1、第三章 多组分吸收过程第一节 概述一、吸收的用途及分类吸收分离过程是用一种适当的液体溶剂处理气体混合物中各组分分离的过程。吸收时所用的液体溶剂称为吸收剂。若气体吸收过程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很小，这种吸收称为单组分吸收。例如制氧工业中，将空气进行深冷分离之前，用碱液脱除其中的二氧化碳，以防止二氧化碳在低温下会结成干冰，堵塞设备和管道使深冷分离操作无法正常进行。当气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个，例如用油吸收法分离石油裂解气，除氢以外，其他组分都程度不同地从气相溶解到吸收剂中，这类吸收称为多组分吸收。根据讨论问题的方法和着眼点不同，吸收过程可以有多种
2、分类方法。 例如按照过程进行中有无伴随化学反应产生，可分为物理吸收和化学吸收；按照过程进行中有无显著的温度变化，可分为等温吸收和非等温吸收等等。被吸收的气体从吸收液中释放出来的过程称为解吸或蒸出，它是吸收的逆过程。在工业中进行的吸收过程是根据吸收剂与吸收质的价值而决定是否需进行解吸。有解吸的吸收过程，吸收剂能多次循环使用并可将被吸收的组分分离成纯组分。在伴有不可逆化学反应的吸收中，吸收剂不能用解吸方法再生，而须用化学方法再生。在化工生产中，吸收过程应用十分广泛。就其目的来说可分为以下几个方面 ：(1) 用液体吸收气体获得半成品。例如：用水吸收氯化氢制取盐酸；用水吸收甲醛蒸气制甲醛溶液；用水吸收
3、丙烯氨氧化反应气中的丙烯腈作为中间产品等。 (2)气体混合物的分离。此时所用的吸收剂应有较好的选择性，且常与解吸过程相结合，用以得到目的产物或回收其中一些组分。例如：石油裂解气的油吸收过程，可把碳二以上的组分与甲烷、氢分开；焦炉气的油吸收以回收苯以及用 N-甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来等。 (3) 气体的净化和精制。可分为两种情况，一种是除去在气体继续加工时所不允许有的杂质，即原料的预处理过程。例如用乙醇胺脱除石油裂解气或天然气中的硫化氢；用于合成氨生产的氮氢混合气中的 CO2和 CO 的净化以及在接触法生产硫酸中二氧化硫的干燥等。另一种是为了排放于大气中的废
4、气的净化过程。例如:烟道气除去 SO2的净化；液氯冷凝后的废气除去氯气的净化以及工业放空尾气中的氯化氢等各种有害气体如不脱除而直接排空，就会污染大气，威胁人民身体健康、腐蚀设备和建筑物，造成难以估量的损失。(4) 从气体混合物中回收有价值的组分。为了防止有价值组分的损失并污染环境，例如对气体中所含的易挥发性溶剂，如醇、酮、醚等进行回收。应当指出，对于气体混合物的分离、净化和有价值组分的回收，除用吸收方法外，还可采用其它方法如深度冷冻、精馏、吸附等方法，选择哪一种方法为宜，要从技术经济观点来权衡。通常当气体处理量较大，提取的组分不要求很完全时，吸收是最好的方法。二、 吸收的特点及有利条件吸收和精
5、馏同属传质过程。它们之间有很多共同的地方。多组分吸收的基本原理和单组分相同，但多组分吸收的计算以及吸收和解吸的组合方案既不同于单组分吸收又不同于多组分精馏，有着它们自己的特点：（1） 和只有一股进料的普通精馏塔不同，即使最简单的吸收塔也有塔顶（吸收剂）和塔底（混合气）两股进料，吸收塔基本上是一个复杂塔。（2） 精馏过程中有的物系可当作理想物系，在吸收中吸收剂与溶质的沸点差较大，有的甚至在临界温度以上进行吸收。是溶质的溶解过程，故不能视为理想系，气液关系比较复杂。（3） 精馏操作中，气液两相接触时，气相中的较重组分冷凝到液相中去，而液相中的较轻组分却被汽化而转入气相。因此，传质过程是在两个方向上
6、进行的。在考虑被分离混合物中各组分的分子汽化潜热相同的前提下，往往假定塔内的气相和液相是恒摩尔流。吸收过程一般为单相传质过程。因此，由进塔到出塔的气相（由下到上）流率逐渐减小，而液相（由上到下）流率不断增大。尤其是多组分吸收中，吸收量大，气、液相流率的变化也大，不能按恒摩尔流处理。（4） 气体中易溶组分溶到吸收剂中时，有熔解热效应，由于是单相传质，这一热效应就会使液相和气相的温度上升。上升的幅度和气体组分的溶入量有关，吸收塔温度变化主要取决于热量平衡，这使得吸收塔的温度分布比较复杂。而精馏过程中，往往可认为气相中较重组分冷凝时放出的热量，正好用来使液相中轻组分汽化，不会由于相变时的潜热而引起温
7、度的变化。至于每块板上由于组成变化而引起的温度变化，可用露点方程或泡点方程定出。图 5-1 吸收塔模型三、工艺流程1. 单纯吸收流程：当吸收剂与被吸收组分一起作为产品或者废液送出及吸收剂使用之后不需要解吸时，则该过程只有吸收塔而没有解吸塔。如水吸收氯化氢成为盐酸；石油裂解气用碱液吸收法脱 H2S。可分为单塔一次吸收和多塔串联吸收2. 吸收解吸法的工艺流程在气体混合物通过吸收方法将其分离为惰性气体和易溶气体两部分的情况下，一般均采用吸收解吸联合使用的分离方法。3. 采用吸收蒸出塔的过程利用吸收解吸法将气体混合物分为易溶气体和惰性气体两部分的方法，只适用于惰性气体在吸收剂中溶解度很小，可忽略不计的
8、情况。当吸收尾气中某些组分在吸收剂中也有一定的溶解度，运用一般吸收方法来进行分离时，这些组分必然也要被吸收剂吸收，这样很难达到预期的分离要求。因此，工业上采取吸收蒸出塔。实际上是吸收塔和精馏塔的提馏段组合在一起，原料气从塔中部进入进料口上部为吸收段，下部为提馏段（蒸出段）。吸收过程中，一般来讲塔顶不设冷凝器，塔底不设加热器。当吸收剂在吸收操作条件下较易挥发时，可以在惰性气体离开吸收塔后让其进入一个冷却器使吸收剂冷凝再回收。第二节 多组分吸收的计算典型的吸收流程如图所示。在多级逆流吸收中，富气由塔底进入，吸收剂从塔顶进入，经过吸收之后的贫气从塔顶离开，吸收液从塔釜离开。由于吸收是一个放热过程，因
9、此吸收剂和富气通常都在低于塔的平均操作温度下进入塔内。一. 吸收因子法1. 任一组分的相平衡关系可表示为yi=Kixi (51)式中 y i气相中组分 i 的摩尔分数xi液相中组分 i 的摩尔分数Ki组分的 K 因子由摩尔分数定义，有y=v/Vx=l/L代入（51）式可导得l= vVKLi（52）式中 l液相中组分 i 的摩尔流量L液相的（总）摩尔流量v气相中组分 i 的摩尔流量V气相的（总）摩尔流量令组分 i 的吸收因子为 AiKLAii(53)则相平衡关系可表示为l=Aiv （54）2. 对图 5-1 中的第 j 级作组分 i 的物料衡算有ij,i1,ji1,-jij, v-l（55）3.
10、 吸收因子和平衡级数的关联假定图所示的吸收塔的一块板均为一个平衡级，则对于组分 i 可由(54)和（55）导得：1j-jjjAvv（56）式中为表示方便，略去了下标 i。由（56）式，j=1 时，有1Avv02i1,由（54）式， ，代入上式得0l1lv021（57a）l0为吸收剂组分的摩尔流量。j=2 时，由（56）式可得1Av232将（7a）式代入上式，并简化得1l)v(21032（57b）同样的方法可导得 j=3 时有1AAl)v(v32321 0243 （57c）逐级向下，直到第 N 级，有（57d）1Al)v(v N3221 01-N21-N1-3-21N 对全塔进行物料衡算，有01
11、Nl-l（58）由（54）与（58）式可得N01Alv-（59）由（57d）与（59）式，消去 有Nv（510） 1AAvl- A- N32N3214N0 N3221N1N （510）式的左侧为组分 i 的吸收率，右侧包含该组分在吸收剂和富气中的摩尔流量及其在各平衡级上的吸收因子。该式关联了吸收率、吸收因子和平衡级数，称为汉顿（Horton）-富兰克林（Franklin）方程。该式是通用的关联式，根据计算中吸收因子取值方法的不同，就产生了不同的计算方法。二、平均吸收因子法1、 、A、N 的关系假定全塔各板的吸收因子 A 是相同的，即用全塔平均的吸收因子来代替各板 的吸收因子，此时式（510）可
12、进一步简化为：上式左端的分子表示气体中某组分通过吸收塔后实际被吸收的量，分母表示根据平衡关系计算的该组分最大可能吸收量，所以等式左端表明的是该组分通过吸收塔的相对吸收率 。式(5-12)表达了吸收率 、吸收因子 A 和理论板数 N 三者的)125.(.1Avl。l )15.(.Avl1.v.lN01N1N01N0 1N1N01N10 1N01N 一一一关系。A的确定(1) 平衡常数 m一般根据塔的平均温度计算m(2) V、L的确定方法 1N01N02讨论（1）若吸收液中不含溶质即由上式知此时相对吸收率和吸收率相等即（2）1N0 vv,l一一2-5Alg)一一-5（4）mmVL21.VL。Alg
13、1N一一一非关键组分的计算各组分的吸收是在同一塔板下进行的，故塔板数和操作条件相同。各组分的操作线斜率相等，则（3）该方法适用于贫气吸收，即L/V不太大，吸收量少的情况。 2、多组分吸收需考虑的问题（1）确定关键组分 （2）最小液气比（根据关键组分计算）N 时，由式（5-12）或由图5-1得A= 根据吸收因子的定义，可得出在最小液气比)145(.1A221e 2e12 )135(1Avl1。05NeeNN1 一一（5） 一一一一ii im,AVL1Niii三、有效吸收因子 1、基本思想 。05.,。N2 e一一 一一10-5A.1A 1Nee1NeN32N21 e 2.,如把式（5-10）等式
14、右侧第二项分子中各项分别乘以 ，并在分母乘以有效因子 ，再用有效因子 取代 21.,e21,e l .vlv1Ne10 e1Nee1N0N32241N0以有效吸收因子 取代式（5-10）等式右端第一项中的假设：对具有 N 块板的吸收塔，吸收过程主要是由塔顶和塔底两块板来完成。当吸收塔只有两块理论板时，用有效因子表示式（5-10）等式右侧第二项 则N1n111n321V.一以有效吸收因子 取代式（5-10）等式右端第一项 )15.(.5021A2ee221 一 7 6.1Ne1 为了计算有效吸收因子，就必须知道离开塔的顶板和底板的气、液相流率(即V1、L 1、V N、L N)和温度，这就需要预先
15、估计整个吸收过程的总吸收量，为此，采用以下两个假定来估计各板的流率和温度。(1) 各板的吸收率相同，即塔内任意相邻两板的气相流率的比值相等。18)(5 lnAR1gAvl125e eN0N11Ne 。四、非等温吸收 x1x23y1t23t非等温吸收分绝热吸收和非绝热吸收。如上图所示，因塔底气体浓度大，故液相浓度增加大，所以温度增加也大，故m也大，平衡线越陡。1x,t23,t0Nx321N0txNLVms第三节、解吸过程在气液两相系统中，当溶质组分的气相分压低于其溶液中该组分的气液平衡分压时，就会发生溶质组分从液相到气相的传质，这一过程叫做解吸。一、解吸的有利条件及应用解吸和吸收都是在推动力作用
16、下的气、液相间的物质传递过程，不同的是两者的传质方向相反，推动力的方向也相反。所以解吸被看作是吸收的逆过程，由此可得知，凡有利于吸收的条件对解吸都是不利的，而对吸收不利的条件对解吸则是有利的。由此可知温度增大，压强降低，L 减小，V 增大对解吸有利。解吸主要用天两个方面：1、用于回收吸收剂。2、获取被吸收的组分。二、解吸方法1、降压和负压解吸2、吸收剂作用下的解吸过程（1）使用惰性气体或贫气的解吸（2）直接蒸气解吸（3）间接蒸气加热解吸（4）多种方法结合解吸三、解吸过程的计算解吸和吸收的原理是相同的，吸收计算的吸收因子法、逐板计算法都可以引用于计算解吸过程，只是把表征过程的参数应结合解吸过程来
17、定义。在吸收过程中，用吸收率表示组分从气体中回收的程度；在解吸过程中则用解吸率(蒸出率)表示组分从液体中脱出的程度。在吸收过程中气相组分被吸收的难易和操作条件的关系是通过吸收因子来表示；而在解吸过程中液相组分被解吸的难易和操作条件的关系则是用解吸因子来表示。 1、定义第 N 板上组分的解吸因子为一1951SSlvlN32N214N0 3221 NN1N 01N01NCsl1SlnC01SlnMNe1Slv5.02SNee01N1e则用类似于式（5-10）的推导方法，可以导出各板解吸因子取全塔范围内的平均值，则式（5-19）可化为式中 C0-相对吸收率。其值等于解吸出来的组分量与在气体入口端达到相平衡时可以从溶液中解吸的该组分的最大量的比。由上式可得： 2、有效解吸因子应用与有效吸收因子的同样方法，用有效解吸因子代替解吸因子得：其中：
