分离工程课件第四章 吸收与解吸(6)(能源化工方向)

1、 溶质与溶剂的相互作用 溶质 吸收温度(4-1)(4-6)(4-2)(4-5)(4-5)(4-4)LmV2,(4-8)(4-9)(4-11)(4-10)吸收流程可分为两类：吸收流程可分为两类：（I）吸收质不需解吸，吸收剂不需）吸收质不需解吸，吸收剂不需再生和循环；再生和循环；（II）吸收质需要解吸，吸收剂需要）吸收质需要解吸，吸收剂需要再生和循环。再生和循环。（1 1）吸收和解吸流程）吸收和解吸流程12.N尾气尾气V1吸收剂吸收剂L0原料气原料气VN+1吸收液吸收液LN带吸收剂再循环的吸收流程带吸收剂再循环的吸收流程适用于：适用于：（1 1）热效应显著的吸收过程，部）热效应显著的吸收过程，部分

2、吸收液再循环可降低吸收塔内温分吸收液再循环可降低吸收塔内温度，当平衡关系变化的幅度比操作度，当平衡关系变化的幅度比操作关系变化幅度大时，吸收液的循环关系变化幅度大时，吸收液的循环不但不减少反而可能提高传质平均不但不减少反而可能提高传质平均推动力，有利于吸收操作。推动力，有利于吸收操作。（2 2）对于按物料衡算估算所需吸）对于按物料衡算估算所需吸收剂用量过少，不能满足最小液体收剂用量过少，不能满足最小液体喷淋密度要求的情况，部分吸收液喷淋密度要求的情况，部分吸收液再循环尽管会使传质推动力有所降再循环尽管会使传质推动力有所降低，但可由传质系数的显著增大而低，但可由传质系数的显著增大而得以补偿。得以

3、补偿。（3 3）对于制取液态产品的吸收操）对于制取液态产品的吸收操作，为获得较高含量的液态产品，作，为获得较高含量的液态产品，采用吸收液部分再循环操作。采用吸收液部分再循环操作。 当原料气处理量较大，溶质组分含量较低或溶解当原料气处理量较大，溶质组分含量较低或溶解度较低或要求完全吸收时，常采用多塔吸收流程。度较低或要求完全吸收时，常采用多塔吸收流程。吹扫气吹扫气（水蒸汽或惰性气体）吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔原料气原料气补充吸收剂补充吸收剂用再沸器的吸收用再沸器的吸收-解吸塔解吸塔用一般精馏塔的吸收用一般精馏塔的吸收-解吸流程解吸流程4.3.2 多组分吸收和解吸过程分析多组分吸收和解吸过程分析一、

4、设计变量数和关键组分一、设计变量数和关键组分 吸收塔吸收塔Nx：吸收剂吸收剂 C + 2原料气原料气 C+2压力等级数压力等级数 N 和和 C+C +4+N Na：串级单元数串级单元数 1 解吸塔解吸塔 Nx：解吸剂解吸剂 C + 2吸收液吸收液 C+2压力等级数压力等级数 N 和和 C+C +4+N Na：串级单元数串级单元数 1Na的指定：的指定： 操作型计算：操作型计算：指定指定 N（理论板数）（理论板数） 设计型计算：设计型计算：指定指定 一个关键组分分离要求一个关键组分分离要求 流量流量 L从上向下从上向下；V从下向上从下向上 流量不恒定流量不恒定 每板温度每板温度Tn 由于溶解热大

5、，由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方法计算不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算求，要用热量衡算求Tn。 平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究的不充分。平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究的不充分。 逆过程为蒸出。逆过程为蒸出。二、吸收过程特点二、吸收过程特点操作压力操作压力Operating Pressure操作温度操作温度Operating Temperature液气比（吸收剂用量）液气比（吸收剂用量）Absorbent Flow Rate塔板数塔板数Number of Stages吸收过程操作参数分析：吸收过程操作参数分析：1）操

6、作压力）操作压力 Operating Pressure 操作压力提高，气相溶质分压增大，传质推动力提操作压力提高，气相溶质分压增大，传质推动力提高，吸收速率和吸收率增大。高，吸收速率和吸收率增大。 压力提高，各组分的压力提高，各组分的K值减小。当值减小。当L/V一定时，吸收一定时，吸收因子因子A增大。当增大。当NT一定时，一定时，A增大，各组分的吸收增大，各组分的吸收率增大；当关键组分的吸收率已被规定时，率增大；当关键组分的吸收率已被规定时，A增大，增大，所需所需NT减少。减少。提高操作压力还可以减小塔径及相关提高操作压力还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等设备、配管的尺寸等。 但压力过高会

7、使塔设备的投资及压缩气体的操作费但压力过高会使塔设备的投资及压缩气体的操作费用增加；同时提高操作压力使惰气组分或不希望回用增加；同时提高操作压力使惰气组分或不希望回收的组分吸收量也增加，后续分离变得复杂。收的组分吸收量也增加，后续分离变得复杂。 应考虑吸收塔前后工艺的操作压力恰当选择，一应考虑吸收塔前后工艺的操作压力恰当选择，一般不宜采用过高的操作压力。般不宜采用过高的操作压力。 2）操作温度）操作温度 Operating Temperature 操作温度降低，各组分的操作温度降低，各组分的H或或K减小，吸收减小，吸收的传质推动力增大，吸收速率增大。的传质推动力增大，吸收速率增大。 降低温度和

8、提高压力具有相同的影响。降低温度和提高压力具有相同的影响。 虽然吸收适于在低温下操作，但应避免采虽然吸收适于在低温下操作，但应避免采用冷冻操作以减少动力消耗。用冷冻操作以减少动力消耗。 3）液气比）液气比 Absorbent Flow Rate 液气比（液气比（L/VL/V）与吸收剂用量直接相关，表示处理）与吸收剂用量直接相关，表示处理单位原料气所需要的吸收剂量。单位原料气所需要的吸收剂量。 液气比大则吸收剂用量多。液气比大则吸收剂用量多。 液气比对吸收操作的影响与回流比对精馏操作的影液气比对吸收操作的影响与回流比对精馏操作的影响相似。增大液气比将使各组分吸收因子增加，因响相似。增大液气比将使

9、各组分吸收因子增加，因此增大液气比和增加操作压力或降低操作温度有相此增大液气比和增加操作压力或降低操作温度有相同的效果。但随着液气比的增大，相应要增大吸收同的效果。但随着液气比的增大，相应要增大吸收剂的循环量和回收吸收剂的费用剂的循环量和回收吸收剂的费用。 一般取液气比为最小液气比的一般取液气比为最小液气比的1.22.0倍。倍。 4）塔板数）塔板数 Number of Stages 理论板数增加，各组分吸收率增加。理论板数增加，各组分吸收率增加。 但在不同板数范围，吸收率增加的幅度不同。但在不同板数范围，吸收率增加的幅度不同。 当板数较少时，增加一块板对提高吸收率的影当板数较少时，增加一块板对

10、提高吸收率的影响比较明显，而当理论板为十多块时，再增加响比较明显，而当理论板为十多块时，再增加板数，吸收率的增加幅度很小。板数，吸收率的增加幅度很小。溶解热溶解热 取决于取决于 与与 的相对大小的相对大小1. 如果在塔顶如果在塔顶 明显大于明显大于 上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由 带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温度分布出现极大值。度分布出现极大值。2. 明显大于明显大于 下降液体热量传给上升气体，吸收放出热量大部分下降液体热量传给上升气体，吸收放出热量大部分由由 带走，吸收液在

11、下降中被气体冷却，接近于原料带走，吸收液在下降中被气体冷却，接近于原料气入口温度条件下出塔。气入口温度条件下出塔。 与与 相近，热效应明显相近，热效应明显 出塔气体与吸收液温度超过入口，热量分配取决于出塔气体与吸收液温度超过入口，热量分配取决于不同位置因吸收而放热情况。不同位置因吸收而放热情况。 MLMGVpMCG,LpMCL,VpMCG,LpMCL,VpMCG,LpMCL,VpMCG,LpMCL,难溶组分一般只在靠近塔顶的几级被吸收；易溶组分主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收热效应的处理方式：热效应的处理方式：（1 1）热效应忽略不计）热效应忽略不计 当溶质浓度低

12、、液气比大、溶解量小时，可视当溶质浓度低、液气比大、溶解量小时，可视为等温吸收，以吸收剂进塔温度作为全塔温度。为等温吸收，以吸收剂进塔温度作为全塔温度。（2 2）仅考虑吸收热）仅考虑吸收热 当液气比较大时，可视为简单绝热吸收，全部当液气比较大时，可视为简单绝热吸收，全部吸收热用于增加提高溶液的显热，提高溶液的温度。吸收热用于增加提高溶液的显热，提高溶液的温度。（3 3）热效应不可忽略）热效应不可忽略 吸收量大、液气比不是很大时，四项热效应均吸收量大、液气比不是很大时，四项热效应均应考虑。特别注意塔内出现的热点。应考虑。特别注意塔内出现的热点。热效应较大时可采取的措施：热效应较大时可采取的措施：

13、（1 1）冷却）冷却 设置冷却器，降低操作温度，改善吸收平衡关系。设置冷却器，降低操作温度，改善吸收平衡关系。（2 2）提高液气比）提高液气比 提高液气比，改善操作关系，弥补由于温升而对提高液气比，改善操作关系，弥补由于温升而对吸收平衡造成的不利影响。吸收平衡造成的不利影响。（3 3）降低原料气进塔温度）降低原料气进塔温度 减缓塔底部温度的升高。减缓塔底部温度的升高。 只能规定一个组分的吸收率只能规定一个组分的吸收率 不能按恒摩尔流处理不能按恒摩尔流处理 温度分布复杂温度分布复杂 至少有两股进料至少有两股进料多组分吸收的特点：pTxTyVNNN,00111NLxLyVNN,011nnnVLT,

14、计算内容和关键组分的分离要求。详细计算为吸收塔板数的计算也是先求出完成预定分离要求所需的理论板数，然后再由板效率确定实际的吸收塔板数。已知：求： 简捷计算主要应用场合：简捷计算主要应用场合： （1）设计的初始阶段，为严格计算提供初值；）设计的初始阶段，为严格计算提供初值； （2）对操作进行粗略分析。）对操作进行粗略分析。尾气尾气V1L0吸收剂吸收剂1.n-1nn+1.Nl n-1l nv n+1v n原料气原料气VN+1LN吸收液吸收液气相流股中组分气相流股中组分i的流率的流率液相流股中组分液相流股中组分i的流率的流率vl)154( vAkVLvlLlkVvkxy11 nnnnlvlv1111

15、nnnnnAvAvv110021 AvAvv11021 AlvvAvlKVLALlKVvKxy 吸吸收收因因子子：即即：相相平平衡衡：11110210021AlvAvAvvn111221021321132AAlvAvAvAvvn1) 1(22101312AAAlAvAv11) 1(13322101312432243AAAAlAvAAvAvAvvn1) 1(33232102142213AAAAAAlAAvAAAv1) 1(2101211112121NNNNNNNNNAAAAAlAAAvAAAAAAvNn1112132102121111NNNNNNNNNNNNNNNAAAAAAAAAAvlAAAA

16、AAAAAAvvv吸收因子法的基本方程吸收因子法的基本方程 -Horton-Franklin 方程方程关联了关联了吸收率、吸收因子和理论板数吸收率、吸收因子和理论板数Horton-Franklin 方程讨论方程讨论1112132102121111NNNNNNNNNNNNNNNAAAAAAAAAAvlAAAAAAAAAAvvvHorton-Franklin 方程讨论方程讨论)1AAA)(A(11N1N1N0vl）（1112110121111AAAAAAAAvlAAAAAAAvvvNNNNNNNNNNNAAAAAiiii，均假设：321）（即：2641110111NNNNAAAvvvv11vvN

17、01vvN 0111vvvvNN111111111 AAAAAAAANNN 时时：当当表达了相对吸收率、表达了相对吸收率、平均吸收因子和理平均吸收因子和理论板数之间的关系。论板数之间的关系。 1lg1lg AAN 1110111NNNNAAAvvvv11101110000 NNNNiivvvvvvvvl 有有的的计计算算min VLiikkkkKAKAVLVKLAA 的的计计算算min minminVL2) 2 . 1 (VLVL NVLKKAVLkkkmkK关关一般取全塔平均温度和一般取全塔平均温度和压力下的数值。压力下的数值。1lg1lgAAN【例例】已知原料气组成：已知原料气组成： 组分

18、组分 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 i-C5H12 n-C5H12 n-C6H14 摩尔摩尔分数分数 0.7650.0450.0350.0250.0450.0150.0250.045用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔中进行吸收，平均用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔中进行吸收，平均 吸收温度吸收温度38，操作压力为，操作压力为1.013MPa，要求，要求i-C4H10的回收的回收率达到率达到90。求：（求：（1）（）（L/V）min （2）L/V=1.1（L/V）min时的平衡级数时的平衡级数N （3）各组分的）各组分的 ，尾气量及组成，尾气量及组成 （4）吸收剂

19、用量）吸收剂用量L解：（解：（1） （L/V）min N90.关关关关A 504090560./min关关关关 KVL（2）N 5544011././min VLVL990.关关关关VKLA48919909019099011.lg).lg(lg)lg( AAN由由P-T-KP-T-K图查的图查的3838，1.013MPa1.013MPa平衡常数平衡常数（3 3）各组分吸收率、尾气量及组成）各组分吸收率、尾气量及组成KVLA/ 111NNAAALVV 2进进料料气气尾尾气气尾气的量和尾气组成尾气的量和尾气组成（4）吸收剂用量）吸收剂用量 可求各组分的可求各组分的A A小结：小结：简捷计算的关键简

20、捷计算的关键 1110111NNNNAAAvvvvKVLminKVLA Horton-Franklin 方程方程111NNvvv）（）（304111111121NeeNeeeNeNeeNeNeAAAAAAAAAA1132214332 NNNNNNAAAAAAAAAAAAAA）（294111111NeeNeeNeNeeNeNeAAAAAAAAA132213221 NNNNNNAAAAAAAAAAAAAA）（111322143321032213221111 NNNNNNNNNNNNNNNAAAAAAAAAAAAAAvlAAAAAAAAAAAAAAvvv）（）（）（）（13411 111 1110111011111NeNeNeNeNeNNeNeNNAeAAvAlAeAAeAvlAeAAvvv1)1(1 NNeAAAA5 . 025. 0) 1(1 AAANe）（）（）（）（26411 111 1110111011111 NeNeNeNeNeNNeNeNNAeAAvAlAeAAeAvlAeAAvvv1 11111 NeNeNNAeAAvvv二、解吸因子法NN-1n+1 nn-121蒸出气蒸出气V N吸收液吸收液LN+1蒸出剂蒸出剂V1吸收剂吸收剂L