【正文】 物理吸收工藝流程設(shè)計(jì)方案第1章 緒論 吸收技術(shù)概況在化工生產(chǎn)中,經(jīng)常要處理各種原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品。這些物料幾乎都是混合物,而且大部分都是均相物系,往往不能滿足生產(chǎn)要求,需要把它們分離成較為純凈的物質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)這種分離,常利用均相物系中不同組分的某種性質(zhì)差異,使其中的一種組分(或幾種組分),在分離設(shè)備所提供的兩相物系界面上,通過(guò)充分的接觸,從一相轉(zhuǎn)移到另一相,其它組分仍保留在原物系中,從而實(shí)現(xiàn)了分離。這種分離是物質(zhì)在相際間的轉(zhuǎn)移過(guò)程,即物質(zhì)傳遞過(guò)程,也是化工生產(chǎn)中的單元操作。吸收就是這種以物質(zhì)分離為目的的單元操作。吸收是用來(lái)分離氣體混合物的,是利用混合氣體中各組分在吸收劑中的溶解度的差異而實(shí)現(xiàn)分離的操作。在吸收過(guò)程中,混合氣體與合適的液體吸收劑在吸收設(shè)備中充分接觸,氣體中易溶解的組分被溶解,不能溶解的組分仍保留在氣相中,這樣混合氣體就實(shí)現(xiàn)了分離。吸收作為一種重要的物質(zhì)分離操作被廣泛地應(yīng)用在化工、石化等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。通過(guò)吸收可以回收混合氣體中的有用組分,例如用液態(tài)烴吸收石油裂解氣中的乙烯和丙烯,用洗油吸收焦?fàn)t煤氣中的芳烴物質(zhì),用硫酸處理焦?fàn)t氣以回收其中的氨等。還可以通過(guò)吸收除去混合氣體中的有害組分使其凈化,例如用水或堿液除去合成氨原料氣中的二氧化碳,用丙酮除去石油裂解氣中的乙炔,以及除去工業(yè)廢氣中的二氧化硫、硫化氫等有害物質(zhì)。有時(shí)還通過(guò)吸收來(lái)直接生產(chǎn)化工產(chǎn)品,例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸,用水吸收氯化氫以制取鹽酸,用水吸收甲醛以制取福爾馬林溶液等。吸收劑將混合氣體中溶質(zhì)組分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生產(chǎn)中常需要使溶質(zhì)從吸收后的溶液中重新釋放出來(lái),實(shí)現(xiàn)最終分離,而液相的吸收劑有可得以再生重新使用。這種使溶質(zhì)組分從溶液中脫出的過(guò)程稱為解吸,是吸收的逆過(guò)程,也是一種通過(guò)相際間傳質(zhì)而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的單元操作。在化工生產(chǎn)中,吸收和解吸是常用的聯(lián)合操作,共同構(gòu)成了一個(gè)完整的工藝流程。可用于吸收操作的設(shè)備種類很多，如填料塔、板式塔、噴灑塔等，工業(yè)上較多的使用填料塔。適用于吸收操作的設(shè)備同樣也適用于解吸操作。目前，解吸設(shè)備也多用填料塔。填料塔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造，尤其近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)填料的研究與開(kāi)發(fā)技術(shù)較快，一些性能優(yōu)良的新型填料不斷涌現(xiàn)，對(duì)大型填料的理論與應(yīng)用研究也不斷深入。所以，填料塔的應(yīng)用前景也將更加廣闊。 1813年Celler提出泡罩塔,1832年開(kāi)始用于釀造工業(yè)。1881年工業(yè)規(guī)模的填料塔開(kāi)始用于蒸餾操作,當(dāng)時(shí)的填料是碎磚瓦、小石塊和管子短節(jié)等。二十世紀(jì)初期,隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油化學(xué)工業(yè)的興起,塔設(shè)備被廣泛使用。當(dāng)時(shí)煉油工業(yè)多采用泡罩塔,無(wú)機(jī)工業(yè)以填料塔為主。二十世紀(jì)中期,為了適應(yīng)各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn),開(kāi)發(fā)了一些新型塔盤(pán),如條形泡罩塔盤(pán)、S形塔盤(pán)、篩板塔盤(pán)、浮閥塔盤(pán)、舌形塔盤(pán)等。這一時(shí)期填料塔也在瓷環(huán)填料被廣泛采用的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了鮑爾環(huán)填料、狄克松環(huán)填料、麥克馬洪填料、矩鞍形填料等。從六十年代起,隨著化學(xué)及煉油工業(yè)的大型發(fā)展,塔設(shè)備的單塔規(guī)模也隨之增大。直徑在10米以上的板式塔已經(jīng)出現(xiàn),塔板數(shù)多達(dá)上百塊,塔的高度達(dá)80余米,重量達(dá)幾百噸。填料聽(tīng)的最大直徑已達(dá)15米,高達(dá)100米。目前,我國(guó)常用的板式塔仍為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔和舌形塔盤(pán)塔。近年來(lái),開(kāi)發(fā)使用了斜孔塔盤(pán)、導(dǎo)向篩板、網(wǎng)孔塔盤(pán)、大孔篩板、浮閥篩板復(fù)合塔盤(pán)以及浮動(dòng)噴射塔板、旋流塔板等。填料塔所用填料,對(duì)于亂堆填料除拉西環(huán)、鮑爾環(huán)外,階梯環(huán)、金屬矩鞍環(huán)已大量采用。由于金屬絲網(wǎng)及金屬板波紋填料規(guī)整填料的使用,并配合新型塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)使填料塔的效率大為提高,因此應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。自從1914年出現(xiàn)拉西環(huán)填料以后，填料塔的發(fā)展進(jìn)入了科學(xué)的軌道。 1914年瓷質(zhì)拉西環(huán)的問(wèn)世,標(biāo)志著填料塔進(jìn)入了科學(xué)發(fā)展的年代。 1914年第一代有規(guī)填料拉西環(huán)（Raschingring）的出現(xiàn)，使填料塔的發(fā)展進(jìn)人了科學(xué)軌道。1914年Rachig環(huán)問(wèn)世,標(biāo)志著第一代亂堆填料的誕生,但實(shí)際生產(chǎn)效果仍沒(méi)有很大的提高,人們開(kāi)始意識(shí)到汽液分布性能對(duì)填料塔操作的重要性1937年斯特曼填料的出現(xiàn)，使填料和填料塔又進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期。 1950年后，填料塔進(jìn)入了緩慢發(fā)展時(shí)期，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，人們注意了對(duì)塔內(nèi)件的研究，力圖解決填料塔的放大問(wèn)題，但由于各種板式塔的出現(xiàn)及其成功應(yīng)用，使填料塔倍受冷落。 1950年 以后，填料塔進(jìn)入了緩慢發(fā)展時(shí)期，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，人們注意了塔內(nèi)件的研究，力圖解決填料塔的放大問(wèn)題，但由于各種板式塔的出現(xiàn)極其成功應(yīng)用，使填料 塔受到了冷落。 在1951年Danckwerts〔側(cè)針對(duì)滲透理論假定旋渦在界面上停留一個(gè)固定的時(shí)間的不合理性，特別對(duì)攪拌槽、亂堆填料塔、鼓泡塔、噴霧塔，其中的氣泡和液滴有較寬的尺度分布，對(duì)滲透理論進(jìn)行改進(jìn)，提出了表面更新理論。 1966年,用于分離水和重水的第一個(gè)蘇爾采填料塔在法國(guó)投產(chǎn)。自1966年世界上建立起莽一批網(wǎng)波填料塔以來(lái),十多年的實(shí)踐證明,風(fēng)波填料具有效率高、負(fù)荷大、壓降低、滯液星小、幾乎無(wú)放大效應(yīng)以及易于機(jī)械化加工等優(yōu)點(diǎn),因此其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。 1969年，Viviantl 將一個(gè)填料塔固定在大離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂上，首次測(cè)定了離心加速度對(duì)傳質(zhì)效率的 影響。 1970年，我國(guó)建成第一座金屬絲網(wǎng)波紋填料塔，20多年來(lái)估計(jì)有數(shù)百座金屬絲網(wǎng)波紋填料塔投人生產(chǎn)。 1971年Spaay等采用不同材質(zhì)、不同尺寸的拉西環(huán)較為詳盡地研究了脈沖填料塔的兩相流動(dòng)、軸向混合和傳質(zhì)特性，給出了特性速度、液滴直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 到1972年蘇爾采公司已建造了12個(gè)CY塹填料塔,并且已成功地運(yùn)轉(zhuǎn)著。 1972年以來(lái),以歐美為中心的世界硫酸制造所用的填料塔逐漸改換成陶瓷階梯環(huán),目前包括新建在內(nèi)其總數(shù)可達(dá)100座。 1977年Simonsl’吩紹了脈沖填料塔在己內(nèi)酚胺生產(chǎn)中的應(yīng)用，并提出脈沖填料塔的傳質(zhì)效率與塔徑和塔中是否存在反應(yīng)無(wú)關(guān)，因而具有易于放大的優(yōu)點(diǎn)。 1980年5月開(kāi)始進(jìn)行了階梯環(huán)填料塔的試驗(yàn),獲得成功。 1980年,Merchuk川曾將填料塔作為氧合器,對(duì)幾種較小尺寸的填料進(jìn)行了傳質(zhì)性能的測(cè)定,并進(jìn)行了血液氧合過(guò)程的嘗試川。 ,將上段的浮閥塔板改為充填英塔洛克斯金屬填料的填料塔。 1986年底大檢修時(shí),對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行了改造,用填料塔取代了浮閥塔。 1990年國(guó)家科委批準(zhǔn)在天津大學(xué)成立“新型填料塔及高效填料研究推廣中心”。 2001年杭氧、開(kāi)空、川空和中國(guó)空分設(shè)備公司等主要企業(yè)以填料塔、全精餾制氬、內(nèi)壓縮流程為代表的新一代大型空分設(shè)備占據(jù)了國(guó)內(nèi)2萬(wàn)m3／h以下空分設(shè)備市場(chǎng)，生產(chǎn)任務(wù)也都十分飽滿。 吸收塔是實(shí)現(xiàn)吸收操作的設(shè)備。按氣液相接觸形態(tài)分為三類。第一類是氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；第二類是液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、文氏管、噴霧塔；第三類為液體以膜狀運(yùn)動(dòng)與氣相進(jìn)行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收劑以塔頂加入自上而下流動(dòng)，與從下向上流動(dòng)的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤(rùn)濕性、耐腐蝕、一定的機(jī)械強(qiáng)度、密度小、價(jià)格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料，20世紀(jì)80年代后開(kāi)發(fā)的新型填料如QH—1型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進(jìn)的填料塔設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。填料塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過(guò)程，多用于氣體的凈化。該塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時(shí)間長(zhǎng)，氣量變化時(shí)塔的適應(yīng)性強(qiáng)，塔阻力小，壓力損失為300～700Pa，與板式塔相比處理風(fēng)量小，空塔氣速通常為0．5～1．2m/s，氣速過(guò)大會(huì)形成液泛，噴淋密度6～8m3／(m2，h)以保證填料潤(rùn)濕，液氣比控制在2～10L／m3。填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)克服塔內(nèi)氣液分布不均的問(wèn)題。用以進(jìn)行吸收操作的塔器。利用氣體混合物在液體吸收劑中溶解度的不同，使易溶的組分溶于吸收劑中，并與其他組分分離的過(guò)程稱為吸收。操作時(shí)，從塔頂噴淋的液體吸收劑與由塔底上升的氣體混合物在塔中各層填料或塔盤(pán)上密切接觸，以便進(jìn)行吸收。伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收叫化學(xué)吸收。按吸收時(shí)氣液作用方式吸收塔可分為表面式、膜式、噴淋式和鼓泡式等。 吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 吸收在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，大致分為以下幾種：（1） 原料氣的凈化 為除去原料氣所含的雜質(zhì)，吸收可以說(shuō)是最常用的方法。就雜質(zhì)的濃度來(lái)說(shuō)，多數(shù)很低，但因危害大而仍要求很高的凈化率，如煤氣中的H2S含量一般遠(yuǎn)低于1%（體積分?jǐn)?shù)），但凈化率仍要求高于90%；也有初始濃度相當(dāng)高的。（2） 有用組份的回收 如從焦?fàn)t煤氣中用水回收氨，再用洗油回收粗苯蒸汽，以及從某些干燥廢氣中回收有機(jī)溶劑蒸汽等。（3） 某些產(chǎn)品的制取 將氣體中需用的成分以指定的溶劑吸收出來(lái)，成分溶液態(tài)的產(chǎn)品或半成品。如甲醇（乙醇）蒸汽經(jīng)氧化后，用水吸收以制成甲醛（乙醛）辦成品等。（4） 廢棄的治理 很多工業(yè)廢氣中含有SONOx（主要是NO及NO2）、汞蒸汽等有害氣體成分，雖然濃度一般很低，但對(duì)人體和環(huán)境仍危害甚大而必須進(jìn)行處理。這類環(huán)境保護(hù)問(wèn)題在我國(guó)已愈來(lái)愈受到重視。選擇適當(dāng)?shù)墓に嚭腿軇┻M(jìn)行吸收，是廢氣治理中應(yīng)用較廣的方法。當(dāng)然，以上目的有時(shí)也難以截然分開(kāi)，如干燥廢氣中的有機(jī)溶劑，能回收下來(lái)就很有價(jià)值，任其排放則會(huì)污染大氣。 塔設(shè)備是化學(xué)工業(yè)、石