乎恒浓的区域恒浓的区域。 吸收过程，吸收过程，轻组分（即难溶组分）轻组分（即难溶组分）一般只在靠近一般只在靠近塔顶的几级被吸收塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。，而在其余级上变化很小。重重组分（易溶组分）组分（易溶组分）主要主要在塔底附近的若干级上被在塔底附近的若干级上被吸收吸收。关键组分在全塔范围内被吸收关键组分在全塔范围内被吸收。 4.2.2 4.2.2 吸收和解析过程分析吸收和解析过程分析261 1、吸收过程工艺计算的基本概念、吸收过程工艺计算的基本概念吸收、

19、解吸过程发生的条件吸收、解吸过程发生的条件*iipp *iiyy *iipp *iiyy 吸收过程：溶质由气相溶于液相吸收过程：溶质由气相溶于液相解吸过程：溶质由液相转入气相解吸过程：溶质由液相转入气相4.3 4.3 多组分吸收和解析的简捷计算多组分吸收和解析的简捷计算推动力：推动力： 气相中溶质气相中溶质实际分压实际分压与溶液中溶质的与溶液中溶质的平衡蒸气压平衡蒸气压之差。之差。27吸收过程的理论板吸收过程的理论板在第在第n n板上，气液两相充分接触，板上，气液两相充分接触，离开第离开第n n板的气板的气体混合物与离开第体混合物与离开第n n板的吸收液达到相平衡板的吸收液达到相平衡，即：，即

20、： 则此板称为则此板称为理论板理论板。每块板上气体溶解量由每个组分的平衡常数来每块板上气体溶解量由每个组分的平衡常数来决定；每块板上的气相流率，液相流率都在变化。所决定；每块板上的气相流率，液相流率都在变化。所以在以在塔内气液相流率均不能视为恒摩尔流。塔内气液相流率均不能视为恒摩尔流。iiixKy 4.3 4.3 多组分吸收和解析的简捷计算多组分吸收和解析的简捷计算28吸收因子或吸收因数吸收因子或吸收因数 在吸收过程中，任一组分的在吸收过程中，任一组分的相平衡关系相平衡关系可表示：可表示：即：即：Avv)KV/L(lLlKVv 令：令：VKLA A A被称为被称为吸收因子或吸收因数吸收因子或吸

21、收因数xKy 4.3 4.3 多组分吸收和解析的简捷计算多组分吸收和解析的简捷计算对对A A讨论讨论29(1)A(1)A是综合了塔内气液两相流率和平衡关系的一个数群是综合了塔内气液两相流率和平衡关系的一个数群 其大小其大小因组分而异因组分而异 （K K与组分有关）；与组分有关）；(2)A(2)A值的大小可以说明在某一具体的吸收塔中值的大小可以说明在某一具体的吸收塔中过程进过程进行的难易程度行的难易程度；L/VL/V值越大，值越大，K K越小，越小，A A值越大，越有利值越大，越有利于组分的吸收于组分的吸收；(3)(3)吸收因子与吸收因子与操作条件操作条件的关系的关系 AKT AKp(4)(4)

22、解吸过程解吸过程 对吸收因子对吸收因子VKLA 的讨论：的讨论：所以，所以，低温、高压有利于吸收。低温、高压有利于吸收。LKVA1S 解吸因子解吸因子高温、低压有利于解析。高温、低压有利于解析。4.3 4.3 多组分吸收和解析的简捷计算多组分吸收和解析的简捷计算30对对n n板板i i组分作物料衡算：组分作物料衡算： 11nnnnlvlv111nnnnnnvAvvAv1AvAvvn1n1n1nn 11110210021AlvAvAvvn4.3.14.3.1简捷计算简捷计算吸收因子法吸收因子法(4-17)(4-18、19)？311A1AlvAv1AvAvv2n21021321132 1AAAlA

23、v)1A(v22101312 1A1AAAlAv)1A(Av1AvAvv3n322101312432243 1) 1(33232102142213AAAAAAlAAvAAAv(4-20)4.3.14.3.1简捷计算简捷计算吸收因子法吸收因子法？32时时当当Nn 1AAAAAlAAAv) 1AAAAAA(vNN2N101N211N1N1N21N21N (4-21)N101Nlvlv 对对i i组分作全塔物料平衡：组分作全塔物料平衡： NN101NAvvlv N101NNAvlvv (4-22)1N0NN1N11NvlvAvvv224 ）得得：由由（(4-22a)4.3.14.3.1简捷计算简捷计

24、算吸收因子法吸收因子法将将4-214-21代入代入已知已知33 1AAAAA1AAAAAvl1AAAAAAAAAAvvvNN2N1NN3N21N0NN2N1NN2N11N11N吸收因子法的基本方程：吸收因子法的基本方程： 哈顿哈顿富兰格林富兰格林( (HortonFranklin) )方程。方程。 (4-23) 对吸收因子作简化处理，求解对吸收因子作简化处理，求解吸收率、吸收因子吸收率、吸收因子和理论板数间关系：和理论板数间关系： （1 1）平均吸收因子法（）平均吸收因子法（2 2）平均有效吸收因子法）平均有效吸收因子法HortonFranklin方程关联了方程关联了吸收率吸收率( ) ( )

25、 、吸收、吸收因子因子(A)(A)和理论板数和理论板数(N)(N)。 4.3.14.3.1简捷计算简捷计算吸收因子法吸收因子法其中：其中： 吸收率吸收率组分加入量组分加入量组分被吸收掉的量组分被吸收掉的量iivvvNN11134一、平均吸收因子法一、平均吸收因子法基本思想基本思想 假设各板的吸收因子相同，即采假设各板的吸收因子相同，即采用全塔平均吸用全塔平均吸收因子收因子代替代替各板吸收因子各板吸收因子。适用条件适用条件 贫气吸收（恒摩尔流、恒温操作）贫气吸收（恒摩尔流、恒温操作）吸收因子方程吸收因子方程4.3.14.3.1简捷计算简捷计算吸收因子法吸收因子法35 1AAAAAAAvl)1AA

26、AAAA(vvv1NN1NN1N01NN1NN1N11N1AAAAvl1AAA1N1N1N01N1N 1N11Nvvv 1AAAAvl11N1N1N0 1AAAAvAv11N1N1N0吸收因子方程吸收因子方程4.3.14.3.1简捷计算简捷计算吸收因子法吸收因子法 1AAAvvv1N1N1N01N361110111NNNNAAAvvvv(4-24)讨论：讨论：a. 相对吸收率相对吸收率的量的量组分最大可能被吸收掉组分最大可能被吸收掉组分被吸收掉的量组分被吸收掉的量方程左端方程左端iib.b.当吸收剂本身不挥发，且不含溶质时，当吸收剂本身不挥发，且不含溶质时，则则 0l0 0v0 即即 1N11Nvvv此时：此时：4.3.14.